CN113478170B - 一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合工艺及装置，包括以下步骤：先对辊道进行前处理，再对辊道进行多材料电弧增材焊接；当焊接形成的焊道冷却到预设温度时，锻打装置开始工作，对冷却到预设温度的焊道区域进行锻打；最后再对修复后的辊道进行焊后处理、精加工，即实现辊道表面再制造。焊枪和锻打装置在轨道上按相同速度移动，辊道通过机头驱动绕其轴线转动，从而在辊道圆周面上以螺旋线的形式满焊设定厚度的焊材。焊枪位于辊道轴线上方并竖直朝下，锻打装置的锻打方向水平朝向辊道轴线。本发明能够有效实现辊道表面精整和堆积材料组织及成分的均匀化，提高辊道使用寿命。

Description

一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合工艺及装置

技术领域

本发明涉及冶金装备技术领域，具体涉及一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合工艺及装置。

背景技术

我国是钢铁生产和消费大国，其中轧材约占85%-90%。冶金辊道是使轧材金属产生塑性变形的工具，是轧钢生产的关键备件，其性能直接影响企业的产品质量以及生产成本。随着冶金轧钢装备与技术快速进步，对各种辊子的质量要求也愈来愈高。同时，钢铁市场竞争也日趋激烈，降本增效无疑成为各大企业必须采取的生存和竞争策略。随着表面工程技术、硬面技术的快速进步和发展，国家对再制造和循环经济政策的推动，各种大型辊道的修复和再制造已成为钢铁企业降低成本和提高生产效率的重要手段。而堆焊技术在辊道修复和再制造方面的应用上，占有着几乎绝对的优势地位。至今在新型连铸机和热连轧机、镀锌线等的设计上已大量采用堆焊技术来制造和再制造复合辊子，达到延长辊子使用寿命的目的。

但是，采用埋弧自动焊所堆焊的辊道，轧钢一段时间后在辊道表面往往会出现一种有规则的螺纹状的不均匀磨损，通常被称为焊道痕迹析出。焊道痕迹的出现直接影响了钢坯的表面质量, 从而在很大程度上决定了辊道的轧制吨位。加上辊子其他常见的失效形式如材料剥离、异常磨损和热应力裂纹等，导致再制造后的辊子寿命不能达到预期要求。辊道表面出现的焊道痕迹析出，基本都是处于每两条焊道间的交界处。经分析，其主要形成原因是由于在堆焊过程中，焊道叠加区需要承受更长时间高温状态，导致该区域组织粗大、硬度降低，成分更加不均匀，从而降低耐磨性和高温性能。其他原因，如修复前预热温度过低，磨削工艺不当等也有可能导致焊道痕迹，但是通过设定合理的预热温度、优化磨削工艺等可以较好的解决该问题。

因此，针对现有冶金辊道堆焊修复与再制造技术存在的焊道叠加区域组织粗大、硬度降低、成分不均匀导致的焊道痕迹析出问题，提出一种能够显著改善修复与再制造效果、提高辊道使用寿命的新方法，已成为本技术领域亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够有效实现辊道表面精整和堆积材料组织及成分的均匀化，提高辊道使用寿命的冶金辊道表面再制造的焊锻复合工艺及装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合工艺，包括以下步骤：

1）先对辊道进行前处理，再对辊道进行多材料电弧增材焊接；

2）当焊接形成的焊道冷却到预设温度时，锻打装置开始工作，对冷却到预设温度的焊道区域进行锻打；

3）最后再对修复后的辊道进行焊后处理、精加工，即实现辊道表面再制造。

进一步地，焊枪和锻打装置在轨道上按相同速度移动，辊道通过机头驱动绕其轴线转动，从而在辊道圆周面上以螺旋线的形式满焊设定厚度的焊材。

进一步地，焊枪位于辊道轴线上方并竖直朝下，锻打装置的锻打方向水平朝向辊道轴线；锻打装置和焊枪在辊道轴线上错开设定距离，当焊接形成的焊道随辊道转动1/4圆周后，锻打装置在对应轨道上正好滑移该设定距离，从而进入锻打区域；同时控制辊道的转动速度，使辊道转动1/4圆周后焊道冷却到预设温度范围内。

