激光毛化技術(shù)及其在電解電容器鋁光箔生產(chǎn)中的應(yīng)用

劉杰

（新疆眾和股份有限公司 烏魯木齊 830013）

1 激光原理及其應(yīng)用

1.1 原理

激光的原理早在1916年已被著名的美國(guó)物理學(xué)家愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，1960年首次被成功制造。

科學(xué)家在電管中以光或電流的能量來(lái)撞擊某些晶體或原子易受激發(fā)的物質(zhì)，使其原子的電子達(dá)到受激發(fā)的高能量狀態(tài)，當(dāng)這些電子要回復(fù)到平靜的低能量狀態(tài)時(shí)，原子就會(huì)射出光子，以放出多余的能量；而接著，這些被放出的光子又會(huì)撞擊其它原子，激發(fā)更多的原子產(chǎn)生光子，引發(fā)一連串的“連鎖反應(yīng)”，并且都朝同一個(gè)方前進(jìn)，形成強(qiáng)烈而且集中朝向某個(gè)方向的光。激光幾乎是一種單色光波，頻率范圍極窄，又可在一個(gè)狹小的方向內(nèi)集中高能量，因?yàn)檫@一特性，激光得以在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

1.2 激光器及原理及其分類

激光器是利用受激輻射原理使光在某些受激發(fā)的物質(zhì)中放大或振蕩發(fā)射的器件，各種激光器的基本工作原理均相同，有激勵(lì)（或抽運(yùn)）源（也稱泵浦源）和工作介質(zhì)（增益介質(zhì)）兩個(gè)部分。激勵(lì)是工作介質(zhì)吸收外來(lái)能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實(shí)現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。激勵(lì)方式有光學(xué)激勵(lì)、電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)和核能激勵(lì)等。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級(jí)是使受激輻射占主導(dǎo)地位，從而實(shí)現(xiàn)光放大。

常見(jiàn)的激勵(lì)源包括：光學(xué)激勵(lì)(光泵)、氣體放電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)、核能激勵(lì)等四種。

工作介質(zhì)則分為固體（晶體、玻璃）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導(dǎo)體和液體等。

1.3 激光的應(yīng)用

激光技術(shù)針對(duì)金屬和非金屬材料以及熱加工和冷加工均可應(yīng)用。熱加工金屬材料進(jìn)行焊接，表面處理，生產(chǎn)合金，切割均極有利.冷加工則對(duì)光化學(xué)沉積，激光快速成形技術(shù)，激光刻蝕，摻染和氧化都很合適。其中，激光技術(shù)應(yīng)用于鋼鐵軋輥表面的毛化處理的技術(shù)從上世紀(jì)九十年帶開(kāi)始研究應(yīng)用至今，得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

2 鋼鐵軋輥表面的激光毛化技術(shù)

2.1 鋼鐵軋輥的表面毛化處理

軋輥毛化，就是對(duì)軋輥表面進(jìn)行的粗糙化處理,也叫打毛，以獲得很寬范圍的粗糙度指標(biāo)。

用經(jīng)過(guò)表面毛化處理的軋輥軋制的毛化薄鋼板在制造業(yè)中有著極為廣泛的應(yīng)用，特別是在汽車(chē)和家電行業(yè)。毛化冷軋薄鋼板是由表面經(jīng)毛化處理的軋輥軋制而成。軋輥表面毛化的形貌特征對(duì)最初的軋機(jī)軋鋼生產(chǎn)和成品鋼板的深沖性能、涂妝等工藝性能影響極大。這是因?yàn)樵跊_壓成形過(guò)程中，毛化鋼板上的致密微小凹坑可均勻儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑，提高薄鋼板的深沖性能,產(chǎn)品的成品率大幅提高；同時(shí)毛化表面凹凸的形貌使鋼板表面增大了與涂料的接觸面積，增強(qiáng)了油漆的附著能力。

2.2 毛化技術(shù)優(yōu)勢(shì)的機(jī)理

（1）表面釘扎強(qiáng)化，形成剛?cè)嵯酀?jì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，毛化坑位錯(cuò)密度高，對(duì)滑移起了阻塞、彌散的作用，延緩微裂紋的萌生和發(fā)展，提高了深沖性能。設(shè)計(jì)微坑二維幾何分布，有可能調(diào)整釘扎方向性，減小板材的各向異性。

（2）毛化點(diǎn)還有減小輥面熱處理變形，減小殘余應(yīng)力集中，減少輥面剝落的優(yōu)點(diǎn)。

（3）在軋制過(guò)程中，毛化輥面改善板輥接觸咬合條件，可增大軋機(jī)壓下量和軋制速度，軋制中熔凝微坑儲(chǔ)油又利于板輥分離，減少粘連、劃傷，改善板形。

（4）提高涂鍍層強(qiáng)度與結(jié)合力：擴(kuò)大了部件表面積（30%～70%）；減少鉻層與基體界面剪切力；毛化點(diǎn)高位錯(cuò)密度有利于鍍層原子滲透。

