激光熔覆制造高速线材轧辊专用设备及熔覆方法 一种采用激光熔覆制造高速线材轧辊专用设备及熔覆方法属于激光加工技术领域。
目前国内外的高速线轧辊的生产，无论是工业先进的瑞典、德国和美国等国公司还是国内的钢铁公司及株州硬质合金厂等主要轧辊生产厂，采用的都是在钢芯外紧密配合套装厚约30-50mm的硬质合金或金属陶瓷辊环的复合辊。其中硬质合金辊环和金属陶瓷辊环均采用粉末烧结技术制造，为轧辊承受载荷的工作部分。高速线轧辊属于热轧辊，热轧件温度高达1000-1100℃，轧制速度可达70m/s。轧制时采用中性或弱碱的室温冷水进行冷却。由于热、冷、力三者综合作用，使线轧辊需要承受交变的弯曲正应力、扭转切应力和交变的热应力，这种严重的高载荷、瞬时冷热疲劳和红钢对轧道的低磨料磨损，造成了轧道表面的网状龟裂。同时，沿轧制方向地纵向疲劳裂纹还会导致轧道圆周方向破裂。由于各种裂纹的产生，不同架次的轧辊不得不在工作24小时或48小时后卸下重磨轧道，去除已生成的裂纹以免造成更大损坏。一对正常工作的轧辊，修磨十余次以后会因尺寸超差而报废，从而造成贵重金属的很大浪费。
与目前使用的高速线轧辊生产方法相比，激光熔覆有着明显的优势。采用激光熔覆工艺制造的轧辊，可以采用重新熔覆的方法进行修复，不但工作层的厚度可以大大减少，而且从根本上解决了贵重金属的浪费问题；并因每次修复时所需的涂层厚度也很有限，从而使轧辊的制造成本大大降低。但设计制造适合激光熔覆制造轧辊的专门设备，必须努力解决如下问题：
1.同步送粉的质量和效率
采用同步送粉的激光熔覆工艺，对送粉的质量要求很高，即必须要有很好的聚束功能，使从送粉系统喷出的粉末束流具有好的挺度、指向性及重复性，以提高粉末的利用率，提高熔覆层的质量。
2.适合轧辊特点的专用转台
由于轧辊的特点，激光熔覆时只能使用回转台，而和激光熔覆工艺相结合其转速要求很慢，一般在1-5转/分钟，这种转台不是通用设备，只能另行量身定做。
3.适合轧辊激光熔覆的专用预热炉
轧辊的工作环境决定了其表面的工作层必须具备高的红硬性和高强韧性的性能。具有这种性能的粉末材料熔覆时必须要对基体进行较高温度的预热。
4.预热炉的温度控制
对于采用预热进行的激光熔覆，基体的温度控制非常重要，如果不能保证所需的温度，要进行成功的熔覆加工是不可能的。
5.适合轧辊激光熔覆的大功率、长时间工作特点
由于轧辊的激光熔覆面很大，所以激光大功率、长时间工作造成的能量辐射和热辐射会对激光加工的相关设备带来很大影响、甚至损坏，必须做有效的消除。
6.激光熔覆时散落于预热炉中的废粉清除
由于轧辊激光熔覆使用的是同步送进的金属粉末作为填充材料，不可避免会造成没有熔化的粉末散落进预热炉中的问题，散落的废粉积存到一定程度必须进行清除，否则会极大地影响预热炉的加热效果。
本发明的目的在于针对前述问题，提供一种激光熔覆制造高速线材轧辊专用设备及熔覆方法，以生产新型的高速线材轧辊，以代替目前使用的粉末烧结硬质合金轧辊。
本发明所提供的激光熔覆制造高速线材轧辊专用设备(参见图1-7)，含有轧辊熔覆的转台、激光工作装置和分体式送粉装置，其特征在于包括有带有三爪卡盘2的轧辊轮坯转台1、固定在三爪卡盘2上的芯轴3、专用于预加热固定在芯轴3上的轧辊轮坯14的预热炉15、置于预热炉顶部的专用防激光辐射保护窗口6、通过预热炉上部的热电偶测温孔11置入炉内的热电偶12、通过热电偶补偿导线8连接于热电偶12的电子控温装置9、使激光束7和金属粉末分别从防激光辐射保护窗口6进入预热炉中的激光工作装置和分体式送粉装置。
