CN110273155A - 一种激光熔覆再造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种激光熔覆再造工艺，加工前处理中包括对待修复工件表面的检测和预处理；熔覆加工中包括激光沿待修复工件坡口方向扫描，同时添加与待修复材质研制优配的粉末，将损伤缺失部位修复补平；激光扫描待修复工件表面，同步添加匹配完成的粉末，使工件表面形成强化层；加工后处理中包括复型加工及检测。本发明提供的激光熔覆再造工艺可控性好，易实现自动化控制。而熔覆层与基体均无粗大的铸造组织，熔覆层及其界面组织致密，晶体细小，无孔洞、夹杂、裂纹等缺陷，能够有效的修复工件损失，改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。

Description

一种激光熔覆再造工艺

技术领域

本发明创造属于激光再制造技术领域，尤其是涉及一种激光熔覆再造工艺。

背景技术

针对汽车模具及冷轧机轧辊的磨损修复，传统方法大多是采用普通堆焊进行修复，由于这些构件大多采用高碳合金钢或铸钢，普通堆焊会给工件带来变形量较大、硬度不足、易开裂等缺点，严重影响使用精度，造成所生产的产品质量下降，同时，工件本身的使用寿命也会降低。

现有技术中，激光熔覆技术是通过激光束辐照熔覆粉末和基体，使熔覆粉末和集体表面薄层迅速熔化，并快速凝固形成冶金结合的表面涂层，以改善基体表面耐磨、耐热、耐蚀等性能。但采用常规的激光熔覆修复技术来修复上述的模具、轧辊等工件，对于待修复工件所要求的涂层硬度比较高，而高厚度、大面积的激光熔覆修复，对粉末材料选用和具体的工艺又都有很高的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在克服现有技术中存在的缺陷，提出一种激光熔覆再造工艺。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种激光熔覆再造工艺，

I，加工前处理，包括

对待修复工件表面的检测和预处理；

II，熔覆加工，包括

激光沿待修复工件坡口方向扫描，同时添加与所需修复的基材匹配的粉末，将损伤缺失部位修复补平；

激光扫描待修复工件表面，同步添加强化粉末材料，使工件表面形成强化层；

III，加工后处理，包括

复型加工及检测。

进一步，待修复工件表面的预处理包括采用磨削的方法去除轧辊表面疲劳层，磨削后使用激光清洗设备清洗表面粘黏着的磨削液或是用酒精清除表面粘着的磨削液。

进一步，加工前处理还包括对工件的退火，使工件表面1.5mm位置的硬度下降至HRC40-HRC45。

进一步，加工前处理还包括对轧辊预热及保温，预热温度200摄氏度，保温4小时。

进一步，所添加的与所需修复的基材匹配的粉末中各成分及重量百分比为，C:0.4-0.8％,Cr:4.0-6.0％,B:1.3-1.7％,Si:2.5-3.5％,Ni:28-32％,其余为Fe。

进一步，强化粉末材料各成分及重量比是C:≤0.1％，Cr：17-19％，B：1.5-2.5％，Si：1.5-2.5％，Ni：8-10％，Mo：1-1.5％，V：0.5-1.5％，其余为Fe。

进一步，加工后处理还包括去应力退火热处理。

进一步，去应力退火热处理是在工件激光熔覆加工后，其表面温度没有下降时，采用激光淬火效应快速扫描重熔激光熔覆层，来消除表面热应力。

进一步，所述强化层做1-3层，单层厚度为0.8-1.2mm。

进一步，修补损伤部位时，激光功率P＝2000w，扫描速度V＝900mm\min，焦距F＝410mm。

相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：

本发明提供的激光熔覆再造工艺可控性好，易实现自动化控制。而熔覆层与基体均无粗大的铸造组织，熔覆层及其界面组织致密，晶体细小，无孔洞、夹杂、裂纹等缺陷，能够有效的修复工件损失，改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明与氩弧焊热影响区对比示意图；

