CN111139464A - 基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法及其修复结构 - Google Patents

基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法及其修复结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法及其修复结构，其包括以下步骤：(1)预备原料：原料包括过渡层材料及强化层材料；(2)预处理；(3)熔覆过渡层；(4)熔覆强化层；(5)后处理：对具有梯度熔覆部分的轧辊进行加工，使轧辊恢复至磨损前的尺寸。通过逐层熔覆过渡层和强化层，减小了强化层与基体间的材料物性差异，增强了各层间的结合强度，降低了熔覆过程的热应力，减小了熔覆层的开裂趋势，同时过渡层材料及强化层材料均为铁基粉末，与轧辊基体具有良好的相容性，过渡层提供了较好的韧性，同时强化层保证了较高的硬度，硬度实现了梯度变化，使得熔覆层兼具高硬度及高韧性，修补效果好，满足了轧辊修复需求。

Description

基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法及其修复结构
技术领域
本发明属于轧辊修复技术领域，具体涉及一种基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法及其修复结构。
背景技术
轧辊是高速线材轧机的重要组成部分，由于其工作环境比较恶劣，需要同时承受高转速、高应力、大扭矩等严苛条件，易造成表面磨损、划伤、开裂等缺陷，因此要求轧辊表面具有较高的硬度。在实际工程应用中，热处理后的轧辊表面硬度可达到55HRC。由于高速线材轧辊一般由合金钢锻造而成，制造成本较高，对于磨损失效的轧辊，如果报废处理，会造成巨大的资源浪费，同时也会增加企业的成本。
目前对于失效轧辊的修复方法主要包括堆焊和激光熔覆等，但前者修复过程中热量输入大，易造成涂层表面开裂变形等缺陷；同时较大的热量输入也会增大涂层稀释率，降低使用性能。激光熔覆技术具有热量输入小、稀释率低、晶粒细小、节能高效等优点，因此可用于失效轧辊的修复。
由于高速线材轧辊表面的硬度较高，因此为了满足修复需求，熔覆材料也需具有较高的硬度。但激光熔覆陶瓷等高硬度粉末时，熔覆材料与基体材料在导热系数、热膨胀系数以及弹性模量等方面相差较大，熔覆过程中由于膨胀和收缩不均匀而产生热应力，应力值超过一定限度就形成了裂纹。因此在轧辊表面进行高硬度粉末的激光熔覆时，涂层易开裂，熔覆质量难以得到控制。
发明内容
针对上述的不足，本发明目的之一在于，提供一种修复效果好的基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法；
本发明目的之二在于，提供一种基于激光熔覆的高速线材轧辊修复结构。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：
一种基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法，其包括以下步骤：
(1)预备原料：原料包括过渡层材料及强化层材料，其中过渡层材料采用粒度为140～325目的Fe1#粉末，Fe1#粉末各组分及重量百分比为：
Figure BDA0002303806530000021
所述强化层材料采用粒度为140～325目的Fe5#粉末，Fe5#粉末各组分及重量百分比为：
Figure BDA0002303806530000022
Figure BDA0002303806530000031
(2)预处理：对轧辊待修复部位进行预处理，去除锈蚀部分；
(3)熔覆过渡层：对待修复轧辊进行定位固定，利用同步侧向送粉激光熔覆技术将Fe1#粉末添加在轧辊待修复部位上并通过激光束使Fe1#粉末熔覆在轧辊待修复部位上，形成过渡层；
(4)熔覆强化层：利用同步侧向送粉激光熔覆技术将Fe5#粉末添加在过渡层上并通过激光束使Fe5#粉末熔覆在过渡层上，形成强化层；该强化层与过渡层组合成梯度熔覆部分；
