CN112522699B - 一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的装置及方法，属于轧辊表面工程技术领域，解决了轧辊修复过程中大型轧辊容易出现熔覆不均、熔覆层不够致密、涂层易脱落的问题；为大型轧辊的修复以及涂层淬火加工提供行之有效的解决方案。其结构包括装置底座、熔覆淬火工作盘、预热温控工作盘等，本发明具有以下有益效果：设备适用性较强，适合各种大中型轧辊的修复；集表面预热、熔覆、激光淬火于一体，大幅度提高轧辊表面修复的时效性以及修复涂层的性能；减少轧辊在修复过程中的运动，提高轧辊修复涂层的均匀性，为大型轧辊的修复以及涂层淬火加工提供行之有效的解决方案。

Description

一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的装置及方法
技术领域
本发明属于轧辊表面工程技术领域，特别涉及一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的装置及方法。
背景技术
激光熔覆技术是一种先进的表面改性技术，在基体表面上熔覆材料，经激光辐照使之和基体表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。轧辊作为钢铁辊轧设备的主要构件之一，在运行时，其必须克服外部应力的剪切与挤压，同时由于工作环境恶劣程度的不同，热轧辊还必须克服高温氧化问题。轧辊在工作过程中，由于工况的复杂，会产生破坏面甚至导致最终失效，直接降低了坯件的质量，同时影响生产效率和生产成本，导致其整体报废。
轧辊作为钢铁辊轧设备的关键部件，在提高钢材产品品质和生产率方面发挥着举足轻重的作用。轧辊质量的好坏和寿命的长短则关系到钢铁辊轧设备生产率的高低，轧辊的修复一直是轧辊制造业甚至是整个冶金行业面临的重大问题。常规的表面强化修复再制造技术如感应加热淬火、电弧堆焊、热喷涂与喷焊等都难以有效提高轧辊表面高温磨损和抗开裂的能力。而对于大型轧辊的激光熔覆修复来说，现有技术都是控制轧辊的旋转速度来调节熔覆的扫描速度，但是大型轧辊由于定位问题，在熔覆过程中容易出现跳动、震动等问题，进而导致比修复涂层的结合强度不够、出现裂纹、硬度不够等问题。
为了解决上述现有技术问题的不足，本发明公开了一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的装置及方法，解决了轧辊修复过程中大型轧辊容易出现熔覆不均、熔覆层不够致密、涂层易脱落的问题；为大型轧辊的修复以及涂层淬火加工提供行之有效的解决方案。其结构包括装置底座、熔覆淬火工作盘、预热温控工作盘等。设备适用性较强，适合各种大中型轧辊的修复；集表面预热、熔覆、激光淬火于一体，大幅度提高轧辊表面修复的时效性以及修复涂层的性能；减少轧辊在修复过程中的运动，提高轧辊修复涂层的均匀性，为大型轧辊的修复以及涂层淬火加工提供行之有效的解决方案。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决上述现有技术问题的不足，本发明公开了一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的装置及方法，解决了轧辊修复过程中大型轧辊容易出现熔覆不均、熔覆层不够致密、涂层易脱落的问题；为大型轧辊的修复以及涂层淬火加工提供行之有效的解决方案。其结构包括装置底座、熔覆淬火工作盘、预热温控工作盘等。设备适用性较强，适合各种大中型轧辊的修复；集表面预热、熔覆、激光淬火于一体，大幅度提高轧辊表面修复的时效性以及修复涂层的性能；减少轧辊在修复过程中的运动，提高轧辊修复涂层的均匀性，为大型轧辊的修复以及涂层淬火加工提供行之有效的解决方案。
(二)技术方案
本发明通过如下技术方案实现：
