平整工序?qū)170P冷軋鋼板表面波紋度的影響

供稿|郭晶，燕際軍，張秀香 / GUO Jing, YAN Ji-jun, ZHANG Xiu-xiang

作者單位：本鋼板材股份有限公司研發(fā)院，遼寧 本溪 117000

內(nèi)容導(dǎo)讀對B170P鋼板進(jìn)行了不同平整工藝參數(shù)的處理，研究了平整工序?qū)ζ浔砻娌y度的影響，結(jié)合平整工序的表面波紋度測試結(jié)果，針對平整工序提出改善措施，以達(dá)到降低鋼板表面波紋度的目的。利用白光干涉的三維光學(xué)輪廓儀，在室溫、無凝結(jié)條件下，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，測量不同條件下的冷軋鋼板表面波紋度。通過大量取樣測試，在測試范圍內(nèi)，隨著平整延伸率的增加，波紋度Wsa1-5和Wa0.8以及粗糙度Ra的變化趨勢相同，都呈增加趨勢，呈正相關(guān)性；隨著工作輥周期的增加，波紋度Wsa1-5和Wa0.8以及粗糙度Ra的變化趨勢相同，都呈降低趨勢，呈負(fù)相關(guān)性。

隨著汽車行業(yè)涂裝工序向著水性免中涂工藝發(fā)展，汽車廠在改進(jìn)涂裝技術(shù)的同時對鋼板表面質(zhì)量要求越來越高[1-5]。免中涂工藝后，整個漆層外觀質(zhì)量容易產(chǎn)生橘皮、顆粒、鮮映性差等缺陷。因此，一方面要求汽車制造廠對汽車涂裝工藝和涂裝漆進(jìn)行更好的研究，另一方面要求鋼廠原材料必須具備更高的表面質(zhì)量。

鋼板表面質(zhì)量的高低與鋼板表面形貌有關(guān)。而冷軋鋼板的表面形貌由宏觀幾何形狀、表面粗糙度和波紋度組成。鋼板表面質(zhì)量的高低與鋼板表面形貌有關(guān)。表面波紋度作為表面形貌的一種，目前國內(nèi)外已經(jīng)有一些理論和實(shí)驗(yàn)研究的報道[6-11]。Clarysse研究了濾波方法，從而降低了表面波紋度的評定長度，提高了鋼板波紋度評定的可能性[12]。Onodera提出了一種用于低相干干涉測量的表面輪廓測量技術(shù)[13]。Mezghani等通過連續(xù)小波變換對涂膜表面形貌進(jìn)行多尺度表征，提出了一種表面形貌的由粗糙度到波紋度的多尺度表征技術(shù)[14]。國內(nèi)鋼鐵企業(yè)和汽車廠在波紋度測量方面做了相關(guān)的工作[15-20]。如寶鋼技術(shù)研究院研究了熱鍍鋅鋼板在變形過程中的表面波紋度的變化。首鋼技術(shù)研究院對冷軋薄板表面波紋度評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，分析了濾波方式以及測量長度對波紋度測量結(jié)果的影響。長春一汽公司研究了鋼板表面形貌對其沖壓時的成形性能和油漆后的外觀質(zhì)量的影響，研究結(jié)果表明表面粗糙度對油漆后表面質(zhì)量影響小而波紋度的影響較大，表面波紋度越大，油漆后鮮映性降低。東風(fēng)汽車公司總結(jié)出了一種方便有效指導(dǎo)具體操作的汽車用薄鋼板表面波紋度實(shí)驗(yàn)方法。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對表面波紋度進(jìn)行了大量的研究，但是為了指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)、降低鋼板表面波紋度而進(jìn)行測試分析鋼板表面波紋度Wa0.8和Wsa1-5的研究較少。本文以工業(yè)生產(chǎn)為基礎(chǔ)，采用白光干涉法測量B170P鋼板表面波紋度，實(shí)驗(yàn)研究了平整工序?qū)滠堜摪灞砻娌y度影響，通過測試不同平整工藝的鋼板的表面波紋度，得到影響規(guī)律，結(jié)合平整工序的波紋度測試結(jié)果，提出改善措施，有利于指導(dǎo)冷軋薄鋼板工業(yè)生產(chǎn)，降低鋼板表面波紋度，進(jìn)而提高涂裝工藝后漆層質(zhì)量，滿足汽車用戶需求，提升鋼板的競爭力。

實(shí)驗(yàn)材料及方法

以冷軋鋼板B170P為例，鋼板厚度為0.7 mm，冷軋薄鋼板試樣尺寸150 mm×100 mm，如圖1所示，測試方向與軋制方向相同，實(shí)驗(yàn)必須沿軋制方向進(jìn)行，至少準(zhǔn)備5個試樣進(jìn)行相關(guān)測試。

