CN211999917U

CN211999917U - 激光熔覆合金涂层制备系统

Info

Publication number: CN211999917U
Application number: CN202020581556.5U
Authority: CN
Inventors: 蒋士春; 迟海龙; 唱丽丽; 于辉勇
Original assignee: Nanjing Zhongke Raycham Laser Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Zhongke Raycham Laser Technology Co Ltd
Priority date: 2020-04-18
Filing date: 2020-04-18
Publication date: 2020-11-24
Anticipated expiration: 2030-04-18

Abstract

本实用新型提供一种激光熔覆合金涂层制备系统，包括送粉器、氮气供应装置、送粉管路、熔覆用氮气保护供应装置以及复合熔覆加工头。送粉器用于通过送粉管路向复合熔覆加工头送粉。氮气供应装置用于向送粉器送入氮气保护气、以及通过熔覆用氮气保护供应装置向复合熔覆加工头的加工面送入氮气保护气。复合熔覆加工头包括激光熔覆头以及设置在激光熔覆头下方的高频线圈，激光熔覆头设置有与送粉管路连通的送粉管以将粉末送至传输辊表面，通过激光束进行熔覆成型。激光熔覆头下方设置硅钢块，高频线圈绕制在硅钢块的外部，高频线圈工作时形成的高频热源对通过的粉体材料进行快速加热，通过同步加热和闭环温度控制以减小熔覆层裂纹倾向。

Description

激光熔覆合金涂层制备系统

技术领域

本实用新型涉及合金涂层制备技术领域，具体而言涉及一种激光熔覆合金涂层制备系统。

背景技术

钢厂热轧传输辊是钢材生产过程中的一种传动部件，一条热轧产线由多个传输辊组成，传输辊常见的失效形式为钢材运行中带来的表面磨损，且处在前端轧机牌坊附近的辊子由于钢材表面喷淋冷却水，会导致辊面腐蚀和热疲劳裂纹的产生。

传输辊表面性能的好坏直接影响到连轧工序中钢材运行的稳定性，磨损严重的辊面钢材在运动中对传输辊的两端轴径和轴承也会带来很大的冲击，最终造成整个部件的失效。除了传统的电弧堆焊表面强化方式以外，在激光再制造应用领域，目前对传输辊表面修复一般采用高硬度的铁基不锈钢材料，或者采用高硬度的镍基自熔合金粉末，在熔覆过程中一般需要预热处理，二者都具备一定的耐磨性能和抗腐蚀性能，但是一定时间之后辊面依然出现较为严重的磨损沟痕，合金涂层仅靠自身的硬度已无法满足使用要求，这主要是由于传输辊所处的恶劣的工况环境所决定的。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种激光熔覆合金涂层制备系统包括送粉器、氮气供应装置、送粉管路、熔覆用氮气保护供应装置以及复合熔覆加工头；

所述送粉器用于通过送粉管路向复合熔覆加工头送粉；所述送粉管路包括连接在送粉器与复合熔覆加工头之间的柔性送粉管道；

所述氮气供应装置，被设置用于向送粉器送入氮气保护气、以及通过熔覆用氮气保护供应装置向复合熔覆加工头的加工面送入氮气保护气，其中所述熔覆用氮气保护供应装置包括连接到氮气保护喷嘴的气体管道，气体管道中设置有氮气汽化器，气体管道的输出端连接到设置在复合熔覆加工头下方的氮气保护喷嘴；气体管道的输入端与氮气供应装置的气源连通，例如可通过流量计或者电磁阀控制输出；

所述复合熔覆加工头包括激光熔覆头以及设置在激光熔覆头下方的高频线圈，其中激光熔覆头设置有与送粉管路连通的送粉管以将粉末送至传输辊表面，通过激光束进行熔覆成型；

所述激光熔覆头与高频线圈之间设置有一环形水冷铜挡板，环形水冷铜挡板下方固定有环形的硅钢块，所述高频线圈绕制在硅钢块的外部，硅钢块形成有自上而下贯穿的中心孔，使高频线圈工作时形成的高频热源对沿着环形水冷铜挡板的中心和环形硅钢块中心孔通过的粉体材料进行快速加热。