一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的装置，包括装置底座，熔覆淬火工作盘、预热温控工作盘。
所述装置底座包括滑轨，转轴：用于连接、控制底盘的工作进给；
所述熔覆淬火工作盘包括：
防冲撞机构：用于防止旋转控制环冲击到装置底座和防止出现意外掉落的情况；
激光熔覆底座：用于搭载激光熔覆装置，并控制其进行旋转；
超声波测距装置：用于监测、反馈校正激光熔覆装置的工作高度；
激光熔覆装置：用于传输高功率连续激光以及激光离焦量的控制；
激光淬火装置：用于传输高功率激光以及高度调节控制淬火范围；
激光淬火底座：用于搭载激光淬火装置；
红外测温装置：用于监测淬火过程中的温度情况；
旋转控制环：激光熔覆底座绕熔覆淬火工作盘内部旋转时通过旋转控制环带动激光淬火底座进行旋转；
所述预热温控工作盘包括：
纳米红外线环形加热圈：用于大型轧辊的表面预热；
测温装置：用于监测表面预热温度。
进一步的，所述熔覆淬火工作盘和预热温控工作盘通过六根固定装置进行连接；两个工作盘固定于底盘。
进一步的，所述超声波测距装置固定于激光熔覆底座，红外测温装置固定于激光淬火底座；两工作盘固定连接旋转控制环；防冲撞机构安装于熔覆淬火工作盘。
进一步的，所述纳米红外线环形加热圈安装于预热温控工作盘内侧；测温装置安装于纳米红外线环形加热圈外侧。
进一步的，所述激光熔覆装置的工作方式为同轴送丝；激光功率为0-12000W；激光淬火装置激光功率为0-12000W；激光淬火装置激光功率为0-12000W。
进一步的，所述纳米红外线环形加热圈预热时以120℃/min的速度提高，逐渐加热轧辊表面。
进一步的，一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的方法，包括装置底座，熔覆淬火工作盘、预热温控工作盘。
所述装置底座包括滑轨，转轴：用于连接、控制底盘的工作进给；
所述熔覆淬火工作盘包括：
防冲撞机构：用于防止旋转控制环冲击到装置底座和防止出现意外掉落的情况；
激光熔覆底座：用于搭载激光熔覆装置，并控制其进行旋转；
超声波测距装置：用于监测、反馈校正激光熔覆装置的工作高度；
激光熔覆装置：用于传输高功率连续激光以及激光离焦量的控制；
激光淬火装置：用于传输高功率激光以及高度调节控制淬火范围；
激光淬火底座：用于搭载激光淬火装置；
红外测温装置：用于监测淬火过程中的温度情况；
旋转控制环：激光熔覆底座绕熔覆淬火工作盘内部旋转时通过旋转控制环带动激光淬火底座进行旋转；
所述预热温控工作盘包括：
纳米红外线环形加热圈：用于大型轧辊的表面预热；
测温装置：用于监测表面预热温度。
还包括如下步骤：
步骤10：将轧辊安置于装置底座，整个工作盘进行调零、复位，并设置修复范围；
步骤20：根据轧辊直径、材料设置激光功率、旋转速度、送丝速率、离焦量；同时校正红外测温装置以及超声波测距装置；并开启纳米红外线环形加热圈进行预热；
步骤30：轧辊表面预热至300℃后开始进行激光熔覆修复，熔覆半圈后，开启激光淬火装置；熔覆/淬火速度通过旋转控制环控制扫描速度，一个工作位熔覆淬火结束后，底盘向前进给；熔覆淬火过程中同步开启超声波测距装置，监测离焦量的大小，若出现偏移及时反馈偏移数据至激光熔覆装置来调节离焦量大小，保证熔覆均匀；淬火过程中同步开启红外测温装置，监测淬火过程中的温度变化；
步骤40：修复工作结束后，关闭激光熔覆装置、激光淬火装置、纳米红外线环形加热圈，整个装置回零，恢复到初始状态，加工结束。
(三)有益效果
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
