CN111411357A - 一种天车轮的激光熔覆再制造方法 - Google Patents

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CN111411357A CN202010334491.9A CN202010334491A CN111411357A CN 111411357 A CN111411357 A CN 111411357A CN 202010334491 A CN202010334491 A CN 202010334491A CN 111411357 A CN111411357 A CN 111411357A
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Abstract

本发明涉及其一种天车轮的激光熔覆再制造方法，属于金属表面处理的技术领域，本发明提供的天车轮修复材料以质量百分数计，包括以下组分：C：0.1‑0.3%；Si：0.1‑0.3%；Cr：14.5‑18.5% Ni：1.0‑4.0%，余量为Fe。本发明提供的天车轮修复材料成分含量合理，有利于在天车轮激光再制造过程中，得到高质量的熔覆层，使再制造后的天车轮表面具有较高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能，极大提高了再制造天车轮的使用寿命；本发明提供的用于天车轮表面的激光熔覆再制造工艺提高了生产效率和产品性能，适合大规模化生产。

Description

一种天车轮的激光熔覆再制造方法
技术领域
本发明涉及其一种天车轮的激光熔覆再制造方法，属于金属表面处理的技术领域。
背景技术
天车轮作为天车设备的关键部件，对天车的正常使用和安全生产方面具有举足轻重的作用，天车轮沿着天车轨道运动，实现天车的行走动作，天车轮承载着天车和起吊重物的双重重量，同时与轨道接触产生磨损，特别在天车行走的起停阶段，反复受到冲击，加速磨损。天车轮使用一段时间后经常出现磨损，如果不及时处理和更换，将影响天车的正常使用和生产安全。
针对磨损后的天车轮，目前钢铁企业还是采用传统方法进行修复，如：手工电弧焊，堆焊、喷焊、等离子堆焊等，但这些传统方法由于热输入大，容易造成天车轮热变形而报废，同时这些方法还存在热影响区大，在修复后的使用过程中，热影响区内极易萌生裂纹而导致天车轮快速失效，严重的导致安全生产事故。
发明内容
本发明的目的是提供一种天车轮的激光熔覆再制造方法，解决了传统工艺修复天车轮热变形大，热影响区大的弊病；同时，采用本发明提供的天车轮修复材料，可以获得高耐磨和耐腐蚀的熔覆层，进而显著提高了再制造天车轮的使用寿命和企业应用天车过程中的安全性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种天车轮的激光熔覆再制造方法，包括以下步骤：
一、对天车轮磨损表面依次进行车削疲劳层、清洗，得到预处理后的天车轮；
二、将步骤一预处理后的天车轮装卡于激光熔覆数控机床上；
三、将天车轮修复材料通过同轴送粉直接输送到激光熔池，通过柔性机械手将激光器焦点对准装卡于激光熔覆数控机床上的天车轮待熔覆部位进行熔覆；
四、熔覆过程天车轮按设定速度转动，通过送粉量和熔覆次数来调整熔覆层厚度；
五、对步骤四熔覆后的天车轮进行超声波和表面着色探伤；
六、在步骤五对天车轮进行检测后的天车轮进行车削加工，得到表面光洁度、尺寸均符合图纸要求的再制造天车轮；