进一步地，锻打装置的锻打频次控制在每分钟20-40次。

进一步地，步骤2）的预设温度控制在焊材奥氏体转变温度之上。

一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合装置，包括底座，在底座上设有支架，底座上位于支架一侧固定安装有机头，机头上设有用于将待加工辊道一端卡紧的卡盘，以使辊道在机头驱动下可沿辊道轴线转动；支架顶端安装有与待加工辊道轴线平行的焊接滑轨，焊接滑轨上滑动设有焊接装置，焊接装置的焊枪位于带加工辊道上方并竖直向下朝向辊道轴线；在支架上设有与焊接滑轨平行的锻打滑轨，锻打滑轨上安装有可沿锻打滑轨滑移的锻打装置，锻打装置的锻打方向水平朝向待加工的辊道轴线；锻打装置和焊枪的滑移速度相同且两者在辊道轴向上错开设定距离，锻打装置在该设定距离上的滑移时间与辊道转动四分之一圈的时间相同。

进一步地，所述锻打滑轨与焊接滑轨共用一道滑轨。

进一步地，锻打装置和焊接装置通过连接件固定连接在一起以保证两者在同一道滑轨上同步滑移并错开设定距离。

进一步地，在辊道外周面悬置设有温度传感器，温度传感器的输出连接PLC控制器输入，PLC控制器的输出连接驱动锻打装置工作的气泵，PLC控制器根据温度传感器检测的辊道温度以控制气泵是否需要停止工作。

进一步地，在底座上位于辊道正下方沿辊道轴线方向间隔设有两支撑架，用于支撑辊道。

综上所述，本发明的有益效果在于：

1、通过在合理的焊道温度介入低频随动锻打，可以将焊道间由于在高温区停留更长时间导致的粗大晶粒组织细化，实现加工（锻打）硬化的同时实现焊道区域组织成分不均匀的问题，这也是解决焊道痕迹析出的最根本原因。

2、电弧增材后，焊道峰谷分布不均，表面精度较差，通过复合工艺，可以有效提高增材后堆积精度50%以上（由现有的2-3mm提升到1mm）,减少后续加工量。

3、电弧增材后，低频随动锻打能够使焊道产生较大的塑性延展变形，抵消了焊道及其附近区域的收缩变形，降低了残余热应力，甚至可以在锻打处理表面及深度方向上形成压应力区，提高冶金辊道堆积层抗裂性能。

4、在现有冶金辊道堆焊修复专机基础上，集成配备低频随动锻打装置，可以将企业生产现场使用的大量堆焊修复设备升级改造，提高已有设备效能和修复效果。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明整体结构的示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为本发明中锻打装置的结构示意图；

图4为图3中部分结构分解示意图。

图中：底座1、支架2、机头3、卡盘4、焊接滑轨5、焊枪6、锻打装置7、固定板8、气缸9、锤头10、回位弹簧11、夹持盖12、温度传感器13、PLC控制器14、支撑架15、焊剂回收斗16。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本具体实施方式中的一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合工艺，包括以下步骤：

1）先对辊道进行前处理，再对辊道进行多材料电弧增材焊接；

2）当焊接形成的焊道冷却到预设温度时，锻打装置开始工作，对冷却到预设温度的焊道区域进行锻打；

3）最后再对修复后的辊道进行焊后处理、精加工，即实现辊道表面再制造。

本方案中，通过在合理的焊道温度介入低频随动锻打装置，对焊道进行锻打，可以将焊道间由于在高温区停留更长时间导致的粗大晶粒组织细化，实现加工（锻打）硬化的同时实现焊道区域组织成分不均匀的问题，可以有效提高增材后堆积精度50%以上（由现有的2-3mm提升到1mm）,减少后续加工量。实现冶金辊道表面精整和堆积材料组织及成分的均匀化，解决焊道痕迹明显析出的问题，实现堆积层材料剥离、堆焊精度低和热应力裂纹等缺陷。

在本具体实施方式中，焊枪和锻打装置在轨道上按相同速度移动，辊道通过机头驱动绕其轴线转动，从而在辊道圆周面上以螺旋线的形式满焊设定厚度的焊材。

这样，采用螺旋线的形式满焊，保持与焊道痕迹析出的螺纹相接近，利于焊枪对辊道圆周面进行满焊，便于锻打装置对焊道进行随动低频锻打。

在本具体实施方式中，焊枪位于辊道轴线上方并竖直朝下，锻打装置的锻打方向水平朝向辊道轴线；锻打装置和焊枪在辊道轴线上错开设定距离，当焊接形成的焊道随辊道转动1/4圆周后，锻打装置在对应轨道上正好滑移该设定距离，从而进入锻打区域；同时控制辊道的转动速度，使辊道转动1/4圆周后焊道冷却到预设温度范围内。

这样，通过控制辊道转动速度，使辊道转动1/4圆周后焊道冷却在预设温度范围内，以此作为锻打装置和焊枪在辊道轴线上相错开设定距离，并作为锻打装置启动节点，在部分组织凝固前进行锻打，以提高增材后堆焊精度。通过这样设置，焊接装置按预设节奏进行焊接，锻打装置按预设节奏进行锻打，实现边焊接边锻打的节奏，实现与焊接装置低频随动锻打，两者的工作得到高效协调，加工效率显著提升。

