CN103103522B - 一种应用于轧辊的激光熔覆设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于轧辊的激光熔覆设备，包括：激光系统轧、轧辊旋转系统、自动供粉系统、在线局部预热系统、激光熔覆头、机器人执行系统以及整机控制系统。其中，所述在线局部预热系统用来加热轧辊即将要进行激光熔覆的局部表面到预定温度，该在线局部预热系统包括一测温仪以及一感应加热器，所述测温仪实时检测所述轧辊将要进行激光熔覆的表面的温度；所述感应加热器靠近所述轧辊将要激光熔覆的局部表面设置，并加热该局部表面到所述预定温度。

Description

一种应用于轧辊的激光熔覆设备

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆设备，尤其涉及一种应用于轧辊的激光熔覆设备。

背景技术

激光熔覆始于20世纪70年代，是一种新型的材料表面加工技术，其利用激光作为能源，将熔覆材料预置在基体材料表面形成耐磨涂层。

高速线材轧辊是线材生产的重要工具，传统的高速线材轧辊采用硬质合金粉末烧结成辊环，与滚轴通过机械结合构成轧辊。我国已连续多年钢产量世界第一，其中线材产量占钢铁总产量的17.9%。每年生产线材需求消耗几百吨硬质合金辊环。当辊环破裂或因磨损尺寸超标时，辊环就会报废，造成大量贵重金属的浪费。

利用激光熔覆技术进行轧辊加工，和传统的表面处理技术（如：等离子喷涂、堆焊等）相比，有着稀释率小、热输入小、工件变形小、界面结合为冶金结合等优点。

现有技术中，在尺寸较大的轧辊表面进行激光熔覆时，由于激光熔覆过程中的快速加热和快速冷却凝固、热应力大的特点，熔覆层极易产生裂纹。现有技术中通常采用整体预热轧辊表面的方式来减少裂纹，然而，由于轧辊尺寸较大，从内部到表面的热传递在各个位置的不均匀难以控制，因此，激光熔覆较难在轧辊表面形成大厚度、高硬度且致密的熔覆层。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种可在轧辊表面形成高硬度、大厚度且致密熔覆层的激光熔覆设备。

一种应用于轧辊的激光熔覆设备，包括：激光系统、轧辊旋转系统、自动供粉系统、在线局部预热系统、激光熔覆头、机器人执行系统以及整机控制系统，所述激光系统用于产生以及传输激光，所述轧辊旋转系统用于安装并旋转轧辊；所述在线局部预热系统用来加热轧辊即将要进行激光熔覆的局部表面到预定温度，该在线局部预热系统包括一测温仪以及一感应加热器，所述测温仪实时检测所述轧辊将要进行激光熔覆的表面的温度；所述感应加热器靠近所述轧辊将要激光熔覆的局部表面设置，并加热该局部表面到所述预定温度；所述激光熔覆头用于接收所述自动供粉系统供应的涂层材料，并将所述涂层材料铺设到所述轧辊表面，同时聚焦从所述激光系统传输的激光，并利用聚焦后的激光将所述涂层材料熔覆于所述轧辊表面；机器人执行系统，所述机器人执行系统控制所述自动供粉系统、在线局部预热系统以及激光熔覆头在激光熔覆过程中的移动，所述整机控制系统用于控制所述激光系统，机器人执行系统，轧辊旋转系统，自动供粉系统，在线局部预热系统，激光熔覆头协同工作。

相较于现有技术，本发明实施例提供的应用于轧辊的激光熔覆设置，通过采用上述在线局部预热系统，从而可控制所述轧辊的局部表面到预定温度，从而在激光熔覆过程中，在即将进行激光熔覆的轧辊表面可保持良好均匀的温度场，从而可以形成致密均匀的熔覆层，且可以实现大面积多层的熔覆加工，形成的熔覆层的厚度可达20毫米以上，且第一层熔覆层的稀释率小于7%，熔覆层的显微硬度可达HV0.1700以上。此外，该激光熔覆设备具有较好的熔覆效率，可达10千克/小时。

附图说明

图1本发明实施例提供的应用于轧辊的激光熔覆设备的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的应用于轧辊的激光熔覆设备中激光熔覆头的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的应用于轧辊的激光熔覆设备中机器人执行系统以及轧辊旋转系统的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的应用于轧辊的激光熔覆设备中的温控装置的结构功能框图。

图5为本发明实施例提供的应用于轧辊的激光熔覆设备中使用的温控装置中箱体的结构侧视示意图。

图6为本发明实施例提供的应用于轧辊的激光熔覆设备中使用的温控装置中温控箱的正视结构示意图。

图7为本发明实施例提供的应用于轧辊的激光熔覆设备中使用的温控装置中加热器的结构示意图。

主要元件符号说明

激光器	1
		操作光纤	2
感应电源	3
		整机控制器	4
机器人	5
		气载送粉器	6
机器人控制器	7
		冷水机A	8
机器人滑轨	9
		尾座	10
平台	11
		一级送粉管	12
轧辊	13
		激光熔覆头	14
防护门	15
		防护围栏	16
旋转位置监测器	17
		冷水机B	18
料斗	19
		重力送粉主机	20
激光聚焦系统	21
		十字连接板	22
聚焦激光束	23
		熔覆层	24
涂层材料	25
		送粉嘴	26
感应加热器	27
		三级送粉管	28
分粉器	29
		测温仪	30
二级送粉管	31
		变压器	32
水电管	33
		下限位置传感器	34
上限位置传感器	35
		卡盘	36
温控装置	100
		温控箱	110
箱体	120
		子箱体单元	120’
拼接单元墙	121
		侧盖	122
下部端盖	1221
		上部端盖	1222
上盖	123
		开口	1231
红外设置孔	1232
		热阻设置孔	1233
托架	1234
		单元盖板	124
气缸	125
		加热器	130
温控器	210
		温度采集模块	220
红外测温仪	222
		热阻传感器	224
多路开关	230
		控制器	240
通信模块	250
		显示输入模块	260