(5)后处理：对具有梯度熔覆部分的轧辊进行加工，使轧辊恢复至磨损前的尺寸。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)先用车床车去轧辊待修复部位的锈蚀部分；
(2.2)用渗透探伤法检测轧辊待修复部位表面质量，若表面有裂纹，则车去修复部位表面的表层，再次进行检测，直至表面无裂纹及相关缺陷，然后用砂纸打磨光滑；
(2.3)用无水乙醇将轧辊待修复部位清洗干净。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)配合龙门吊和四爪卡盘将待修复轧辊固定，调节卡盘螺杆，并用百分表将轧辊对正，然后用顶尖顶牢；
(3.2)设定激光焊接机的机械臂水平运动速度Va及卡盘转速n，由于激光搭接率为50％，因此两者由下式得出：
Figure BDA0002303806530000032
其中Vf为激光扫描速度，d为圆形光斑直径，D为轴颈直径。
作为本发明的一种优选方案，步骤(3.2)中的激光焊接机的激光功率设定为2kW，圆形光斑直径设定为4mm，激光扫描速度设定为10mm/s，送粉速率设定为1.5g/s，熔池保护气体设定为氩气，气流量设定为10L/min，熔覆后过渡层的厚度为0.5～2mm。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(4)具体包括以下步骤：
(4.1)利用渗透探伤法检测过渡层表面，若过渡层表面无裂纹则进行下一步操作；若过渡层表面有裂纹，则车去过渡层表层，然后再次进行检测，直至过渡层表层无裂纹为止；
(4.2)将激光焊接机的激光功率设定为2kW，圆形光斑直径设定为4mm，激光扫描速度设定为10mm/s，熔池保护气体设定为氩气，气流量设定为10L/min，送粉速率设定为1.5g/s，将Fe5#粉末添加在过渡层上并通过激光束使Fe5#粉末熔覆在过渡层上形成强化层，熔覆后强化层的厚度为0.5～2mm。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤(5)具体包括以下步骤：
(5.1)对具有梯度熔覆部分的轧辊进行车削加工，以去除梯度熔覆部分由于多道搭接产生的凹凸表面；
(5.2)对车削后的表面进行磨削加工，使轧辊达到磨损前的尺寸；
(5.3)对磨削加工后的表面进行激光清洗，以去除表面杂质，得到修复后的轧辊。
一种基于激光熔覆的高速线材轧辊修复结构，其包括轧辊，所述轧辊的修复部位依次熔覆有过渡层和强化层。
本发明的有益效果为：本发明提供的方法的工艺简易，易于实现，通过逐层熔覆过渡层和强化层，减小了强化层与基体间的材料物性差异，增强了各层间的结合强度，降低了熔覆过程的热应力，减小了熔覆层的开裂趋势，解决了传统直接熔覆强化层导致的易开裂、结合强度低等问题，同时过渡层材料及强化层材料均为铁基粉末，与轧辊基体具有良好的相容性，克服了高硬度陶瓷等材料与基体相容性差的缺陷,并且加入了适量的Ni元素和B、Si等元素，Ni元素可以提高涂层的抗开裂能力，B和Si元素具有良好的脱氧造渣作用，可以增强熔覆材料的润湿性,修补效果好，过渡层提供了较好的韧性，同时强化层保证了较高的硬度，硬度实现了梯度变化，使得熔覆层兼具高硬度及高韧性，满足了轧辊修复需求。
下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2本发明熔覆时结构示意图。
具体实施方式
实施例1：本实施例提供的一种基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法，其包括以下步骤：
(1)预备原料：原料包括过渡层材料及强化层材料，为了提高熔覆层与基体的材料相容性，过渡层材料与强化层材料均采用铁基粉末。其中过渡层材料采用粒度为140～325目的Fe1#粉末，Fe1#粉末各组分及重量百分比为：C 0.05％，Si 0.9％，Cr 17％，Ni 13％，Mo 2％，B 0.7％，Fe 66.35％；所述强化层材料采用粒度为140～325目的Fe5#粉末，Fe5#粉末各组分及重量百分比为：C 1％，Si 0.5％，Cr 16％，Ni 3％，Mo 0.5％，B 0.8％，Mn1.2％，Fe 77％；