根据前述的激光熔覆制造高速线材轧辊专用设备，其特征在于所述的分体式送粉装置包括有送粉管42，及环绕在送粉管42周围的多孔气道44，送粉头中心管41采用螺纹连接送粉工作头冷却水套上的送粉头中心管接口47，而进水管43、出水管36采用钎焊分别连接送粉工作头冷却水套上的进水管接口48及出水管接口46，水流回路为：经水池33通过输水管34来的冷却水、从送粉工作头28中的进水管43进入冷却水套45中，并从送粉工作头28中的出水管36流出、经输水管34到水池33。
根据前述的激光熔覆制造高速线材轧辊专用设备，其特征在于所述的预热炉15包括有预热炉炉体13和预热炉炉门5，通过4组分布其上的定片21及以轴23为中心的活动螺栓22和镙母17连接固定预热炉炉体13和预热炉炉门5，芯轴3自由穿入预热炉炉门5中心部位孔4中，预热炉炉体13加热体为安放于耐火材料31中电阻丝30，耐火材料外面为内置石棉的保温层29，最外面为外壳32。
根据前述的激光熔覆制造高速线材轧辊专用设备，其特征在于在所述的预热炉15的底部设计有一个废粉排出口20和一个废粉排除推杆19，废粉排除推杆19通过一个推杆移动孔18移动。
根据前述的激光熔覆制造高速线材轧辊专用设备，其特征在于在防激光辐射保护窗口6的四壁中间有按常规工艺方法设置了三层闭合冷却水回路，包括有与防激光辐射保护窗口6采用钎焊连接的进水管道49和出水管道50，与进、出水管道和水池33相连的输水管34。
本发明中激光熔覆制造高速线材轧辊的熔覆方法，包括常规使用的激光熔覆工艺，其特征在于在钢基轮坯的弧形曲面上填充金属粉末，采用激光熔覆办法制造轧辊工作层，轮坯表面每个轧道熔覆2-5层，每层11-15道搭接，层与层间的搭接面积为40-60％，熔覆速度通过轧辊轮坯转台设置为360-720°/min。
以上所述的常规使用的方法是指使用予涂金属粉末方法或送粉方法的激光熔覆在小型工件如阀门、叶片的局部制造的耐磨耐蚀层。
由于线材轧辊是一种特殊的轮形工件，熔覆要求专用的设备和熔覆方法，由于本发明的专用设备性能可靠、运行稳定，达到了该项要求。并且使用本发明的熔覆方法制造的线材轧辊可以采用重新熔覆的方法进行修复，不但工作层的厚度可以大大减少，而且从根本上解决了贵重金属的浪费问题；因每次修复时所需的涂层厚度也很有限，从而使轧辊的制造成本大大降低。
附图说明：
图1：本发明激光熔覆轧辊的辅助设备示意图，1.转台，2.三爪卡盘，3.芯轴，4.炉门中心部位孔，5.预热炉炉门，6.防激光辐射保护窗口，7.激光束，8.热电偶补偿导线，9.电子控温装量，10.预热炉口，11.热电偶测温孔，12.热电偶，13.预热炉炉体，14.轧辊轮坯，15.预热炉，16.垫片，17.镙母，18.推杆移动孔，19.废粉排除推杆，20.废粉排出口；
图2：本发明所述预热炉的炉门炉体连接固定装置示意图，21.焊连预热炉炉体和炉门的定片，22.螺栓，23.轴；
图3：本发明预热炉内部结构及送粉系统安置示意图，24.激光工作头，25.送粉导管，26.送粉器，27.三维调节装置，28.送粉工作头，29.石棉保温层，30.电阻丝，31.耐火材料，32.外壳；
图4：本发明送粉系统工作头示意图，33.水池，34.输水管，35.环行气路，36.出水管，37.出气口，38.进粉口，39.贮粉腔，40.进气孔，41.送粉头中心管，42.送粉管，43.进水管，44.多孔气道，45.冷却水套；
