汽车板表面毛化技术开发与应用

汪 磊，王能均，李 利，陈志强，梁博韬

（1.西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326；2.中铝材料应用研究院有限公司，北京 102200）

0 前言

普通的铝板带轧制表面粗糙度为0.3～0.5 μm，表面轧制纹理清晰。为了改善铝板的深冲性能、涂装性能和表面质量，在冷轧卷生产工艺中，需要对冷轧工作辊的辊面进行毛化处理，提高表面粗糙度，消除轧制纹理，从而轧制出满足用户特殊工艺要求的冷轧毛化表面。冲压成形过程中，毛化铝板上的致密微小凹坑可储存润滑剂，改善润滑条件。毛化铝板表面粗糙，可以有效增大与涂层之间的接触面积，增强油漆吸附能力和附着性。

各汽车主机厂对覆盖件材料表面粗糙度有不同的要求。MF表面Ra为0.3～0.6 μm。毛化表面，日/韩系车企对粗糙度要求在0.5～1.4 μm之间，个别企业要求范围更窄，通用汽车要求0.7～1.3 μm，也有车企仅要求控制峰值密度，对粗糙度限定范围较宽。

为降低涂装成本和有害物质排放，汽车车身的涂装工艺逐步采用先进的、低成本的、环保型的免中涂工艺。电泳层一般为16～20 μm，中涂层为30～40 μm，漆层为50～90 μm。免中涂工艺电泳后可直接喷漆。免中涂工艺整体膜厚变薄，基板覆盖性变差。同样的外观水平，免中涂工艺需要基板较低的粗糙度，波纹度和更高的RPc值，要求覆盖件材料表面状态可控。原有的仅控制粗糙度的毛化技术不能满足需求。一般免中涂工艺要求Ra<1.0 μm，RPc>75，Wca<0.5，表面纹理细密。汽车板表面形貌直接影响涂装后的光泽度、波纹度和鲜映性[1]。

1 轧辊毛化技术

1.1 电火花毛化

电火花毛化技术（Electrical Discharge Texturing，简称EDT）是电火花加工技术在轧辊毛化加工中的实际应用[2]。该技术的工作原理是将轧辊和电极浸没在绝缘的工作液中，并在轧辊和电极上施加一定幅值和频率的脉冲电压。当两者之间的间隙小到一定值时，脉冲电压使极间介质电离、击穿，形成放电通道，这时通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。于是在通道内、正极和负极表面分别成为瞬时热源，该瞬时高温（约20 000 ℃）使工作液汽化和金属材料熔化、汽化。汽化的气体体积不断向外膨胀，使大部分熔融金属液体和蒸气被排挤、抛出而进入工作液中，这样在轧辊表面就形成了一系列电蚀坑。随着放电的持续进行，轧辊沿一系列电极旋转，同时沿轴向运动，在轧辊上就可加工出有特定表面粗糙度Ra 和峰值数Pc （Peak Count）的毛化表面。

1.2 激光毛化

激光毛化（Laser Beam Texturing，简称LBT 或LT）是采用高能量密度（104～106 W·cm-2）、高重复频率（103～104次/s）的脉冲激光束，聚焦照射到作旋转运动的轧辊表面，以形成若干微小的小熔池，同时吹以一定角度的辅助气体对熔池溶融金属挤压造型[3]。其工作原理为当光脉冲作用停止后，微坑熔池金属在轧辊自身热传导作用下迅速冷却，形成微坑和坑边环形凸台结构的相边强化点。与此同时，激光器与轧辊作轴向相对运动，完成轧辊毛化。通过调节激光毛化工艺参数，如激光功率、脉冲频率、脉冲波形、辅助气体种类、方向和流量以及轧辊旋转速度等，可精确控制轧辊表面的毛化坑型及分布。

1.3 电火花与激光毛化比较

电火花和激光毛花比较情况见表1。

表1 电火花和激光毛化比较

图1 为电火花和激光毛化Ra和RPc调整关系图，黑线为EDT毛化时粗糙度与峰值数之间的关系，其可变范围沿黑线非常有限，RPc无法独立调整。灰色区域为激光毛化时所能达到的粗糙度与峰值数范围。粗糙度相同时，激光毛化的RPc可高于电火花60左右。

