CN104942441A - 激光点阵式熔凝强化圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光点阵式熔凝强化圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁的方法，包括对铸造生产的圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁工作带基材进行清理，去除表面铸造夹杂、超过3mm的凸起或凹陷及清理大块锈蚀，其特征在于：采用气动喷枪对圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁进行喷涂预处理涂料和采用激光加工系统进行激光扫描预处理，采用气动喷枪在预处理后的工作带基材上喷涂吸光涂料，采用气动喷枪在经激光预处理后的轧臼壁和破碎壁工作带基材上喷涂吸光涂料，并采用大功率固态激光加工系统进行激光点阵式熔凝扫描处理后，形成激光熔凝强化点。从而有效的避免局部受冲击产生裂纹的问题，提高了圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁的寿命。

Description

激光点阵式熔凝强化圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁的方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术，特别是一种激光点阵式熔凝强化圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁的方法。
背景技术
圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁，是矿山、水泥、电力等行业主要破碎设备-圆锥破碎机的核心消耗部件，在破碎过程中与物料直接接触，并承受物料的冲击、挂擦和磨损，目前国内外基本都使用高锰钢或改性高锰钢经水韧处理工艺后使用，利用高锰钢的自身冲击强化特性，来提高其使用寿命，但是在实际应用中，块状物料在破碎过程中存在大量的局部冲击、凿削和刮削作用，导致初期使用即有大量的表层金属损失，而表层金属的损失又导致刚产生一定硬化强度的表层被磨损掉，使得正常的连续强化过程难以建立，最终造成轧臼壁和破碎壁的使用寿命仅有200-240小时，为解决这一问题，国内外机构采用了多种方式进行试验，包括采用高耐磨合金、爆炸冲击强化、表面堆焊、镶嵌硬质合金等方式，但上述方法在应用中均有大量的不足，高耐磨合金大量使用钨、钼等贵重金属导致成本过高，性价比不佳；爆炸冲击在钢轨强化上效果很好，但对于曲面结构的轧臼壁和破碎壁来讲很容易导致局部断裂，并且工艺复杂、危险性大；表面堆焊由于轧臼壁和破碎壁厚度大且形状复杂，堆焊后易产生热疲劳裂纹进而导致堆焊层开裂或脱落；镶嵌硬质合金抗冲击性较好，但在混合磨损条件下容易产生“底蚀”现象，导致合金柱周边金属损失，进而脱落，且合金柱一旦脱落进入破碎腔，极易造成事故。而轧臼壁和破碎壁作为破碎设备的核心消耗部件，仅在鞍钢矿业公司年使用量即达一千余套价值近2亿元，所以寻找有效的提高轧臼壁和破碎壁寿命的工艺和方法是一项当前亟待解决的问题。
目前，关于利用激光熔凝技术的专利和报道较多，例如：
1、CN 101775474 B公开了一种激光宽带熔凝强化金属筛板的方法，用绞磨机清除金属筛板工作表面的氧化皮，并用丙酮清洗剂去除锈，用刷子将黑色碳素墨水吸光涂料均匀涂刷在属筛板基材表面，自然风干碳素墨水涂；用大功率激光器快速扫描筛板工作表面，实现筛板表面的快速加热和冷却，经过激光宽带熔凝强化后其显微硬度达到了HV0.3 1100以上，并且熔凝硬化层深度达到1.5mm 以上，它下面的相变硬化层也达到了1.2mm 以上。强化后的金属筛板表面具有很高的硬度和优良的耐磨性，显著提高了金属筛板使用寿命。本方法具有处理速度快、硬化层深度大、工件变形小、不需要介质、生产率高，成本低、无污染，经济效益显著；
