CN106676518B - 一种金属结构件激光再制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属结构件激光再制造方法，属于激光快速成形技术领域。包括在金属结构基材一端任意点选取起熔点，激光熔覆第一层第一道圆环，完成后激光光斑沿第一道圆环内侧向金属结构基材另一端移动1～2mm，开始激光熔覆第二道圆环；反复操作激光熔覆步骤至熔覆道次数量与结构件长度成正比后机加工；然后将激光头高度升高1～2mm，激光熔覆第二层及第三层；最终由三层激光熔覆层组成金属结构件的熔覆层，总计厚度为3～5mm；熔覆层材料为Co基金属粉末，步骤所使用的激光熔覆参数一致均为激光功率：2000～3000kw，光斑直径：2～3mm等。优点在于，防腐耐磨、硬度高，使用寿命长。

Description

一种金属结构件激光再制造方法
技术领域
本发明属于激光快速成形技术领域。特别涉及一种金属结构件激光再制造方法。尤其涉及一种高强金属结构件激光再制造方法。
背景技术
近年来，随着《中国制造2025》国家战略的提出，金属材料3D打印技术和激光再制造技术已然成为增材制造领域的研究热点。金属激光3D打印技术和再制造技术均是将金属材料逐层离散-堆积制造出实体物品或表面层(通常用于表面改性或修复)的新兴制造技术。对于一些传统制造方法难于制造和修复的零部件的制造和再制造拥有明显的优势，可显著提高工件的使用寿命，降低生产成本，具有极大的市场前景。
目前，世界各钢铁企业运行的带钢冷轧热镀锌机组基本都采用沉没辊装置，见图1，其主要由设置在锌液中的沉没辊、稳定辊及气刀等组件组成，稳定辊的功能是保持出锌槽的镀锌钢板平直及稳定不晃动；沉没辊的功能是使钢板充分浸浴在熔融的锌液中，以完成镀锌。但是在镀锌过程中存在如下问题：带钢连续热镀锌生产时，沉没辊浸在锌液(温度460±5℃)中通过两侧的轴套支撑在固定架上随带钢的运动而转动。它们浸没在锌液中因受锌液腐蚀以及与带钢间的摩擦磨损作用，辊面和轴套会很快腐蚀磨损失效。沉没辊、稳定辊及其轴套是带钢热镀锌生产线中一个重要消耗部件，尤其轴套属滑动摩擦，接触应力也较大，锌液腐蚀磨损条件对轴套质量要求甚为苛刻。目前，国内外的轴套材料主要有钴基合金、奥氏体不锈钢、热作模具钢和高速钢等，都存在耐锌液腐蚀磨损性能差和使用寿命短的不足，一般在15天左右，质量较好的也在30天以内，但制造成本较高。热镀锌线每次更换沉没辊、稳定辊及其轴套，整个机组需停产6～8小时，加上开机停机前后的生产调整时间，使得热镀锌生产及经济效益受到严重影响。
中国发明专利CN101205598公开了一种沉没辊轴套，由不锈钢基体I和钴基激光熔覆层2两部分组成，钴基激光熔覆层覆盖在不锈钢基体I之上。该发明还提供沉没辊轴套的制造方法，其特征在于工序如下：1、加工不锈钢基体I；2、机械加工；3、激光熔覆，在不锈钢基体I外圆上，先熔覆打底层，再熔覆功能层；激光熔覆工艺参数为：激光功率3000～5000w，光斑直径为2～5mm，扫描速度2～10mm/s；4、机械加工至设计尺寸。该发明提供的沉没辊轴套及其制造方法，其优点在于：材料利用率高；耐熔锌腐蚀层厚，可以达到2mm以上；轴套强度高，但存在熔覆层与基体结合强度低，熔覆层使用中易开裂和剥落的不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属结构件激光再制造方法，解决了传统制造方法制造成本较高、耗时长且工件寿命短的问题。实现了熔覆层与基体冶金结合，结合强度大于基材原强度的90％以上，有利于促进轴套使用寿命的延长。
一种金属结构件激光再制造方法，具体步骤及参数如下：
1、在金属结构基材一端任意点选取起熔点，开始熔覆第一层第一道圆环的激光熔覆，第一道圆环的外侧要与基材端部对齐；
2、完成熔覆第一层第一道圆环的激光熔覆后，激光光斑沿第一道圆环内侧向金属结构基材另一端移动1～2mm，开始熔覆第一层第二道圆环的激光熔覆，熔覆方向与熔覆第一层第一道圆环的熔覆方向一致；