进一步地，所述环形硅钢块为上宽、下窄的渐变锥形结构。

进一步地，所述硅钢块设置有用于温度检测的热电偶。

进一步地，所述送粉管路中还包括套设在柔性送粉管道上的第一环形加热器，用于预热输送的粉末。

进一步地，所述第一环形加热器包括套设在柔性送粉管道上的不锈钢管以及缠绕在不锈钢管外表面的电阻丝，在不锈钢管上还设置有温度检测装置，用于检测预热温度。

进一步地，所述熔覆用氮气保护供应装置包括第二环形加热器，用于预热输送的氮气保护气。

进一步地，所述送粉管路中还设置有一分二分粉器，将粉末分成两路，分别送入激光熔覆头的两路送粉管中。

进一步地，所述氮气供应装置包括送粉器用氮气存储器和熔池保护用氮气存储器，分别用于向送粉器供应氮气以及向熔覆用氮气保护供应装置供应氮气。

进一步地，所述复合熔覆加工头包括一支架，提供对整个复合熔覆加工头的支撑，其中激光熔覆头固定在其上部，硅钢块固定在环形水冷铜挡板的下方，并一体地固定到支架上。

进一步地，所述硅钢块的加热温度控制在250-400℃。

通过本实用新型的上述方案可见，本实用新型的显著的有益效果在于：

1)通过温度闭环控制系统使得硅钢块保持在工艺要求的设定温度，实现对粉体材料的加热，同时，高频线圈端部的弧形结构靠近传输辊表面，对熔覆区基材表面进行同步预热，如此实现高频装置同时对粉体材料和熔覆区基材加热，粉末和基材(传输辊)在结合之前二者均达到一定温度，从而实现降低熔覆应力的目的，减小了熔覆层裂纹倾向；

2)送粉管路靠近熔覆头端接入不锈钢管，管外部缠绕电热丝，并嵌入热电偶做控温设置，在一定距离内对粉体材料和保护气预热；

3)在熔覆过程中粉末熔化后在基材表面的铺展性更好，同时，减小了激光输入功率，降低了基材稀释率和WC颗粒的分解率，保证了熔覆层性能。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的实用新型主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的前述和其他方面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：

图1为本实用新型的传输辊合金耐磨激光熔覆涂层制备系统示意图。

图2为本实用新型传输辊合金耐磨激光熔覆涂层制备中激光与高频热源复合熔覆示意图。

图示中，各附图标记含义如下：

1—送粉器 10—熔覆头送粉管

2—送粉器用氮气存储器 11—水冷铜挡板

3—熔池保护用氮气存储器 12—氮气保护喷嘴

4-1—第一不锈钢管、4-2—第二不锈钢管13—硅钢块

5-1—第一电阻丝、5-2—第二电阻丝 14—高频线圈

6—氮气汽化器 15—支架

7—一分二分粉器 16—硅钢块底部距离工件表面高度，5mm

8—送粉管 17—工件旋转方向

9—激光熔覆头 18—合金粉末材料与激光束相互作用点

20—复合熔覆加工头

具体实施方式

为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本实用新型的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图示，根据本实用新型的较佳的实施例，提出一种钢厂传输辊表面激光熔覆用高耐磨低摩擦系数合金涂层制备体系，降低摩擦面摩擦系数，提高涂层耐磨性能、延长部件使用寿命，同时实现高温高湿工作环境下抵抗氧化性侵蚀的作用。

如图1、2示例的制备系统包括送粉器1、氮气供应装置、送粉管路、熔覆用氮气保护供应装置以及复合熔覆加工头。

送粉器1用于通过送粉管路向复合熔覆加工头送粉。

结合图1、2所示，复合熔覆加工头20，用于在传输辊表面进行激光熔覆，通过圆形激光光斑在传输辊表面熔覆粉体材料，以制备合金涂层。结合图2所示，标号1表示合金粉末材料与激光束相互作用点，传输辊在熔覆过程中保持旋转，如此在传输辊表面熔覆轨迹为螺旋线。

结合图1所示，送粉管路包括连接在送粉器1与复合熔覆加工头20下方的氮气保护喷嘴 12之间的柔性送粉管道。柔性送粉管道包括套设在柔性送粉管道上的第一环形加热器，用于预热输送的粉末。

优选地，第一环形加热器包括套设在柔性送粉管道上的第一不锈钢管4-1以及缠绕在第一不锈钢管4-1外表面的电阻丝5-1，其中在第一不锈钢管上还设置有温度检测装置，例如热电偶，用于检测预热温度。

如图1，氮气供应装置，被设置用于向送粉器1送入氮气保护气、以及通过熔覆用氮气保护供应装置向复合熔覆加工头20的加工面送入氮气保护气，实现氮气环境保护。其中熔覆用氮气保护供应装置包括连接到氮气保护喷嘴的气体管道。气体管道中设置有氮气汽化器6。气体管道的输入端与氮气供应装置的气源连通，例如可通过流量计或者电磁阀控制输出。气体管道的输出端与氮气保护喷嘴连通。