2.3 軋輥毛化技術(shù)的分類

軋輥毛化技術(shù)的分類見(jiàn)表1。

噴丸毛化的毛化過(guò)程及結(jié)果是隨機(jī)且不均勻、不可控和難再現(xiàn)，所能得到軋輥表面粗糙度Ra的范圍在1～6μm之間，其他粗糙度值難以實(shí)現(xiàn)。毛化過(guò)程中產(chǎn)生的塑性變形主要依賴于噴丸顆粒與軋輥表面的相對(duì)硬度，這就限制了硬度高、耐磨性好的軋輥的應(yīng)用，所以噴丸毛化的軋輥不能滿足大工業(yè)生產(chǎn)中長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)軋制的工藝要求，已經(jīng)逐漸淘汰。

表1 軋輥毛化技術(shù)的分類表

電子束毛化時(shí)軋輥必須在高真空中旋轉(zhuǎn)，技術(shù)難、成本高，目前尚處于研究階段，只有德國(guó)和日本在進(jìn)行半工業(yè)試驗(yàn)，還未推廣進(jìn)入工業(yè)化的實(shí)際應(yīng)用。

電火花毛化和激光毛化工藝得到的毛化點(diǎn)粗糙度范圍大，峰值密度大，均勻性好，毛化效率高，開(kāi)始取代噴丸毛化技術(shù)。而激光毛化技術(shù)相對(duì)于電火花毛化技術(shù)，占地面積小，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用低，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用小，作業(yè)時(shí)無(wú)廢油等排出，有利于環(huán)境保護(hù)，節(jié)省三處理投資。激光毛化鋼板表面的小凹坑可根據(jù)工藝要求形成各種特殊形貌，有利于沖壓成形時(shí)儲(chǔ)油和捕捉金屬碎屑，防止沖壓劃傷，保證沖壓零件表面光整，同時(shí)減少?zèng)_壓用油量，與電火花等加工技術(shù)相比，深沖性能更為優(yōu)良。因此，激光毛化技術(shù)得到了更為廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展。

圖1 各種毛化技術(shù)軋制的鋼板的微觀形貌

4 激光毛化及不同技術(shù)的分析

軋輥在毛化加工之前，需經(jīng)磨床磨削加工，去除肉眼可見(jiàn)的全部缺陷，使軋輥表面粗糙度值Ra＝0.2～0.4μm范圍內(nèi)，且表面的粗糙度要均勻。然后采用高能量脈沖激光束聚焦照射在勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軋輥表面，形成若干有序或無(wú)序排列的微小熔池，同時(shí)輔以一定成分和壓力的氣體，沿某角度側(cè)吹熔池中的熔融金屬，使其按要求堆積到熔池邊緣。激光脈沖作用停止后，熔池熔融金屬靠軋輥?zhàn)陨頍醾鲗?dǎo)作用迅速冷卻，形成表面硬化的坑邊凸臺(tái)和微坑結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，光纖激光脈沖束在滑臺(tái)的帶動(dòng)下以一定速度勻速沿軋輥軸向運(yùn)動(dòng)，在整個(gè)軋輥表面上形成若干有序或無(wú)序排列的相變質(zhì)點(diǎn)(毛化坑和坑邊凸臺(tái))。在薄板軋制時(shí)，軋輥表面的凸臺(tái)部分轉(zhuǎn)印到薄板表面，并具有一定的粗糙度。

激光毛化技術(shù)從開(kāi)始研制發(fā)展至今，已經(jīng)成熟應(yīng)用的有CO2激光毛化系統(tǒng)、燈泵浦-YAG激光毛化系統(tǒng)、半導(dǎo)體-YAG激光毛化系統(tǒng)和半導(dǎo)體-光纖系統(tǒng)。

圖2 燈泵浦-YAG激光毛化系統(tǒng)原理圖

3 激光毛化技術(shù)在電解電容器鋁箔生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 電解電容器鋁箔及其生產(chǎn)過(guò)程中的一些難點(diǎn)

鋁電解電容器用鋁光箔是制造鋁電解電容器的基礎(chǔ)材料，由99.995%以上純度的高純電解鋁經(jīng)過(guò)板錠鑄造、熱壓延、冷壓延以及精整、熱處理生產(chǎn)而成，鋁光箔通過(guò)后續(xù)的電化學(xué)腐蝕增加表面積、化成形成致密氧化膜而制成電極箔，電極箔經(jīng)卷繞等制成電容器。

由于是用高純鋁作為原料，加之下游電化學(xué)腐蝕工藝對(duì)于鋁光箔的織構(gòu)的要求而需要在冷壓延過(guò)程中,尤其是成品道次的壓延過(guò)程中,采用小壓下量軋制，使得電解電容器鋁光箔的軋制里非常小，甚至低于鋁軋機(jī)為防止軋輥間打滑而設(shè)置的最低限，這樣就會(huì)導(dǎo)致軋機(jī)卸荷停機(jī)，使軋制過(guò)程無(wú)法進(jìn)行。