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明实施例提供的应用于轧辊的激光熔覆设备。

请一并参阅图1至图3，本发明实施例提供一种应用于轧辊的激光熔覆设备，该激光熔覆设备包括激光系统、轧辊旋转系统、自动供粉系统、在线局部预热系统、激光熔覆头14、机器人执行系统以及整机控制系统。

所述激光系统用来产生并传输激光熔覆过程中所需的激光。该激光系统包括激光器1以及操作光纤2。所述操作光纤2具有相对的两端，一端与所述激光器1连接，另一端与所述激光熔覆头14连接。所述激光器1可以为光纤激光器、二氧化碳激光器、YAG激光器或半导体激光器。本发明实施例中，采用所述光纤激光器来进行所述激光熔覆，该光纤激光器的额定输出功率为2千瓦(kw)至10kw，该光纤激光器配置光耦合器，该光纤激光器的接口为QBH型。所述光纤激光器可产生波长为1.07微米的高功率激光束，当激光束与所述轧辊表面作用时，可获得更好的吸收效率。所述操作光纤2的芯径为1000微米，长度为40米，该操作光纤2两端接头均采用QBH标准接头。

所述轧辊旋转系统用于安置并旋转轧辊13。在一实施例中，该轧辊旋转系统包括尾座10、平台11、旋转位置监测器17以及卡盘36。所述尾座10、旋转位置监测器17以及卡盘36设置在所述平台11上，所述卡盘36安装在所述旋转位置监测器17上并位于所述旋转位置监测器17和所述尾座10之间。所述轧辊13在长度方向上具有相对的两端，一端固定在卡盘36中，另一端固定在所述尾座10中。所述旋转位置监测器17由一变频电机驱动且带有编码器，可将所述轧辊13的旋转位置反馈到所述整机控制系统中，实现轧辊旋转位置的精确控制。所述尾座10可根据所述轧辊13的长度来移动，所述尾座10具有中心孔，所述轧辊13的一端通过该中心孔定位。所述轧辊靠近所述卡盘的一端通过一百分表校正，该百分表的偏差度小于0.05毫米。

所述自动供粉系统用于供应激光熔覆过程中所需的涂层材料25。在一实施例中，该自动供粉系统包括气载送粉器6、一级送粉管12、料斗19、下限位置传感器34以及上限位置传感器35。所述气载送粉器6通过所述一级送粉管6连接到所述料斗19中，所述下限位置传感器34以及上限位置传感器35分别设置在所述料斗19的外侧容量延伸方向上的下限位置以及上限位置用来控制所述料斗中涂层材料的容量。所述气载送粉器6利用气体压力将所述涂层材料25输送至所述料斗19中，然后经料斗19泻压，多余气体从料斗19顶部流出，所述涂层材料25在重力作用下留在料斗19底部。本发明实施例中选取过滤后的空气并与所述涂层材料25混合形成混粉气流，在0.2兆帕至0.4兆帕的气体压力作用下输送至所述料斗19。所述下限位置传感器34以及上限位置传感器35用于反馈所述料斗19中涂层材料25的容量到所述气载送粉器6。具体地，当所述涂层材料25的高度低于所述下限位置时，所述气载送粉器6自动开始送粉。当所述涂层材料25到达所述上限位置时，所述气载送粉器6自动停止送粉。本发明实施例中，所述料斗19的上限和下限位置之间的储粉量为0.5升，激光熔覆过程中的最大用粉量为68毫升/分钟，所述气载送粉器6间隔停止送粉的时间为7分钟，在此期间，可人为添加所述涂层材料25到所述气载送粉器6，该过程不影响送粉效率，同时也能满足连续激光熔覆的需要。

所述在线局部预热系统用来加热所述轧辊13即将要进行激光熔覆的局部表面到一预定温度。在一实施例中，该在线局部预热系统包括感应电源3、感应加热器27、测温仪30以及水电管33。所述感应电源3提供感应电流，并通过所述水电管33传输到感应加热器27使该感应加热器27产生热量来加热所述轧辊13即将要进行激光熔覆的局部表面。所述测温仪30用来实时监测所述轧辊13即将要进行激光熔覆的局部表面的温度并反馈到所述感应电源3来确定感应电流的大小。所述感应加热器27具有一弧形加热面，该弧形加热面与所述轧辊13的间距可为10毫米至15毫米，优选地，该间距为12毫米至15毫米。在该间距范围内既能提高所述感应加热器的加热效率，又能保证所述局部表面均匀受热。本发明实施例中所述感应电源3为超音频感应电源，所述感应加热器27为超音频感应加热器，所测温仪30为红外测温仪。所述在线局部预热系统进一步包括变压器32用来将所述感应电源3提供的感应电流经过再次变压产生适用于感应加热的超音频低压大电流。所述感应电源3与所述变压器32为分体式设置，可通过柔性电缆连接，从而易于集成。所述变压器32优选为一便携式变压器。所述感应加热器27与所述轧辊13即将要进行激光熔覆的局部表面通过电磁感应集肤效应，达到加热的效果。所述预定温度可为450摄氏度至600摄氏度，且该局部预热的温度波动范围不超过正负20摄氏度。