2、CN 104148806 A公开了一种高铬铸钢轧辊表层疲劳微裂纹激光快速修复方法，其是对高铬铸钢表面疲劳微裂纹进行激光快速修复，获得耐腐蚀、耐高温磨 损性能的表面强化层。包括 ：①对带有表面疲劳微裂纹的高铬铸钢试样进行表面预处理，并预热到150℃保温1.5h；②激光光斑直径Φ3～Φ5.5mm，功率 1800 ～ 2700W，扫描速度300～1500mm/min，搭接率16.7%～50%，采用氩气为保护气体；③激光处理后进行560℃两次回火处理，每次保温时间 1h ；④激光熔凝处理过程中起始点和终止点均不得落在工件上。本发明的方法能使高铬铸钢表面疲劳微裂纹被熔合，激光熔凝层与基体呈冶金结合，厚度为0.4 ～ 0.7mm，硬度提高至 HV672，耐蚀性能较基体提高3倍，560℃和 650℃下的高温磨损性能较基体显著提高；
3、CN 101792906 B公开了一种激光局部熔凝仿生耦合处理机械部件方法，是在机械部件受摩擦面一定厚度的区域上，模仿生物体的耦合结构，利用激光熔凝填充到槽内或坑内不同种类的合金和陶瓷粉末加工制作成仿生耦合单元体。由仿生耦合单元体和工件表面组成仿生物表面的仿生耦合区域，即在试样表面根据生物体的结构，加工出凹坑或沟槽将拌有粘结剂的不同种类的合金和陶瓷粉末填充到槽内，紧实风干后进行激光熔凝仿生耦合处理。采用该方法可有效解决在急冷急热或反复摩擦工况下，机械部件表层抗疲劳特性以及表层耐磨性的问题。
综上所述，基于激光熔凝的工艺虽然在某些领域上解决了部分领域的强化及耐磨损性能的问题，但经本人检索查证，尚未见有使用激光熔凝手段对轧臼壁和破碎壁进行强化处理以及采用非连续点阵式进行激光强化处理的相关报道及论证。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种可以有效降低衬板的磨损，提高圆锥破碎机衬板使用寿命的激光点阵式熔凝强化圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁的方法。
本发明的技术方案是：
本发明一种激光点阵式熔凝强化圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁的方法，包括对铸造生产的圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁工作带基材进行清理，去除表面铸造夹杂、超过3mm的凸起或凹陷及清理大块锈蚀，其特征在于：采用气动喷枪对圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁进行喷涂预处理涂料和采用激光加工系统进行激光扫描预处理，采用气动喷枪在预处理后的工作带基材上喷涂吸光涂料，采用气动喷枪在经激光预处理后的轧臼壁和破碎壁工作带基材上喷涂吸光涂料，并采用大功率固态激光加工系统进行激光点阵式熔凝扫描处理后，形成激光熔凝强化点；
在对铸造生产的圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁的工作带基材进行预处理时，先喷涂预处理涂料，喷涂厚度为0.02-0.05mm，所述的预处理涂料化学成分重量百分比为：虫胶2-5%，纳米石墨粉6-8%，粒度D50=6μm的 SiO25.5-7.2%，粒度D50=6μm，纯度＞98%的铝粉4.5-5.5%，400目的膨润土1.5-2.5%，其余为浓度为99.9%的高纯工业乙醇，上述组份使用前使用搅拌机搅拌20分钟后马上进行喷涂作业，如喷涂时间超过10分钟，需要重新搅拌后使用；