圖3 鋁光箔沾箔情況

此外，生產(chǎn)工藝要求在鋁光箔軋制完成后進(jìn)行高真空、高溫度、長(zhǎng)時(shí)間的退火過(guò)程，這一過(guò)程會(huì)導(dǎo)致鋁光箔出現(xiàn)“粘箔”的情況，在下游的生產(chǎn)過(guò)程中鋁箔會(huì)出現(xiàn)因掙脫“粘連”而造成的橫向皺褶,見(jiàn)圖3。

“沾箔”形成的皺褶會(huì)造成鋁箔在腐蝕過(guò)程中“打折”，最終在化成過(guò)程中出現(xiàn)橫向開(kāi)裂，因此屬于致命缺陷。

在進(jìn)行真空退火時(shí)，鋁箔表面含有的軋制油份等不能及時(shí)揮發(fā)，在高溫狀態(tài)下碳化，進(jìn)而將鋁箔層與層之間粘連在一起。

鋁箔表面粗糙度高時(shí)，箔卷的層與層之間有“縫隙”，其間的油膜在加熱時(shí)更容易揮發(fā)，不容易沾箔。

此外，鋁光箔下游的電化學(xué)腐蝕工藝對(duì)鋁箔表面的微觀形貌也提出了高粗糙度、高均勻性的要求，而這些僅僅依靠磨床的磨削不能完全滿足要求。

3.2 軋輥毛化技術(shù)在生產(chǎn)中應(yīng)用的實(shí)踐和總結(jié)

自開(kāi)始生產(chǎn)鋁光箔以來(lái)，我公司鋁箔產(chǎn)品與國(guó)外同類產(chǎn)品比較，存在表面微觀紋路不均勻和粗糙度不一致、板型差、“退火粘連”嚴(yán)重等缺點(diǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)及成品率降低，而這些問(wèn)題都與鋁箔表面微觀形貌有直接的關(guān)系。為了解決或降低上述問(wèn)題對(duì)我公司高壓箔的影響，我們借鑒鋼鐵行業(yè)廠在薄板生產(chǎn)中應(yīng)用“軋輥表面激光毛化處理技術(shù)”來(lái)減輕鋼帶“退火粘連”的經(jīng)驗(yàn)，率先在鋁箔加工行業(yè)應(yīng)用了軋輥表面激光毛化技術(shù)。

圖4 不同毛化技術(shù)的產(chǎn)品應(yīng)用圖

（1）在軋制過(guò)程中軋輥毛化面復(fù)印到產(chǎn)品表面后，產(chǎn)品表面外觀均勻，能穩(wěn)定保持工藝要求的粗糙度，提高和穩(wěn)定了軋制力（尤其是高壓產(chǎn)品使用非毛化輥時(shí)，軋制過(guò)程中軋制力小，容易導(dǎo)致板形不易控制的問(wèn)題)，便于板形控制，提高了板形質(zhì)量。

（2）毛化軋輥所軋制的產(chǎn)品表面微觀紋路的一致性和均勻性優(yōu)于非毛化軋輥軋制的產(chǎn)品表面，毛化點(diǎn)的存在使鋁箔卷的層與層之間有微觀的均勻“空隙”，從而有效減輕了鋁箔的“退火粘連”。

（3）激光毛化的熱處理效應(yīng)提高了軋輥表面硬度，延長(zhǎng)了軋輥的使用周期，提高了生產(chǎn)效率。

（4）激光毛化形成的特有微觀形貌有利于下游電化學(xué)腐蝕過(guò)程的進(jìn)行，促進(jìn)了電容器比容的提升。

4 結(jié)語(yǔ)

激光毛化技術(shù)在鋼鐵領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)于提升鋼板，尤其是冷軋薄板的綜合質(zhì)量發(fā)揮了很大的作用。

我公司在電解電容器鋁光箔的生產(chǎn)過(guò)程中嘗試應(yīng)用激光毛化技術(shù)開(kāi)了領(lǐng)域之先河。正如鋁板帶箔行業(yè)的很多生產(chǎn)技術(shù)都是源自鋼鐵行業(yè)一樣，隨著鋁板帶箔產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，尤其是在航空、汽車(chē)、軌道交通等領(lǐng)域的用途范圍不斷擴(kuò)大，激光毛化技術(shù)必將在鋁板帶箔生產(chǎn)行業(yè)發(fā)揮更大的作用。

［1］藍(lán)信鉅.激光技術(shù).科學(xué)出版社，2009.09.

［2］梁海姣.光纖激光軋輥毛化工藝研究.蘭州理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.5.

［3］毛衛(wèi)民,何業(yè)東.電容器鋁箔加工的材料學(xué)原理.高等教育出版社，2012.5.