CN110576161B - 激光制造与再制造结晶器铜板变形控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光制造与再制造结晶器铜板在制造过程中的变形控制方法，具体为：铜板预弯+曲面工装法、分区熔覆+热处理法和边熔覆+边热处理法。本发明的方法在激光制造过程中，能有效控制结晶器铜板过程中造成的变形不可控，尤其是尺寸较大的并且濒临下线的结晶器主板；通过本发明的方法制备出的结晶器铜板，其变形量全部小于20mm，矫平后的变形量全部在1.0mm内，并且熔覆层没有出现起皮开裂的现象，在后续精加工过程中可以充分保证机加精度，可直接上线使用，提高生产效率至少1倍以上。
Description
技术领域
本发明属于激光修复技术领域，涉及一种复合铜板制造过程中的变形控制方法，特别是涉及一种钢厂用连铸机结晶器用复合铜板的激光制造与再制造在熔覆过程中变形的控制方法。
背景技术
激光熔覆技术可以根据具体使用工况的不同在不同基体表面形成致密的冶金结合的表面金属功能层，因此激光熔覆技术与传统的电镀喷涂等方式相比生产结晶器铜板有着耐蚀能力强、结合力强、生产程序简化效率高、污染小等一系列优点。但在结晶器铜板由于导热快，反光率高以及铜与大部分黑色金属不润湿等特点使激光熔覆技术在结晶器铜板上的应用受到一定限制。但随着激光器、熔覆技术及熔覆用合金材料的发展，采用激光熔覆增材技术制造与再制造结晶器铜板已得到了快速发展。
申请号为201610852006.0，申请号为201811157328.9，申请号为201610255532.9的专利均采用激光熔覆技术在结晶器铜板表面获得了所需的熔覆层，但在熔覆过程中由于持续的热量累积，熔覆层数的增加，熔覆材料与铜基体的力学性能差异及熔覆时熔池的凝固与收缩，必然会造成铜板的严重变形，如果控制不当会造成后续加工困难，为结晶器铜板的生产增加难度。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供用于激光制造与再制造结晶器铜板在熔覆过程中的变形控制方法，尤其适用于长度小于2200mm以内，宽度小于11000mm，厚度小于50mm的结晶器铜板。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种用于激光制造与再制造结晶器铜板在熔覆过程中的变形控制方法，具体为铜板预弯+曲面工装法，包括以下步骤：
(1)下线结晶器铜板去除表面层及疲劳层，根据结晶器铜板成品所需的熔覆层厚度对下线结晶器铜板工作面加工(新结晶器铜板直接按成品所需熔覆层厚度进行铜板工作面加工)；
(2)设计制造工装，其一面为平面，表面平面度≤0.10mm，另一面为曲面，面轮廓度≤0.10mm；工装长度方向上最高点与最低点差为20-60mm，宽度方向上最高点与最低点差为0-20mm，厚度方向上最薄处至少大于已加工完待熔覆的下线结晶器铜板的厚度4倍以上；
(3)将结晶器铜板反向预弯至与工装曲面一致，然后固定在工装上；
(4)在结晶器铜板表面进行激光熔覆，熔覆过程中控制结晶器铜板温度≤100℃；
(5)冷却；
(6)冷却后的结晶器铜板进行粗加工，去除表面高点及结球；
(7)对粗加工后的结晶器铜板进行矫平；
(8)矫平的结晶器铜板按成品图纸进行精加工，得合格的结晶器铜板。
进一步的，步骤(1)中加工后的结晶器铜板表面平面度≤0.1mm，表面粗糙度：1.6μm≤Ra≤6.4μm。
一种用于激光制造与再制造结晶器铜板在熔覆过程中的变形控制方法，具体为分区熔覆+热处理法，包括以下步骤：
