科学研究：

多年来，杨明江研究员及其科技团队坚持技术创新，应用激光毛化对材料表面改性的机理，将激光毛化技术开拓到陶瓷印刷辊的刻蚀，并开发出我国第一台大型陶瓷印刷辊刻蚀装备，打破了国外的技术垄断；与北京奔驰合作，开发出汽车发动机激光珩磨节油减排技术；在国家高速铁路支撑计划中，提出了轮、轨表面高重频、离散分布改性技术，改善轮轨粘着系数，减小疲劳磨损的技术方法，受到铁道部有关部门重视，获立项支持，并提出加快该技术在我国重载铁路上的应用。自1991年至今，在杨明江研究员的带领下，中国科学院力学研究所激光毛化中心以国家需求为创新动力，立足于严谨的科学态度和细致的科学分析，坚持开展实验研究，持之以恒，坚韧不拔，使激光化技术从钢铁冷轧板专用技术发展到国民经济多行业的应用，走出了中国特色的YAG激光毛化技术创新之路。

激光毛化冷轧辊技术是20世纪80年代后期在世界上出现的生产优质冷轧薄纲板的新技术。杨明江根据我国激光发展水平和企业的经济状况，没有简单走国外昂贵复杂的CO2激光毛化技术路线，经过严格的理论计算和实验，敢于创新，主选了YAG激光毛化方案。他们研究出特殊的高重频声—光波形调制技术，减小了初始激光等离子体羽对后续激光的屏蔽损耗，成倍地提高了激光毛化效果，在世界上首次实现了YAG激光在工厂大规模生产应用，使我国成为在世界上继比利时、德国、日本之后，第四个掌握激光毛化技术并用于生产的国家。十年来，我国大中小型纲厂应用YAG激光毛化技术已生产出近百万吨优质冷轧薄板和精密带纲，实现产值近40亿元。激光毛化板带深冲性能好，涂镀性能优良，已广泛用于汽车、家电、电子、轻工产品。

1997年，他们在激光毛化技术中首次实现了微坑可设定式二维分布毛化，用于减小板材由于轧制引起的延伸率各向导性，开发出新型的亚光铝板箔，使毛化铝板箔沿00和00轧制方向的延伸率偏差减小20%。以上，这项技术应用还未见国外报道。1999年，他们应用可控分布毛化技术为广州研制出我国第一台印刷包装业大型陶瓷网纹辊激光粗密刻蚀装备，为改变我国陶瓷网纹辊主要依靠出口加工的局面做出了贡献。

2000年以来，他们牢记“科教兴国”的宗旨，关注各行业技改的需要，坚持一断技术创新，使YAG激光毛化从钢铁工业的应用开拓到国民经济、军工多个行业，主要有：700—1000℃热轧辊激光毛化—强化技术开发和中试；军工重要部件提高镀铬层结合力和铬层强度处理技术；内燃机缸体和其它重载摩擦部件表面激光刻蚀形貌减小摩擦，改善润滑的技术等等。YAG激光毛化技术进入了二次创新的发展阶段，一种以高重频脉冲激光为特点的材料表面造形强化改性新技术逐步形成。

YAG激光毛化技术介绍：

前 言

YAG激光毛化技术是中国科学院力学研究所自主研发的、是国家“八五”、“九五”科技攻关和中国科学院“九五”重大项目成果，拥有自主知识产权，1997年获中国专利局和世界知识产权组织联合颁发的“中国专利发明创造金奖”，2007年获得国家科技发明二等奖。　

我国的YAG激光毛化技术研究开始于1990年。中国科学院力学研究所杨明江研究员带领的科研队伍，针对YAG激光毛化冷轧辊技术及装备进行攻关，1994年10月，研制成功第一台YAG激光毛化冷轧辊装备用于天津冷轧薄板厂规模生产。多年以来力学所已售出20多套YAG激光毛化冷轧辊成套装备在工厂运行，标志着我国在激光毛化技术研究和应用方面已进入世界先进行列。

力学所YAG激光毛化设备及加工方法已经成熟运用在钢铁冶金的精密带钢、冷轧薄板、镀锌板、镀锡板、不锈钢板带的生产上。激光毛化能够提高轧辊使用寿命、减少辊耗、克服退火粘连，对板、带能够提高产品冲压性能、改善表面涂镀附着力，增加光亮度，改善板型等。