图2为Cr5金相组织示意图；

图3为本发明创造实施例中轧辊取样显微硬度测量的示意图；

图4为本发明创造实施例中轧辊表面硬度曲线的示意图；

图5为本发明创造实施例中激光熔覆层截面的示意图；

图6为本发明创造实施例中激光熔覆层中黑色颗粒状物质的示意图；

图7为本发明创造实施例中激光熔覆层能谱分析示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

一种激光熔覆再造工艺，

I，加工前处理；包括

对待修复工件表面的检测和预处理；

II，熔覆加工；包括

激光沿待修复工件坡口方向扫描，同时添加铁基粉料，将损伤缺失部位修复补平；

激光扫描待修复工件表面，同步添加强化材料，使工件表面形成强化层；

III，加工后处理；包括

复型加工及检测。

实施例1

近年来随着我国汽车制造工业的飞速发展，我国在汽车模具行业发展也十分迅速，但与国外汽车模具制造先进水平相比，然存在着明显的差距。由于汽车模具制造在技术要求以及产品质量上的要求越来越高，所以模具精度差、寿命短、开发周期长是汽车模具制造的硬伤。在使用过程中不同程度的磨损，错误加工导致模具的报废率达到30％，造成了巨大的浪费。

而采用本发明工艺，经激光辐照使之和基体表面薄层同时熔化，快速凝固后形成稀释度极低、与基体金属呈冶金结合的涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能。

针对P20材料的汽车塑料模具进行再制造，其步骤如下：

1.模具表面清理，使用激光清洗对模具表面的可见油污、氧化层以及残渣进行清洗或者使用清洗剂去除表面可见油污残渣；通常，对模具表面进行低温加热，加热温度为100℃，用以去除模具表面浅层渗进的水气以及油污。

2.模具表面检测，使用着色探伤法检测表面裂纹以及损伤；具体操作是：检测并记录模具原始的使用条件、硬度和力学性能参数；对准备强化的模具寿命、基体材质、工作状态、原始热处理状态记录备案；通过着色、超声或X光等办法检测需要强化的部位，是否有裂纹和铸造缺陷砂眼等缺陷；检测模具各部位尺寸，确定磨损部位以及缺失尺寸。

3.模具表面预处理，通过打磨切割或机械加工的方式将模具的疲劳层去除，将裂纹以及缺失部分打磨成规则坡口直至裂纹消失，并进行清理。

4.修补伤口，激光延坡口方向扫描同时添加再制造用的铁基粉料，使粉末及少量基体熔化，将缺口与基体补平；采用三线包边的方法将刃口边间保护好。采用的合金粉末的成分及重量百分比是C:0.4-0.8％,Cr:4.0-6.0％,B:1.3-1.7％,Si:2.5-3.5％,Ni:28-32％,其余为Fe。(激光功率P＝1600w扫描速度V＝900mm\min)。

需要指出的是，该粉末中将C含量控制在0.4-0.8％，提高了修复部位的屈服点和抗拉强度升性能。同时添加适量的B、Si作为在熔覆过程中作为还原剂和脱氧剂，来提高熔覆层的弹性极限，屈服点和抗拉强度，并在覆层凝固后形成以奥氏体为主的基体。

5.整体超差尺强化层制造，使用机械手示教编程规划再制造运行轨迹与模具表面形状契合，激光扫描模具表面同时通过同步气载送粉器添加再制造用强化材料(激光功率P＝2000，扫描速度V＝1000mm\min)，使模具表面具有一层激光制备强化层，提高模具的抗热、抗冲击、抗磨效果；

所采用的合金粉末的成分以及重量比是C:≤0.1％，Cr：17-19％，B：1.5-2.5％，Si：1.5-2.5％，Ni：8-10％，Mo：1-1.5％，V：0.5-1.5％，其余为Fe。所采用的机械手可以为KR120-R3900六轴机械手(作用范围0.35m至3.91m精度0.015mm至0.2mm重复精度)，激光器可以为德国DILAS5000W半导体激光器。

将C含量控制在≤0.1％有利于提高熔覆层的润湿性，防止在熔覆过程中产生裂纹和气孔。Cr含量提升并加入适量的Mo对铁基粉料进行基本的合金化强化，即使降低碳含量依然使熔覆层也能达到50HRC以上，充分满足模具的要求并具有很高的耐磨防腐效果。

6.修复结束后，进行检测。主要检测表面硬度、检测变形量、按照图纸要求对模具表面进行机加工处理后进行渗透探伤，检测是否有气孔、夹渣、裂痕等影响模具机械性能的缺陷，进行校检质量是否合格。

本发明在保持模具本身基体硬度HR30-40不发生改变的情况下，采用新型激光再制造技术进行处理，可使得模具表面强度，模具表面硬度可达HRC55-60，激光加工与机械加工相结合，加法与减法相结合，均质与局部强化(功能表面)相结合，再制造产品在使用性能甚至优于原设计制造的产品。