所述激光熔覆头14用于接收所述自动供粉系统供应的涂层材料25，并将所述涂层材料25铺设到所述轧辊13表面，同时聚焦从所述激光系统传输的激光，并利用聚焦后的激光将所述涂层材料25熔覆于所述轧辊13表面。在一实施例中，具体地，所述激光熔覆头14包括重力送粉主机20、激光聚焦系统21、十字连接板22、送粉嘴26、三级送粉管28、分粉器29以及二级送粉管31。所述激光熔覆头14、自动供粉系统以及在线局部预热系统集成设置。具体地，所述激光熔覆头14的重力送粉主机20、激光聚焦系统21、送粉嘴26、三级送粉管28、分粉器29以及二级送粉管31、所述自动供粉系统的料斗19、下限位置传感器34、上限位置传感器35、以及所述在线局部预热系统的测温仪30、变压器32、水电管33均固定在所述十字连接板22上。所述激光聚焦系统21采用反射式结构，所有镜片采用直接水冷的铜镜进行高功率光束整形，最高可耐受12千瓦激光束，无热透镜效应，实现长时间连续出光要求，而不改变光束整形效果。该激光熔覆头14的工作过程具体为：所述激光聚焦系统21接收所述激光器1产生的激光并经扩束准直以及积分聚焦，产生线形聚焦激光束23。所述聚焦激光束23的宽度优选为2毫米，长度可在15毫米至25毫米内自动调节。所述重力送粉主机20控制所述料斗19中涂层材料25的均匀下落，经所述二级送粉管31输送至分粉器29，所述分粉器29将所述涂层材料分成两路分别经两个所述三级送粉管28输送至送粉嘴26，再经由送粉嘴26将所述涂层材料铺设于所述轧辊13表面。所述送粉嘴26靠近所述聚焦激光束23来完成激光熔覆。所述送粉嘴26的送粉宽度与所述聚焦激光束23的宽度一致。所述送粉嘴26设置在所述感应加热器27与所述聚焦激光束23之间，且所述送粉嘴26与所述感应加热器27的距离为100毫米至150毫米。

本发明实施例中自动供粉系统采用气载送粉器6为所述激光熔覆头14的重力送粉主机20输送所述涂层材料，所述重力送粉主机20再将涂层材料输送至所述轧辊13表面。从而实现二级送粉方式。该二级送粉方式可以实现所述轧辊表面的持续送粉，从而使该激光熔覆设备可不间断地工作。

在一实施例中，所述机器人执行系统包括机器人5、机器人控制器7以及机器人滑轨9。所述自动供粉系统、在线局部预热系统以及激光熔覆头14设置在所述机器人5上。所述机器人执行系统控制所述自动供粉系统、在线局部预热系统以及激光熔覆头14在激光熔覆过程中的同步移动。所述机器人5一端设置在所述机器人滑轨9上，所述十字连接板22安装在所述机器人5的另一端，用于操作固定于所述十字连接板22上的各个部件在激光熔覆过程中的移动。所述感应电源3、气载送粉器6设置在所述机器人滑轨9上。本发明实施例所述机器人5采用KR150-F铸造型机器人，可耐受100摄氏度的工作环境，从而可避免工作过程中，所述轧辊13产生的热辐射对机器人5的损伤。

所述整机控制系统用于控制所述激光系统，机器人执行系统，轧辊旋转系统，自动供粉系统，在线局部预热系统，激光熔覆头协同工作。所述整机控制系统包括整机控制器4以及控制电缆（图未示）。所述整机控制器4为所述激光熔覆设备的上位机。本发明实施例中所述整机控制器4采用西门子S7-300 PLC控制系统。

所述激光熔覆设备可进一步包括冷水装置。所述冷水系统包括冷水机A 8以及冷水机B 18。所述冷水机A 8通过所述水电管33将循环冷却水提供给所述感应加热器27，从而带走感应加热器27中由于大电流产生的热积累。所述冷水机B 18用来冷却所述激光熔覆头14。

所述激光熔覆设备还可包括安全防护装置。该安全防护装置包括防护门15和防护围栏16。防护围栏16和防护门15均采用钢板结构，钢板厚度1.5毫米，所述防护门15和防护围栏16均配备观察窗，所述观察窗采用激光波段的专用防护玻璃，能绝对屏蔽和防止激光泄漏，可以保证激光加工安全的进行，实现清洁的激光加工环境。操作人员可以在安全房外操作设备运转，大大提高了操作人员的安全性。安全防护房四周的罩板均可设计成可拆卸罩板，并设有防护门15，使设备的维护等更加方便；罩板上配有安全防护视窗，可使透过防护视窗的激光辐照量低于人眼最大允许照射量限值，不仅可以隔离对人眼有害的激光辐射，还能使工作人员在外部观测激光加工过程。

请一并参阅图1以及图4，本发明实施例所述激光熔覆设备可进一步包括一温控装置100用来预热所述轧辊13。所述温控装置100在延伸方向的两端可分别固定于所述卡盘36和尾座10。或者，所述温控装置100整体可通过所述平台11来支撑。所述温控装置100，包括一温控箱110以及一温控器210。

