レーザー毛化技術 レーザー毛化(Laser Beam Texturing、略称LBTまたはLT)は、高エネルギー密度（104~106W/cm2）、高繰り返し周波数(103~104回/秒)のパルスレーザービームを、回転運動するロール表面に集光照射し、多数の微小な溶融池を形成すると同時に、一定角度の補助ガスを吹き付けて溶融池の溶融金属を押し出し成形します。光パルスの作用が停止した後、微細な窪みの溶融池金属はロール自身の熱伝導により急速に冷却され、窪みとその周辺の環状凸部からなる相強化点を形成します。同時に、レーザーとロールは軸方向に相対運動を行い、ロールの毛化を完了します。レーザー出力、パルス周波数、パルス波形、補助ガスの種類・方向・流量、ロール回転速度などのレーザー毛化プロセスパラメータを調整することで、ロール表面の毛化窪み形状と分布を精密に制御できます。

レーザー毛化の特徴：

(1)毛化パラメータの制御が可能。一点ごとに毛化を行うため、窪みの大きさと間隔を制御でき、表面粗さRaやピーク数Pc値などのパラメータを制御できます。

(2)構造がシンプル。レーザー毛化装置は、ロールを回転させ、光学系をロール軸に沿って平行移動する「旋盤型」方式を採用でき、装置がシンプルで信頼性が高く、設置面積やスペースが小さく、粉塵や騒音の汚染もなく、設備導入コストを低減できます。また、ユーザーの状況に応じて、研削盤後の旋盤にレーザーシステムを追加することで、さらに設備導入コストを低減できます。

(3)毛化効率が高い。従来は音響光学セルやチョッパーディスクでレーザーパルス信号を生成していたため、レーザー出力が制限されていましたが、技術の進歩によりマルチヘッド光学制御システムが誕生し、毛化効率が倍増し、毛化時間はショットブラスト装置よりも短くなりました。

4 レーザー毛化プロセスの応用

 レーザー毛化技術の特殊性により、ロール、冷間圧延生産、冷間圧延成品に対して、他の毛化方法では代替できない積極的な影響を及ぼします。

4.1 レーザー粗面化処理は、圧延ロールの使用寿命を大幅に向上させることができる。粗面化加工の原理と圧延プロセスを分析すると、レーザー粗面化ロールの使用寿命向上は主に以下の三つの経路で実現されることが容易に理解できる。

(1)表面改質と微細結晶強化作用 レーザー粗面化時、ロール表面の作用領域の材料は、溶融・凝固速度が非常に速いため（加熱速度はl06～109℃/s、冷却速度は≥105℃/sであり、水焼入れよりもはるかに速い）、超微細結晶(深サブミクロンからナノメートル級)、さらには非晶質組織を形成でき、その硬度はHV900（HRC67）を超え、通常の焼入れで達成可能なレベルをはるかに上回る。高硬度の表面組織は、ロール表面の耐摩耗性向上に寄与する。

(2)粗面化形状の耐摩耗作用 レーザー粗面化後、ロール表面の形状が変化し、粗面化加工により形成された微細な窪みと突起がロール表面に均一に分布する。このようなロール表面形状は、圧延時のロールと板材間の摩擦状態を改善するのに有利であり、良好な潤滑条件を維持するのにも役立つ。均一に分布した微細な窪みは、摩耗粒子を収集し、それらがロールを摩耗させたり板材表面を傷つけたりするのを防ぐ効果もある。

(3)表面応力緩和による靭性向上作用 使用寿命を向上させるため、通常、冷間圧延ワークロールには表面焼入れ処理が施される。要求される硬度が高いほど、マルテンサイト変態による体積膨張効果が顕著になり、生じる残留圧縮応力も大きくなる。圧縮応力が過大になると、ロール表面の割れを引き起こしやすく、かえってロールの使用に悪影響を及ぼすため有害である。このようなロールをレーザー方式で粗面化すると、その表層のレーザー照射領域の材料は、溶融・凝固時の熱膨張・収縮作用により残留引張応力が発生する。X線応力測定結果によれば、レーザー照射領域(微細な窪み)の密度が一定の程度に達すると、この均一に分布した引張応力は、ロール表層の元の強い残留圧縮応力を効果的に緩和でき、これによりロール表面が靭性化される。

レーザー粗面化ロールで圧延された鋼帯の表面粗さRaの変化状況は、圧延初期（圧延量の約15%）に表面粗さが急速に低下し、その後緩やかになる。これは主にレーザー粗面化ロールの表面形状に関係している。レーザー粗面化ロールの使用初期段階では、凸部の先端が速やかに鈍化するが、一定期間使用後は凸部が比較的鈍くなり、それに伴いレーザー粗面化ロールの摩耗量が減少する。凸部の先端高さや窪みの形状などは、粗面化加工条件を変えることで制御可能であるため、レーザー粗面化ロールを使用する際、粗さ値の過度な変化により圧延条件が大きく変わることはない。レーザー粗面化ロールの使用寿命は、冷間圧下率、冷帯材質およびその硬度によって異なる。青島泓旭聯合装備が製造するショットブラスト粗面化装置とレーザー粗面化装置の比較では、強化作用があり、ロールの表面硬度を高め、ロールの使用寿命を延ばす。