圖1 試樣尺寸示意圖

測試原理如圖2所示，照明光在從物鏡透射到樣品表面之前被分光鏡等分成兩束光。一束投射到了樣品表面，作為探測光，其路徑長度隨表面高度的變化而變動。另一束則投射到參考面，參考面通常為一個平整的鏡面，它的光路徑長度通過壓電驅(qū)動精密地監(jiān)控。以分光鏡為起始點(diǎn)，到參考面的光程被調(diào)整為與物鏡焦面的光程相等。從樣品表面和參考面分邊反射回來的兩束光在物鏡處相遇。如果這兩束光的光程差為零，相機(jī)采集的圖像上會出現(xiàn)干涉條紋。到參照面的光程差通常是固定的，通常可上下移動樣品來改變光程差從而改變干涉條紋的位置。條紋的變化與樣品表面各點(diǎn)的高度直接相關(guān)。通過Z方向的掃描來生成樣品的三維圖像。

圖2 白光相移干涉儀測量原理

試樣表面清潔無瑕疵和彎曲變形。抬高測量頭在安全高度，將樣品被測表面朝上，正確、平穩(wěn)、可靠地放在物品臺上；采用非接觸測量，利用白光為干涉光源，克服了單色光干涉法需單值解相的缺點(diǎn)，利用求解調(diào)制度的間接算法獲取被測試樣表面上各點(diǎn)的相對表面高度，繪出三維表面輪廓Z(x)。按照一汽大眾的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)PV1054:2015-02，評估表面波紋度的Wsa1-5(波長范圍1～5 mm的波紋度輪廓算術(shù)平均偏差)和Wa0.8(短波截止波長0.8 mm的波紋度輪廓算數(shù)平均偏差)。

Wa0.8評估：原始輪廓Z(x)，取樣長度lw=50 mm，水平方向經(jīng)過一次多項(xiàng)式處理，再經(jīng)過五次多項(xiàng)式擬合去除取樣長度內(nèi)的形狀誤差，利用高斯濾波器去除λc=0.8 mm短波部分，得到取樣長度內(nèi)的波紋度輪廓Zw(x)，如圖3所示，左側(cè)彩圖為測試鋼板的原始輪廓及評估過程中的輪廓，右側(cè)為截面線上的原始輪廓及評估過程的輪廓線，利用公式(1)計(jì)算波紋度參數(shù)。

圖3 冷軋板B170P表面輪廓及表面波紋度參數(shù)Wa0.8 的評估過程

表面波紋度Wa0.8的評定長度Ln由連續(xù)5個取樣長度lw組成，表面波紋度來自于每個取樣長度的平均計(jì)算值。

Wsa1-5評估：原始輪廓Z(x)，取樣長度lw=30 mm，水平方向經(jīng)過一次多項(xiàng)式處理后的表面輪廓，利用高速濾波器進(jìn)行低通濾波后的表面輪廓，波長λf=5 mm，去除運(yùn)行中及結(jié)束后波長λf/2 = 2.5 mm部分的表面輪廓，利用高斯濾波器(ISO 16610-21)去除λc=1 mm部分，得到取樣長度內(nèi)的波紋度輪廓Zw(x)。如圖4所示。左側(cè)彩圖為測試鋼板的原始輪廓及評估過程中的輪廓，右側(cè)為截面線上的原始輪廓及評估過程的輪廓線，利用公式(2)計(jì)算波紋度參數(shù)。

圖4 冷軋板B170P表面輪廓及表面波紋度參數(shù)Wsa1-5 的評估過程

結(jié)果與討論

平整延伸率影響

不同平整工藝參數(shù)條件下，通過測試B170P鋼種波紋度，選擇工況穩(wěn)定的工作輥周期。在相同5#機(jī)架工作輥周期內(nèi)(40～50 km)，通過大量取樣測試，得到冷軋鋼板B170P的表面波紋度參數(shù)Wsa1-5和Wa0.8。B170P鋼板表面波紋度參數(shù)隨著平整延伸率的變化如圖5所示。

圖5 平整延伸率對B170P表面波紋度影響規(guī)律

從圖中5可以看出，隨著平整延伸率從0.533%增加到0.685%，表面波紋度Wa0.8從0.294 μm增加到0.381 μm，增加了29.6%；波紋度參數(shù)Wsa1-5從0.19 μm增加到0.275 μm，增加了44.7%；粗糙度Ra從0.879 μm增加到1.15 μm，增加了30.8%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在測試平整延伸率范圍內(nèi)，隨著平整延伸率的增加，表面波紋度Wsa1-5和Wa0.8以及粗糙度Ra的變化趨勢相同，都呈增加趨勢，呈正相關(guān)性。