在本具体实施方式中，锻打装置的锻打频次控制在每分钟20-40次。如果不锻打，相邻两圈螺旋形的焊道之间就会形成螺旋形的浅槽，且焊道也会形成中间高两边低的形态，锻打力度能够使所有焊道处于同一圆周面上即可，即压峰填谷。锻打力度实际由气锤的气压控制，通常气压控制在0.5兆帕左右。

在本具体实施方式中，步骤2）的预设温度控制在焊材奥氏体转变温度之上，大约在650-750摄氏度，低了会有组织转变而且已经部分凝固效果不好，高了还在液态区焊材要流淌。

如图1、图2和图3所示，本具体实施方式中的一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合装置，包括底座1，在底座上设有支架2，底座1上位于支架2一侧固定安装有机头3，机头3上设有用于将待加工辊道一端卡紧的卡盘4，以使辊道在机头3驱动下可沿辊道轴线转动。支架2顶端安装有与待加工辊道轴线平行的焊接滑轨5，焊接滑轨5上滑动设有焊接装置，焊接装置的焊枪6位于带加工辊道上方并竖直向下朝向辊道轴线。在支架2上设有与焊接滑轨平行的锻打滑轨，锻打滑轨上安装有可沿锻打滑轨滑移的锻打装置7，锻打装置的锻打方向水平朝向待加工的辊道轴线；锻打装置7和焊枪6的滑移速度相同且两者在辊道轴向上错开设定距离，锻打装置7在该设定距离上的滑移时间与辊道转动四分之一圈的时间相同。

在本方案中，通过机头3上的卡盘4卡紧于待加工辊道一端，使得辊道在机头3驱动下可沿辊道轴线转动，通过在支架2顶端安装有与待加工辊道轴线平行的焊接滑轨5，焊接滑轨上滑动设有焊接装置，并在支架2上设置与焊接滑轨5平行的锻打滑轨，焊接装置和锻打装置分别与对应的焊接滑轨和锻打滑轨滑动连接，使得锻打装置7和焊接装置保持一定距离，当机头3驱动辊道沿辊道轴线转动时，焊接装置的焊枪在辊道圆周面上以螺旋线的形式满焊，并随后通过锻打装置7对辊道圆周面的焊道进行锻打，从而实现对辊道表面精整和堆积材料组织及成分的均匀化，解决焊道痕迹明显析出的问题，同时实现堆积层材料剥离、堆焊精度低和热应力裂纹等缺陷。

本发明锻打装置，可与焊接装置安装在同一滑轨上，跟随焊枪自动移动（适用于大直径辊道，刚度大，随动锻打不会对焊接过程的稳定性造成影响）；或根据使用需要，单独设置在滑轨上，实现独立控制（适用于小直径辊道）。

当锻打装置与焊接装置安装在同一滑轨上时，锻打装置7和焊接装置可以通过连接件固定连接在一起以保证两者在同一道滑轨上同步滑移并错开设定距离。

这样，通过连接件将锻打装置7和焊接装置固定连接在一起，保证两者同步滑移时错开设定距离，彼此不会相互干扰。

参见图3和图4，在本具体实施方式中，所述锻打滑轨上滑动设有固定座，固定座上设有电机，通过电机驱动固定座沿锻打滑轨滑移；所述锻打装置包括气锤和固定板8，气锤由气缸9和锤头10组成，气缸9呈空心柱状凸台结构，用于装载气体，气缸9顶端设有锤头出口，气缸9内活动设有与气缸腔体相配合的活塞，在活塞上靠近气缸顶端固定连接锤头10，锤头呈圆柱结构，其中锤头10直径与锤头出口直径相配合，锤头10底端套设有回位弹簧11，锤头10顶端穿出锤头出口，在气缸9外周面上靠近气缸底端设有与气缸连通的进气管，进气管进气端连接有气泵，用于气体通过进气管进入气缸9内推动活塞移动；固定板8由底板、背板以及两侧板合围形成U型槽状结构，背板外表面中心开设有开口，开口大小与气缸9底端大小相配合，背板外表面中部固定连接有夹持盖12，夹持盖12呈中空柱状凸台结构，且夹持盖纵截面形状与气缸8纵截面形状相配合，用于固定气缸；固定座和底板通过螺栓和螺帽锁紧固定。

这样，通过底板与夹持盖12形成的腔体用于固定气锤的气缸9，保证了锤头10锻打辊道圆周表面时，气锤连接的稳定性；通过固定座和底板作为锻打滑轨与锻打装置的固定件，通过电机驱动固定座带动锻打装置7沿锻打滑轨滑移，对焊道进行锻打，从而对焊道的粗大晶粒组织进行细化。