采用气动喷枪喷涂预处理涂料后，对工作带基材进行激光扫描预处理，其工艺参数如下：设定激光功率3000-3500W，使用15*1积分聚焦镜，光斑尺寸15*2，扫描速度200-300mm/min，连续扫描，扫描时侧吹氩气保护，氩气送气压力0.05Mpa-0.1Mpa，激光扫描预处理后，使用高压氮气吹扫，清除掉残余的涂料、残渣和氧化铁皮。
在进行激光点阵式熔凝扫描处理时，先喷涂吸光涂料，喷涂厚度为0.01-0.03mm，所述的吸光涂化学料成分重量百分比为：虫胶2-5%，纳米石墨粉3-6%，粒度D50=6μm 的SiO27-15%，其余为浓度为99.9%的高纯工业乙醇，吸光涂料的主要作用是提高工作面对激光的吸收率，同时利用SiO2的造渣作用，在熔凝过程中吸收铸件中的残余S、P等有害物质，并通过石墨粉补充表面熔凝过程中损失的C，防止造成工作带基材表面脱碳。
采用气动喷枪在预处理后的工作带基材上喷涂吸光涂料后，使用固态激光器点阵式扫描生成熔凝强化点，其工艺参数如下：设定固态激光器的激光功率1800-2000W，光斑尺寸φ3mm，开光1.5-2.5秒后沿周向移动3mm再开光1.5-2.5秒，重复以上步骤直至扫描完一周，然后沿轴向移动2.6mm，周向移动1.5mm继续重复上述步骤，直至扫描完成整个工作带基材，扫描时侧吹氩气保护并辅助冷却，送气压力0.5Mpa-1.0Mpa，经固态激光器点阵式熔凝处理后，工作带基材表面生成直径3mm，深度2.5-3mm的强化点，呈紧密交错排列。
本发明的有益效果是：
在本发明中，考虑到圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁的材质是高锰钢，但由于圆锥破碎机功率的不断提高，破碎比增大，因此就需要在更好发挥高锰钢的固有特性，保证高锰钢具有合适的塑性与韧性前提下，提高高锰钢初始硬度以及提高其加工硬化速率。
激光熔凝工艺是用激光束将工件表面加热熔化到一定深度，然后自冷使熔层凝固，获得较为细化均质的组织和所需性能的表面改性,在激光熔凝过程中，可排除杂质和气体，急冷重结晶获得的组织有较高的硬度、耐磨性和抗蚀性，高锰钢经熔凝处理后，可形成硬度达HRC55-60，深度2.5-3.5mm的表面硬化层。
本发明采用固态激光器进行点阵式熔凝强化，是因为我们在大量实验及通过有限元模拟后发现，如果采用整体连续熔凝的方式，在受到矿石的冲击时，因矿石与衬板的接触是点接触的方式，会在强化层形成大量的局部高应力点，连续熔凝所产生的硬化层易产生裂纹，导致应力扩散失去保护效果，而采用点阵熔凝处理方法，可以有效的避免局部受冲击产生裂纹的问题，同时激光点阵熔凝的好处还在于受冲击点会产生局部塑性变形，对周边的高锰钢基材给予较大的冲击应力，可以使高锰钢的冲击强化速度和深度更快更好的进行，并且所形成的凸凹表面，会使大量的高硬度矿粉微粒堆积在内，在受到矿石冲击的时候产生了一定的缓冲和保护作用，进一步提高了圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁的寿命。
实验证明经该方法强化后的轧臼壁和破碎壁较未经强化的轧臼壁和破碎壁使用寿命可提高40%-50%，不仅大幅减少了使用成本，更降低了更换工时和成本，具备重大的经济和社会效益。
附图说明
图1为采用本发明的方法经固态激光器点阵式熔凝处理后，在轧臼壁及破碎壁表面生成直径3mm，深度2.5-3.5mm的强化点的示意图。
图2为图1的俯视图。
具体实施方式