为了解决上述现有技术问题的不足，本发明公开了一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的装置及方法，解决了轧辊修复过程中大型轧辊容易出现熔覆不均、熔覆层不够致密、涂层易脱落的问题；为大型轧辊的修复以及涂层淬火加工提供行之有效的解决方案。其结构包括装置底座、熔覆淬火工作盘、预热温控工作盘等。设备适用性较强，适合各种大中型轧辊的修复；集表面预热、熔覆、激光淬火于一体，大幅度提高轧辊表面修复的时效性以及修复涂层的性能；减少轧辊在修复过程中的运动，提高轧辊修复涂层的均匀性，为大型轧辊的修复以及涂层淬火加工提供行之有效的解决方案。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的装置正视图；
图3为本发明的装置俯视图；
图4为本发明的熔覆淬火工作盘正视图；
图5为本发明的预热温控工作盘正视图；
图6为本发明的工作流程图；
图中：装置底座(1)、轧辊(2)、转轴(3)、测温装置(4)、激光熔覆底座(5)、超声波测距装置(6)、激光熔覆装置(7)、激光淬火装置(8)、激光淬火底座(9)、红外测温装置(10)：熔覆淬火工作盘(11)、防冲撞机构(12)、旋转控制环(13)、底盘(14)、预热温控工作盘(15)、滑轨(16)、固定装置(17)。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4、图5与图6，一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的装置，包括装置底座，熔覆淬火工作盘、预热温控工作盘。
所述装置底座包括滑轨，转轴：用于连接、控制底盘的工作进给；
所述熔覆淬火工作盘包括：
防冲撞机构：用于防止旋转控制环冲击到装置底座和防止出现意外掉落的情况；
激光熔覆底座：用于搭载激光熔覆装置，并控制其进行旋转；
超声波测距装置：用于监测、反馈校正激光熔覆装置的工作高度；
激光熔覆装置：用于传输高功率连续激光以及激光离焦量的控制；
激光淬火装置：用于传输高功率激光以及高度调节控制淬火范围；
激光淬火底座：用于搭载激光淬火装置；
红外测温装置：用于监测淬火过程中的温度情况；
旋转控制环：激光熔覆底座绕熔覆淬火工作盘内部旋转时通过旋转控制环带动激光淬火底座进行旋转；
所述预热温控工作盘包括：
纳米红外线环形加热圈：用于大型轧辊的表面预热；
测温装置：用于监测表面预热温度。
其中，所述熔覆淬火工作盘和预热温控工作盘通过六根固定装置进行连接；两个工作盘固定于底盘。
其中，所述超声波测距装置固定于激光熔覆底座，红外测温装置固定于激光淬火底座；两工作盘固定连接旋转控制环；防冲撞机构安装于熔覆淬火工作盘。
其中，所述纳米红外线环形加热圈安装于预热温控工作盘内侧；测温装置安装于纳米红外线环形加热圈外侧。
其中，所述激光熔覆装置的工作方式为同轴送丝；激光功率为0-12000W；激光淬火装置激光功率为0-12000W；激光淬火装置激光功率为0-12000W。
其中，所述纳米红外线环形加热圈预热时以120℃/min的速度提高，逐渐加热轧辊表面。
其中，一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的方法，包括装置底座，熔覆淬火工作盘、预热温控工作盘。
所述装置底座包括滑轨，转轴：用于连接、控制底盘的工作进给；
所述熔覆淬火工作盘包括：
防冲撞机构：用于防止旋转控制环冲击到装置底座和防止出现意外掉落的情况；
激光熔覆底座：用于搭载激光熔覆装置，并控制其进行旋转；
超声波测距装置：用于监测、反馈校正激光熔覆装置的工作高度；
激光熔覆装置：用于传输高功率连续激光以及激光离焦量的控制；
激光淬火装置：用于传输高功率激光以及高度调节控制淬火范围；
激光淬火底座：用于搭载激光淬火装置；
红外测温装置：用于监测淬火过程中的温度情况；
旋转控制环：激光熔覆底座绕熔覆淬火工作盘内部旋转时通过旋转控制环带动激光淬火底座进行旋转；
所述预热温控工作盘包括：
纳米红外线环形加热圈：用于大型轧辊的表面预热；
测温装置：用于监测表面预热温度。
还包括如下步骤：
步骤10：将轧辊安置于装置底座，整个工作盘进行调零、复位，并设置修复范围；