技术简介

优质冷轧薄板带表面都需要有均匀的表面粗糙度，这是要通过轧辊毛化来实现的。

YAG激光毛化是通过特殊的声光调制将连续的YAG激光转化为高重频脉冲激光束，然后聚焦到旋转轧辊表面，以形成分布均匀的带熔凝凸台微坑来实现辊面毛化。

技术特点： 

■ 高重频脉冲激光波形调制技术 

■ 二维可控分布毛化技术（及图形刻蚀技术） 

■ 全随机分布毛化技术 

■ 辊面自动对焦系统

可控分布板                             半随机分布

 

全随机分布板面

陶瓷网纹辊

轧辊毛化技术指标：

■ 毛化粗糙度：Ra= 0.5-6.0µm 

■ 毛化密度：(3×3)-(9×9)/mm2 

■ 毛化频率：5-25 kHz 

■ 设备可三班连续工作

YAG激光毛化冷轧辊扎装备

大型激光毛化设备主要用于年产50万吨以上冷轧板材的钢铁企业，中型激光毛化设备主要用于年产20～50万吨冷轧板、带的中型钢铁企业，小型激光毛化设备主要用于年产20万吨以下冷轧板材的中小型钢铁企业。

以大型激光毛化设备为例，其具体参数为： 　

1、可毛化轧辊最大尺寸： 　 　辊径：650mm，辊面宽：2500mm，全辊长度：5000mm，辊重：6t； 　

2、辊面可毛化粗糙度范围：Ra=0.5～6.0μm（可调）； 　

3、辊面毛化点密度：线密度：3～9点/mm或面密度：9～81点/ mm2（可调）； 　

4、毛化点凸台硬度：Hv≥850；

5、激光器基本性能参数： 　　

　　波长：1.06μm； 　　

　　输出连续功率：400W，功率不稳定度＜3%； 　　

　　调制频率范围：5～25kHz可调 　

6、毛化点可控分布 ，有序及随机分布，辊面跟踪控制功能。

7、设备总重：12t 　

　　设备占地面积：60m2 　

　　工作环境温度：0℃～45℃； 　

　　毛化能力：可每天三班连续工作。

中型激光毛化设备 ：　

　　可毛化轧辊最大尺寸： 　　

　　辊径：450mm，辊面宽：1600mm，全辊长度：5000mm，辊重：5t；

小型激光毛化设备 ：

　　可毛化轧辊最大尺寸： 　　

　　辊径：<300mm，辊面宽：1500mm，全辊长度：3000mm，辊重：3t；

针对不同的设备需求，具体技术参数可以根据实际需要调节。

毛化产品及效果

1、应用产品：

钢铁工业：冷轧毛化薄钢板（带）（厚0.4-1.2㎜）　　　　　

　　　　　毛化精密带钢（厚0.04-0.35㎜）

有色冶金：亚光铝、铜板、不锈钢带（厚0.1-1.0㎜）　　　　　

　　　　　亚光铝、铜箔（厚0.007-0.040㎜）

　　　　　特种合金板带毛化。

2、应用效果

●钢铁冷轧薄板（带）：（厚0.04—1.2mm）

激光毛化轧辊优点： 激光毛化板（带）优点：

毛化粗糙度均匀可控 　提高板带延伸率，

克服板带退火粘连 深冲性能好

减少辊面残余应力，集中减少表面剥落 　　　　　　　涂镀层附着力强，

可加大轧辊制压下量， 涂漆光亮度高

增加轧板速度 　改善板（带）焊接性能

使用寿命比喷丸辊长 　　　　　　　有效改善板形，减少表面划伤

有色冶金（铝、铜、板带箔）优点：

已开发出新型亚光（anti-reflected）铝板箔产品（板厚0.2-1.0mm，箔厚15-100µm）。

毛面铝箔粘胶结合力好，不起皱。

可减少板箔延伸率级差（0°和90°方向）

改善板面质量，克服表面划伤和布丝、松枝纹缺陷

毛化辊使用寿命长，可减少轧制道次，提高生产效率。

毛化新应用开拓

近年来，通过YAG激光毛化二次创新研发，YAG激光毛化正从钢铁冷轧薄板专用技术，向国民经济、军工多行业应用拓展，解决疲劳磨损，摩擦润滑，涂镀层结合力，发展一种以高重频脉脉冲离散分布式形貌处理为主要特征的新型激光加工技术，对材料表面实现造形（形貌和分布）改性应用。