如图1、图2所示，鉴于铸造的圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁各批次化学成分会有一定不可避免的波动，为达到最佳使用效果，需要根据取样检测后决定激光熔凝的工作参数，且受铸造工艺影响轧臼壁和破碎壁工作带基材2不可避免的存在夹杂、表面局部缺陷、锈蚀等，为减少其对后续激光加工工作的影响，本发明采用了对铸造生产的圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁工作带基材2进行手工清理的方法，去除表面铸造夹杂、超过3mm的凸起或凹陷及清理大块锈蚀，采用气动喷枪喷涂预处理涂料并经激光预处理扫描的方式，对圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁进行预处理，其目的在于彻底清除表面的氧化铁皮，同时使工作基材1表面微融以填补铸造裂纹、铸造坑，消除毛刺，然后用高压氮气吹扫，将还原生成的渣滓、残余涂料等清除干净，采用气动喷枪在清理后的工作基材1上喷涂吸光涂料，并采用固态激光器激光进行点阵式熔凝处理后形成激光熔凝强化点；现通过两个实施例具体说明。
实施例1
本发明的激光点阵式熔凝强化圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁的方法，具体包括如下步骤：
1、取样分析及前期处理：
（1）对铸造生产的待处理的圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁取样分析化学成分，经测定其主要化学元素成分百分比为：C：1.15， Si：0.42， Mn：11.8，P：0.06，S：0. 03，Cr：1.6；
（2）使用角磨机对铸造生产的圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁工作带基材进行清理，去除表面铸造夹杂、超过3mm的凸起或凹陷、清理大块锈蚀；
2、激光预处理
（1）喷涂预处理涂料
在对铸造生产的圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁工作带基材2进行喷涂时，采用气动喷枪喷涂预处理涂料，喷涂厚度为.02-0.05mm，所述的预处理涂料化学成分重量百分比为：虫胶2.5%，纳米石墨粉6.6%，粒度D50=6μm的 SiO27.0%，粒度D50=6μm，纯度＞98%的铝粉4.8%，400目的膨润土2.2%，其余为浓度为99.9%的高纯工业乙醇，上述组份使用前使用高速搅拌机搅拌20分钟后马上进行喷涂作业，如喷涂时间超过10分钟，需要重新搅拌后使用；
预处理涂料的主要作用是提高部件对激光的吸收率，同时利用铝粉与氧化铁的反应即（Al+FeO=Al2O3+Fe铝热反应过程），释放大量的热量使部件表面氧化层还原为Fe并使表面微融，以填补细微铸造裂纹和铸造坑，方便下一步工序实施；
（2）激光扫描
采用气动喷枪喷涂预处理涂料后，再采用HGL-5000激光加工系统对喷涂后的圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁工作带基材2进行激光扫描处理，其工艺参数如下：设定HGL-5000激光加工系统的激光功率3000-3500W，使用15*1积分聚焦镜，光斑尺寸15*2，扫描速度200-300mm/min，连续扫描，扫描时侧吹氩气保护，氩气送气压力0.05Mpa-0.1Mpa；
（3）高压氮气吹扫
使用气体喷枪连接氮气瓶，排气压力设定为1.5-2.0Mpa，对工作区进行全面吹扫，去除预扫描后产生的熔渣、残余涂料等，个别无法吹扫掉的部位，用铁丝刷清理后再吹扫；
3、激光点阵式熔凝扫描处理
（1）喷涂吸光涂料
首先采用气动喷枪在预处理后的工作带基材2上喷涂吸光涂料，其厚度为0.01-0.03mm，所述的吸光涂化学料成分重量百分比为：虫胶3.5%，纳米石墨粉4.2%，粒度D50=6μm 的SiO211%，其余为浓度为99.9%的高纯工业乙醇；
