CN109468634A - 一种激光熔覆技术恢复轧机阶梯垫精度的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光修复领域，具体涉及一种激光熔覆技术恢复轧机阶梯垫精度的工艺方法。改方法具体通过表面除锈、修前检测、加工去除表面疲劳层、加工后检测、熔覆工艺确定（包括工艺参数和合金粉末组成）、熔覆后检测、粗、精机械加工和修复后检测来实现，该方法操作简便、大大减轻了劳动强度；具有恢复原设计尺寸精度和增加表面防腐耐磨的特点，提高整体使用效率；且对表面影响很小，不会带来较大的变形，磨床加工后表面平整、均匀、光泽度高；通过修复后对产品进行跟踪检测，激光熔覆后能够恢复阶梯垫的尺寸精度，运行成本低，加工后表面无损探伤无裂纹，可以满足正常使用，并提高产品的使用寿命3倍以上。

Description

一种激光熔覆技术恢复轧机阶梯垫精度的工艺方法

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆技术恢复轧机阶梯垫精度的工艺方法，属于激光修复领域。

背景技术

阶梯垫是钢厂热连轧安装在机架中的一种装置，用来调整下支承辊高度的垫块。有整体式（一块阶梯垫由多个台阶组成）或分体式（每块为一个厚度尺寸，多块垫块构成阶梯）两种，各台阶面存在一定的高度尺寸差，制造材质有高合金结构钢和马氏体不锈钢两种，主要材质是34CrNi3Mo，表面硬化形式有渗碳、渗氮及表面淬火等，在工作时轧制板坯温度范围600~1200℃之间有高速飞溅的氧化铁皮和大量水冲刷蒸气腐蚀及冲刷，本身受到轧辊垂直方向的“往返”轧制力的作用，所以主要损伤形式为：表面磨损、压溃及腐蚀等。

随着我国钢铁行业的不断发展，目前大部分阶梯垫都在超负荷情况下运行，故障率也不断增加，阶梯垫每年检修过程中平均磨损量在2-3mm就必须下线进行更换，一条连铸连轧板材线有168块阶梯垫，大约80%以上都需要更换，且更换一个新阶梯垫成本在17万左右，一条板材线的阶梯垫全部更换需要2千8百多万元，全国钢厂有100余家，每年更换约万个以上，因此每年这花费笔巨大。为了降低的成本，变废为宝，有必要对阶梯垫进行恢复尺寸精度。

因此，选择合理的阶梯垫恢复尺寸精度的工艺方法，保证修复后的阶梯垫的具备抗腐蚀性、提高表面硬度及耐磨性，是当前亟待解决的课题。

激光熔覆修复技术作为一种先进的再制造技术，近年来得到了迅速推广和广泛应用。

激光表面熔覆为非接触式加工（利用强激光束加热工件而无需接触工件）且输入热量可控（通过控制激光器的输出功率，光斑直径的大小和扫描速度来控制输入基体中的热量）。激光表面熔覆具有能量密度高，熔覆质量致密，结合强度高，熔覆层组织的稀释率低、热影响区小等特点，采用的规范激光修复方法可以解决其它焊接方法造成焊接残余应力和开裂倾向。因此很适合于质量要求较高的零件局部处理，尤其适合修复几何形状复杂且修复后变形要求小的零件。

激光成型就是利用激光熔覆，在基材表面制备一种新的材料，并与基体形成冶金结合的再制造技术。

由于目前国内阶梯垫本身在制造时通常选用的是高温合金，国内目前没有成熟的方法对其尺寸进行恢复，因此，本申请人经过理论分析和大量的试验，发明了一种用于阶梯垫的激光恢复精度的工艺方法，再结合激光熔覆这种先进的再制造技术，制备一种特殊材料应用在阶梯垫上，可以有效解决上述问题。

经本申请人检索查证：采用激光熔覆技术激光恢复阶梯垫尺寸精度，国内尚无先例，国外也没有见到相关报道。因此，寻找出适当的采用激光熔覆技术激光修复的阶梯垫工艺参数，仍需所属领域的技术人员进一步作出创造性的研究工作。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，通过反复研究改进，给出了一种激光熔覆技术恢复轧机阶梯垫精度的工艺方法，本发明是采用5千瓦气体激光器对阶梯垫进行激光处理，并配备可升降的工作平台，用来升降激光器，用来调整各种类型不同高度的阶梯垫，用铣床、磨床等做前期和后期加工处理，该修复方法实现了阶梯垫的修复，而且修复工艺操作简单、适应性强、热变形小、规范性强，处理后的阶梯垫保证防腐、耐磨等精度，满足实际使用要求，提高使用寿命，对更换阶梯垫的成本具有巨大价值。

