鋁板激光無序毛化技術可行性初探

王能均

（西南鋁業(yè)（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

當前車身用鋁板表面主要分為光面板（MF板）和電火花毛化板（EDT 板）。與MF 板相比，EDT板表面具有較高的表面粗糙度和峰值密度，粗糙度提高2～3 倍，進而改善了板材的沖壓潤滑性能和掛漆性能[1,2]，沖壓成形性更優(yōu)，且表面無明顯的加工紋路，涂漆后外觀更均勻，是一種非常重要的車身用板材。EDT毛化鋁板已在寶馬、大眾、奔馳、通用、克萊斯勒以及特斯拉等主要汽車制造商的眾多車型鋁制外觀件上得到了廣泛應用。

為了獲得EDT 毛化板，需采用特殊的軋制工藝。當前傳統(tǒng)工藝為通過電火花放電獲得具有毛化表面的軋輥，然后將毛化后的軋輥表面狀態(tài)（如粗糙度、峰值密度數(shù)、以及形貌等），通過采用適當?shù)能堉乒に?，“復制”到鋁板表面，從而實現(xiàn)鋁板的“毛化”。因為電火花放電的無序性，因此鋁板最終形貌也呈現(xiàn)“無序”特征，其技術實現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的EDT電火花毛化技術實現(xiàn)

目前采用的電火花毛化技術已經(jīng)應用多年，技術成熟度高，但采用該技術在提高粗糙度的同時會降低峰值密度數(shù)，兩個參數(shù)存在一定的關聯(lián)性。隨著市場對板材粗糙度、峰值密度數(shù)值要求的逐漸提高，電火花毛化技術雖經(jīng)過多種技術升級，但仍不能完美解決市場對高粗糙度、高峰值密度數(shù)的需求[3-5]。而激光無序毛化技術是一種新型技術[6，7]，理論上可以很好地改善粗糙度和峰值密度數(shù)之間的關聯(lián)性，在提高粗糙度的同時可進一步提高峰值密度數(shù)。

據(jù)了解，國外某鋁廠已經(jīng)在激光無序毛化技術和鋁制產(chǎn)品方面進行了布局，且目前在汽車行業(yè)已有成熟應用案例[8-9]。而國內的激光毛化更多用于有序毛化，產(chǎn)品應用領域集中在家電行業(yè)，材料多為鋼材。國內的武漢華工激光設備有限公司對激光無序毛化技術進行了較為深入的研究。我公司在該單位的技術支持下，首次在國內對鋁板進行了工業(yè)化試生產(chǎn)，同時對激光無序毛化技術和應用前景進行了初步探討。

2 軋輥電火花毛化和激光毛化的區(qū)別

電火花放電原理：脈沖電源的一極接工具電極，另一極接工件電極，兩極均浸入具有一定絕緣度的液體介質（常用煤油或礦物油或去離子水）中。工具與工件在正常加工時維持很小的放電間隙（0.01～0.05mm），脈沖電壓加到兩極之間。

電場使得兩極產(chǎn)生電子發(fā)射，同時介質中的正離子與電子發(fā)射方向相反而產(chǎn)生碰撞，積累碰撞使得介質發(fā)生電離，建立電離通道。脈沖電源通過電離通道釋放能量（能量密度≤107W/mm2），導致放電點溫度急劇升高，電離通道處產(chǎn)生爆炸性的熔化和氣化，同時拋離該處，在工件對應位置形成一個“小凹坑”[10-12]，從而獲得一定的表面粗糙度和峰值密度。因電火花放電的隨機特性，使得工件表面的“凹坑”也無序分布，最終實現(xiàn)無序毛化。典型電火花工件表面形貌見圖2。

圖2 模具鋼電火花加工表面形貌

激光毛化原理：激光發(fā)生器受激產(chǎn)生高能量密度光子束，光子束照射到工件表面，工件吸收光子束后，材料晶格發(fā)生熱振蕩傳輸能量。當材料受震蕩加熱達到一定溫度后發(fā)生熔化和氣化，氣液兩相在光子束附近產(chǎn)生等離子體，引起沖擊波濺出。激光的加熱速率和冷卻速率都極快，分別可達到105K/s～106K/s 和105K/s[13-15]。因此激光停止作用后，材料迅速冷卻[16，17]，并在材料表面相應位置也形成“小凹坑”，從而獲得一定的表面粗糙度和峰值密度。同時，可以通過編程控制激光束的照射位置來控制工件表面凹坑的形貌，最終獲得有序或者無序的表面。典型的激光毛化表面形貌見圖3。