3、完成熔覆第一层第二道圆环熔覆后，重复步骤2，再完成若干道圆环熔覆直至全覆盖到基材表面的另一端，熔覆道次数量与结构件长度成正比；过程中每道激光熔覆方向一致；由这些道圆环组成第一熔覆层；之后进行机加工使其表面光洁、光滑；
4、将激光头的高度升高1～2mm，在第一熔覆层任意一侧上选取任意起熔点，开始熔覆第二层第一道圆环的激光熔覆，熔覆第二层第一道圆环的熔覆方向与第一熔覆层方向相反；
5、完成熔覆第二层第一道圆环熔覆后，激光光斑沿第一道圆环内侧向熔覆层另一端移动1～2mm，开始熔覆第二层第二道圆环的激光熔覆，熔覆方向与熔覆第二层第一道一致；
6、完成熔覆第二层第二道圆环熔覆后，重复步骤5，再完成若干道圆环熔覆直至熔覆层另一端全覆盖上第一熔覆层，保持该层每道激光熔覆方向一致；由这些道圆环组成第二熔覆层；之后进行机加工使其表面光洁、光滑：
7、将激光头的高度再升高1～2mm，在第二熔覆层任意一侧上选取任意起熔点，开始熔覆第三层第一道圆环的激光熔覆，熔覆第三层第一道圆环的熔覆方向与第二熔覆层方向相反；
8、完成熔覆第三层第一道圆环熔覆后，激光光斑沿第一道圆环内侧向熔覆层另一端移动1～2mm，开始熔覆第三层第二道圆环的激光熔覆，熔覆方向与熔覆第三层第一道一致；
9、完成熔覆第三层第二道圆环焊接后，重复步骤8，再完成若干道圆环熔覆直至熔覆层另一端全覆上盖第二熔覆层，保持该层每道激光熔覆方向一致；由这些道圆环组成第三熔覆层；
最终由三层激光熔覆层组成金属结构件的熔覆层，总计厚度为3～5mm；之后进行机加工使其表面光洁、光滑。熔覆层的厚度不受限制，可根据需求进行四层熔覆。
金属结构基体材质为316L合金，成本较低，耐锌液腐蚀，具有良好焊接性能，但是硬度差，HRC20左右；
熔覆层材料为Co基金属粉末，耐高温腐蚀，具有高耐磨性。Co基熔覆材料，其化学成份重量百分比为：Co：50～60％、Cr：30～35％、Ni：2.0～8.0％、W：2.0～4.0％、C＜1.0％、Si＜1.0％、Mn＜1.0％、Mo＜1.0％、B＜1.0％、Al＜0.1％，余量为Fe及不可避免杂质。实际应用中每层熔覆材料个别元素含量略有不同。在基体表面上激光熔覆二层或三层厚度为3～5mm的Co基合金层，使其具有高的耐蚀耐磨性。
步骤1～9所使用的激光熔覆参数一致；激光熔覆参数为：激光功率：2000～3000kw，扫描速度：2～5mm/s，光斑直径：2～3mm，送粉量：8～12g/min，每层厚度为：1.5～2.0mm。
本发明的优点在于：熔覆材料与基体同时熔化形成冶金结合，结合强度大于基材原强度的90％以上；与轴瓦配合防腐耐磨，接触面硬度达HRC60左右，提高轴套使用寿命。
附图说明
图1为沉没辊装置示意图。其中，退火辊1、气刀2、稳定辊3、沉没辊4、坩埚5。
图2为熔覆层位置示意图。
图3为界面结合处基体与熔覆层组织形貌显微图。
具体实施方式
实施例1
具体步骤及参数如下：
1、在金属结构基材一端选取任意起熔点，开始熔覆第一层第一道圆环的激光熔覆，第一道圆环的外侧要与基材端部对齐；
2、完成熔覆第一层第一道圆环的激光熔覆后，激光光斑沿第一道圆环内侧向金属结构基材另一端移动2mm，开始熔覆第一层第二道圆环的激光熔覆，熔覆方向与熔覆第一层第一道圆环的熔覆方向一致；
3、完成熔覆第一层第二道圆环熔覆后，重复步骤2，再完成59道圆环熔覆直至基材另一端，从基材表面一端到另一端全覆盖。过程中每道激光熔覆方向一致；由这些道圆环组成第一熔覆层；之后进行机加工使其表面光洁、光滑；
4、将激光头的高度升高1.5mm，在第一熔覆层任选一侧上选取任意起熔点，开始熔覆第二层第一道圆环的激光熔覆，熔覆第二层第一道圆环的熔覆方向与第一熔覆层方向相反；
5、完成熔覆第二层第一道圆环熔覆后，激光光斑沿第一道圆环内侧向熔覆层另一端移动2mm，开始熔覆第二层第二道圆环的激光熔覆，熔覆方向与熔覆第二层第一道一致；
6、完成熔覆第二层第二道圆环熔覆后，重复步骤5，再完成59道圆环熔覆直至熔覆层另一端，全覆盖上第一熔覆层，保持该层每道激光熔覆方向一致；由这些道圆环组成第二熔覆层。