所述温控箱110包括一箱体120以及多个加热器130。所述箱体120用于放置轧辊。该箱体120包括多个可以相互拼接的子箱体单元120’。该多个子箱体单元120’的数量可根据所述轧辊的尺寸来增加或减少。

请一并参阅图4至图7，所述箱体120可以包括多个所述子箱体单元120’，两个侧盖122，以及一上盖123。所述子箱体单元120’可以为一整体的槽体结构。另外，所述子箱体单元120’也可以进一步包括多个拼接单元墙121，该多个拼接单元墙121相互拼接成该槽体结构。

所述多个子箱体单元120’沿所述轧辊长度方向拼接，使该箱体的长度延长。所述两个侧盖122相对设置，并分别与所述箱体120长度方向两侧的子箱体单元120’连接，所述上盖123覆盖该多个子箱体单元120’ 槽体结构的开口。该多个子箱体单元120’、两个侧盖122以及一上盖123共同形成容置所述轧辊的箱体空间。每一侧盖122可进一步包括一下部端盖1221以及一上部端盖1222。

所述上盖123可进一步具有一开口1231、一红外设置孔1232、一热阻设置孔1233以及一托架1234。所述托架1234靠近所述所述红外设置孔1232，并设置在所述上盖123的外表面。

所述开口1231作为激光熔覆的窗口。所述开口1231上设置一单元盖板124，用来打开或盖合所述开口1231。所述箱体120进一步包括一气缸125设置在所述上盖123上。所述气缸125具有一活塞杆与所述单元盖板124连接，用来驱动该单元盖板124。此外，所述气缸125也可用来打开和关闭所述上盖。此外，所述上盖123也可设置多个所述开口1231。所述开口的数量与所述子箱体单元120’的数量相同并对应设置。当具有多个开口时，所述开口之间连通，从而在所述激光熔覆的过程中，用于熔覆的激光熔覆头可沿所述轧辊的轴向移动来在轧辊表面形成熔覆层。

所述多个加热器130间隔设置在所述箱体120的内壁，并均匀分布于所述多个子箱体单元120’内。每个子箱体单元120’内可设置有一个或多个所述加热器130。所述加热器130用于加热所述轧辊。所述加热器130与所述轧辊间隔设置。通过每个所述子箱体单元120’内均设置所述加热器130，可实现对所述轧辊的分区局部加热。该多个加热器130之间可独立工作。该多个加热器130之间可也按照预定规律来工作，如奇数个所述加热器130与偶数个所述加热器130之间独立工作。该加热器130可为电加热器。该加热器130的形状不限，如可为直线形、曲线形或折线形的棒状或管状结构。该加热器130可选用高导热的材料制成。当所述加热器130为电加热器时，该加热器130可选取电热转化效率高的材料制成。本发明实施例中，所述加热器130为硅碳棒，该硅碳棒为直线形，且在所述箱体120内呈栅形排布。所述硅碳棒为非金属高温电热元件，采用高纯度六方碳化硅为原料经过高温硅化再结晶烧结制成。该硅碳棒发热均匀且可抗氧化以及耐腐蚀。此外，本发明实施例中将所述箱体120分成5个子箱体单元120’，每个所述子箱体单元120’内栅形排布有48根直线形的所述硅碳棒，所述硅碳棒的型号为PH-139型，每个所述硅碳棒的功率约为1000瓦，额定温度为1200摄氏度，每个所述硅碳棒的长度为1000毫米。

所述温控器210包括温度采集模块220，多路开关230，控制器240，以及通信模块250。

所述温度采集模块220设置在所述箱体120内，用于监测所述轧辊表面的温度。该温度采集模块220可为一个或多个。当所述温控器210包括多个该温度采集模块220时，优选地，每个所述温度采集模块220可分别设置在每个所述子箱体单元120’内，从而可检测每个子箱体单元120’内轧辊的局部温度，且检测精度较高。当所述箱体120内设置有一个温度采集模块220时，所述温度采集模块220可依次扫描每个子箱体单元120’内的轧辊表面，并同时采集每个子箱体单元120’内的轧辊表面局部温度。

每一所述温度采集模块220可包括一红外测温仪222以及一热阻传感器224。该红外测温仪222以及热阻传感器224可独立检测所述轧辊的局部温度。

所述红外测温仪222具有相对的两端，一端设置有一红外探头，该红外探头设置在所述红外设置孔1232中，另一端可固定于所述托架1234上。优选地，所述红外探头可转动，从而可扫描所述轧辊的各个位置的温度。本发明实施例中，所述红外测温仪222选取德国IMPAC红外高温仪，型号为IPE 140，该IPE 140红外高温仪在MB 10模式下可测量的温度范围为30摄氏度至1000摄氏度。该IPE 140红外高温仪在低于400摄氏度时，测量精度可达2.5摄氏度，在高于400摄氏度，测量精度可达4%+1摄氏度。该IPE 140红外高温仪为数字式、高精度的非接触测温仪，波长范围为3微米至5微米。此外，该IPE 140红外高温仪响应速度快，最短时间为1.5毫秒，且可产生较小尺寸的光斑，具体地，最小光斑尺寸为0.3毫米。 该IPE 140红外高温仪可与多种调焦镜头相互匹配。该IPE 140红外高温仪设置有按键和显示屏，用于输入需要调节的参数，并实时显示设置的参数以及测量到的温度。该IPE 140红外高温仪设置有两个通信接口RS232和RS485，该两个通信接口可以进行切换。