气体管道中还设置有第二环形加热器，用于预热输送的氮气保护气。

优选地，第二环形加热器与第一环形加热器的结构一致相同，包括套设在气体管道上的第二不锈钢管4-2以及缠绕在第二不锈钢管4-2外表面的电阻丝5-2，其中在第二不锈钢管上还设置有温度检测装置，例如热电偶，用于检测预热温度。

如此，在同轴送粉和对熔覆过程的作用位置通入的氮气保护气同步进行预热，实现温度控制，优化激光熔覆的效果，减小熔覆层裂纹倾向。

优选地，第一不锈钢管和第二不锈钢管的长度在0.5-1m，既满足加热需求，又不会过长造成安装障碍。

优选地，柔性送粉管道采用耐高温塑料管，例如耐温达到200摄氏度的柔性塑料管。

在可选的实施例中，检测第一环形加热器、第二环形加热器的温度以进行实时的温度反馈的过程中，形成闭环温度控制，其中第一、第二环形加热器的温度控制在100-150℃。

如图1、2，复合熔覆加工头20包括激光熔覆头9以及设置在激光熔覆头下方的高频线圈14，其中激光熔覆头设置有与送粉管路连通的送粉管10以将粉末送至传输辊表面，通过激光束进行熔覆成型。

如图1所示，送粉管路中还设置有一分二分粉器7，将粉末材料分成两路，分别送入激光熔覆头9的送粉管中。

如图1，复合熔覆加工头20设置有一支架15，提供对整个复合熔覆加工头的支撑，其中激光熔覆头9固定在其上部。激光熔覆头9与高频线圈14之间设置有一环形水冷铜挡板11，硅钢块固定在环形水冷铜挡板上，然后一体地固定到支架15上。环形水冷铜挡板11下方固定有硅钢块13，高频线圈14绕制在环形的硅钢块的外部，如此，使高频线圈工作时对硅钢块加热形成高频热源。尤其优选地，通过温度反馈和控制硅钢块的温度在250-400℃。

环形硅钢块优选地形成上宽下窄的锥形结构，并且在其中心形成自上而下贯穿的中心孔，如此，高频线圈工作时形成的高频热源可对沿着环形水冷铜挡板的中心和环形硅钢块中心孔通过的粉体材料进行快速加热。

在上述实施例中，由于粉体材料的配比优化，因而在实际操作过程中，如果单纯采用感应线圈进行加热，将不能实现有效和快速的加热。因此，在本实用新型的实施例中优选采用硅钢块进行快速的感应加热，并通过其热辐射对中心通过的粉体进行加热，如图2所示，进一步的实例中，还通过控制硅钢块底部与传输辊表面的距离，例如在5-10mm，进一步通过硅钢块对底部的传输辊表面进行热辐射，进行辅助加热处理，进一步实现温度控制，降低涂层裂纹倾向性及提高抵抗高温工作环境下的氧化性侵蚀。

同时，为防止高温的硅钢块对激光熔覆头的热辐射损伤，在高频线圈与激光熔覆头之间设置了环形水冷铜挡板11进行保护，并将其作为硅钢块的固定机构。

如图1、2所示，附图标记12所示的氮气保护喷嘴朝向加工面方向，其与熔覆用氮气保护供应装置的气体管道连通。

优选地，氮气供应装置包括送粉器用氮气存储器2和熔池保护用氮气存储器3，分别用于向送粉器1供应氮气和向熔覆用氮气保护供应装置供应氮气。

图2中，w表示工件的旋转方向，v表示熔覆运动方向。

结合图1、2所示，通过前述实施例的设备进行合金涂层的制备，操作步骤如下：

按摩尔质量百分比进行粉体材料配制，例如可选的实施例中，粉体材料成分配比为： C-0.2％，Cr-4.0％，B-1.6％，Si-3.2％，Mn-0.1％，Fe-1.4％，Zr-1.0％，WC-50％，MoS₂-3.5％， Ni-bal；其中粉体材料为球形，粒径53-150μm；

配制的粉体材料和待加工的传输辊表面预处理；例如混料和真空加热处理粉料；

通过送粉管路的一分二分粉器将预处理的粉体材料输送到复合熔覆加工头，其中通过第一环形加热器对通过的粉体材料进行预热；

在在传输辊表面，激光熔覆头与高频线圈组合使用，其中高频线圈与环形硅钢块一体形成的高频热源在熔覆过程中与激光熔覆头同向同步运动，并通过同轴送粉将向复合熔覆加工头输送预热后的粉体材料，通过激光熔覆头的双路送粉管送至传输辊表面，其中通过高频热源对经过硅钢块的粉体材料快速加热；