七、对步骤六再制造后的天车轮进行超声波时效处理，处理时间为5-10min，去除残余应并强化天车轮，得到修复后的天车轮。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤一中单边车削疲劳层的厚度为1.0-4.0mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤三中采用光纤激光器进行熔覆，光纤激光器采用直径5mm的圆形光斑；激光熔覆的扫描功率为3000-3300W，扫描速度为550-750mm/min，搭接率为30-50％。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤四激光熔覆处理所得单次熔覆层的单边厚度为1.8mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤四中天车轮转动速度与激光器的扫描速度相同。
本发明技术方案的进一步改进在于：步骤四激光熔覆层厚度为2.0-5.0mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：对熔覆层的单边车削量为1.0-4.0mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述修复材料的化学组成质量百分比为C：0.1-0.3％；Si：0.1-0.3％；Cr：14.5-18.5％；Ni：1.0-4.0％，余量为Fe；天车轮修复材料的粒度为135-325目。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：
本发明提供的天车轮修复材料成分含量合理，有利于在天车轮再制造过程中，得到高质量的熔覆层，使再制造天车轮具有高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能，显著提高了再制造天车轮的使用寿命。实施例结果表明，本发明再制造天车轮的硬度为HRC57-59，耐磨性和耐腐蚀性比较原新天车轮提高1倍以上，使用寿命比较原新天车轮提高2倍以上。
本发明提供的天车轮激光熔覆再制造方法，克服了传统堆焊、手工电弧焊、等离子堆焊极易出现热变形而导致天车轮修复失败，以及避免了传统修复工艺热影响区大，使用中易出现冷热裂纹等缺陷，保证了再制造天车轮长的使用寿命和高的安全可靠性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明：
本发明公开了一种天车轮的激光熔覆再制造方法，使用天车轮的修复材料，以质量百分数计，包括以下组分：C：0.1-0.3％；Si：0.1-0.3％；Cr：14.5-18.5％；Ni：1.0-4.0％，余量为Fe，天车轮修复材料的粒度为135-325目。
本发明提供的天车轮修复材料包括质量分数0.1-0.3％的碳元素，优选为0.1-0.2％。在本发明中，所述碳元素有利于提高天车轮熔覆层的硬度和强度。
本发明提供的天车轮修复材料包括质量分数0.1-0.3％的硅元素，优选为0.2-0.3％。在本发明中，所述硅元素在激光熔覆过程中起到脱氧作用，可以提高抗回火性，提高熔覆层的综合机械性能。
本发明提供的天车轮修复材料包括质量分数14.5-18.5％的铬元素，优选为16.5-18.5％。在本发明中，所述铬元素可以显著提高天车轮熔覆层的耐磨性。
本发明提供的天车轮修复材料包括质量分数为1.0-4.0％的镍元素，优选为3.5-4.0％。在本发明中，所述镍元素在激光熔覆过程中可以抑制熔覆层的回火脆性，并细化晶粒，提高熔覆层的耐腐蚀性能；同时，镍元素的添加可以提高熔覆层的强韧性和蠕变强度。
本发明提供的天车轮修复材料的粒度优选为135-325目，优选为150-300目，进一步优选为180-280目。天车轮修复材料的制备方法没有特别要求，采用本领域技术人员所熟知的水雾化和气雾化粉末制备方法均可。
本发明提供的天车轮修复材料成分含量合理，有利于在天车轮再制造过程中得到高质量的熔覆层，使再制造天车轮具有高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能，显著提高了再制造天车轮的使用寿命。