(2)预处理：高速线材轧辊长期工作在恶劣环境下，轴颈与辊环的配合面磨损锈蚀严重，失效后的轧辊轴颈磨损后导致尺寸不足，造成轧辊松动，轧机无法正常工作，因此需要对轧辊的磨损部拉进行修复。用车床车去轧辊待修复部位的锈蚀部分，然后用渗透探伤法检测轧辊待修复部位表面质量，若表面有裂纹，则车去修复部位表面的表层，再次进行检测，直至表面无裂纹及相关缺陷，然后用砂纸打磨光滑，最后用无水乙醇将轧辊待修复部位清洗干净；
(3)熔覆过渡层：对待修复轧辊进行定位固定，利用同步侧向送粉激光熔覆技术将Fe1#粉末添加在轧辊待修复部位上并通过激光束使Fe1#粉末熔覆在轧辊待修复部位上，形成过渡层；激光熔覆的送粉方式主要分为预置送粉和同步送粉两种，预置送粉指的是将激光熔覆粉末预先放置于激光光斑经过的路径上，随着光斑的移动，将预置的粉末与基材一同熔化、凝固，得到激光熔覆层。实现预置送粉的方法有两种，一种为手工铺粉，另一种为利用重力送粉器进行送粉，将粉末预置于光斑经过的路径上。同步送粉，是利用气载式送粉器，将激光熔覆粉末直接输送入光斑内，随着光斑在工件表面的移动，形成熔覆层。实现同步送粉的方法有两种，一种为侧向送粉，另一种为同轴送粉。与预置送粉方式比较，同步送粉可以很好的实现气份保护，使熔覆粉末自身的性能不受空气内氧、氮等元素的影响，实现熔覆层的完美性能；
预备有激光焊接机，激光焊接机上具有龙门吊、四爪卡盘和与四爪卡盘相对设置的顶尖。配合龙门吊和四爪卡盘将待修复轧辊固定，调节四爪卡盘上的卡盘螺杆，并用百分表将轧辊对正，然后用顶尖顶牢；设定激光焊接机的机械臂水平运动速度Va及卡盘转速n，由于激光搭接率为50％，因此两者由下式得出：
Figure BDA0002303806530000061
其中Vf为激光扫描速度，d为圆形光斑直径，D为轴颈直径；本实用例中，将激光焊接机的激光功率设定为2kW，圆形光斑直径设定为4mm，激光扫描速度设定为10mm/s，送粉速率设定为1.5g/s，熔池保护气体设定为氩气，气流量设定为10L/min，熔覆后过渡层的厚度为0.5～2mm。
(4)熔覆强化层：利用渗透探伤法检测过渡层表面，若过渡层表面无裂纹则进行下一步操作；若过渡层表面有裂纹，则车去过渡层表层，然后再次进行检测，直至过渡层表层无裂纹为止；利用同步侧向送粉激光熔覆技术将Fe5#粉末添加在过渡层上并通过激光束使Fe5#粉末熔覆在过渡层上，形成强化层；该强化层与过渡层组合成梯度熔覆部分；具体的，熔覆强化层与熔覆过渡层的工艺参数基本一致，具体的，将激光焊接机的激光功率设定为2kW，圆形光斑直径设定为4mm，激光扫描速度设定为10mm/s，熔池保护气体设定为氩气，气流量设定为10L/min，送粉速率设定为1.5g/s，将Fe5#粉末添加在过渡层上并通过激光束使Fe5#粉末熔覆在过渡层上形成强化层，熔覆后强化层的厚度为0.5～2mm；强化层中含有较多的C元素，使得其硬度明显高于过渡层；同时Ni元素含量较少，降低了强化层的润湿性。因此，如果在辊轴表面直接熔覆强化层，将产生较大的热应力，同时产生较多的裂纹；
(5)后处理：对具有梯度熔覆部分的轧辊进行车削加工，以去除梯度熔覆部分由于多道搭接产生的凹凸表面；然后对车削后的表面进行磨削加工，使轧辊达到磨损前的尺寸；接着对磨削加工后的表面进行激光清洗，以去除表面杂质，轧辊修复完毕。
实施例2，本实施例提供的一种基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法，其与实施例1基本相同，其不同之处在于，所述过渡层材料采用粒度为140～325目的Fe1#粉末，Fe1#粉末各组分及重量百分比为：C 0.06％，Si 1％，Cr 18％，Ni 11％，Mo 3％，B 0.5％，Fe66.44％；所述强化层材料采用粒度为140～325目的Fe5#粉末，Fe5#粉末各组分及重量百分比为：C 1.2％，Si 0.6％，Cr 14％，Ni 2％，Mo 0.7％，B 0.7％，Mn 1.8％，Fe 79％；