实施例2

通过力学材料学的检测手段应用激光熔覆，可以实现对冷轧辊的再制造。目前国内冷轧辊激光加工多采用激光毛化、激光合金化来提高轧辊的使用周期和寿命，但对于尺寸恢复强化并无太大改善。

Cr5成分如下C：0.48-0.58；Cr：4.5-5.5；Si；0.4-0.6；Mn：0.45-0.6；Mo：0.4-0.55；Ni：0.45-0.55；V：0.1-0.15。Cr5冷轧辊含铬量5％左右。

根据Cr5冷轧辊的成份、热处理工艺规范及金相分析(对废轧辊工作面进行取样)可知，其内部组织应主要是高碳马氏体、碳化物和残余奥氏体，如图2所示。冷轧辊工作面硬度要求不低于HRC62，其极高的硬度主要通过热处理获得，因此热轧辊在热处理过程或热处理之后也常出现开裂现象。

从化学成份上看，其合金元素的总含量不高，为获得较多量的马氏体组织其含碳量较高。冷轧辊工作时需承受较大压力，因此硬度指标对于冷轧辊极为重要。

由图3和图4可以看出,轧辊工作面的最高硬度是HRC62,到辊心的硬度为HRC38。轧辊的支撑部分和工作部分的硬度由外及内都是呈逐渐降低的趋势,轧辊所呈现的硬度梯度与热处理本身特点有关,轧辊具有较高的强韧性(心韧表硬)对轧辊的使用是有好处的。

针对Cr5报废轧辊的修复强化工艺具体步骤如下：

加工前处理

1.表面疲劳层去除；采用磨削的方法去除轧辊表面疲劳层，磨削后使用激光清洗对轧辊表面的可见油污、粘黏的磨削液以及残渣进行清洗或者用酒精清除表面粘着的磨削液。

2.热处理；根据表面的残余应力测量结果，进行去应力退火。选择热处理炉的方法做整体退火，使硬度降至40HRC，对轴承位进行保护。

3.加工前预热：根据焊接、热处理工艺要求，将轧辊加热至200摄氏度，保温4小时使轧辊整体温度达到焊接要求。减少熔覆时温度场变化，对熔覆层造成开裂的可能性。

激光熔覆加工

要实现冷轧辊的修复，必须使得激光熔覆层达到冷轧辊工作面相同的硬度指标。对于激光熔覆技术来说，要获得大面积、高硬度、无裂纹的涂层难度较高，在激光熔覆过程中需借助其它技术手段，如激光制备复合纳米涂层、冷轧辊基体的预热和缓冷、选用抗裂性比较高的合金材料等。

由于采取了预热和缓冷措施，激光快速加热和快速冷却的特点不能体现，在一定程度上也降低了激光熔覆层的性能指标。因此激光熔覆层的强化方式不能和基体材料等同，也就是说不能依靠热处理的方式，本方法选用硬质相强化的方式来获得高硬度。

激光熔覆主要工艺参数包括激光功率密度、扫描速度、搭接率等、扫描路径。其中激光功率密度和扫描速度是两个最重要的参数,直接影响熔覆层的质量、外观形貌、应力状态等。

经过大量工艺实验确定激光熔覆修复轧辊时的工艺参数是：激光输出功率2400W，激光扫描线速900mm/min，离焦量为70mm，使用Ar气保护，送粉量为14-18g/min，搭接率30％，螺旋进给。最终激光熔覆所获得的熔覆层厚度为2-3mm。

通常，熔覆过程中使用两种粉末分2-3层熔覆，单层厚度0.8-1.2mm之间。每层之间不可间隔加工。根据轧辊的应力场分布，以及残余应力分析，可以使用Ni45做中间过渡层，厚度处在应力拐点之内。再根据实际情况做1-2层的的强化层。熔覆时需要进行螺旋进给，使加工过程保持同时向心的螺旋交叉应力，达到轧辊表面应力平衡。

激光熔覆强化选用铁基合金材料+铬的碳化物，两种粉末材料为直接雾化成型，激光熔覆层截面形貌如图5所示。由图6可以看出，熔覆层无气孔、无裂纹等缺陷，冷轧辊基体仍保持马氏体组织，熔覆层与基体获得良好的冶金结合，两者之间的稀释率在5～10％的范围。可见的是熔覆层中存在黑色颗粒状物质。

通过对中的黑色颗粒进行能谱分析，块状颗粒中主要含有Fe和Cr元素，其物相应该是Fe和Cr共晶碳化物。对熔覆层的能谱分析，其能谱图及分析结果如图7所示。由分析结果可知，熔覆层中的主要元素是Fe、Cr、Si、Ni、W等。Cr元素在熔覆层中的质量百分比为14％，在熔覆层中具有较高的质量分数。