本发明还提供一种天车轮的激光熔覆再制造方法，包括以下步骤：
一、对天车轮磨损表面依次进行车削疲劳层、清洗，单边车削疲劳层的厚度为1.0-4.0mm，得到预处理后的天车轮；
二、将步骤一预处理后的天车轮装卡于激光熔覆数控机床上；
三、将天车轮修复材料通过同轴送粉直接输送到激光熔池，通过柔性机械手将光纤激光器焦点对准装卡于激光熔覆数控机床上的天车轮待熔覆部位进行熔覆；光纤激光器采用直径5mm的圆形光斑；激光熔覆的扫描功率为3000-3300W，扫描速度为550-750mm/min，搭接率为30-50％。
四、熔覆过程天车轮按与激光器扫描速度相同的速度转动，通过送粉量和熔覆次数来调整熔覆层厚度；所得单次熔覆层的单边厚度为1.8mm，激光熔覆层厚度为2.0-5.0mm，对熔覆层的单边车削量为1.0-4.0mm；
五、对步骤四熔覆后的天车轮进行超声波和表面着色探伤，超声波检测按国家标准QB/T 12604.1-90执行，着色探伤按行业标准B/T4730-2005执行；
六、在步骤五对天车轮进行检测后的天车轮进行车削加工，得到表面光洁度、尺寸均符合图纸要求的再制造天车轮；
七、对步骤六再制造后的天车轮进行超声波时效处理，处理时间5-10min，去除残余应并强化天车轮，得到修复后的天车轮。
以下为本发明的具体实施例：
实施例1
首先，配制天车轮修复材料，以质量百分数计，包括以下组分：C：0.1％；Si：0.1％；Cr：14.5％；Ni：1.0％，余量为Fe，天车轮修复材料的粒度为135目。按以下步骤进行天车轮的激光熔覆再制造：一、对天车轮磨损表面车削疲劳层，车削厚度1.0mm；采用无水乙醇清洗车削后的天车轮，得到预处理天车轮；二、将天车轮装卡于激光熔覆数控机床上；三、将天车轮修复材料通过同轴送粉直接输送到激光熔池，通过柔性机械手将光纤激光器焦点对准天车轮待熔覆部位进行熔覆，激光器光斑为直径5mm的圆形光斑，所用激光功率为3000W，扫描速度为550mm/min，搭接率为30％，单次熔覆层的单边厚度为1.8mm；四、熔覆过程天车轮按550mm/min转动，通过送粉量和熔覆次数调整熔覆厚度，得到熔覆层厚度为2.0mm；五、对熔覆后的天车轮进行超声波和表面着色探伤；六、对检测合格的天车轮熔覆层进行车削加工，对熔覆层的单边车削量为1.0mm，得到表面光洁度、尺寸均符合图纸要求的再制造天车轮；七、对再制造后的天车轮进行超声波时效处理5min，去除残余应并强化天车轮。
实施例2
首先，配制天车轮修复材料，以质量百分数计，包括以下组分：C：0.3％；Si：0.3％；Cr：18.5％；Ni：4.0％，余量为Fe，天车轮修复材料的粒度为325目。按以下步骤进行天车轮的激光熔覆再制造：一、对天车轮磨损表面车削疲劳层，车削厚4.0mm；采用丙酮清洗车削后的天车轮，得到预处理天车轮；二、将天车轮装卡于激光熔覆数控机床上；三、将天车轮修复材料通过同轴送粉直接输送到激光熔池，通过柔性机械手将光纤激光器焦点对准天车轮待熔覆部位进行熔覆，激光器光斑为直径5mm的圆形光斑，所用激光功率3300W，扫描速度为750mm/min，搭接率为50％，单次熔覆层的单边厚度为1.8mm；四、熔覆过程天车轮按750mm/min转动，通过送粉量和熔覆次数调整熔覆厚度，得到熔覆层厚度为5.0mm；五、对熔覆后的天车轮进行超声波和表面着色探伤；六、对检测合格的天车轮熔覆层进行车削加工，对熔覆层的单边车削量为1.0mm，得到表面光洁度、尺寸均符合图纸要求的再制造天车轮；七、对再制造后的天车轮进行超声波时效处理10min，去除残余应并强化天车轮。
实施例3