●印刷包装大型陶瓷网纹辊刻蚀

●大型轴类机械部件的毛化强化 

●发动机减阻润滑

●热轧线材辊毛化强化

●面粉加工生产线磨辊毛化

●热镀锌线小锌花、无锌花板生产

●机车轮轨改性

冷轧辊毛化新进展：

（一）印刷陶瓷网纹辊激光刻蚀 

该技术工艺要求高，力学所已在深圳进行40根辊试验，在广州的一家企业应用了第一台YAG激光刻辊设备。

（二）内燃机节能减排：激光珩磨技术

我国年产汽车1000万辆，拥有汽车2亿辆 ，对汽车节油减排的需求越来越迫切。力学所采用分布微坑式替代沟槽式加工新工艺的激光珩磨技术，经初步台架实验：

动力性实验，扭矩升高4.22%，功率升高3.74%； 

缸体磨损量：富油区降低80%，贫油区降低34%， 活塞环降低50%。

用分布微坑(毛化)替代沟槽式刻蚀，可有效增加发动机动力性能，降低排放！加工速度快，参数可控，易工程化、产业化。

（三）机车轮轨增粘 

通过原始性技术创新，利用激光、放电“毛化”，对轮轨表面进行非均匀改性，通过毛化处理，增粘着，可有效防止雨雪天打滑、空转，同时加强耐疲劳磨损。

（四）热轧辊强化 

热轧辊强化可在高温(>700℃)工作环境恶劣条件下，对轧辊进行强化处理，抑制热疲劳开裂，减小磨损，换辊周期提高50%，提高寿命。

初试：线材辊(850-1050℃)

（五）薄板高速焊接

镀铬薄板(厚0.18-0.27mm)是替代镀锡板的产品新星。由于铬层高熔点(1920℃)，现有制罐厂生产线电阻焊不能保证焊接质量和生产速度(30-60m/min)。力学所在已有研究的基础上，开展针对高熔点镀层薄板激光焊，激光高速焊新技术，焊缝质量可以达到产品要求，国际领先。

焊接设备

圆筒焊接                        制罐

（六）部件涂镀层

先进制造中，各类涂镀层被广泛应用，提高涂镀层结合力，防止镀层过早剥落需求强烈。

应用表明：

1.激光毛化板可减少汽车外覆件涂漆道次，提高涂漆光亮度（DOI）；

2.激光毛化镀层板（镀锌、锡、铬、铝等）镀层结合力强；

3.抗烧蚀镀层结合力提高2.8倍。

毛化镀铬                                         磨光镀铬

毛化表面的微细波浪形结构，可增大镀层-基体界面抗剪切能力。

YAG激光毛化从冷轧辊专用技术拓宽到多行业应用！

获奖情况

年度　　　　获奖名称　　　　　　　　　　　　　　颁发单位

1994　　　　中国科学院科技进步一等奖　　　　　　中国科学院

1996　　　　国家“八五”科技攻关重大科技成果　　国家计委、国家科委、财政部

1997　　　　“八五”国家技术创新优秀项目奖　　　国家经贸委

1997　　　　中国专利发明创造金奖　　　　　　　　国家专利局、世界知识产权组织

2001　　　　“九五”国家技术创新优秀项目奖　　　国家经贸委

2007　　　　国家科技发明二等奖　　　　　　　　　国务院

该技术共有发明专利、实用新型以及已受理的专利近20项。

获得中国专利发明创造金奖

论文专著：

1. 高重频调制多脉冲YAG激光刻花系统及加工方法 杨明江 陈光南 吴坚 王旭 李重 刘天化 中国科学院力学研究所;北京吉普汽车有限公司;首都钢铁总公司;中国大恒公司 发表时间:1993-08-18