实施例3，本实施例提供的一种基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法，其与实施例1基本相同，其不同之处在于，所述过渡层材料采用粒度为140～325目的Fe1#粉末，Fe1#粉末各组分及重量百分比为：C 0.07％，Si 1.2％，Cr19％，Ni 12％，Mo 4％，B 1％，Fe62.73％；所述强化层材料采用粒度为140～325目的Fe5#粉末，Fe5#粉末各组分及重量百分比为：C 1.1％，Si 0.8％，Cr 15％，Ni 4％，Mo 1％，B 1％，Mn 2％，Fe 75.1％。
实施例4，本实施例提供的一种基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法，其与实施例1基本相同，其不同之处在于，所述过渡层材料采用粒度为140～325目的Fe1#粉末，Fe1#粉末各组分及重量百分比为：C 0.08％，Si 0.8％，Cr18.5％，Ni 12.2％，Mo 3.5％，B0.8％，Fe 64.12％；所述强化层材料采用粒度为140～325目的Fe5#粉末，Fe5#粉末各组分及重量百分比为：C 1.2％，Si 1％，Cr 14.3％，Ni 3.5％，Mo 0.8％，B 0.7％，Mn 1％，Fe875％。
上述实施例仅为本发明较好的实施方式，本发明不能一一列举出全部的实施方式，凡采用上述实施例之一的技术方案，或根据上述实施例所做的等同变化，均在本发明保护范围内。
采用本发明基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法熔覆后获得的梯度熔覆部分总厚度约为2.5mm左右，预处理后的轧辊表面平均硬度为240.32HV，通过实施例1-4修复后的过渡层的平均硬度为385.98HV，强化层的平均硬度为566.12HV，实现了熔覆层硬度的梯度变化，并且表面达到了轧辊的修复要求。同时，由于过渡层的存在，实现了强化层与基体的平缓过渡，有效降低了熔覆过程的热应力，减小了熔覆层的开裂趋势，利用本发明基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法对轧辊进行修复，取得了良好的修复效果，具体具有以下优点：
1、克服了堆焊、等离子喷涂等传统修复方法热输入大、易变形、稀释率高等缺陷；
2、熔覆材料均为铁基粉末，与轧辊基体具有良好的相容性，克服了高硬度陶瓷等材料与基体相容性差的缺陷；
3、粉末设计时，加入了适量的Ni元素和B、Si等元素，Ni元素可以提高涂层的抗开裂能力，B和Si元素具有良好的脱氧造渣作用，可以增强熔覆材料的润湿性；
4、采用同步送粉式激光熔覆，克服了铺粉式熔覆粉末铺设不均匀等问题，同时简化了工艺流程，节省了时间成本；
5、过渡层的引入，减小了强化层与基体间的材料物性差异，增强了各层间的结合强度，降低了熔覆过程的热应力，减小了熔覆层的开裂趋势，所得熔覆层表面无裂纹等缺陷；
6、硬度实现了梯度变化，使得熔覆层兼具高硬度及高韧性。过渡层提供了较好的韧性，同时强化层保证了较高的硬度，满足了轧辊修复需求。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制，采用与其相同或相似方法及组分而得到的其它方法及结构等，均在本发明保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)预备原料：原料包括过渡层材料及强化层材料，其中过渡层材料采用粒度为140～325目的Fe1#粉末，Fe1#粉末各组分及重量百分比为：
Figure FDA0002303806520000011
所述强化层材料采用粒度为140～325目的Fe5#粉末，Fe5#粉末各组分及重量百分比为：
Figure FDA0002303806520000012
(2)预处理：对轧辊待修复部位进行预处理，去除锈蚀部分；