首先，配制天车轮修复材料，以质量百分数计，包括以下组分：C：0.2％；Si：0.2％；Cr：15.5％；Ni：3.0％，余量为Fe，天车轮修复材料的粒度为150目。按以下步骤进行天车轮的激光熔覆再制造：一、对天车轮磨损表面车削疲劳层，车削厚度3.0mm；采用无水乙醇清洗车削后的天车轮，得到预处理天车轮；二、将天车轮装卡于激光熔覆数控机床上；三、将天车轮修复材料通过同轴送粉直接输送到激光熔池，通过柔性机械手将光纤激光器焦点对准天车轮待熔覆部位进行熔覆，激光器光斑为直径5mm的圆形光斑，所用激光功率为3200W，扫描速度为650mm/min，搭接率为50％，单次熔覆层的单边厚度为1.8mm；四、熔覆过程天车轮按设定650mm/min，通过送粉量和熔覆次数调整熔覆厚度，得到熔覆层厚度为4.0mm；五、对熔覆后的天车轮进行超声波和表面着色探伤；六、对检测合格的天车轮熔覆层进行车削加工，对熔覆层的单边车削量为1.0mm，得到表面光洁度、尺寸均符合图纸要求的再制造天车轮；七、对再制造后的天车轮进行超声波时效处理15min，去除残余应并强化天车轮。
实施例4
首先，配制天车轮修复材料，以质量百分数计，包括以下组分：C：0.2％；Si：0.2％；Cr：17.5％；Ni：4.0％，余量为Fe，天车轮修复材料的粒度为300目。按以下步骤进行天车轮的激光熔覆再制造：一、对天车轮磨损表面车削疲劳层，车削厚度2.0mm；采用无水乙醇清洗车削后的天车轮，得到预处理天车轮；二、将天车轮装卡于激光熔覆数控机床上；三、将天车轮修复材料通过同轴送粉直接输送到激光熔池，通过柔性机械手将光纤激光器焦点对准天车轮待熔覆部位进行熔覆，激光器光斑为直径5mm的圆形光斑，所用激光功率为3000W，扫描速度为550mm/min，搭接率为30％，单次熔覆层的单边厚度为1.8mm；四、熔覆过程天车轮按设定速度转动，通过送粉量和熔覆次数调整熔覆厚度，得到熔覆层厚度为4.0mm；五、对熔覆后的天车轮进行超声波和表面着色探伤；六、对检测合格的天车轮熔覆层进行车削加工，对熔覆层的单边车削量为2.0mm，得到表面光洁度、尺寸均符合图纸要求的再制造天车轮；七、对再制造后的天车轮进行超声波时效处理15min，去除残余应并强化天车轮。
实施例5
首先，配制天车轮修复材料，以质量百分数计，包括以下组分：C：0.3％；Si：0.3％；Cr：18.5％；Ni：4.0％，余量为Fe，天车轮修复材料的粒度为180目。按以下步骤进行天车轮的激光熔覆再制造：一、对天车轮磨损表面车削疲劳层，车削厚度2.5mm；采用无水乙醇清洗车削后的天车轮，得到预处理天车轮；二、将天车轮装卡于激光熔覆数控机床上；三、将天车轮修复材料通过同轴送粉直接输送到激光熔池，通过柔性机械手将光纤激光器焦点对准天车轮待熔覆部位进行熔覆，激光器光斑为直径5mm的圆形光斑，所用激光功率为3100W，扫描速度为580mm/min，搭接率为30％，单次熔覆层的单边厚度为1.8mm；四、熔覆过程天车轮按设定速度转动，通过送粉量和熔覆次数调整熔覆厚度，得到熔覆层厚度为5.0mm；五、对熔覆后的天车轮进行超声波和表面着色探伤；六、对检测合格的天车轮熔覆层进行车削加工，对熔覆层的单边车削量为1.5mm，得到表面光洁度、尺寸均符合图纸要求的再制造天车轮；七、对再制造后的天车轮进行超声波时效处理10min，去除残余应并强化天车轮。
实施例6