本发明给出的技术方案是：一种激光熔覆技术恢复轧机阶梯垫精度的工艺方法，包括以下工艺步骤。

（1）表面除锈。

阶梯垫经过长期使用表面锈蚀往往十分严重，为了便于进行检测、确定损伤情况，需对其表面进行除锈处理，除锈的方法有打磨抛光、喷砂、高压水枪清洗等。

（2）修前检测。

对阶梯垫进行修前的硬度、尺寸检测，尺寸检测可以确定阶梯垫损伤量，配合分层硬度检测，可以确定去疲劳层的厚度及熔覆层的厚度，对阶梯垫进行无损探伤检测，以确保阶梯垫不存在影响修复的裂纹缺陷；如果检测出表面有大面积裂纹，甚至贯穿新裂纹，该阶梯垫无法修复。

（3）加工去除表面疲劳层。

通过铣削，加工去除表面疲劳层，疲劳层主要为原始表面硬化层（淬火层、渗碳、渗氮层）及表面腐蚀层（带有腐蚀凹坑）。

（4）加工后检测。

对去疲劳层后的阶梯垫进行尺寸、硬度检测，以确定按照预先设计加工量去除疲劳层，或实际加工后阶梯垫尺寸，以最终确定激光熔覆层数及厚度，对表面进行无损探伤检测，确定修复表面无影响激光熔覆的缺陷。

（5）熔覆工艺确定。

根据原始阶梯垫设计表面硬度及硬化层厚度或根据技术协议要求硬度及功能层厚度确定金属粉末及熔覆层数和厚度。

熔覆过程中为避免熔覆层开裂要进行预热缓冷处理，采用复合功能层工艺熔覆，应严格控制底层FM1的尺寸厚度，避免底层熔覆厚度过大，影响加工后表层硬度指标，按图纸尺寸预留1mm左右做面层FM2激光熔覆；用5千瓦气体激光器对阶梯垫进行激光熔覆，首先并配备可升降的工作平台，用来升降激光器，使加工面高度一致，激光熔覆过程采用气动送粉，分量控制要均匀。熔覆工艺参数是：功率：2000-10000W，光斑直径：Φ2-25mm，扫描速度：200-1000mm/s，采用气动送粉，熔覆过程中对熔池用氩气进行保护。

激光熔覆底层合金粉末FM1的组成按质量百分含量为：C:0.02-1 %、Cr：10-25%、Si：0.2-3.5%、Ni：15-40%、Mo:0.5-2.5%、Mn:0.2-1.5%、Nb:0.05-1%、B：0.02-0.5%、Fe 余量。

激光熔覆面层合金粉末FM2的组成为：Cr：8-30%、Ni：10-25%、C：0.2-4%、Fe:5-20%、Mn：0.5-2.5%、W：3-5%、Si：0.2-3.5%、V：0.2-1%、Cu：0.1-0.5%，Mo:0.3-3%，Ti：0.1-0.5%，Al：0.02—0.5%，稀土元素≤0.1% Co:余量。

其中，稀土元素为La、Y、Nd，Ce中的一种或几种。

（6）熔覆后检测。

熔覆后进行尺寸检测，确定熔覆余量满足加工要求，进行无损探伤检测，确保熔覆层无裂纹等缺陷。

（7）粗、精机械加工。

对熔覆后的阶梯垫进行粗铣加工及磨削加工，以达到图纸要求尺寸精度及表面粗糙度，整体式阶梯垫由于尺寸面积较大，需要去龙门式导轨磨床进行磨削加工，加工成本较高，为保证修复后阶梯垫上下表面的平行度，上下表面均需通过磨削加工，磨削后恢复原设计尺寸精度及表面光洁度。