在激光熔覆过程中，在氮气保护气的环境下，通过激光熔覆头的圆形激光束光斑对传输辊表面的粉体材料进行熔覆成型，其中传输辊表面熔覆轨迹为螺旋线，形成厚度在1-2mm的合金涂层。如此，通过熔覆过程的温度控制，降低涂层裂纹倾向性，提高抗氧化性侵蚀性能。

结合上述实施例，其中传送至熔覆加工表面的氮气保护气经过预热处理，例如前述描述的，通过第二环形加热器的电阻丝进行加热，加热温度控制在100-150摄氏度。

其中，第一环形加热器、第二环形加热器以及高频热源的加热温度进行闭环控制，例如通过热电偶等温度检测模组进行温度监测，并控制第一、第二环形加热器加热温度在100-150℃，硅钢块的温度控制在250-400℃。

本实用新型的制备工艺中，采用优化的粉体材料，在配置的过程中，在镍基自熔粉末中添加50％耐磨陶瓷材料WC粉末，以及球形包覆型固体润滑相MoS₂粉末，通过混合形成镍基包覆型MoS₂粉末材料。

结合下面的具体实施，优选地，在激光熔覆过程中，采用的工艺参数如下：

激光功率1.5kW，光斑尺寸3mm，扫描速度720mm/min，送粉量1.8r/min，搭接率50％，保护气选择氮气，氮气经过汽化器，流量为40ml/min，硅钢块底部距离工件表面5mm-8mm。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种激光熔覆合金涂层制备系统，其特征在于，包括送粉器、氮气供应装置、送粉管路、熔覆用氮气保护供应装置以及复合熔覆加工头；

所述氮气供应装置，被设置用于向送粉器送入氮气保护气、以及通过熔覆用氮气保护供应装置向复合熔覆加工头的加工面送入氮气保护气，其中所述熔覆用氮气保护供应装置包括连接到氮气保护喷嘴的气体管道，气体管道中设置有氮气汽化器，气体管道的输出端连接到设置在复合熔覆加工头下方的氮气保护喷嘴，气体管道的输入端与氮气供应装置的气源连通；

所述激光熔覆头与高频线圈之间设置有一环形水冷铜挡板，环形水冷铜挡板下方固定有环形的硅钢块，所述高频线圈绕制在硅钢块的外部，硅钢块形成有自上而下贯穿的中心孔，使高频线圈工作时形成的高频热源对沿着环形水冷铜挡板的中心和环形硅钢块中心孔通过的粉末进行快速加热。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆合金涂层制备系统，其特征在于，所述硅钢块为上宽、下窄的锥形结构。

3.根据权利要求1所述的激光熔覆合金涂层制备系统，其特征在于，所述硅钢块设置有用于温度检测的热电偶。

4.根据权利要求1所述的激光熔覆合金涂层制备系统，其特征在于，所述送粉管路中还包括套设在柔性送粉管道上的第一环形加热器，用于预热输送的粉末。

5.根据权利要求4所述的激光熔覆合金涂层制备系统，其特征在于，所述第一环形加热器包括套设在柔性送粉管道上的不锈钢管以及缠绕在不锈钢管外表面的电阻丝，在不锈钢管上还设置有温度检测装置，用于检测预热温度。

6.根据权利要求1所述的激光熔覆合金涂层制备系统，其特征在于，所述熔覆用氮气保护供应装置包括第二环形加热器，用于预热输送的氮气保护气。

7.根据权利要求4所述的激光熔覆合金涂层制备系统，其特征在于，所述第一环形加热器包括套设在柔性送粉管道上的不锈钢管以及缠绕在不锈钢管外表面的电阻丝，在不锈钢管上还设置有温度检测装置，用于检测预热温度。

8.根据权利要求1所述的激光熔覆合金涂层制备系统，其特征在于，所述送粉管路中还设置有一分二分粉器，将粉末分成两路，分别送入激光熔覆头的两路送粉管中。

9.根据权利要求1所述的激光熔覆合金涂层制备系统，其特征在于，所述氮气供应装置包括送粉器用氮气存储器和熔池保护用氮气存储器，分别用于向送粉器供应氮气以及向熔覆用氮气保护供应装置供应氮气。

10.根据权利要求1-8中任意一项所述的激光熔覆合金涂层制备系统，其特征在于，所述复合熔覆加工头包括一支架，提供对整个复合熔覆加工头的支撑，其中激光熔覆头固定在其上部，硅钢块固定在环形水冷铜挡板的下方，并一体地固定到支架上。