所述热阻传感器224设置在所述热阻设置孔1233中。本发明实施例中所述热阻传感器224为铂热电阻传感器（PT100），该PT100可检测的温度范围为-200摄氏度至660摄氏度，且测量精确度可达0.1摄氏度。另外，本发明实施例中所述热阻传感器224与所述子箱体单元120’一一对应设置。即每个子箱体单元120’内均设置有一热阻传感器224，来分别检测每个子箱体单元120’内轧辊的局部温度。所述温控器210可进一步包括一采样电路，该采样电路可实现所述热阻传感器224对所述轧辊表面温度的多点采样以同时监控。本发明实施例中所述采样电路包括一多路选择器以及一多路转换电路。所述多路转换电路连接于所述热阻传感器224与所述多路选择器之间。本发明实施例中所述多路选择器为MPC508AU多路选择器。所述多路转换电路为八路转换电路。

所述控制器240通过所述通信模块250接收所述温度采集模块220采集的温度信息，并通过所述多路开关230反馈到一个或多个所述子箱体单元120’内的加热器130来局部加热或保温所述轧辊。所述控制器240优选为比例-积分-微分控制器（PID控制器），以实现轧辊表面的温度自动调节以及精确控制。本发明实施例中利用所述PID控制器进行温度控制，使轧辊表面温度保持较佳的激光熔覆温度，具体地，该温度范围为340摄氏度至360摄氏度。所述PID控制器设定加热速率保持在20摄氏度/分至40摄氏度/分。所述控制器240可对所述红外测温仪222以及热阻传感器224独立控制。本发明实施例中所述控制器240采用宏晶公司的STC89C54芯片。

所述多路开关230用于接通或断开所述加热器130与所述控制器240。该多路开关240包括多个开关，每个开关可分别控制每个所述加热器130，或控制每个所述子箱体单元120’内的多个加热器130，从而可实现对每个子箱体单元120’内局部轧辊的表面温度控制。本发明实施例中所述多路开关230为一固态继电器。本发明实施例所述固态继电器选取欧姆龙（OMRON）的G3NB-240B-UTU，并采用ULN200a芯片对该固态继电器进行驱动。

所述通信模块250包括RS-485电路以及模数转换模块（A/D转换模块）。所述红外测温仪222通过所述RS-485电路以总线仲裁的方式将检测到的温度传输到所述控制器240。本发明实施例中实现该电路的芯片采用美信公司生产的MAX 485。所述RS-485电路的接口采用屏蔽双绞线传输，从而可长距离传输且抗噪声干扰性好。所述热阻传感器224通过所述A/D转换模块将检测到的温度信息以数字信号的方式传输到所述控制器240。本发明实施例中所述A/D转换模块选取12位高精度高速A/D转换器。

本发明实施例所述温控器210进一步包括一显示输入模块260。该显示输入模块260包括一键盘以及一显示器。所述键盘用于输入预定参数，如预热温度等。所述显示器可实时显示设置的预定参数以及所述轧辊的表面温度。本发明实施例所述显示器采用4位数码管，其中前三位为整数位，第四位为小数位。该数码管最高可显示999.9摄氏度的温度。

所述温控器210进一步包括一加热电路来实现所述加热器的电加热过程。本发明实施例中采用AC380V加热系统作为所述加热电路。

该温控装置100在使用时，首先按照所述轧辊的尺寸拼接所述拼接单元墙121，然后将所述两个侧盖122的下部端盖1221分别与所述拼接单元墙121相连接形成所述轧辊的容置空间。进一步地，将所述轧辊放置于该容置空间内，将两个侧盖122的上部端盖1222分别与所述对应的下部端盖1221扣接，并与所述拼接单元墙121连接。进一步地，盖上所述上盖123，即可对该轧辊进行预热保温。此外，当要对该轧辊进行激光熔覆时，可通过所述气缸124将所述单元盖板125打开，使需要激光熔覆的轧辊表面从所述上盖123的开口1231中暴露，从而可实现激光熔覆。

本发明实施例提供的温控装置100适用于各种尺寸的用于激光熔覆的轧辊。优选地，所述温控装置100适用于大尺寸的轧辊。所述大尺寸的轧辊是指所述轧辊的直径在400毫米以上，工作面的长度在600毫米以上，以及总长度在1000毫米以上。所述激光熔覆的熔覆层形成在所述轧辊的工作面上。本发明实施例中用于激光熔覆的轧辊的外形尺寸为（直径×工作面长度×总长度）：2495毫米×2500毫米×5600毫米。

本发明实施例提供的温控装置100的主要技术参数指标为：

温度调节范围：室温～1200摄氏度；

温度调节增量：正负0.1摄氏度；

消耗功率：最大240千瓦；

温度稳定性：正负10度；以及

温度采样速率：≥15赫兹/秒。

本发明实施例所述温控装置具有多个子箱体单元，每个子箱体单元均设置有加热器，该每个子箱体单元内的加热器之间可独立控制、独立加热，从而使该温控装置内的温度可以局部调节。因此，当应用于激光熔覆加工轧辊的预热保温装置时，可给所述轧辊提供一个稳定均匀的温度场。从而在激光熔覆加工轧辊的过程中，可在所述轧辊表面形成致密度高、内部组织性能均匀且与所述轧辊结合力好的激光熔覆层。此外，利用该温控装置可对所述轧辊进行分区温度控制，从而在激光熔覆时，可有效地避免了所述激光熔覆层气孔的产生。此外，由于所述温控装置可拼接拆卸，适用于各种尺寸的轧辊。