（8）修复后检测。

为确保成品质量，需对加工后的阶梯垫进行尺寸、硬度检测以及无损探伤检测。

其中，FM1合金材料中：C元素的加入，与Cr、Mo、W元素形成多种碳化物，兼具晶界强化和组织稳定性的双重效果，且C元素的加入能够溶解Mo，增强合金的性能，C元素含量在1%以下时，虽然形成的碳化物较少，含量超过该值时虽然碳化物多利于合金强化，但是较多的C元素的加入对于合金的韧性是不利的，而众所周知Fe基合金粉末的韧性不够，因此本发明的C元素的加入量与Fe基合金粉末是相辅相成的；Cr元素的添加增强了合金的耐蚀性、抗磨损能力、增加金属表面强度和抗氧化性，但是经大量试验发现，Cr元素的含量不能太高，超过25%容易回火脆化，如果低于10%以下起不到耐高温，耐氧化抗腐蚀作用； Si元素的加入不但能降低合金熔点，扩大固液相线温度区，形成低熔共晶体，脱氧还原作用和造渣功能，对涂层的硬化、强化作用，改善操作工艺性能，Si元素的加入还能降低粉末熔点至1300℃以下，从而保护粉末喷嘴，进而对实际生产的操作和成本控制起到良好的作用；Ni元素的加入能够起到耐磨作用和耐腐蚀性；Mo元素的加入提高基体的电极电位，提高耐蚀增加金属韧性；Mn元素的加入不但起到增加刚度和硬度的作用，同时能使涂层去硫和脱氧，改善金属性能，但Mn含量超过2.5%则容易脆化，产生开裂；B元素的加入能够细化基体，细化碳化物，与许多金属元素形成高硬度氧化物，同时还能够耐热；铌(Nb)元素能细化晶粒和降低回火脆性，提高强度；Fe基合金不但能够降低成本，还能够提高对高温渗碳环境的抵抗性、控制热膨胀，但Fe基合金的韧性差，因此其与其它元素相配合，形成结合良好的冶金面，涂层致密、变形无气孔裂纹、耐蚀性耐磨性好的涂层。

其中，FM2合金材料中：Co基合金本身具有较好的耐高温耐腐蚀性能， Cr元素的加入增加金属表面强度和抗氧化性；添加Si增加合金粉末的润湿性以形成自熔性合金，还能降低粉末熔点，保护粉末喷嘴，但实验中发现Si含量过多合金粉末会有细微开裂； Ni元素的加入，既能够降低成本，还能够提高合金粉末的熔覆性能，并提高涂层的韧性；Co 与 Cr生成稳定的固溶体，此时0.2-4%的少量C元素的加入，使合金基体上弥散分布着亚稳态的碳化铬、碳化钨等碳化物，使涂层具有更高的硬度、耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性，同时此含量范围与钴基合金配合相适宜，可均匀的送粉，有利于粉末的均匀加热；Fe元素的加入降低成本，其含量控制在20%以下，若含量高涂层的硬度反而下降；W元素的加入能够使合金涂层耐高温并保持机械性能；V元素的加入有利于提高基体的显微硬度和耐磨性；Cu元素微量的加入能够降低裂纹产生；Ti元素的加入可以使组织致密，细化晶粒力，防止晶间腐蚀；Al元素的少量加入能够强化涂层的性能，但是添加含量偏多时，对涂层性能提高虽有帮助，但是涂层的伸长率出现下降，出现细微裂纹；稀土元素的加入可以细化晶粒，改善合金组织，预防抗裂性，熔覆时与母材结合更好，提高表面平整度，减少加工量。

本发明的有益效果在于。

（1）为恢复阶梯垫尺寸精度提供了完整的工艺方法。

（2）该技术针对气体激光器程序控制，操作简便的特点，利用铣床、磨床等设备进行操作，大大减轻了劳动强度、提高尺寸精度要求。

（3）根据损伤量激光熔覆选用底层FM1和面层FM2两种材料，具有恢复原设计尺寸精度和增加表面防腐、耐磨的特点，改善了阶梯垫磨损量大、表面腐蚀等特征，提高整体使用效率。

（4）激光熔覆时热输入量小，对表面影响很小，不会带来较大的变形，磨床加工后表面平整、均匀、光泽度高。

（5）激光熔覆底层材料FM1和面层材料FM2，形成了梯度复合材料，底层粉末FM1材料性能和修复产品材料接近程度在80%以上，所以结合力和母材结合强度非常好；面层粉末FM2主要增加表面抗磨损、耐腐蚀性，耐高温抗氧化，通过修复后对产品进行跟踪检测，激光熔覆后能够恢复阶梯垫的尺寸精度，运行成本低，加工后表面无损探伤无裂纹，可以满足正常使用，并提高产品的使用寿命3倍以上。