吸光涂料的主要作用是提高工作面对激光的吸收率，同时利用SiO2的造渣作用，在熔凝过程中吸收铸件中的残余S、P等有害物质，并通过石墨粉补充表面熔凝过程中损失的C，防止造成工作带基材2表面脱碳；
（2）激光点阵式熔凝扫描
喷涂吸光涂料后，使用ZKSX-2000固态激光器，进行激光点阵式熔凝扫描，其工艺参数如下：设定激光器的激光功率2000W，光斑尺寸φ3mm，开光2秒后沿周向移动3mm再开光2秒，重复以上步骤直至扫描完一周，然后沿轴向移动2.6mm，周向移动1.5mm继续重复上述步骤，直至扫描完成整个工作带基材2，扫描时侧吹氩气保护并辅助冷却，送气压力0.5Mpa-1.0Mpa，经脉冲光纤激光器点阵扫描处理后，工作带基材2表面生成直径3mm，深度2.5-3mm的强化点1，呈紧密交错排列，如图1、图2所示。
采用点阵式熔凝扫描处理方法，可以有效的避免局部受冲击产生裂纹的问题，同时点阵式熔凝的好处还在于受冲击点会产生局部塑性变形，对周边的高锰钢基材给予较大的冲击应力，可以使高锰钢的冲击强化速度和深度更快更好的进行，并且所形成的凸凹表面，会使大量的高硬度矿粉微粒堆积在内，在受到矿石冲击的时候产生了一定的缓冲和保护作用，进一步提高了圆锥破碎机衬板的寿命。
实施例2
本发明的脉冲高速激光点阵式熔凝强化圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁的方法，具体包括如下步骤：
1、取样分析及前期处理：
（1）对铸造生产的待处理的轧臼壁和破碎壁取样分析化学成分，经测定其主要化学元素成分百分比为：C：0.96， Si：0.62， Mn：12.2，P：0.041，S：0. 028，Cr：1.4；
（2）使用角磨机对铸造生产的轧臼壁和破碎壁工作带基材2进行简单清理，去除表面铸造夹杂、超过3mm的凸起或凹陷、清理大块锈蚀；
2、激光预处理
（1）喷涂预处理涂料
在对铸造生产的圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁工作带基材2进行喷涂时，采用气动喷枪喷涂预处理涂料，喷涂厚度为.02-0.05mm，所述的预处理涂料化学成分重量百分比为：虫胶3.8%，纳米石墨粉7.5%，粒度D50=6μm的 SiO27.0%，粒度D50=6μm，纯度＞98%的铝粉4.0%，400目的膨润土1.8%，其余为浓度为99.9%的高纯工业乙醇，上述组份使用前使用高速搅拌机搅拌20分钟后马上进行喷涂作业，如喷涂时间超过10分钟，需要重新搅拌后使用；
（2）激光扫描
采用气动喷枪喷涂预处理涂料后，再采用HGL-5000激光加工系统对喷涂后的轧臼壁和破碎壁工作带基材2进行激光扫描处理，其工艺参数如下：设定HGL-5000激光加工设备的激光功率3400W，使用15*1积分聚焦镜，光斑尺寸15*2，扫描速度300mm/min，连续扫描，扫描时侧吹氩气保护，氩气送气压力0.05Mpa-0.1Mpa，激光扫描预处理，
（3）高压氮气吹扫
使用气体喷枪连接氮气瓶，排气压力设定为1.5-2.0Mpa，对工作区进行全面吹扫，去除预扫描后产生的熔渣、残余涂料等，个别无法吹扫掉的部位，用铁丝刷清理后再吹扫；
3、激光点阵式熔凝扫描处理
（1）喷涂吸光涂料
首先使用气动喷枪在工作带基材2上喷涂吸光涂料，其厚度为0.01-0.03mm，所述的吸光涂化学料成分重量百分比为：虫胶3.5%，纳米石墨粉4.2%，粒度D50=6μm 的SiO211%，其余为浓度为99.9%的高纯工业乙醇；
（2）激光点阵式熔凝扫描