本发明实施例所述激光熔覆设备工作过程包括以下步骤：

S1，预热所述轧辊整个表面13到一预热温度；

S2，预热所述轧辊13局部表面到所述预定温度，其中，所述预定温度大于所述预热温度；

S3，在所述轧辊13预热后的局部表面铺设所述涂层材料25；以及

S4，将涂层材料激光熔覆于所述局部预热后的轧辊表面形成一熔覆层24。

在上述步骤S1中，所述预热可为整体加热所述轧辊13的整个表面。此外，也可将所述轧辊13的整个表面分成多个区段，分别加热每个区段来实现所述轧辊13表面的整体预热。本发明实施例进一步提供一种应用于轧辊激光熔覆的温度控制方法用来预热所述轧辊13，包括以下步骤：

步骤一，将所述轧辊13分成多个区段；

步骤二，实时采集每个区段内轧辊13的温度；以及

步骤三，根据采集到的轧辊13各个区段内的温度，动态调节每个区域内轧辊表面的温度，使每个区域内轧辊13的温度均保持在所述预热温度。

优选地，本发明实施例上述应用于轧辊激光熔覆的温度控制方法可由所述温控装置100来实现。由于所述温控装置100可直接设置在所述激光熔覆设备上且箱体可拆卸，因此，可在所述轧辊13安装在所述轧辊旋转系统后，再利用所述温控装置100来预热。

在上述步骤一中，所述多个区段沿所述轧辊延伸方向来划分。该步骤一可具体可包括：提供所述多个子箱体单元120’；沿所述轧辊长度方向拼接该多个子箱体单元120’，形成一槽体结构；将该轧辊设置在该槽体结构内，通过该多个子箱体单元120’将该轧辊分成多个区段；分别在该长度方向两侧的子箱体单元120’设置侧盖122；在该槽体结构的开口上覆盖所述上盖123。

在上述步骤二中，可通过一定的时间间隔来检测每个区段内轧辊表面的温度，如每隔5分钟就对各个区段内轧辊表面的温度进行采集。该采集过程可通过多种方式来实现，如（1）可依次检测所述轧辊在每个所述区段内的温度；（2）同时检测所述轧辊在每个所述区段的温度；（3）采用不同的温度检测装置分别检测所述轧辊在每个所述区段的温度。

该步骤二可具体包括：在每个子箱体单元120’内设置加热器130以及温度采集模块220。所述每个子箱体单元120’内的温度采集模块220用于独立地实时采集该子箱体单元120’内轧辊的局部温度。本发明实施例中，每个子箱体单元120’内设置有红外测温仪222以及热阻传感器224来检测该子箱体单元120’内轧辊表面的温度。所述红外测温仪222与热阻传感器224之间独立工作且间隔一定时间来采集所在子箱体单元120’内轧辊的温度，从而后续可更精确地调节轧辊表面的温度。

在上述步骤三中，所述预热温度可根据所述轧辊激光熔覆所需要的预热温度来确定。优选地，所述预热温度可为300摄氏度至360摄氏度。更为优选地，所述预热温度可为300摄氏度。通过将每个区段内检测到的温度与所述预热温度相比较，即可判断是否需要对该区段内的轧辊进行加热或保温。如果某一区段内轧辊的温度低于所述预热温度，则对该区段内的轧辊进行加热使达到预热温度。如果某一区段内轧辊的温度高于所述预热温度，则对该区段内的轧辊停止加热，使该区段内轧辊的温度降到所述预热温度，然后进行保温处理。

该步骤三可具体包括：将各个子箱体单元120’内温度采集模块220采集的温度传输到控制器240，并与控制器240内设定的所述预热温度相比较，如果某一温度采集模块220采集到的温度低于所述预热温度，所述控制器240启动该温度采集模块220所在的子箱体单元120’内的加热器130对该子箱体单元120’内的轧辊进行加热。如果某一温度采集模块220采集到的温度高于所述预热温度，则所述控制器240不启动相应子箱体单元120’内的加热器130，从而对该子箱体单元120’内的轧辊停止加热，使该子箱体单元120’内的轧辊的温度降到所述预热温度后，再进行保温处理。

进一步地，循环进行所述温度采集以及动态调节的步骤，以给所述轧辊13提供一个稳定均匀的温度场。

此外，可以理解，本发明实施例所述温度控制方法并不限于所述温控装置100，只要能实现分区段检测轧辊温度，并能分区段加热所述轧辊的温控装置均可以实现本发明的温度控制方法。

所述步骤S2中具体包括以下步骤：

S21，调节所述感应加热器27与所述轧辊预热后的局部表面之间的距离为10毫米至15毫米；

S22，实时检测该轧辊局部表面的温度，并反馈到所述感应加热器27；以及

S23，所述感应加热器27根据所述检测到局部表面的温度，加热该局部表面到所述预定温度。

在上述步骤S21中，本发明实施例调节所述感应加热器27与所述轧辊预热后的局部表面的距离为12毫米。

在上述步骤S22中，通过实时监测所述轧辊13局部表面的温度，后续可更精确地调整所述局部表面的温度到所述预定温度。

在上述步骤S23中，所述预定温度大于所述预热温度。所述预定温度可为400摄氏度至600摄氏度。本发明实施例中所述预定温度为560摄氏度。且感应加热器的加热速率为50摄氏度/分钟。所述感应加热器27的局部加热面的宽度可为30毫米至80毫米，当轧辊13的局部加热面旋转离开后感应范围后距离激光熔覆位置弧长约200mm，当旋转至激光熔覆位置,温度高于450℃。所述局部表面的预热可进一步降低后续激光所需的功率，且能更好地减少或避免熔覆层24裂纹的产生。