首先，配制天车轮修复材料，以质量百分数计，包括以下组分：C：0.1％；Si：0.1％；Cr：16.5％；Ni：2.0％，余量为Fe，天车轮修复材料的粒度为280目。按以下步骤进行天车轮的激光熔覆再制造：一、对天车轮磨损表面车削疲劳层，车削厚度1.5mm；采用无水乙醇清洗车削后的天车轮，得到预处理天车轮；二、将天车轮装卡于激光熔覆数控机床上；三、将天车轮修复材料通过同轴送粉直接输送到激光熔池，通过柔性机械手将光纤激光器焦点对准天车轮待熔覆部位进行熔覆，激光器光斑为直径5mm的圆形光斑，所用激光功率为3200W，扫描速度为650mm/min，搭接率为50％，单次熔覆层的单边厚度为1.8mm；四、熔覆过程天车轮按设定速度转动，通过送粉量和熔覆次数调整熔覆厚度，得到熔覆层厚度为3.0mm；五、对熔覆后的天车轮进行超声波和表面着色探伤；六、对检测合格的天车轮熔覆层进行车削加工，对熔覆层的单边车削量为1.0mm，得到表面光洁度、尺寸均符合图纸要求的再制造天车轮；七、对再制造后的天车轮进行超声波时效处理8min，去除残余应并强化天车轮。
实施例7
首先，配制天车轮修复材料，以质量百分数计，包括以下组分：C：0.1％；Si：0.1％；Cr：16.5％；Ni：2.0％，余量为Fe，天车轮修复材料的粒度为200目。按以下步骤进行天车轮的激光熔覆再制造：一、对天车轮磨损表面车削疲劳层，车削厚度3.0mm；采用无水乙醇清洗车削后的天车轮，得到预处理天车轮；二、将天车轮装卡于激光熔覆数控机床上；三、将天车轮修复材料通过同轴送粉直接输送到激光熔池，通过柔性机械手将光纤激光器焦点对准天车轮待熔覆部位进行熔覆，激光器光斑为直径5mm的圆形光斑，所用激光功率为3300W，扫描速度为750mm/min，搭接率为50％，单次熔覆层的单边厚度为1.8mm；四、熔覆过程天车轮按设定速度转动，通过送粉量和熔覆次数调整熔覆厚度，得到熔覆层厚度为5.0mm；五、对熔覆后的天车轮进行超声波和表面着色探伤；六、对检测合格的天车轮熔覆层进行车削加工，对熔覆层的单边车削量为2.0mm，得到表面光洁度、尺寸均符合图纸要求的再制造天车轮；七、对再制造后的天车轮进行超声波时效处理10min，去除残余应并强化天车轮。
实施例8
首先，配制天车轮修复材料，以质量百分数计，包括以下组分：C：0.1％；Si：0.1％；Cr：16.5％；Ni：2.0％，余量为Fe，天车轮修复材料的粒度为240目。按以下步骤进行天车轮的激光熔覆再制造：一、对天车轮磨损表面车削疲劳层，车削厚度1.8mm；采用无水乙醇清洗车削后的天车轮，得到预处理天车轮；二、将天车轮装卡于激光熔覆数控机床上；三、将天车轮修复材料通过同轴送粉直接输送到激光熔池，通过柔性机械手将光纤激光器焦点对准天车轮待熔覆部位进行熔覆，激光器光斑为直径5mm的圆形光斑，所用激光功率为3000W，扫描速度为550mm/min，搭接率为30％，单次熔覆层的单边厚度为1.8mm；四、熔覆过程天车轮按设定速度转动，通过送粉量和熔覆次数调整熔覆厚度，得到熔覆层厚度为3.6mm；五、对熔覆后的天车轮进行超声波和表面着色探伤；六、对检测合格的天车轮熔覆层进行车削加工，对熔覆层的单边车削量为1.8mm，得到表面光洁度、尺寸均符合图纸要求的再制造天车轮；七、对再制造后的天车轮进行超声波时效处理10min，去除残余应并强化天车轮。
对比例1
采用全新的天车轮，与实施例1-8所制备的再制造天车轮均安装于天车上对比使用，其余试验条件与实施例1-8相同。
表1实施例1-8再制造天车轮以及对比例1新天车轮的相关性能
硬度 耐磨性 耐腐蚀性 使用寿命
实施例1 HRC57 提高1.7倍 提高1.5倍 提高2.3倍
实施例2 HRC58 提高1.8倍 提高1.2倍 提高2.5倍
实施例3 HRC59 提高1.7倍 提高1.1倍 提高2.1倍
实施例4 HRC57 提高1.7倍 提高1.2倍 提高2.4倍
实施例5 HRC58 提高1.9倍 提高1.3倍 提高2.3倍
实施例6 HRC57 提高1.7倍 提高1.2倍 提高2.15倍
实施例7 HRC58 提高1.8倍 提高1.1倍 提高2.45倍
实施例8 HRC59 提高1.6倍 提高1.3倍 提高2.7倍
对比例1 HRC45 1 1 1
其中，硬度数据采用手持式轧辊硬度计测试得到；
耐磨性数据通过对磨实验方法得到；