2. 表面带有特殊形貌与图案的冷轧薄钢板及其生产方法 陈光南 杨明江 林斌 纪全 中国科学院力学研究所 发表时间:1994-06-15

3. 用于改善冷轧薄钢板使用性能的平整工作轧辊 陈光南 杨明江 孙传香 吴坚 中国科学院力学研究所 发表时间:1994-11-23

4. 用于解决薄钢板热处理退火粘结问题的冷轧工作辊 陈光南 杨明江 吴坚 王瑞林 中国科学院力学研究所 发表时间:1994-11-23

5. 一种表面带有特殊形貌与图案的冷轧薄钢板 朱怀清 陈光南 聂德钧 杨明江 胡守刚 林斌 中国科学院力学研究所 发表时间:1995-01-18

6. 用于轧辊表面毛化的激光加工设备 吴坚 杨明江 李旭昌 周云 王瑞林 孙传香 ... 中国科学院力学研究所 发表时间:1995-10-04

7. 一种可控分布YAG激光毛化机床数控系统 王红才 杨明江 计算机自动测量与控制 2001年 第03期

8. 一种用于激光加工系统中具有等光程的运动式导光装置 王红才 杨明江 韩延良 中国科学院力学研究所 发表时间:2002-01-30

9. 一种对热轧辊采用高频脉冲激光强化的装置 彭林华 杨明江 中国科学院力学研究所 发表时间:2002-03-06

10. 用于辊类表面毛化的具有可控分布毛化点的激光加工装置 王红才 杨明江 中国科学院力学研究所 发表时间 :2002-03-06

11. 激光诱导放电打孔实验研究 王之桐 杨明江 应用激光 2002年 第01期

12. YAG激光毛化技术进展 杨明江 彭林华 李正阳 应用激光 2002年 第03期

13. 激光诱导放电加工中的延时放电现象实验研究 王之桐 杨明江 激光杂志 2002年 第02期

14. 先进高重频激光处理对镀铬层结合特性的影响 周重光 杨明江 彭林华 雷炳旺 易更 温钢柱 兵器材料科学与工程 2003年 第05期

15. 缸套-活塞环摩擦副的磨损润滑研究现状与发展前景 占剑 杨明江 汽车工艺与材料 2006年 第09期

16. YAG激光诱导放电复合毛化坑形貌研究 占剑 杨明江 应用激光 2007年 第02期

17. YAG激光诱导放电通道伏安特性研究 占剑 杨明江 激光杂志 2008年 第05期

18. 大功率高重复频率准分子激光单元技术及元器件 胡昌信 王竹威 林斌 杨明江 朱春梅 刘后宽 中国科学院力学研究所 发表时间:2000-01-01

19. 具有可控分布毛化点的辊类表面毛化激光加工系统 王红才 杨明江 中国科学院力学研究所 发表时间:2002- 07-10

20. 采用高频脉冲激光对热轧辊强化的系统及强化方法 彭林华 杨明江 中国科学院力学研究所 发表时间:2002- 07-17

21. 高重频脉冲激光诱导电极定向放电的方法及该方法的应用 杨明江 王之桐 李正阳 彭林华 韩延良 中国科学院力学研究所 发表时间:2006-06-14

22. 金属轧辊表面的高重频脉冲激光诱导放电毛化方法 杨明江 王之桐 彭林华 占剑 邢旭辉 中国科学院力学研究所 发表时间:2006-06-21

23. 轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置 杨明江 王之桐 刘会婷 陈国幼 覃志康 石茂 中国科学院力学研究所 发表时间:2006-06-21

24. 无规则偏转毛化点的辊类表面毛化激光加工系统及方法 王红才 杨明江 彭林华 中国科学院力学研究所 发表时间:2007-05-02

25. 圆周无规则毛化点的辊类表面毛化激光加工系统及方法 王红才 杨明江 彭林华 中国科学院力学研究所 发表时间:2007-05-09

26. 用于加工辊类表面无规则偏转毛化点的激光加工设备 王红才 杨明江 彭林华 中国科学院力学研究所 发表时间:2007-01-03

27. 用于加工辊类表面圆周无规则毛化点的激光加工设备 王红才 杨明江 彭林华 中国科学院力学研究所 发表时间:2007-01-03

28. 长寿命旋转放电电极 杨明江 李正阳 陈国幼 覃志康 刘会婷 中国科学院力学研究所 发表时间:2007-02-14

29. 轧辊表面高重频脉冲激光诱导电极定向放电的毛化装置 杨明江 王之桐 刘会婷 陈国幼 覃志康 石茂 中国科学院力学研究所 发表时间:2007-07-11

荣誉奖励：

1.1994年，“YAG激光毛化技术及其应用”获中国科学院科技进步一等奖。

2.1997年，其发明专利获中国专利局与世界知识产权组织联合授予的“中国专利发明创造金奖”，这标志着形成了中国自主知识产权。

3.2007年，“YAG激光毛化技术及其应用”荣获国家技术发明二等奖。

4.获6项中国专利，1994年，被授与中国科学院有突出贡献中青年专家称号。　　

5.2007-2008年度创新文化建设先进个人”荣誉称号。