(3)熔覆过渡层：对待修复轧辊进行定位固定，利用同步侧向送粉激光熔覆技术将Fe1#粉末添加在轧辊待修复部位上并通过激光束使Fe1#粉末熔覆在轧辊待修复部位上，形成过渡层；
(4)熔覆强化层：利用同步侧向送粉激光熔覆技术将Fe5#粉末添加在过渡层上并通过激光束使Fe5#粉末熔覆在过渡层上，形成强化层；该强化层与过渡层组合成梯度熔覆部分；
(5)后处理：对具有梯度熔覆部分的轧辊进行加工，使轧辊恢复至磨损前的尺寸。
2.根据权利要求1所述的基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)先用车床车去轧辊待修复部位的锈蚀部分；
(2.2)用渗透探伤法检测轧辊待修复部位表面质量，若表面有裂纹，则车去修复部位表面的表层，再次进行检测，直至表面无裂纹及相关缺陷，然后用砂纸打磨光滑；
(2.3)用无水乙醇将轧辊待修复部位清洗干净。
3.根据权利要求1所述的基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)配合龙门吊和四爪卡盘将待修复轧辊固定，调节卡盘螺杆，并用百分表将轧辊对正，然后用顶尖顶牢；
(3.2)设定激光焊接机的机械臂水平运动速度Va及卡盘转速n，由于激光搭接率为50％，因此两者由下式得出：
Figure FDA0002303806520000031
其中Vf为激光扫描速度，d为圆形光斑直径，D为轴颈直径。
4.根据权利要求3所述的基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法，其特征在于，步骤(3.2)中的激光焊接机的激光功率设定为2kW，圆形光斑直径设定为4mm，激光扫描速度设定为10mm/s，送粉速率设定为1.5g/s，熔池保护气体设定为氩气，气流量设定为10L/min，熔覆后过渡层的厚度为0.5～2mm。
5.根据权利要求3所述的基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括以下步骤：
(4.1)利用渗透探伤法检测过渡层表面，若过渡层表面无裂纹则进行下一步操作；若过渡层表面有裂纹，则车去过渡层表层，然后再次进行检测，直至过渡层表层无裂纹为止；
(4.2)将激光焊接机的激光功率设定为2kW，圆形光斑直径设定为4mm，激光扫描速度设定为10mm/s，熔池保护气体设定为氩气，气流量设定为10L/min，送粉速率设定为1.5g/s，将Fe5#粉末添加在过渡层上并通过激光束使Fe5#粉末熔覆在过渡层上形成强化层，熔覆后强化层的厚度为0.5～2mm。
6.根据权利要求1所述的基于激光熔覆的高速线材轧辊修复方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括以下步骤：
(5.1)对具有梯度熔覆部分的轧辊进行车削加工，以去除梯度熔覆部分由于多道搭接产生的凹凸表面；
(5.2)对车削后的表面进行磨削加工，使轧辊达到磨损前的尺寸；
(5.3)对磨削加工后的表面进行激光清洗，以去除表面杂质，得到修复后的轧辊。
7.一种基于激光熔覆的高速线材轧辊修复结构，其包括轧辊，其特征在于，所述轧辊的修复部位依次熔覆有过渡层和强化层。
8.根据权利要求7所述的基于激光熔覆的高速线材轧辊修复结构，其特征在于，所述过渡层的材料为粒度为140～325目的Fe1#粉末，Fe1#粉末各组分及重量百分比为：
Figure FDA0002303806520000041
9.根据权利要求7所述的基于激光熔覆的高速线材轧辊修复结构，其特征在于，所述过渡层的材料为粒度为140～325目的Fe5#粉末，Fe5#粉末各组分及重量百分比为：
Figure FDA0002303806520000042
10.根据权利要求7-9中任意一项所述的基于激光熔覆的高速线材轧辊修复结构，其特征在于，所述过渡层的厚度为0.5～2mm，所述强化层的厚度为0.5～2mm。
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