喷涂吸光涂料后，使用ZKSX-2000固态激光器，进行激光点阵式熔凝，其工艺参数如下：设定脉冲光纤激光器的激光功率2000W，光斑尺寸φ3mm，开光2秒后沿周向移动3mm再开光2秒，重复以上步骤直至扫描完一周，然后沿轴向移动2.6mm，周向移动1.5mm继续重复上述步骤，直至扫描完成整个工作带基材2，扫描时侧吹氩气保护并辅助冷却，送气压力0.5Mpa-1.0Mpa，经脉冲光纤激光器点阵扫描处理后，工作带基材2表面生成直径3mm，深度2.5-3mm的强化点1，呈紧密交错排列，如图1、图2所示。
采用点阵式熔凝扫描处理方法，可以有效的避免局部受冲击产生裂纹的问题，同时点阵式熔凝的好处还在于受冲击点会产生局部塑性变形，对周边的高锰钢基材给予较大的冲击应力，可以使高锰钢的冲击强化速度和深度更快更好的进行，并且所形成的凸凹表面，会使大量的高硬度矿粉微粒堆积在内，在受到矿石冲击的时候产生了一定的缓冲和保护作用，进一步提高了圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁的寿命。

Claims (3)

1.一种脉冲高速激光点阵式熔凝强化圆锥破碎机衬板的方法，包括对铸造生产的圆锥破碎机衬板即轧臼壁和破碎壁工作带基材进行清理，去除表面铸造夹杂、超过3mm的凸起或凹陷及清理大块锈蚀，其特征在于：采用气动喷枪对圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁进行喷涂预处理涂料和采用激光加工系统进行激光扫描预处理，采用气动喷枪在预处理后的工作带基材上喷涂吸光涂料，采用气动喷枪在经激光预处理后的轧臼壁和破碎壁工作带基材上喷涂吸光涂料，并采用大功率固态激光加工系统进行点阵熔凝扫描处理后，形成激光熔凝强化点； 
在对铸造生产的圆锥破碎机轧臼壁和破碎壁的工作带基材进行预处理时，先喷涂预处理涂料，喷涂厚度为0.02-0.05mm，所述的预处理涂料化学成分重量百分比为：虫胶2-5%，纳米石墨粉6-8%，粒度D50=6μm的 SiO25.5-7.2%，粒度D50=6μm，纯度＞98%的铝粉4.5-5.5%，400目的膨润土1.5-2.5%，其余为浓度为99.9%的高纯工业乙醇，上述组份使用前使用搅拌机搅拌20分钟后马上进行喷涂作业，如喷涂时间超过10分钟，需要重新搅拌后使用；
在进行激光点阵式熔凝扫描处理时，先喷涂吸光涂料，喷涂厚度为0.01-0.03mm，所述的吸光涂化学料成分重量百分比为：虫胶2-5%，纳米石墨粉3-6%，粒度D50=6μm 的SiO27-15%，其余为浓度为99.9%的高纯工业乙醇。
2.根据权利要求1所述的激光点阵式熔凝强化圆锥破碎机衬板的方法，其特征在于：
采用气动喷枪喷涂预处理涂料后，使用激光加工系统进行激光扫描预处理，其工艺参数如下：设定激光功率3000-3500W，使用15*1积分聚焦镜，光斑尺寸15*2，扫描速度200-300mm/min，连续扫描，扫描时侧吹氩气保护，氩气送气压力0.05Mpa-0.1Mpa，激光扫描预处理后，使用高压氮气吹扫，清除掉残余的涂料、残渣和氧化铁皮。
3.根据权利要求1所述的激光点阵式熔凝强化圆锥破碎机衬板的方法，其特征在于：
采用气动喷枪在预处理后的工作带基材上喷涂吸光涂料后，使用固态激光器点阵式扫描生成熔凝强化点，其工艺参数如下：设定固态激光器的激光功率1800-2000W，光斑尺寸φ3mm，开光1.5-2.5秒后沿周向移动3mm再开光1.5-2.5秒，重复以上步骤直至扫描完一周，然后沿轴向移动2.6mm，周向移动1.5mm继续重复上述步骤，直至扫描完成整个工作带基材，扫描时侧吹氩气保护并辅助冷却，送气压力0.5Mpa-1.0Mpa，经固态激光器点阵式熔凝处理后，工件带基材表面生成直径3mm，深度2.5-3mm的强化点，呈紧密交错排列。
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