利用本发明的激光激光再制造制备复合纳米涂层技术，可以实现Cr5冷轧辊的修复和强化,能够得到大面积厚度为2.5～3.0mm的激光熔覆层，激光熔覆层无气孔，裂纹等缺陷。

铁基合金材料+铬的碳化物经过激光熔覆后，所得到的金相组织主要是由γ-Fe、(Fe，Cr)7C3、W2C、CrB、Cr2B、FeNi等相组成，激光熔覆层的强化机制是硬质相强化。

加工后用保温棉覆盖包裹轧辊，保持加工后的余温。另外，根据热处理工艺要求在轧辊加工完成、未冷却时，进行去应力退火后保温缓冷，之后按图纸要求磨削至要求尺寸，最后进行出厂检测。

实施例3

冷轧机轧制钢带过程中,需要对冷轧辊施加比较大的轧制力,由于应力集中,往往会在轧辊工作面形成微裂纹或发生较大程度的不均匀磨损。为了不影响钢带的轧制质量,需要对轧辊工作面做较大的修磨。经过几次的修磨和反复使用，冷轧辊工作面的尺寸超差,最终也将导致轧辊的失效。

MC5钢是5％Cr系列的冷轧辊用钢，属高碳过共析钢，成分如下：(wt％)C：0.86；Si：0.64；Mn：0.40；Ni：0.22；Cr：4.96；Mo：0.30；V：0.025。

本方案中，激光熔覆材料为Fe基合金粉末加铬的碳化物,粒度为40～95μm。激光熔覆所用设备为DILAS5000W高功率列阵直接半导体激光器。激光器聚焦特征参数值为，输出激光束的波长为1064nm，其光束经过焦距为5mm的矩形,激光熔覆时采用环形同轴同步送粉方式。

针对MC5报废轧辊的修复强化工艺具体步骤如下：

一、检测；

表面硬度测量(轧辊表面硬度HRC68)；表面着色探伤。

二、加工前处理

1.表面疲劳层去除，通常，采用磨削方法去除轧辊表面疲劳层；

2.激光表面退火，通常，是通过激光退火，将轧辊表面1.5mm左右位置的硬度下降至HRC45左右；

以下为退火工艺参数表：

编号	扫描速度	功率	重复	加工后硬度	冷却后硬度
						1	0.54m/min	800W	1	51.9HRC	52.8HRC
2	0.54m/min	900W	2	53.4HRC	53.8HRC
						3	0.54m/min	1200W	1	59.9HRC	59.7HRC
4	0.54m/min	900W	1	42.5HRC	44.7HRC
						5	0.42m/min	900W	1	57.6HRC	58.5HRC
6	0.66m/min	900W	1	52.7HRC	51.5HRC

3.加工前预热，根据焊接、热处理工艺要求，将轧辊加热至200摄氏度，保温4小时使轧辊整体温度达到焊接要求。

三、激光熔覆加工

熔覆加工(使用专用激光熔覆头，对轧辊表面进行辐照，同时通过环形同轴送粉器，对熔池注入合金粉末使其与轧辊表面进行熔凝，实现覆层已基体之间冶金结合的过程，为达到表面厚度要求和技术指标，表面要分两层熔覆，单层厚度1.2mm左右。送粉器载气选择惰性氩气，同时可对熔池形成气氛保护，减少敷层的表面氧化。

四、加工后热处理

激光熔覆后，轧辊表面温度没有下降的时候，采用激光快速扫描重熔激光敷层，来消除表面热应力。取代原始去应力退火工艺，它不仅可以有效的消除表面残余应力、可以降低工艺过程的繁琐性、节约成本、减少污染。

五、复型加工

磨削至要求尺寸。

六、表面探伤

采用涡流法进行表面探伤，加工成型后的轧辊表面，杜绝出现气孔。

本发明中采用激光熔覆技术得到较高厚度的熔覆层，且涂层缺陷极少并具有优异的力学性能,实现即将报废轧辊的再利用,使激光熔覆技术在冷轧辊修复方面得以应用。

采用激光表面退火工艺，使轧辊表面1mm厚度范围内的硬度降至45HRC。表面的熔覆层硬度为65HRC，这样就形成了轧辊基体1mm以下硬度为68HRC、退火层45HRC、熔覆层65HRC的组合强化层。高硬度的基体，给表面复合层起到强大的支撑力，来应对表面强大的应力。表面退火层具有良好的韧性，来应对弹性应力，并把强大的压应力渗透到高硬的机体内部消化减退掉。

