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年已被著名的美國物理學家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，1960年首次被成功制造。

科學家在電管中以光或電流的能量來撞擊某些晶體或原子易受激發(fā)的物質(zhì)，使其原子的電子達到受激發(fā)的高能量狀態(tài)，當這些電子要回復到平靜的低能量狀態(tài)時，原子就會射出光子，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)”，并且都朝同一個方前進，形成強烈而且集中朝向某個方向的光。激光幾乎是一種單色光波，頻率范圍極窄，又可在一個狹小的方向內(nèi)集中高能量，因為這一特性，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（或抽運）源（也稱泵浦源）和工作介質(zhì)（增益介質(zhì)）兩個部分。激勵是工作介質(zhì)吸收外來能量后激發(fā)到激發(fā)態(tài)，為實現(xiàn)并維持粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。激勵方式有光學激勵、電激勵、化學激勵和核能激勵等。工作介質(zhì)具有亞穩(wěn)能級是使受激輻射占主導地位，從而實現(xiàn)光放大。

常見的激勵源包括：光學激勵(光泵)、氣體放電激勵、化學激勵、核能激勵等四種。

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）、半導體和液體等。

1.3 激光的應(yīng)用

激光技術(shù)針對金屬和非金屬材料以及熱加工和冷加工均可應(yīng)用。熱加工金屬材料進行焊接，表面處理，生產(chǎn)合金，切割均極有利.冷加工則對光化學沉積，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)從上世紀九十年帶開始研究應(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，就是對軋輥表面進行的粗糙化處理,也叫打毛，以獲得很寬范圍的粗糙度指標。

用經(jīng)過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最初的軋機軋鋼生產(chǎn)和成品鋼板的深沖性能、涂妝等工藝性能影響極大。這是因為在沖壓成形過程中，毛化鋼板上的致密微小凹坑可均勻儲存潤滑劑，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，增強了油漆的附著能力。

2.2 毛化技術(shù)優(yōu)勢的機理

（1）表面釘扎強化，形成剛?cè)嵯酀膹秃辖Y(jié)構(gòu)，毛化坑位錯密度高，對滑移起了阻塞、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。

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

（4）提高涂鍍層強度與結(jié)合力：擴大了部件表面積（30%～70%）；減少鉻層與基體界面剪切力；毛化點高位錯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)的分類見表1。

噴丸毛化的毛化過程及結(jié)果是隨機且不均勻、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現(xiàn)。毛化過程中產(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)中長時間連續(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，只有德國和日本在進行半工業(yè)試驗，還未推廣進入工業(yè)化的實際應(yīng)用。

電火花毛化和激光毛化工藝得到的毛化點粗糙度范圍大，峰值密度大，均勻性好，毛化效率高，開始取代噴丸毛化技術(shù)。而激光毛化技術(shù)相對于電火花毛化技術(shù)，占地面積小，設(shè)備購置費用低，運行和維護費用小，作業(yè)時無廢油等排出，有利于環(huán)境保護，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，有利于沖壓成形時儲油和捕捉金屬碎屑，防止沖壓劃傷，保證沖壓零件表面光整，同時減少沖壓用油量，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)運動的軋輥表面，形成若干有序或無序排列的微小熔池，同時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自身熱傳導作用迅速冷卻，形成表面硬化的坑邊凸臺和微坑結(jié)構(gòu)。與此同時，光纖激光脈沖束在滑臺的帶動下以一定速度勻速沿軋輥軸向運動，在整個軋輥表面上形成若干有序或無序排列的相變質(zhì)點(毛化坑和坑邊凸臺)。在薄板軋制時，軋輥表面的凸臺部分轉(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)、半導體-YAG激光毛化系統(tǒng)和半導體-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)過程中的一些難點

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，鋁光箔通過后續(xù)的電化學腐蝕增加表面積、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，加之下游電化學腐蝕工藝對于鋁光箔的織構(gòu)的要求而需要在冷壓延過程中,尤其是成品道次的壓延過程中,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，甚至低于鋁軋機為防止軋輥間打滑而設(shè)置的最低限，這樣就會導致軋機卸荷停機，使軋制過程無法進行。

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行高真空、高溫度、長時間的退火過程，這一過程會導致鋁光箔出現(xiàn)“粘箔”的情況，在下游的生產(chǎn)過程中鋁箔會出現(xiàn)因掙脫“粘連”而造成的橫向皺褶,見圖3。

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

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

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

此外，鋁光箔下游的電化學腐蝕工藝對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)用的實踐和總結(jié)

自開始生產(chǎn)鋁光箔以來，我公司鋁箔產(chǎn)品與國外同類產(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”嚴重等缺點，導致產(chǎn)品品質(zhì)及成品率降低，而這些問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題對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)”來減輕鋼帶“退火粘連”的經(jīng)驗，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）在軋制過程中軋輥毛化面復印到產(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，軋制過程中軋制力小，容易導致板形不易控制的問題)，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腐蝕過程的進行，促進了電容器比容的提升。

4 結(jié)語

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)過程中嘗試應(yīng)用激光毛化技術(shù)開了領(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、軌道交通等領(lǐng)域的用途范圍不斷擴大，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］藍信鉅.激光技術(shù).科學出版社，2009.09.

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

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