在上述步骤S3中，所述涂层材料25优选为粉末状。所述步骤S3具体可为：气载送粉器6外接通过整机控制器4接220V电源和经过滤的压缩空气气源，将预先人工添加的涂层材料25输送至料斗19，并通过下限位置传感器34和上限位置传感器35自动反馈信号给气载送粉器6，进行所述涂层材料25的自动供给，供粉速度为81毫升/分钟，约300克/分钟，然后重力送粉主机20将料斗19里面的储存涂层材料输出，并依靠所述涂层材料的重力作用，依次通过二级送粉管31、分粉器29、三级送粉管28，最终粉末从送粉嘴26流出，配合轧辊13匀速旋转，涂层材料25均匀铺在轧辊13表面；铺粉厚度依据熔覆层24厚度进行调整，本发明实施例中，单层熔覆层厚度为3毫米，因此铺粉平均厚度可为6毫米。送粉嘴26距离感应加热器27的最近点距离为150毫米，所述涂层材料25输送的位置依靠送粉嘴26在十字连接板22固定位置进行调节，从而可将粉末状的涂层材料25均匀铺在所述局部表面的中心位置，铺粉宽度为15毫米，铺粉厚度为6毫米。同时根据轧辊旋转速度500毫米/分钟，所述重力送粉主机20的送粉量为45毫升/分钟。所述激光熔覆头14的送粉速度小于所述气载送粉器6的供粉速度。

上述步骤S4中，所述激光熔覆的工艺参数为：激光功率为8.0千瓦至10.0千瓦，激光熔覆扫描速率为600毫米/分钟至720毫米/分钟，激光聚焦光斑尺寸（长×宽）为15毫米×1.5毫米，搭接率为20%至50%，单道熔覆厚度为3.0毫米至3.5毫米，送粉宽度为5毫米至25毫米，送粉量为300克/分钟至400克/分钟。通过该激光熔覆的工艺参数的相互配合，可减少后续熔覆层的裂纹，且同时可以在大尺寸的轧辊表面形成较大厚度的熔覆层。

本发明实施例中，所述步骤S4包括两个过程：（1）激光聚焦；（2）熔覆。所述激光聚焦的过程具体为：所述激光器1外接380V工业用电源，经电光转换及光纤耦合处理，产生6千瓦激光并进入操作光纤2，经电光转换及光纤耦合处理，产生6千瓦激光并进入操作光纤2，再经操作光纤2的QBH标准接头输出到激光聚焦系统21，光纤输出后通过扩束准直并经积分聚焦后最终输出聚焦激光束23，该聚焦激光束23的焦点光斑尺寸为15毫米×2毫米。

所述熔覆的过程具体为：所述聚焦激光束23辐照到所述设置有涂层材料25的轧辊13表面，使所述涂层材料25和所述局部表面熔化形成一激光熔池；，以及形成激光熔池的轧辊区域离开所述激光束辐照，使所述激光熔池冷凝成一条所述熔覆层24。然后通过搭接熔覆，从而获得大面积的激光熔覆层24.

在上述步骤S4中，通过所述激光熔覆头14沿所述轧辊13的轴向移动以及所述轧辊13的旋转运动，在所述轧辊整个表面形成所述熔覆层24。

进一步地，可重复所述步骤S2-S4，从而在所述轧辊表面形成多层所述熔覆层。

本发明采用所述激光熔覆设备制备的轧辊激光熔覆层主要技术参数指标：

单层熔覆层厚度：≥3毫米；

多层熔覆层厚度：≥20毫米

熔覆效率：10千克/小时；

熔覆层的显微硬度：≥HV0.1700

第一层熔覆层的稀释率：≤7%。

实施例1

采用上述激光熔覆设备，进行轧辊的激光熔覆过程，其中轧辊的直径为650毫米。所述轧辊的旋转线速率为500毫米/分钟，送粉嘴26的铺粉宽度为15毫米，聚焦激光束23的焦点光斑尺寸为15毫米×2毫米，所述预热的局部表面的宽度为60毫米。所述激光熔覆头14沿所述轧辊轴向进给速度为1.88毫米/分钟。

激光熔覆后，所述轧辊表面的熔化深度为0.2毫米，单道熔覆层宽度为15毫米，单层熔覆层厚度为3毫米。第一层熔覆层的稀释率为7%。

实施例2

本实施例整体结构与实施例1相同，不同的是：本例送粉嘴26铺粉宽度为10毫米，对应聚焦激光束23焦点光斑尺寸10毫米×2毫米，所述轧辊预热的局部表面的宽度为40毫米，轧辊13旋转线速度为750毫米/分钟，获得单道熔覆层宽度10毫米，单层熔覆层厚度为3毫米。

实施例3

本例整体结构与实施例1相同，不同的是：本例送粉嘴26铺粉宽度为7.5毫米，对应聚焦激光束23焦点光斑尺寸7.5毫米×2毫米，所述轧辊预热的局部表面的宽度为20毫米，轧辊13旋转线速度为1000毫米/分钟，获得单道熔覆层宽度7.5毫米，所述轧辊表面的熔化深度为0.1毫米，第一层熔覆层的稀释率为7%。