参见图1，在本具体实施方式中，在辊道外周面悬置设有温度传感器13，温度传感器13的输出连接PLC控制器14输入，PLC控制器的输出连接气泵，PLC控制器14根据温度传感器13检测的辊道温度以控制气泵是否需要停止工作。

正常情况下，锻打装置和焊接装置按预设节奏协调工作，这样锻打装置锻打的焊道位置正好冷却到预设温度内，无需刻意等温度降下来再锻打。但在实际设计中，作为保险措施，还是需要对焊道冷却温度进行监控，以在温度与预设不符时，能够及时发现并停机予以纠正。温度传感器的目的就在于当温度异常时，能够停止锻打。

参见图1，在本具体实施方式中，在底座1上位于辊道正下方沿辊道轴线方向间隔设有两支撑架15，用于支撑辊道。

这样，通过两支撑架15对辊道进行支撑，以减小卡盘卡紧辊道的力度，防止辊道脱落。

在本具体实施方式中，在底座1上位于两支撑架15之间设有焊剂回收斗16，用于收集焊渣。

这样，焊剂回收斗16用于收集焊渣，便于焊渣集中回收处理；为减少人工移动，焊剂回收斗16可通过电机驱动，随锻打装置7或焊枪同步移动。

参见图4，在本具体实施方式中，在夹持盖12底端端面位于槽口左右两侧对称开设有螺纹孔，背板内表面左右对称开设沉孔，沉孔与螺纹孔直径相同，且沉孔中心线与螺纹中心线相重合。

这样，方便将背板与夹持盖12进行安装，因而采用螺栓固定夹持盖和背板，以利于后期维护。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的改变仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)先对辊道进行前处理，再对辊道进行多材料电弧增材焊接；

2)当焊接形成的焊道冷却到预设温度时，锻打装置开始工作，对冷却到预设温度的焊道区域进行锻打；

3)最后再对修复后的辊道进行焊后处理、精加工，即实现辊道表面再制造；

焊枪和锻打装置在轨道上按相同速度移动，辊道通过机头驱动绕其轴线转动，从而在辊道圆周面上以螺旋线的形式满焊设定厚度的焊材；

焊枪位于辊道轴线上方并竖直朝下，锻打装置的锻打方向水平朝向辊道轴线；锻打装置和焊枪在辊道轴线上错开设定距离，当焊接形成的焊道随辊道转动1/4圆周后，锻打装置在对应轨道上正好滑移该设定距离，从而进入锻打区域；同时控制辊道的转动速度，使辊道转动1/4圆周后焊道冷却到预设温度范围内。

2.根据权利要求1所述的一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合工艺，其特征在于，锻打装置的锻打频次控制在每分钟20-40次。

3.根据权利要求1所述的一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合工艺，其特征在于，步骤2)的预设温度控制在焊材奥氏体转变温度之上。

4.一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合装置，包括底座，在底座上设有支架，底座上位于支架一侧固定安装有机头，机头上设有用于将待加工辊道一端卡紧的卡盘，以使辊道在机头驱动下可沿辊道轴线转动；支架顶端安装有与待加工辊道轴线平行的焊接滑轨，焊接滑轨上滑动设有焊接装置，焊接装置的焊枪位于待加工辊道上方并竖直向下朝向辊道轴线；其特征在于，在支架上设有与焊接滑轨平行的锻打滑轨，锻打滑轨上安装有可沿锻打滑轨滑移的锻打装置，锻打装置的锻打方向水平朝向待加工的辊道轴线；锻打装置和焊枪的滑移速度相同且两者在辊道轴向上错开设定距离，锻打装置在该设定距离上的滑移时间与辊道转动四分之一圈的时间相同。

5.根据权利要求4所述的一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合装置，其特征在于，所述锻打滑轨与焊接滑轨共用一道滑轨。

6.根据权利要求5所述的一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合装置，其特征在于，锻打装置和焊接装置通过连接件固定连接在一起以保证两者在同一道滑轨上同步滑移并错开设定距离。

7.根据权利要求4所述的一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合装置，其特征在于，在辊道外周面悬置设有温度传感器，温度传感器的输出连接PLC控制器输入，PLC控制器的输出连接驱动锻打装置工作的气泵，PLC控制器根据温度传感器检测的辊道温度以控制气泵是否需要停止工作。

8.根据权利要求4所述的一种用于冶金辊道表面再制造的焊锻复合装置，其特征在于，在底座上位于辊道正下方沿辊道轴线方向间隔设有两支撑架，用于支撑辊道。

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