最终由两层激光熔覆层组成金属结构件的熔覆层，总计厚度为3mm；之后进行机加工使其表面光洁、光滑。
金属结构基体材质为316L合金；熔覆两层Co基熔覆材料有所不同，其化学成份按重量百分比为：
第一层Co：56.7％、Cr：33.3％、Ni：2.6％、W：2.5％、C：0.74％、Si：0.57％、Mn：0.46％、Mo：0.35％、B：0.10％、Al：0.06％，Fe：2.62％；
第二层Co：52.0％、Cr：31.3％、Ni：10.0％、W：3.8％、C：0.59％、Si：0.22％、Mn：0.30％、Mo：0.14％、B：0.10％、Al：0.06％，Fe：1.49％。
步骤1～6所使用的激光熔覆参数一致，具体为：激光功率：2300kw，扫描速度：3mm/s，光斑直径：3mm，送粉量：10g/min，每层厚度为：1.5mm。
组织观察，见图3。熔覆层与基材组织冶金结合良好，组织细小致密，没有裂纹等缺陷。熔覆层组织为快速凝固的过饱和固溶体作为基体相，在其周围分布着网状的共晶组织。
硬度检测，见表1。
表1表层洛氏硬度
数量 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
HRC 53 58 56 58 59 58 57 54 58 58

Claims (1)

1.一种金属结构件激光再制造方法，其特征在于，具体步骤及参数如下：
1)在金属结构基材一端任意点选取起熔点，开始熔覆第一层第一道圆环的激光熔覆，第一道圆环的外侧要与基材端部对齐；
2)完成熔覆第一层第一道圆环的激光熔覆后，激光光斑沿第一道圆环内侧向金属结构基材另一端移动1～2mm，开始熔覆第一层第二道圆环的激光熔覆，熔覆方向与熔覆第一层第一道圆环的熔覆方向一致；
3)完成熔覆第一层第二道圆环熔覆后，重复步骤2)，再完成若干道圆环熔覆直至全覆盖到基材表面的另一端，熔覆道次数量与结构件长度成正比；过程中每道激光熔覆方向一致；由这些道圆环组成第一熔覆层；之后进行机加工使其表面光洁、光滑；
4)将激光头的高度升高1～2mm，在第一熔覆层任意一侧上选取任意起熔点，开始熔覆第二层第一道圆环的激光熔覆，熔覆第二层第一道圆环的熔覆方向与第一熔覆层方向相反；
5)完成熔覆第二层第一道圆环熔覆后，激光光斑沿第一道圆环内侧向熔覆层另一端移动1～2mm，开始熔覆第二层第二道圆环的激光熔覆，熔覆方向与熔覆第二层第一道一致；
6)完成熔覆第二层第二道圆环熔覆后，重复步骤5)，再完成若干道圆环熔覆直至熔覆层另一端全覆盖上第一熔覆层，保持该层每道激光熔覆方向一致；由这些道圆环组成第二熔覆层；之后进行机加工使其表面光洁、光滑；
7)将激光头的高度再升高1～2mm，在第二熔覆层任意一侧上选取任意起熔点，开始熔覆第三层第一道圆环的激光熔覆，熔覆第三层第一道圆环的熔覆方向与第二熔覆层方向相反；
8)完成熔覆第三层第一道圆环熔覆后，激光光斑沿第一道圆环内侧向熔覆层另一端移动1～2mm，开始熔覆第三层第二道圆环的激光熔覆，熔覆方向与熔覆第三层第一道一致；
9)完成熔覆第三层第二道圆环熔覆后，重复步骤8)，再完成若干道圆环熔覆直至熔覆层另一端全覆盖上第二熔覆层，保持该层每道激光熔覆方向一致；由这些道圆环组成第三熔覆层；
步骤1)～9)中熔覆层材料为Co基金属粉末；Co基熔覆材料，其化学成份重量百分比为：Co：50～60％、Cr：30～35％、Ni：2.0～8.0％、W：2.0～4.0％、C＜1.0％、Si＜1.0％、Mn＜1.0％、Mo＜1.0％、B＜1.0％、Al＜0.1％，余量为Fe及不可避免杂质；
步骤1)～9)中所述的激光熔覆参数一致为：激光功率：2000～3000kw，扫描速度：2～5mm/s，光斑直径：2～3mm，送粉量：8～12g/min，每层厚度为：1.5～2.0mm；
步骤1)～9)中的最终由三层激光熔覆层组成金属结构件的熔覆层，总计厚度为3～5mm。
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