(1)下线结晶器铜板去除表面层及疲劳层，根据结晶器铜板成品所需的熔覆层厚度对下线结晶器铜板工作面加工(新结晶器铜板直接按成品所需熔覆层厚度进行铜板工作面加工)；
(2)制造平行度≤0.10mm，平面度≤0.10mm两面平行，厚度至少是已加工完待熔覆的结晶器铜板厚度的4倍的工装；
(3)将结晶器铜板固定在工装上；
(4)结晶器铜板表面分区激光熔覆，熔覆过程中控制结晶器铜板的温度≤100℃；
(5)熔覆后的结晶器铜板热处理，加热速度：随炉加热，保温温度：200-500℃，保温时间：10-20小时，然后进行冷却；
(6)粗加工，去除表面高点及结球；
(7)粗加工后的结晶器铜板进行矫平；
(8)矫平的结晶器铜板按成品图纸进行精加工，得合格的结晶器铜板。
进一步的，所述步骤(1)中加工后结晶器铜板面平面度≤0.1mm，表面粗糙度1.6μm≤Ra≤6.4μm。
进一步的，所述步骤(4)中分区激光熔覆为：按长度方向每100-400mm长度进行分区，熔覆顺序为先中间最后两边。
一种用于激光制造与再制造结晶器铜板在熔覆过程中的变形控制方法，具体为边熔覆+边热处理法，包括以下步骤：
(1)下线结晶器铜板去除表面层及疲劳层，根据结晶器铜板成品所需的熔覆层厚度对下线结晶器铜板工作面加工(新结晶器铜板直接按成品所需熔覆层厚度进行铜板工作面加工)；
(2)设计制造平行度≤0.10mm，平面度≤0.10mm两面平行，厚度至少是已加工完待熔覆的结晶器铜板厚度的4倍的工装；
(3)将结晶器铜板固定在工装上；
(4)在结晶器铜板表面进行分区激光熔覆，熔覆过程中对熔覆层进行热处理，在熔覆过程中控制结晶器铜板的温度不超过≤100℃；
(5)结晶器铜板进行粗加工，去除表面高点及结球；
(6)对粗加工后的结晶器铜板进行矫平；
(7)矫平的结晶器铜板按成品图纸进行精加工，得合格的结晶器铜板。
进一步的，所述步骤(1)中加工后结晶器铜板表面平面度≤0.10mm，表面粗糙度1.6μm≤Ra≤6.4μm。
进一步的，所述步骤(4)中分区激光熔覆为：按长度方向每100-400mm长度进行分区，熔覆顺序为先中间最后两边。
进一步的，所述步骤(4)中在距离熔池10-30mm的范围内对已经熔覆完的熔覆层进行热处理，热处理深度为0.3-1.7mm，热处理温度控制在500-600℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)根据机加后待熔覆铜板的厚度设计工装可以避免因铜板基体厚度差异造成的工装变形，这样可以有效控制在激光制造与再制造结晶器铜板过程中造成的变形不可控，尤其是尺寸较大的并且濒临下线的结晶器主板。
(2)根据机加后待熔覆铜板的厚度设计特定曲面工装及铜板预弯量，可以使熔覆完的铜板变形控制在20mm以内，并在矫平后的铜板变形小于1.0mm。
(3)根据机加后待熔覆铜板的厚度设计特定的平面工装划分合理宽度的熔格区域，及规划特定熔覆顺序，加之后续的热处理工艺可以使熔覆后的铜板变形控制在20mm以内，并在矫平后的铜板变形小于1.0mm。
(4)在熔覆过程中控制铜板的温升不超过100℃可以有效的控制铜板在熔覆过程中因温升而造成的变形加剧。
(5)采用控制表面加热温度和深度的方式，在熔覆过程中边熔覆边热处理可以提高生产效率，另一方面可效的释放熔覆层的应力而不会因加热温度过高造成铜板基体的强度下降。
附图说明
图1为实施例1中结晶器铜板熔覆用曲面工装图。
图2为实施例2中结晶器铜板熔覆用两面平行的平面工装。
图3为实施例2中结晶器铜板熔覆分区方式图，其中A、B、C、D、E分别代表宽度不同的熔覆区。
图4为制造后加工完的结晶器铜板。