圖3 國產(chǎn)激光毛化軋輥表面形貌

對比電火花毛化和激光毛化原理發(fā)現(xiàn)，激光毛化較電火花毛化能量密度低，且激光毛化的熔池較大，但激光毛化可以使毛化處組織發(fā)生一定的改變，在激冷條件下得到高強組織，可增強表面。兩種毛化方式特點見表1。

表1 電火花毛化和激光毛化特點對比

通過以上對比可知，激光毛化技術理論上可以實現(xiàn)電火花毛化的要求。因此，本文設計了試制方案，對其工藝可行性進行了初步嘗試。

3 實驗材料和方法

與電火花毛化相比，激光毛化在粗糙度Ra 和峰值密度數(shù)Rpc的控制上差異明顯。因此本實驗盡可能對電火花毛化不能達到的參數(shù)范圍進行激光無序毛化調試。在同軋輥凸度條件下對軋輥進行激光毛化，并在相同工藝下軋制鋁板，對比了不同軋輥毛化工藝對6系鋁合金板毛化板材的粗糙度、峰值密度和表面形貌的影響，并與典型的電火花毛化表面進行了比較。毛化前軋輥表面要求見表2。

表2 軋輥表面及毛化要求

3.1 軋輥表面對比

方案1 和方案2 中的軋輥經(jīng)激光毛化后，其實際激光毛化粗糙度存在差異，結果如表3 和圖4 所示，表面形貌對比見圖5。

表3 方案1和方案2激光毛化軋輥峰值數(shù)結果

圖4 不同方案的軋輥粗糙度和峰值密度實測值

可見，方案1的軋輥粗糙度、峰值密度在數(shù)值和均勻性方面均較差，而方案2 的均勻性得到改善，且峰值數(shù)在140 左右波動，達到了預期的目標。從軋輥形貌來看，方案1 和方案2 均達到了“無序”表面的要求，但方案2的毛化面積更大。

圖5 毛化軋輥表面形貌對比

3.2 鋁板表面粗糙度和峰值密度

方案1、方案2中的軋輥經(jīng)激光毛化后，按相同的軋制工藝在鋁板上進行形貌“復制”。最終兩種方案獲得的鋁板表面粗糙度結果見表4和圖6，表面形貌見圖7。

表4 激光毛化板材粗糙度

圖6 方案1和方案2峰值數(shù)對比

圖7 不同毛化方案的板材表面形貌對比

從毛化形貌可以看出，激光毛化可以實現(xiàn)較好的粗糙度和峰值密度數(shù)的匹配。3D 形貌觀察結果表明，與電火花毛化表面相比，激光毛化表面呈現(xiàn)出環(huán)形封閉的凹坑，這種形貌更有利于沖壓成形性和掛漆能力的改善。

4 結論

本實驗方案2獲得的鋁板毛化表面呈現(xiàn)無序隨機形貌，符合汽車行業(yè)對鋁板無序外觀的表面要求，峰值密度數(shù)較傳統(tǒng)的電火花表面高20%。從技術層面上講，本文驗證了激光毛化技術在表面粗糙度和峰值密度數(shù)的關聯(lián)匹配方面更具優(yōu)勢，該技術在鋁板應用市場，尤其是汽車用鋁板市場，具有較高的推廣價值。

同時，本次毛化實驗也是國內鋁板激光無序毛化的一次初步嘗試，當前的毛化技術還不夠穩(wěn)定，會出現(xiàn)如方案1中粗糙度、峰值密度數(shù)不均勻等問題。因此，如何快速提升毛化質量的穩(wěn)定性是該技術當前亟待解決的重點問題。

該技術能否取代傳統(tǒng)的電火花毛化技術或者相互共存以及技術成熟應用時間點等暫不明朗，但隨著激光無序毛化技術的升級，以及鋁材供應商、汽車主機廠主動做出相應的技術嘗試，相信在未來一段時間內，該技術的推廣會逐漸加速。