图5：本发明送粉工作头的冷却水套结构细节示意图；
图6：本发明送粉工作头的冷却水套双层冷却水回路示意图，46.出水管接口，47.送粉头中心管接口，48.进水管接口，a.表示水流向；
图7：本发明防激光辐射保护窗口三层冷却水回路示意图，49.进水管道，50.出水管道，a.表示水流向。
实施例：
结合图1-7给出本发明的具体实施例。
图1是采用激光熔覆制造高速线材轧辊的专用设备示意图，主要包括：带有三爪卡盘2的轧辊轮坯转台1、轮坯预热炉15、电子控温装量9。轧辊轮坯14通过芯轴3利用垫片16和镙母17被固定在转动系统1的三爪卡盘2上，置于预热炉15内。所述的轧辊轮坯转动台1为使用现有技术制造的平立两用的专用数控转台，并且稳定转速可设置在480°/min，以满足激光熔覆的工作需要。
以上所述的轧辊的轮坯预热炉15，采用如图1、图3所示的电阻丝进行加热的专用数控加热炉。该炉由预热炉炉体13和预热炉炉门5组成，预热炉炉体13和预热炉炉门5通过图2所示的4组焊于其上的定片21及以轴23为中心的活动螺栓22和镙母17连接固定，圆形的预热炉炉门5中心部位有孔4可以使芯轴自由穿入，可把轧辊轮胚安装成如图1所示。其炉体如图1、图3所示结构，加热体为电阻丝30，功率为5KW，其安放于特制的耐火材料31中，耐火材料外面为内置石棉的保温层29，最外面为不锈钢外壳32。这样的结构使专门预热炉15的炉内温度可高达800℃，完全可以满足激光熔覆的工作要求。
以上所述轧辊熔覆时使用的预热炉15，顶部带有一个预热炉口10，激光束7通过激光工作头24，金属粉末通过送粉工作头28，如图3所示从预热炉口进入预热炉15，作用于安装在炉内的轧辊坯材14上。
以上所述轧辊熔覆时使用的预热炉15，在炉的底部设计有一个废粉排出口20和一个废粉排除推杆19，废粉排除推杆19通过一个推杆移动孔18移动。
以上所述轧辊熔覆时使用的预热炉15，顶部的预热炉口装有如图7所示专用防激光辐射保护窗口6(纯铜材料制成)。其金属壁内设计有如图7所示三层闭合冷却水回路。其结构特点为进水管道49和出水管道50分别与防激光辐射保护窗口6采用钎焊连接。其工作原理为，冷却水(自来水)从水源33通过水管34沿图7箭头所示路线分三层进入保护窗口6，并从出水管50流出经水管34到水池33。通过冷却水把激光的反射热和辐射热导走，从而保证了预热炉的安全使用。
本发明采用现有技术中的热电偶测温及电子控温装置进行控温，一个小型铠装热电偶12通过预热炉上部的热电偶测温孔11置入炉内，铠装热电偶的另一端通过补偿导线8连接于一个电子控温装置9，其控温精度为±2℃。
本发明中的分体式送粉工作头28的冷却水套45内层设计有如图4、图6所示的两层闭合的冷却水回路，使其可在700℃以下的环境温度稳定工作。其结构特点为送粉头中心管41与送粉工作头冷却水套上的送粉头中心管接口47采用螺纹连接。而进水管43、出水管36则分别与送粉工作头冷却水套上的进水管接口48、出水管接口46采用钎焊连接。其工作原理为，冷却水(自来水)从进水管43进入送粉工作头的冷却水套(纯铜材料制成)。沿图6箭头所示路线从出水管36流出经水管34到水池33，通过冷却水即可把热量导走，从而保证了工作头的安全使用。