图1-图2中，1-长度方向与最低点尺寸差，2-宽度方向与最低点尺寸差，3-工装厚度最薄处尺寸，4-平面工装厚度尺寸。
图4中，1-制造完的结晶器铜板功能层面，2-制造完的结晶器铜板水槽面。
具体实施方式
一种用于激光制造与再制造结晶器铜板在熔覆过程中的变形控制方法，具体为铜板预弯+曲面工装法，包括以下步骤：(1)下线结晶器铜板去除表面层及疲劳层，根据结晶器铜板成品所需的熔覆层厚度对下线结晶器铜板工作面加工(新结晶器铜板直接按成品所需熔覆层厚度进行铜板工作面加工)，机加后结晶器铜板表面平面度≤0.1mm，表面粗糙度：1.6μm≤Ra≤6.4μm；
(2)设计制造一面为平面，表面平面度≤0.10mm，另一面为曲面，面轮廓度≤0.10mm，长度方向上最高点与最低点差为20-60mm，宽度方向上最高点与最低点差为0-20mm，厚度方向上最薄处至少大于已加工完待熔覆的下线结晶器铜板的厚度4倍以上的工装；
(3)将结晶器铜板反向预弯至与工装曲面一致，然后将其固定在工装上；
(4)在结晶器铜板表面进行激光熔覆，熔覆过程中控制结晶器铜板温度≤100℃；
(5)冷却后将结晶器铜板从工装上拆除；
(6)设计厚度为已加工完待熔覆的铜板厚度4倍以上，平行度≤0.10mm，平面度≤0.10mm两面平行的工装，将(5)中结晶器铜板固定在工装上进行粗加工，去除熔覆后的表面高点及结球；
(7)对粗加工后的结晶器铜板从工装上拆下进行矫平；
(8)按步骤(6)将矫平后的铜板固定在工装上，按成品图纸进行精加工。
一种用于激光制造与再制造结晶器铜板在熔覆过程中的变形控制方法，具体为分区熔覆+热处理法，包括以下步骤：
(1)下线结晶器铜板去除表面层及疲劳层，根据结晶器铜板成品所需的熔覆层厚度对下线结晶器铜板工作面加工(新结晶器铜板直接按成品所需熔覆层厚度进行铜板工作面加工)，机加后结晶器铜板面平面度≤0.1mm，表面粗糙度1.6μm≤Ra≤6.4μm；
(2)制造平行度≤0.10mm，平面度≤0.10mm两面平行，厚度至少是已加工完待熔覆的结晶器铜板厚度的4倍的工装；
(3)将结晶器铜板固定在工装上；
(4)结晶器铜板表面分区激光熔覆，按长度方向每100-400mm长度进行分区，熔覆顺序为先中间最后两边；熔覆过程中控制结晶器铜板的温度≤100℃；
(5)熔覆后的结晶器铜板热处理，加热速度：随炉加热，保温温度：200-500℃，保温时间：10-20小时，然后进行冷却；
(6)冷却后的结晶器铜板进行粗加工，去除表面高点及结球；
(7)粗加工后的结晶器铜板进行矫平；
(8)按步骤(3)将结晶器铜板固定在工装上按成品图纸进行精加工。
一种用于激光制造与再制造结晶器铜板在熔覆过程中的变形控制方法，具体为边熔覆+边热处理法，包括以下步骤：
(1)下线结晶器铜板去除表面层及疲劳层，根据结晶器铜板成品所需的熔覆层厚度对下线结晶器铜板工作面加工(新结晶器铜板直接按成品所需熔覆层厚度进行铜板工作面加工)，机加后结晶器铜板表面平面度≤0.10mm，表面粗糙度1.6μm≤Ra≤6.4μm；
(2)设计制造平行度≤0.10mm，平面度≤0.10mm两面平行，厚度至少是已加工完待熔覆的结晶器铜板厚度的4倍的工装；
(3)将结晶器铜板固定在工装上；
(4)在结晶器铜板表面进行分区激光熔覆，按长度方向每100-400mm长度进行分区，熔覆顺序为先中间最后两边；熔覆过程中在距离熔池10-30mm的范围内采用激光辐照或感应加热的方式对已经熔覆完的熔覆层进行热处理，热处理深度为0.3-1.7mm，热处理温度控制在500-600℃；在熔覆过程中控制结晶器铜板的温度≤100℃；
(5)结晶器铜板进行粗加工，去除表面高点及结球；
(6)对粗加工后的结晶器铜板拆下进行矫平；