步骤20：根据轧辊直径、材料设置激光功率、旋转速度、送丝速率、离焦量；同时校正红外测温装置以及超声波测距装置；并开启纳米红外线环形加热圈进行预热；
步骤30：轧辊表面预热至300℃后开始进行激光熔覆修复，熔覆半圈后，开启激光淬火装置；熔覆/淬火速度通过旋转控制环控制扫描速度，一个工作位熔覆淬火结束后，底盘向前进给；熔覆淬火过程中同步开启超声波测距装置，监测离焦量的大小，若出现偏移及时反馈偏移数据至激光熔覆装置来调节离焦量大小，保证熔覆均匀；淬火过程中同步开启红外测温装置，监测淬火过程中的温度变化；
步骤40：修复工作结束后，关闭激光熔覆装置、激光淬火装置、纳米红外线环形加热圈，整个装置回零，恢复到初始状态，加工结束。
工作原理：
如果需要修复高铬铸铁轧辊，采用镍基合金丝材作为修复材料，设置激光功率为：6000W，熔覆方式：单丝进给，离焦量：20mm。将轧辊安置于装置底座，整个工作盘进行调零、复位，并设置修复范围；根据轧辊直径、材料设置激光功率、旋转速度、送丝速率、离焦量；同时校正红外测温装置以及超声波测距装置；并开启纳米红外线环形加热圈进行预热；轧辊表面预热至300℃后开始进行激光熔覆修复，熔覆半圈后，开启激光淬火装置；熔覆/淬火速度通过旋转控制环控制扫描速度，一个工作位熔覆淬火结束后，底盘向前进给；熔覆淬火过程中同步开启超声波测距装置，监测离焦量的大小，若出现偏移及时反馈偏移数据至激光熔覆装置来调节离焦量大小，保证熔覆均匀；淬火过程中同步开启红外测温装置，监测淬火过程中的温度变化；修复工作结束后，关闭激光熔覆装置、激光淬火装置、纳米红外线环形加热圈，整个装置回零，恢复到初始状态，加工结束。
本发明实现了激光熔覆过程中高精度温度检测进而在工业中更好的控制熔池温度以及热机制的研究；为研究激光熔覆过程中的热机制研究及温度场情况提供先进有效的解决方案。其结构包括可调整支架、多光谱测温模块、激光测温模块等，在激光熔覆过程中利用多光谱相机及激光测温模块，对熔覆过程中的熔池进行实时测温，采用多光谱测温技术以及激光诱导荧光测温技术具有高灵敏度、高分辨率、快速响应时间、较好的鲁棒性的特点。在熔覆过程中根据多光谱测温模块和激光测温模块建立熔覆熔池的上方、侧方温度时域变化曲线，精准检测熔覆过程中熔池温度，为激光熔覆过程中温度场变化控制提供行之有效的解决方法。
本发明的控制方式是通过人工启动和关闭开关来控制，动力元件的接线图与电源的提供属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和接线布置。
本发明的控制方式是通过控制器来自动控制，控制器的控制电路通过本领域的技术人员简单编程即可实现，电源的提供也属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和电路连接。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的装置，包括装置底座(1)，熔覆淬火工作盘(11)、预热温控工作盘(15)，其特征在于：
所述装置底座(1)包括滑轨(16)，转轴(3)：用于连接、控制底盘(14)的工作进给；
所述熔覆淬火工作盘(11)包括：
防冲撞机构(12)：用于防止旋转控制环(13)冲击到装置底座(1)和防止出现意外掉落的情况；
激光熔覆底座(5)：用于搭载激光熔覆装置(7)，并控制其进行旋转；
超声波测距装置(6)：用于监测、反馈校正激光熔覆装置(7)的工作高度；
激光熔覆装置(7)：用于传输高功率连续激光以及激光离焦量的控制；
激光淬火装置(8)：用于传输高功率激光以及高度调节控制淬火范围；
激光淬火底座(9)：用于搭载激光淬火装置(8)；
红外测温装置(10)：用于监测淬火过程中的温度情况；
旋转控制环(13)：激光熔覆底座(5)绕熔覆淬火工作盘(11)内部旋转时通过旋转控制环(13)带动激光淬火底座(9)进行旋转；