同时，退火层以高硬的基体本就是一体成型，所以不会产生断点剥落的情况。表面的高硬熔覆层，因为选用的材料里添加了含铬的碳化物，所以耐磨性能大大提高。对于激光熔覆技术来说,要获得大面积、高硬度、无裂纹的涂层难度较高,在激光熔覆过程中需借助冷轧辊基体的预热和缓冷技术手段。由于采取了预热措施，使加工过程中温度场影响变小，所以有效的消除了熔覆层开裂的现象。熔覆后用激光快速重熔方法，取代传统的保温和去应力退火，不仅可以降低工艺复杂程度、控制成本、消除应力同时可以使熔覆层组织更致密，技术可控性更高。

需要说明的是，本发明中激光熔覆复合层组织通常由底层、中间层、以及面层组成的各具特点的梯度功能材料，底层具有与基体浸润性好、结合强度高等特点，如实施例1中的铁基粉料；中间层作为过渡层，具有一定强度和硬度、抗裂性好等优点，如实施例2中的Ni45材料的过渡层；面层具有抗冲击耐磨损和耐腐蚀等性能，使修复后的模具在安全和使用性能上更加有保障，如实施例1中的强化层。

相较于氩弧焊，基体材料在激光加工过程中仅表面微熔，微熔层为0.05-0.1mm。基体热影响区极小，一般为0.1-0.2mm。如图1所示，激光熔覆热影响区示意图激光熔覆热影响区是氩弧焊的十分之一左右。

另外，激光熔覆层与基体为冶金结合，结合强度不低于原基体材料的90％。激光加工过程中基体温升不超过80℃，激光加工后基本无变形。

并且，激光熔覆技术可控性好，易实现自动化控制。而熔覆层与基体均无粗大的铸造组织，熔覆层及其界面组织致密，晶体细小，无孔洞、夹杂、裂纹等缺陷。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光熔覆再造工艺，其特征在于，

I，加工前处理，包括

对待修复工件表面的检测和预处理；

II，熔覆加工，包括

激光沿待修复工件坡口方向扫描，同时添加与所需修复的基材匹配的粉末，将损伤缺失部位修复补平；

激光扫描待修复工件表面，同步添加强化粉末材料，使工件表面形成强化层；

III，加工后处理，包括

复型加工及检测。

2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆再造工艺，其特征在于：待修复工件表面的预处理包括采用磨削的方法去除轧辊表面疲劳层，磨削后使用激光清洗设备清洗表面粘黏着的磨削液或是用酒精清除表面粘着的磨削液。

3.根据权利要求1所述的一种激光熔覆再造工艺，其特征在于：加工前处理还包括对工件的退火，使工件表面1.5mm位置的硬度下降至HRC40-HRC45。

4.根据权利要求1所述的一种激光熔覆再造工艺，其特征在于：加工前处理还包括对轧辊预热及保温，预热温度200摄氏度，保温4小时。

5.根据权利要求1所述的一种激光熔覆再造工艺，其特征在于：所添加的与所需修复的基材匹配的粉末中各成分及重量百分比为，C:0.4-0.8％,Cr:4.0-6.0％,B:1.3-1.7％,Si:2.5-3.5％,Ni:28-32％,其余为Fe。

6.根据权利要求1所述的一种激光熔覆再造工艺，其特征在于：强化粉末材料各成分及重量比是C:≤0.1％，Cr：17-19％，B：1.5-2.5％，Si：1.5-2.5％，Ni：8-10％，Mo：1-1.5％，V：0.5-1.5％，其余为Fe。

7.根据权利要求1所述的一种激光熔覆再造工艺，其特征在于：加工后处理还包括去应力退火热处理。

8.根据权利要求7所述的一种激光熔覆再造工艺，其特征在于：去应力退火热处理是在工件激光熔覆加工后，其表面温度没有下降时，采用激光淬火效应快速扫描重熔激光敷层，来消除表面热应力。

9.根据权利要求1所述的一种激光熔覆再造工艺，其特征在于：所述强化层做1-3层，单层厚度为0.8-1.2mm。

10.根据权利要求1所述的一种激光熔覆再造工艺，其特征在于：修补损伤部位时，激光功率P＝2000w，扫描速度V＝900mm\min，焦距F＝410mm。