(7)按步骤(3)将结晶器铜板固定在工装上按成品图纸进行精加工。
采用控制表面加热温度和深度的方式，在熔覆过程中不但提高了生产效率，而且经大量试验发现，该操作可有效的释放熔覆层的应力，不会因加热温度过高造成铜板基体的强度下降。若先进行熔覆后进行热处理，不但生产效率低，且发现生产出的铜板基体强度相对降低10％左右。
实施例1。
采用预弯铜板和图1曲面工装的方式，熔覆某钢厂结晶器铜板,铜板尺寸为1900×900×41mm。
(1)下线结晶器铜板去除镀层，喷涂层、激光熔覆层、裂纹层及疲劳层，根据结晶器铜板成品所需的熔覆层厚度对下线结晶器铜板工作面加工，机加后结晶器铜板表面平面度0.05mm，表面粗糙度3.2μm。
(2)设计制造一面为平面，表面平面度0.05mm，另一面为曲面，面轮廓度0.10mm，长度方向上最高点与最低点差为60mm，宽度方向上最高点与最低点差为20mm，工装厚度方向上最薄处为170mm。
(3)将结晶器铜板反向预弯至与工装曲面一致，用与结晶器铜板型号一样的螺栓将铜板固定在工装上，铜板固定工装需用扭矩扳手，力矩为：80Nm。
(4)在结晶器铜板表面进行激光熔覆，熔覆过程中对结晶器铜板采用水冷方式控制铜板温度不超过100℃。
(5)冷却后将结晶器铜板从工装上拆除。
(6)设计厚度为170mm，平行度0.05mm，平面度0.05mm两面平行的工装，将(5)中结晶器铜板固定在工装上进行粗加工，去除熔覆后的表面高点及结球。
(7)对粗加工后的结晶器铜板从工装上拆下进行矫平。
(8)按步骤(6)将矫平后的铜板固定在工装上，按成品图纸进行精加工。
本实施例中，结晶器铜板熔覆后变形约18mm，矫平后变形量在0.5mm，精加工后平面度为0.3mm，没有出现起皮开裂的现象，可以直接上线使用。
实施例2。
采用分区熔覆+热处理的方式在图2平面工装上熔覆某钢厂结晶器铜板,铜板尺寸为1580×900×36mm。
(1)下线结晶器铜板去除镀层，喷涂层、激光熔覆层、裂纹及疲劳层，根据结晶器铜板成品所需的熔覆层厚度对下线结晶器铜板工作面加工，机加后结晶器铜板面平面度0.1mm，表面粗糙度3.2μm。
(2)制造平行度0.05mm，平面度0.05mm两面平行，厚度150mm的工装。
(3)用与结晶器铜板型号一样的螺栓将铜板固定在工装上，铜板固定工装需用扭矩扳手，力矩为：80Nm。
(4)结晶器铜板表面分区激光熔覆，分区方式按图3进行，其中A，B，C各区宽度为400mm，D，E各区宽度为190mm，熔覆顺序为ABCDE。在熔覆过程中对铜基板采用风冷方式控制铜板的温度为80℃。
(5)熔覆后的结晶器铜板热处理，加热速度：随炉加热，保温温度：500℃，保温时间：10小时，冷却方式：空冷。
(6)待冷却后将铜板进行粗加工，去除熔覆后表面高点及结球。
(7)对粗加工后的铜板从工装上拆下采用压力机或矫平机进行矫平。
(8)按步骤(3)将铜板固定在工装上按成品图纸进行精加工。
本实施例中，结晶器铜板熔覆后变形约13mm，矫平后变形量在0.3mm，精加工后平面度为0.2mm，没有出现起皮开裂的现象，可以直接上线使用。
实施例3。
采用边熔覆+边热处理的方式，熔覆某钢厂结晶器铜板,铜板尺寸为1200×200×35mm。
(1)下线结晶器铜板去除镀层，喷涂层、激光熔覆层、裂纹及疲劳层，根据结晶器铜板成品所需的熔覆层厚度对下线结晶器铜板工作面加工，机加后结晶器铜板表面平面度0.10mm，表面粗糙度3.2μm。
(2)制造平行度0.05mm，平面度0.05mm两面平行，厚度150mm的工装。
(3)用与结晶器铜板型号一样的螺栓将铜板固定在工装上，铜板固定工装需用扭矩扳手，力矩为：80Nm。