所述预热温控工作盘(15)包括：
纳米红外线环形加热圈：用于大型轧辊的表面预热；
测温装置(4)：用于监测表面预热温度。
2.根据权利要求1所述的一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的装置，其特征在于：所述熔覆淬火工作盘(11)和预热温控工作盘(15)通过六根固定装置(17)进行连接；两个工作盘固定于底盘(14)。
3.根据权利要求1所述的一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的装置，其特征在于：所述超声波测距装置(6)固定于激光熔覆底座(5)，红外测温装置(10)固定于激光淬火底座(9)；两工作盘固定连接旋转控制环(13)；防冲撞机构(12)安装于熔覆淬火工作盘(11)。
4.根据权利要求1所述的一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的装置，其特征在于：所述纳米红外线环形加热圈安装于预热温控工作盘(15)内侧；测温装置(4)安装于纳米红外线环形加热圈外侧。
5.根据权利要求1所述的一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的装置，其特征在于：所述激光熔覆装置(7)的工作方式为同轴送丝；激光功率为0-12000W；激光淬火装置(8)激光功率为0-12000W。
6.根据权利要求1所述的一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的装置，其特征在于：所述纳米红外线环形加热圈预热时以120℃/min的速度提高，逐渐加热轧辊表面。
7.一种轧辊外表面激光熔覆复合激光淬火的方法，包括装置底座(1)，熔覆淬火工作盘(11)、预热温控工作盘(15)，其特征在于：
所述装置底座(1)包括滑轨(16)，转轴(3)：用于连接、控制底盘(14)的工作进给；
所述熔覆淬火工作盘(11)包括：
防冲撞机构(12)：用于防止旋转控制环(13)冲击到装置底座(1)和防止出现意外掉落的情况；
激光熔覆底座(5)：用于搭载激光熔覆装置(7)，并控制其进行旋转；
超声波测距装置(6)：用于监测、反馈校正激光熔覆装置(7)的工作高度；
激光熔覆装置(7)：用于传输高功率连续激光以及激光离焦量的控制；
激光淬火装置(8)：用于传输高功率激光以及高度调节控制淬火范围；
激光淬火底座(9)：用于搭载激光淬火装置(8)；
红外测温装置(10)：用于监测淬火过程中的温度情况；
旋转控制环(13)：激光熔覆底座(5)绕熔覆淬火工作盘(11)内部旋转时通过旋转控制环(13)带动激光淬火底座(9)进行旋转；
所述预热温控工作盘(15)包括：
纳米红外线环形加热圈：用于大型轧辊的表面预热；
测温装置(4)：用于监测表面预热温度；
还包括如下步骤：
步骤10：将轧辊(2)安置于装置底座(1)，整个工作盘进行调零、复位，并设置修复范围；
步骤20：根据轧辊直径、材料设置激光功率、旋转速度、送丝速率、离焦量；同时校正红外测温装置(10)以及超声波测距装置(6)；并开启纳米红外线环形加热圈进行预热；
步骤30：轧辊表面预热至300℃后开始进行激光熔覆修复，熔覆半圈后，开启激光淬火装置；熔覆/淬火速度通过旋转控制环(13)控制扫描速度，一个工作位熔覆淬火结束后，底盘(14)向前进给；熔覆淬火过程中同步开启超声波测距装置(6)，监测离焦量的大小，若出现偏移及时反馈偏移数据至激光熔覆装置(7)来调节离焦量大小，保证熔覆均匀；淬火过程中同步开启红外测温装置(10)，监测淬火过程中的温度变化；
步骤40：修复工作结束后，关闭激光熔覆装置(7)、激光淬火装置(8)、纳米红外线环形加热圈，整个装置回零，恢复到初始状态，加工结束。
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