图1 电火花和激光毛化Ra和RPc调整关系

2 电火花毛化产品开发

2.1 工艺流程

电火花毛化技术的工艺流程为：热轧毛料→冷轧+预留毛化量→毛化→热处理。

2.2 转印率

表面粗糙度及微观形貌是通过轧辊在轧制过程中转印到带材表面的，也就是说轧制力是将轧辊表面粗糙度传递到带材上的动力，对带钢表面粗糙的形成起着至关重要的作用[4]。毛化板表面粗糙度转印率一般为40%～60%[5]，与合金、宽度、润滑条件、轧辊辊径、轧辊粗糙度衰减等因素相关。现场对不同合金、不同宽度，控制不同的轧制力，预留冷变形以控制成品的粗糙度。单位板宽上轧制力越小，转印率越低。轧辊表面粗糙度衰减>15%时需要考虑换辊。

2.3 毛化变形量

当压下率较低时，板材部分表面未发生变化，存在未压入花纹印的区域，整体毛化表面呈现不均匀性。当压下率较高时，板材表面花纹压入很深，出现了较多的凸出边界。存在紊乱和贯穿性擦痕，进而导致表面花纹的不规则。压下率存在临界值，Ra随压下率增大而增大。当压下率大于某一临界值时，Ra随压下率增大基本不变。

2.4 轧制速度

Ra随轧制速度增大而减小。

2.5 问题解决

采用普通四辊轧机毛化轧制时，易出现以下问题，需要对应解决。

（1）振痕。冷轧振痕与设备状态和轧制过程参数相关。低速、轧制力大、张力大可有效减轻甚至消除振痕，轧辊毛化里程与振痕相关。

（2）水波纹。压下率越大越易形成水波纹缺陷。

（3）粗糙度不均匀。使用初始辊形和弯辊会影响横向粗糙度分布。初始辊形为平辊时，横向粗糙度分布更均匀。

3 激光毛化产品开发

3.1 激光毛化设备

轧辊毛化设备包括床身、轧辊支架、头架、尾架、激光拖板等部分。图2为毛化坑点示例，激光毛化设备可毛化有序和无序毛化坑。可设计毛化坑尺寸和疏密。

图2 毛化坑点示例

激光毛化在轧辊和数字毛化头之间具有几毫米的距离，数字技术控制具有其能力和灵活性，粗糙度（Ra）和峰值数（RPc）相互之间相对的独立。表面毛化能够在轧辊实际毛化之前用计算机进行设计和数字模拟。数字毛化工艺控制了开关的开/关次数、毛化脉冲的时长以及用于轧辊表面复制所需毛化的能量。

3.2 小变形轧制设备

小变形冷轧毛化设备具有轧辊倾斜，工作辊正负弯辊，中间辊正负弯辊，中间辊在线轴向抽动与预设定，冷却液脉宽喷射，轧辊边部感应加热控制等功能。在小轧制力直接测量条件下，通过延伸率测量和双级压上油缸控制辊缝，可实现小轧制力毛化轧制。

3.3 产品开发

对采用激光毛化轧辊，专用小变形轧制设备轧制的毛化板材进行取样检测。在相同的轧制参数下，激光毛化板纹理较清晰（见图3 对比结果）。放大2倍，毛化点即清晰分明。较电火花毛化激光毛化点数量较多，RPc值较高，峰和谷的数量都要多一些。峰和谷的分界线更加分明。激光毛化的转印率更高，RPc转印率可提高10%以上，Ra转印率可提高5%以上。激光毛化均匀性略好，峰较尖锐，Sku值大于3，激光毛化偏斜度为负，谷较多更有利于存油和冲压。表2示出了两种技术的检测结果。

图3 激光毛化和电火花毛化对比

表2 对比检测结果

3.4 应用性能检测

（1）对比检测了电火花和激光毛化产品机械性能、成形极限等检测结果，发现差异很小。

（2）激光毛化表面摩擦系数较小，可能与材料凹谷占比较多有关。

（3）两种材料的胶接接头剥离形貌均为内聚剥离，胶接拉伸性能基本一致。

3.5 批次统计

对比激光和电火花毛化产品，激光毛化粗糙度均匀性、稳定性显著提升，轧制里程明显提升。经过小批量验证到批产应用，激光毛化表面可充分满足要求。

4 结论

（1）激光毛化毛化坑的直径、形状和深度可优化和设计，可在降低Ra的同时，提高RPc值，可降低轧制板表面波纹度。激光毛化毛化辊为负偏斜度时，可提高毛化点存油量，提高喷漆质量。

（2）毛化板轧制时，板宽上轧制力越小，转印率越低。毛化表面Ra随压下率增大而增大。当压下率大于某一临界值时，Ra随压下率增大基本不变。但压下率越大越易形成水波纹缺陷。

（3）通过应用性能对比检测分析，发现电火花和激光毛化产品的检测结果差异很小。激光毛化表面摩擦系数较小，与材料凹谷占比较多有关。两种材料的胶接接头剥离形貌均为内聚剥离，胶接拉伸性能基本一致。