具体实施方式

实施例1 X钢厂的阶梯垫激光处理恢复精度。

阶梯垫的基体材料为34CrNi3Mo。

（1）对阶梯垫表面进行喷砂、除锈，露出金属表面。

（2）先期进行机械加工，去除腐蚀、磨损表面及疲劳层（加工至腐蚀最低点后，再加工0.3-0.5mm）。

（3）硬度检测判断疲劳层厚度

硬度HB≤290即可去除疲劳层，尺寸测量磨损量为5mm左右，无损探伤检测，肉眼观察表面无裂纹，有少量气孔（每平方分米上允许有＜Φ2的气孔5个以下）即可判定可以激光修复。

（4）加工后检测：前期机械加工去除疲劳层后，发现有气孔，对气孔进行激光补焊，补焊工艺为。

①、材料：金属粉FM1。

②、将气孔用电动工具进行手工清理，无损探伤检测肉眼检查无气孔。

③、预制粉末：将金属粉提前预制到清理的气孔中。

④、激光熔覆：工艺参数：功率：4000W，光斑直径：Φ5mm，手动关光、停光控制进行熔覆。

⑤、要求补焊满后高于原基面0.5-1mm。

⑥、对补焊部位进行手工研磨，要求研磨后：平面度≤0.2mm。

⑦、研磨后无损探伤检测无裂纹，气孔等缺陷，满足激光熔覆条件。

（5）采用气体激光器对阶梯垫加工表面进行激光熔覆，激光熔覆工艺：①材料：底层金属粉FM1，面层金属粉FM2；②注意观察光的质量及功率变化；③送粉要均匀；④熔覆时注意清理氧化皮；⑤熔覆两端时要做成直角，保证加工尺寸；⑥激光熔覆工艺参数：功率：3200W，光斑直径：5mm，扫描速度：550mm/s，采用气动送粉，单层熔覆厚度1-1.2mm，在熔覆过程中用底层粉末FM1进行恢复尺寸预留1mm做面层，用面层粉末FM2做防腐耐磨层，熔覆厚度高于加工成品图纸1-1.5mm。

（6）熔覆后实际尺寸检测大于图纸标准尺寸1.3mm，进行无损探伤检查无裂纹。

（7）按图纸对激光熔覆表面进行粗加工，预留精加工余量单面0.2-0.25mm，采用磨床进行后期精加工处理达到原设计尺寸公差精度（平面度≤0.15，垂直度≤0.15，平行度≤0.15）及表面光洁度Ra0.8要求。

（8）修后检测：尺寸偏差在±0.06mm，形位公差≤0.12、表面粗糙度为Ra0.8，光泽度达到N6级，无损探伤肉眼检查无裂纹、气孔等明显缺陷，修复后在加工表面检测9个点的硬度在HRC32—47之间，平均硬度为38.7；上机使用三年后，年磨损量＜0.10mm，整体提高了耐磨性。

其中，FM1选用材料配比如下：C:0.65%、Cr：12%、Si:2% 、Ni：20%、Mo:1.2%、Nb：0.4%、Mn:0.5%、B：0.25%、Fe：余量。

FM2选用材料配比如下：Cr：23%、Ni：17%、C：1% 、Fe:16%、 Mn：1.2%、 W：3.5%、Si：1.5%、V：0.45%、Cu：0.35%、Mo:2.2% 、Ti：0.25%、Nd：0.03%、Al：0.1%、Co:余量。

实施例2 X钢厂的阶梯垫激光处理恢复精度。

阶梯垫的基体材料为34CrNi3Mo。

（1）对阶梯垫清理、除锈。

（2）修前尺寸、硬度检测，确定磨损量，无损探伤检测确定后，可以进行激光修复（检测尺寸后确定磨损量为2.5mm左右）。

（3）进行机械加工，去除表面的腐蚀和磨损等疲劳层。

（4）前期机械加工去除疲劳层，加工后对加工部位表面无损探伤探伤，无裂纹，气孔等缺陷。

（5）采用气体激光器对阶梯垫加工表面进行激光熔覆，激光熔覆工艺：①、材料：底层金属粉FM1，面层金属粉FM2；②、注意观察光的质量及功率变化；③、送粉要均匀；④、熔覆时注意清理氧化皮；⑤、熔覆两端时要做成直角，保证加工尺寸；⑥、激光熔覆工艺参数：功率：3600W，光斑直径：Φ4.5mm，扫描速度：450mm/s，采用气动送粉，单层熔覆厚度0.8—1mm），在熔覆过程中用底层粉末FM1进行恢复尺寸预留1mm做面层，用面层粉末FM2做防腐耐磨层，其余工艺参数选择最佳激光熔覆的参数，并保证熔覆层厚度高于加工成品图纸1-1.5mm。