本发明的分体式送粉工作头28的冷却水套45内层设计有如图4、图6所示的两层闭合的冷却水回路，使其可在700℃以下的环境温度稳定工作。其结构特点为送粉头中心管41与送粉工作头冷却水套上的送粉头中心管接口47采用螺纹连接。而进水管43、出水管36则分别与送粉工作头冷却水套上的进水管接口48、出水管接口46采用钎焊连接。其工作原理为，冷却水(自来水)从进水管43进入送粉系统工作头的冷却水套(纯铜材料制成)。沿图6箭头所示路线从出水管36流出经水管34到水池33，通过冷却水即可把热量导走，从而保证了工作头的安全使用。
本发明的送粉工作头28可以采取现有的分体式送粉技术，但是本发明由于采用了如图3、图4所示结构，使得粉末未流在保护气流的作用下具有自压缩聚束的特殊作用。其工作原理为，金属粉末在送粉气的吹力下经送粉器26通过进粉口38进入贮粉腔39，大部分气体经出气口37逸出，金属粉在残余气体及自重的推动下经送粉管42被送出工作头，形成发散的粉末束流。而保护气则经由进气口40，并通过环形气路35到达工作头的冷却水套45，穿过环绕送粉管的多孔气道44喷出工作头。当如图5所示的围绕粉末束流的多孔气道的保护气流以一定的流速喷出时，所形成的环形气幕对围绕其中的粉末束流具有向心的压缩作用，从而大大减少粉末束流的发散度，使粉末束流具有很好的挺直度。
本发明采用采用现有技术的三维调节装置27使送粉系统的工作头28可以相对于激光头24作X、Y、Z三维调节及两者轴线之间夹角的调节。
工作流程如下：
激光熔覆前，首先把轧辊轮坯14通过心轴3利用垫片16和镙母17固定在转动系统1的三爪卡盘2上，置于预热腔15内。所使用的轧辊轮坯材质为40CrNiMo合金结构钢，外径200mm、内径120mm，厚72mm。双轧道结构，轧道半径18.5mm，深5mm。轧辊轮坯转动系统如图1所示为水平位置使用。送粉系统的工作头采取如图3所示分体式送粉，调整送粉系统工作头28与激光头24的中心线夹角为35°。在送粉系统工作头28的冷却水套45内层设计的两层闭合冷却水回路中通以2bar左右压力的冷却水，使其可在500-700℃的环境温度下稳定工作。
轧辊熔覆前，启动轧辊的轮坯预热炉，使用带有炉壁的电阻丝进行加热，并把一个小型铠装热电偶12置入炉内，通过电子控温装置9可自动控制炉内温度保持在500-700℃。同时在顶部预热炉口安装的专用防激光辐射保护窗口6的金属壁内三层闭合冷却水回路中通以2bar左右压力的冷却水。启动送粉器26，调整从送粉工作头28流出的粉末量为15g/min左右。同时调整进入保护气入口40的气量为6-15L/min左右。边调整，边观察送粉工作头喷出的粉末束流达到好的挺度。
轧辊熔覆时，激光束7和金属粉末分别通过其各自的系统从防激光辐射保护窗口6进入预热炉15，作用于安装在炉内的轧辊坯材14上。
采用本发明的激光熔覆方法，使用本发明的专用设备在钢基轮坯上采用填充金属粉末的激光熔覆技术制造高速线材轧辊。使用的是现有的大功率CO2激光和Nd：YAG激光加工系统，采用多层的多道搭接在轧辊的弧形曲面上制造轧辊所需要的大面积粉末熔覆功能层，
轧辊熔覆实施例中采用快速轴流CO2激光器，使用直径200mm的聚焦镜、离焦量为+90-110mm、功率5000-6000W、熔覆速度通过轧辊轮坯转动系统设置为480°/min。每个轧道熔覆3层，每层11-15道搭接，层与层间的搭接面积为50％。在轧辊熔覆过程中使用预热炉底部的废粉排除推杆14把熔覆时堆积在炉底的废粉通过废粉排出口20排出炉外。
激光熔覆完成后，轧辊保持在预热炉内缓冷。
通过以上过程，制造出采用激光熔覆工艺的无裂纹的高速线材轧辊，该轧辊经按设计尺寸修磨、检验合格，即可上机使用。
激光熔覆过程和结果表明本发明达到了其发明目的。