本发明实施例提供的应用于轧辊的激光熔覆设置，通过采用上述在线局部预热系统，从而可控制所述轧辊的局部表面到预定温度，从而在激光熔覆过程中，在即将进行激光熔覆的轧辊表面可保持良好均匀的温度场，从而可以形成致密均匀的熔覆层，且可以实现大面积多层的熔覆加工，形成的熔覆层的厚度可达20毫米以上，且第一层熔覆层的稀释率小于7%，熔覆层的显微硬度可达HV0.1700以上。此外，该激光熔覆设备具有较好的熔覆效率可达10千克/小时。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于轧辊的激光熔覆设备，其特征在于，包括：

激光系统，用于产生以及传输激光；

轧辊旋转系统，用于安装并旋转轧辊；

自动供粉系统，用于供应激光熔覆过程所需的涂层材料；

在线局部预热系统，用于加热轧辊将要进行激光熔覆的局部表面到预定温度，该在线局部预热系统包括一测温仪以及一感应加热器，所述测温仪实时检测所述轧辊将要进行激光熔覆的局部表面的温度；所述感应加热器靠近所述轧辊将要进行激光熔覆的局部表面设置，并用于加热该局部表面到所述预定温度；

激光熔覆头，用于接收所述自动供粉系统供应的涂层材料，并将所述涂层材料铺设到所述轧辊表面，同时聚焦从所述激光系统传输的激光，并利用聚焦后的激光将所述涂层材料熔覆于所述轧辊表面；

机器人执行系统，所述机器人执行系统控制所述自动供粉系统、在线局部预热系统以及激光熔覆头在激光熔覆过程中的移动；

整机控制系统，用于控制所述激光系统，机器人执行系统，轧辊旋转系统，自动供粉系统，在线局部预热系统，激光熔覆头协同工作；以及

温控装置，所述温控装置用于预热所述轧辊，所述温控装置包括一温控箱以及一温控器，该温控箱用于放置轧辊，该温控箱包括一箱体以及多个加热器，所述箱体包括多个子箱体单元，该多个子箱体单元相互间独立且可拼接拆卸；所述加热器间隔设置在该温控箱内，并均匀分布于所述多个子箱体单元内；该温控器包括温度采集模块、多路开关、控制器以及通信模块，所述温度采集模块设置于所述温控箱内，用于检测所述轧辊在每个所述子箱体单元内的局部温度；所述控制器通过所述通信模块接收所述温度采集模块采集到的局部温度，并通过所述多路开关反馈到一个或多个子箱体单元的所述加热器进行加热或保温。

2.如权利要求1所述的应用于轧辊的激光熔覆设备，其特征在于，所述感应加热器与所述轧辊表面的距离为12毫米至15毫米。

3.如权利要求1所述的应用于轧辊的激光熔覆设备，其特征在于，所述感应加热器的加热速率为100摄氏度/分钟至150摄氏度/分钟，所述感应加热器感应加热的所述局部表面的宽度为30毫米至80毫米。

4.如权利要求1所述的应用于轧辊的激光熔覆设备，其特征在于，所述在线局部预热系统为超音频感应加热，进一步包括感应电源和变压器，所述感应电源提供感应电流，所述变压器将所述感应电源提供的感应电流经过再次变压产生适用于感应加热的超音频低压电流。

5.如权利要求1所述的应用于轧辊的激光熔覆设备，其特征在于，所述激光熔覆头包括重力送粉主机、反射式激光聚焦系统以及送粉嘴，所述重力送粉主机接收所述自动供粉系统供应的所述涂层材料，并送入送粉嘴，所述反射式激光聚焦系统将所述激光聚焦成线形聚焦激光束来熔覆所述涂层材料。

6.如权利要求1所述的应用于轧辊的激光熔覆设备，其特征在于，所述自动供粉系统包括料斗、气载送粉器、一级送粉管、下限位置传感器以及上限位置传感器，所述气载送粉器通过所述一级送粉管连接到所述料斗中，所述下限位置传感器以及上限位置传感器分别设置在所述料斗的外侧容量延伸方向上的下限位置以及上限位置用来控制所述料斗中涂层材料的容量。

7.如权利要求1所述的应用于轧辊的激光熔覆设备，其特征在于，所述机器人执行系统包括包括机器人、机器人控制器以及机器人滑轨，所述机器人设置在所述机器人滑轨上，所述自动供粉系统、在线局部预热系统以及激光熔覆头设置在所述机器人上并通过所述机器人在所述机器人滑轨上的移动来实现所述自动供粉系统、在线局部预热系统以及激光熔覆头的同步移动。

8.如权利要求1所述的应用于轧辊的激光熔覆设备，其特征在于，所述箱体进一步包括两个侧盖，以及一上盖，每个所述子箱体单元为一整体的槽体结构由多个拼接单元墙相互拼接形成，所述多个子箱体单元沿所述轧辊长度方向拼接，所述两个侧盖相对设置，并分别与所述箱体长度方向两侧的子箱体单元连接，所述上盖覆盖该多个子箱体单元槽体结构的开口，该多个子箱体单元、两个侧盖以及一上盖共同形成容置所述轧辊的箱体空间，所述上盖进一步包括一用于激光熔覆时的开口。

9.如权利要求1所述的应用于轧辊的激光熔覆设备，其特征在于，所述温度采集模块包括红外测温仪以及热阻传感器，所述红外测温仪与所述热阻传感器独立工作。