(4)在结晶器铜板表面进行分区激光熔覆，分区方式按图3进行，其中A，B，C，D，E各区宽度为300mm，熔覆顺序为ABCDE。在熔覆过程中在距离熔池30mm的范围内采用激光辐照或感应加热的方式对已经熔覆完的熔覆层进行热处理，热处理深度为1.2mm，热处理温度控制在500℃。在熔覆过程中对铜基板采用水冷方式控制铜板的温度不超过100℃。
(5)待冷却后将铜板进行粗加工，去除熔覆后表面高点及结球。
(6)对粗加工后的铜板从工装上拆下采用压力机或矫平机进行矫平。
(7)按步骤(3)将结晶器铜板固定在工装上按成品图纸进行精加工。
本实施例中，结晶器铜板熔覆后变形约15mm，矫平后变形量在0.5mm，精加工后平面度为0.3mm，没有出现起皮开裂的现象，可以直接上线使用。
采用本专利制造的结晶器铜板在生产过程中，铜板的熔覆后的铜板变形量全部小于20mm，矫平后的变形量全部在1.0mm内，并且熔覆层没有出现起皮开裂的现象，在后续精加工过程中可以充分保证机加精度，提高生产效率至少1倍以上。采用上述实施制造的结晶器铜板后经对比，其中变形控制最好的为实施例2，熔覆后变形约13mm，矫平后变形量在0.3mm，精加工后平面度为0.2mm。
对比例1。
对比例1为根据实施例2进行的实验，除了分区熔覆长度与实施例2中的要求存在差异，其他工艺参数等均一致。
采用分区熔覆+热处理的方式在图2平面工装上熔覆某钢厂结晶器铜板,铜板尺寸为1580×900×36mm。
(1)下线结晶器铜板去除镀层，喷涂层、激光熔覆层、裂纹层及疲劳层，根据结晶器铜板成品所需的熔覆层厚度对下线结晶器铜板工作面加工，机加后结晶器铜板面平面度0.1mm，表面粗糙度3.2μm。
(2)制造平行度:0.05mm，平面度:0.05mm两面平行的工装，所述工装厚度:150mm。
(3)用与结晶器铜板型号一样的螺栓将铜板固定在工装上，铜板固定工装需用扭矩扳手，力矩为：80Nm。
(4)在铜板表面进行分区激光熔覆，分区方式按图3进行，其中A，B，C各区宽度为470mm，D，E各区宽度为85mm，熔覆顺序为ABCDE。在熔覆过程中对铜基板采用风冷方式控制铜板的温度为80℃。
(5)对熔覆后的铜板进行热处理，加热速度：随炉加热，保温温度：500℃，保温时间：10小时，冷却方式：空冷。
(6)待冷却后将铜板进行粗加工，去除熔覆后的表面高点及结球。
(7)对粗加工后的铜板从工装上拆下采用压力机或矫平机进行矫平。
(8)按步骤(3)将铜板固定在工装上按成品图纸进行精加工。
采用该方案制造结晶器铜板时，由于块熔覆面积增大，因此铜板温升增加，因此，熔覆后变形量约30mm，增加了熔覆层内的应力，造成在精加工后上线安装后平面度超出原设计0.5mm，无法上线使用。
对比例2。
对比例2为根据实施例2进行的实验，除了熔覆顺序与实施例2中的要求存在差异，其他工艺参数等均一致。
(1)对于使用下线的结晶器铜板，去除铜板表面镀层，喷涂层或激光熔覆层，铜板上裂纹及疲劳层，并根据结晶器铜板最终成品所需要的熔覆层厚度对铜板工作面进行加工(新制的铜板直接按成品所需要熔覆层厚度进行铜板工作面加工)，机加后铜板表面平面度:0.1mm，表面粗糙度:3.2μm。
(2)制造平行度:0.05mm，平面度:0.05mm两面平行的工装，所述工装厚度:150mm。
(3)用与结晶器铜板型号一样的螺栓将铜板固定在工装上，铜板固定工装需用扭矩扳手，力矩为：80Nm。
(4)在铜板表面进行分区激光熔覆，分区方式按图3进行，其中A，B，C各区宽度为400mm，D，E各区宽度为190mm，熔覆顺序为DBACE。在熔覆过程中对铜基板采用风冷方式控制铜板的温度为80℃。