耐腐蚀性数据通过盐雾腐蚀试验得到。
表1中耐磨性、耐腐蚀性以及使用寿命均是与原新天车轮的数据进行比较得出的。由表1测试结果可知，本发明提供的天车轮修复材料能够实现天车轮的再制造，而且采用本发明再制造的天车轮硬度、耐磨性和耐腐蚀性能得到了显著提高，极大提高了再制造天车轮的使用寿命。本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理等所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
本发明的说明书中列举了各种组分的可选材料，但是本领域技术人员应该理解：上述组分材料的列举并非限制性的，也非穷举性的，各种组分都可以用其他本发明说明书中未提到的等效材料替代，而仍可以实现本发明的目的。说明书中所提到的具体实施例也是仅仅起到解释说明的目的，而不是为例限制本发明的范围。
另外，本发明每一个组分的用量范围包括说明书中所提到的任意下限和任意上限的任意组合，也包括各具体实施例中该组分的具体含量作为上限或下限组合而构成的任意范围：所有这些范围都涵盖在本发明的范围内，只是为了节省篇幅，这些组合而成的范围未在说明书中一一列举。说明书中所列举的本发明的每一个特征，可以与本发明的其他任意特征组合，这种组合也都在本发明的公开范围内，只是为了节省篇幅，这些组合而成的范围未在说明书中一一列举。

Claims (8)

1.一种天车轮的激光熔覆再制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
一、对天车轮磨损表面依次进行车削疲劳层、清洗，得到预处理后的天车轮；
二、将步骤一预处理后的天车轮装卡于激光熔覆数控机床上；
三、将天车轮修复材料通过同轴送粉直接输送到激光熔池，通过柔性机械手将激光器焦点对准装卡于激光熔覆数控机床上的天车轮待熔覆部位进行熔覆；
四、熔覆过程天车轮按设定速度转动，通过送粉量和熔覆次数来调整熔覆层厚度；
五、对步骤四熔覆后的天车轮进行超声波和表面着色探伤；
六、在步骤五对天车轮进行检测后的天车轮进行车削加工，得到表面光洁度、尺寸均符合图纸要求的再制造天车轮；
七、对步骤六再制造后的天车轮进行超声波时效处理，处理时间为5-10min，去除残余应并强化天车轮，得到修复后的天车轮。
2.根据权利要求1所述的一种天车轮的激光熔覆再制造方法，其特征在于：步骤一中单边车削疲劳层的厚度为1.0-4.0 mm。
3.根据权利要求1所述的一种天车轮的激光熔覆再制造方法，其特征在于：步骤三中采用光纤激光器进行熔覆，光纤激光器采用直径5mm的圆形光斑；激光熔覆的扫描功率为3000-3300W，扫描速度为550-750 mm/min，搭接率为30-50%。
4.根据权利要求1或3所述的一种天车轮的激光熔覆再制造方法，其特征在于：步骤四激光熔覆处理所得单次熔覆层的单边厚度为1.8mm。
5.根据权利要求1或3所述的一种天车轮的激光熔覆再制造方法，其特征在于：步骤四中天车轮转动速度与激光器的扫描速度相同。
6.根据权利要求1或3所述的一种天车轮的激光熔覆再制造方法，其特征在于：步骤四激光熔覆层厚度为2.0-5.0mm。
7.根据权利要求1或3所述的一种天车轮的激光熔覆再制造方法，其特征在于：对熔覆层的单边车削量为1.0-4.0mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种天车轮的激光熔覆再制造方法，其特征在于：所述修复材料的化学组成质量百分比为C：0.1-0.3%；Si：0.1-0.3%；Cr：14.5-18.5%；Ni：1.0-4.0%，余量为Fe；天车轮修复材料的粒度为135-325目。
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