（6）熔覆后实际尺寸检测，大于图纸尺寸1.2mm，进行无损探伤表面无裂纹等缺陷。

（7）按图纸对激光熔覆表面进行粗加工，预留精加工余量单面0.15-0.20mm，采用磨床进行后期精加工处理，使阶梯垫达到原设计尺寸公差精度（平面度≤0.15，垂直度≤0.15，平行度≤0.15）及表面光洁度（Ra0.8）要求。

（8）修后检测：尺寸偏差在±0.07mm，形位公差≤0.10、表面粗糙度为Ra0.8达到N6级，无损探伤肉眼检查无裂纹、气孔等缺陷，修复后在加工表面检测10个点，硬度在HRC30—45之间，平均硬度为37.2；上机使用两年后，年磨损量＜0.1mm。大提高了耐磨性。

其中，FM1选用材料配比如下：C:0.4%、Cr：16%、Si:2.5% 、Ni：25%、 Mo:0.7%、Nb：0.45%、Mn:0.8%、B：0.3%、Fe：余量。

FM2选用材料配比如下：Cr：20%、Ni：15%、C：1% 、Fe:15%、 Mn：1.2%、 W：3.5%、Si：1.5%、V：0.45%、Cu：0.25%、Mo:2.2% 、Ti：0.2%、Al：0.05%、Y：0.05%、Co:余量。

通过两个实例及每年不定期的现场跟踪检测，尺寸年磨损量＜0.1mm，说明采用激光熔覆技术真正有效的解决了阶梯垫的腐蚀、压溃和磨损修复问题，可以恢复阶梯垫的整体尺寸精度要求，能够满足阶梯垫在轧钢中的正常使用，达到变废为宝的功效，节约了大量成本，提高使用寿命提高3倍以上。

Claims (2)

1.一种激光熔覆技术恢复轧机阶梯垫精度的工艺方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：

（1）表面除锈

通过打磨抛光、喷砂、高压水枪清洗等方式对阶梯垫进行表面除锈；

（2）修前检测

对阶梯垫进行修前的硬度、尺寸检测、无损探伤检测，确定阶梯垫损伤量、去疲劳层的厚度及熔覆层的厚度，确保阶梯垫不存在影响修复的裂纹缺陷；

（3）加工去除表面疲劳层

通过铣削，加工去除表面疲劳层；

（4）加工后检测

对去疲劳层后的阶梯垫进行尺寸、硬度检测、无损探伤检测；

（5）熔覆工艺确定

根据原始阶梯垫设计表面硬度及硬化层厚度，或根据技术协议要求硬度及功能层厚度确定金属粉末及熔覆层数和厚度；

熔覆过程中为避免熔覆层开裂要进行预热缓冷处理，采用复合功能层工艺熔覆；FM1为底层熔覆用合金粉末，FM2为面层熔覆用合金粉末，熔覆工艺参数：功率：2000-10000W，光斑直径：Φ2-25mm，扫描速度：200-1000mm/s，采用气动送粉，熔覆过程中对熔池用氩气进行保护；

（6）熔覆后检测

熔覆后进行尺寸检测和无损探伤检测；

（7）粗、精机械加工

对熔覆后的阶梯垫进行粗铣加工及磨削加工，以达到图纸要求尺寸精度及表面粗糙度；

（8）修复后检测

对加工后的阶梯垫进行尺寸、硬度检测以及无损探伤检测。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆技术恢复轧机阶梯垫精度的工艺方法，其特征在于，其中，激光熔覆底层合金粉末FM1的组成为：C:0.02-1 %、Cr：10-25%、Si：0.2-3.5%、Ni：15-40%、Mo:0.5-2.5%、Mn:0.2-1.5%、Nb:0.05-1%、B：0.02-0.5%、Fe 余量；

激光熔覆面层合金粉末FM2的组成为：Cr：8-30%、Ni：10-25%、C：0.2-4%、Fe:5-20%、Mn：0.5-2.5%、W：3-5%、Si：0.2-3.5%、V：0.2-1%、Cu：0.1-0.5%、Mo:0.3-3%、Ti：0.1-0.5%、Al：0.02—0.5%、稀土元素≤0.1%、Co:余量；

其中，稀土元素为La、Y、Nd，Ce中的一种或几种。