所謂的平整，就是指對經(jīng)過再結(jié)晶退火后的帶鋼以較小的變形量(0.5%～3%)進(jìn)行軋制，其目的是消除屈服平臺和輕微的板形波浪，同時保證在帶鋼具有一定的表面粗糙度。平整輥的表面除了粗糙度，波紋度也是客觀存在的。由于光學(xué)輪廓儀為臺式檢測，因此對于平整輥的波紋度檢測存在一定難度。在正常生產(chǎn)的平整工序條件下，在測試范圍內(nèi)，隨著平整延伸率的增加，轉(zhuǎn)印的粗糙度和波紋度占主導(dǎo)地位，將引起汽車鋼板粗糙度和表面波紋度的增加。此外，在生產(chǎn)工況穩(wěn)定的情況下，軋制設(shè)備能夠維持一個正常的低頻振動水平，隨著平整延伸率的增加，意味著軋制力增大，振動頻率恒定時，振幅增大，因此也導(dǎo)致更深的印痕，引起粗糙度和表面波紋度的增加。

平整工作輥周期

在正常連續(xù)生產(chǎn)工況條件下，在相同平整延伸率條件下測試工作輥周期范圍內(nèi)鋼卷的表面波紋度，通過測試B170P鋼種波紋度，整理鋼種表面波紋度參數(shù)與平整工作輥周期的數(shù)據(jù)關(guān)系，得到B170P鋼板表面波紋度參數(shù)隨著平整工作輥周期變化規(guī)律，如圖6所示。從圖6中可以看出，粗糙度受工作輥周期影響的變化幅度較大，而表面波紋度參數(shù)變化幅度相對較平緩。

圖6 平整工作輥周期對B170P鋼板表面波紋度影響

從圖中6可以看出，在正常生產(chǎn)工況條件下，測試工作輥周期范圍內(nèi)，隨著平整工作輥周期從5.261 km增加到88.45 km，表面波紋度Wa0.8從0.385 μm降低到0.291 μm，降低了24.41%；而波紋度參數(shù)Wsa1-5從0.293 μm降低到0.194 μm，降低了33.78%；粗糙度Ra從1.21 μm降低到0.8721 μm，降低了27.92%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，在測試范圍內(nèi)，隨著平整延伸率的增加，波紋度Wsa1-5和Wa0.8以及粗糙度Ra的變化趨勢相同，都呈降低趨勢，呈負(fù)相關(guān)性。這是因?yàn)檎Ｉa(chǎn)工況條件下，平整機(jī)外板工作輥粗糙度要求≤2.5 μm，隨著工作輥周期的增加，工作輥表面粗糙度和表面波紋度降低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)印的粗糙度和表面波紋度降低。

改善措施

平整工序中，測試得出隨著平整延伸率的增加，粗糙度和表面波紋度增加，因此在保證產(chǎn)品性能和滿足用戶表面粗糙度要求的前提下，盡量降低平整延伸率，即在生產(chǎn)中平整延伸率取下限。

在選擇平整工作輥時，保證產(chǎn)品性能和對用戶表面粗糙度要求的前提下，選用原始粗糙度較低的平整工作輥，這樣隨著平整工作輥的粗糙度轉(zhuǎn)印到鋼板表面，在工作輥初期，鋼板表面粗糙度和波紋度較低。隨著工作輥周期的增加，會得到更低的粗糙度和表面波紋度。同樣，對于汽車外板，由于對粗糙度和波紋度等要求較高，因此在滿足粗糙度和性能的前提下，應(yīng)該選在適當(dāng)?shù)墓ぷ鬏佒芷趦?nèi)進(jìn)行軋制。

結(jié)束語

在連續(xù)生產(chǎn)條件下，通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，得到平整工序?qū)滠堜摪錌170P的表面波紋度的影響規(guī)律：1)利用白光干涉原理，能夠準(zhǔn)確地測量冷軋薄鋼板表面波紋度參數(shù)Wsa1-5和Wa0.8。2)隨著平整延伸率增加，表面波紋度Wa0.8從0.294 μm增加到0.381 μm，Wsa1-5從0.19 μm增加到0.275 μm，說明隨著平整延伸率的增加，表面波紋度參數(shù)增加。3)隨著平整工作輥周期增加，表面波紋度Wa0.8從0.385 μm降低到0.291 μm，Wsa1-5從0.293 μm降低到0.194 μm，說明隨著平整輥周期增加，表面波紋度參數(shù)降低。