(5)对熔覆后的铜板进行热处理，加热速度：随炉加热，保温温度：500℃，保温时间：10小时，冷却方式：空冷。
(6)待冷却后将铜板进行粗加工，去除熔覆后的表面高点及结球。
(7)对粗加工后的铜板从工装上拆下采用压力机或矫平机进行矫平。
(8)按步骤(3)将铜板固定在工装上按成品图纸进行精加工。
采用该方案制造结晶器铜板时，由于熔覆顺序的变化造成铜板变形不均匀，出现局部扭曲变形，增加了矫平的难度，降低了生产效率，造成在精加工后铜板的平行度超出原设计0.7mm，无法上线使用。
Claims (3)
1.一种用于激光制造与再制造结晶器铜板在熔覆过程中的变形控制方法，具体为铜板预弯+曲面工装法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）下线结晶器铜板去除表面层及疲劳层，根据结晶器铜板成品所需的熔覆层厚度对下线结晶器铜板工作面加工；
（2）设计制造工装，其一面为平面，表面平面度≤0.10mm，另一面为曲面，面轮廓度≤0.10mm；工装长度方向上最高点与最低点差为20-60mm，宽度方向上最高点与最低点差为0-20mm，厚度方向上最薄处至少大于已加工完待熔覆的下线结晶器铜板的厚度4倍以上；
（3）将结晶器铜板反向预弯至与工装曲面一致，然后固定在工装上；
（4）在结晶器铜板表面进行激光熔覆，熔覆过程中控制结晶器铜板温度≤100℃；
（5）冷却；
（6）冷却后的结晶器铜板进行粗加工，去除表面高点及结球；
（7）对粗加工后的结晶器铜板进行矫平；
（8）矫平的结晶器铜板按成品图纸进行精加工，得合格的结晶器铜板。
2.根据权利要求1所述的变形控制方法，其特征在于，所述步骤（1）中加工后的结晶器铜板表面平面度≤0.1mm，表面粗糙度：1.6μm≤Ra≤6.4μm。
3.一种用于激光制造与再制造结晶器铜板在熔覆过程中的变形控制方法，具体为铜板预弯+曲面工装法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）下线结晶器铜板去除镀层，喷涂层、激光熔覆层、裂纹层及疲劳层，根据结晶器铜板成品所需的熔覆层厚度对下线结晶器铜板工作面加工，机加后结晶器铜板表面平面度0.05mm，表面粗糙度3.2μm；
（2）设计制造一面为平面，表面平面度0.05mm，另一面为曲面，面轮廓度0.10mm，长度方向上最高点与最低点差为60mm，宽度方向上最高点与最低点差为20mm，工装厚度方向上最薄处为170mm；
（3）将结晶器铜板反向预弯至与工装曲面一致，用与结晶器铜板型号一样的螺栓将铜板固定在工装上，铜板固定工装需用扭矩扳手，力矩为：80Nm；
（4）在结晶器铜板表面进行激光熔覆，熔覆过程中对结晶器铜板采用水冷方式控制铜板温度不超过100℃；
（5）冷却后将结晶器铜板从工装上拆除；
（6）设计厚度为170mm，平行度0.05mm，平面度0.05mm两面平行的工装，将（5）中结晶器铜板固定在工装上进行粗加工，去除熔覆后的表面高点及结球；
（7）对粗加工后的结晶器铜板从工装上拆下进行矫平；
（8）按步骤（6）将矫平后的铜板固定在工装上，按成品图纸进行精加工。
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| CN201910909854.4A CN110576161B (zh) | 2019-09-25 | 2019-09-25 | 激光制造与再制造结晶器铜板变形控制方法 |
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