粗轧机架辊定位槽激光熔覆加在线机加工的修复方法

摘要

一种粗轧机机架辊定位槽的激光熔覆加在线机加工修复方法，属于表面改性技术与装备维修技术领域。加工设备包括：2500移动机镗铣机、全固态激光器、机械手及操作器、气动送粉器和自制的施工平台等。工艺流程是：平台搭建---设备导入---设备调整找正固定---粗加工---精密检测探伤---激光熔覆---精密检测探伤---精加工---精密检测探伤---跟踪验证效果。优点在于：不影响设备强度、也不产生补焊时热应力影响，且在恢复设备精度的同时，还能缩短停机时间、降低修复费用。通过选择修复材料可有效保护金属基材不受磨损和腐蚀，避免该问题的再次出现，大大延长设备使用寿命。基体材料在激光加工过程中仅表面微熔，激光熔覆热影响区是氩弧焊的十分之一。

权利要求

1.一种粗轧机机架辊定位槽的激光熔覆加在线机加工修复方法，加工设备包括：2500移动机镗铣机、全固态激光器、机械手及操作器、气动送粉器和自制的施工平台；其特征在于，工艺步骤及技术参数如下：(1)施工平台搭建

沿轧制方向在机架内侧面将施工用基础平台直接吊运至工作辊换辊轨道上，施工平台位于轧制中心，用箱形梁在轧机下方轨道下箱梁焊接支撑，空隙处用槽钢及花纹板铺设；

(2)设备就位、设备安装、调整

按轧制方向从入口侧进入轧机机架平台上，距离轧机机架内侧面400mm放置，调整机床水平度兼顾机床导轨X向与轧机机架窗口内侧面平行度＜0.10mm；

(3)定位槽激光熔覆前粗加工

粗加工去除定位槽侧面疲劳层见铁本色，粗加工前镗铣设备校调基准，以轧机机架上安装平衡缸的装配面，两侧装配面距离为 保证定位槽加工后侧面与轧机机架窗口面平行度＜0.05；以轧机机架窗口中心线为基准，定位槽粗加工后的各侧面到此中心线的距离，所得实际测量值与对应的图纸尺寸的差值即为定位槽各侧面需进行激光熔覆的具体厚度；四处定位槽粗加工需分四次移动、找正设备后四次机械加工工序；且定位槽底部机加后根部残留圆弧做清根处理；

(4)激光熔覆厚度的测算

定位定位槽两侧面激光熔覆层的厚度测量和计算，根据粗加工后实测尺寸确定，首先对粗加工后修复面进行无损探伤检测，然后定量确定修复尺寸；δ、δ0：为磨损厚度；δ1、δ2：为去疲劳层厚度；1mm：为加工余量；通过测量数据分别计算出各定位槽两侧的熔覆厚度分别为：δ+δ1+1mm和δ2+δ0+1mm；

(5)激光熔覆

激光熔覆前的端面着色探伤，检测结果需双方共同确认后，进行下道工序操作；当端面发现裂纹缺陷，对裂纹修补由乙方采用激光熔覆进行处理；

在激光束作用下镍基自熔性合金粉末与基体表面加热，全固态激光器参数设计为:光斑直径2mm、搭接参数0.5mm、速度240mm/min、功率2000w和每次溶覆厚度0.3-0.42mm；熔化光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层；

(6)定位槽精加工

精加工时移动镗铣设备校调基准与粗加工工序相同，加工后定位槽尺寸、定位槽侧面与机架窗口直线度和两侧面对面定位槽对称度满足图纸要求；同样精加工时四处定位槽需分四次移动、找正设备后四次机械加工工序；

(7)各道工序完成后均对修后面进行精度尺寸复验、硬度检测和无损探伤。

说明书

粗轧机架辊定位槽激光熔覆加在线机加工的修复方法

技术领域

[0001] 本发明属于表面改性技术与装备维修技术领域，特别是提供了一种粗轧机机架辊定位槽激光熔覆+在线机加工的修复方法；应用于轧机牌坊在线修复及表面强化，不但能恢复定位槽的尺寸精度，而且显著改善表面硬度，提高耐磨损、耐腐蚀和耐冲击的特性.背景技术

[0002] 随着首钢产品质量和品种规格(强度及精度)的不断升级，产量的不断提高，对设备的要求越来越苛刻.首秦4300产线轧机牌坊常年工作在高温、高湿环境下，承受着巨大的冲击力，因牌坊材质为铸钢(根据设计图纸，牌坊的材质为GS20Mn5，与国内ZG20SiMn相近，属于低合金铸钢，其表面硬度较低，硬度不大于HB200)，在高温、高湿环境下，易产生变形和腐蚀，导致设备功能精度不断下降与衰退.

[0003] 由于粗轧机多年服役、工况条件苛刻等原因，导致机架牌坊上机架辊定位槽宽度为350(+0.100)的两侧面(即传动侧和操作侧的出口及入口侧，共4处8个面)磨损、腐蚀严重(预计在3～8mm)，导致机架辊轴承安装定位精度失效.因此，对钢板轧制精度及机架辊使用寿命影响较大.

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种粗轧机机架辊定位槽的激光熔覆+在线机加工修复方法，恢复定位槽原有的图纸尺寸精度要求，成倍提高修复面的耐磨、耐腐蚀能力和设备使用寿命.

[0005] 本发明的主要加工设备包括：2500移动机镗铣机、全固态激光器、机械手及操作器、气动送粉器和自制的施工平台等.

[0006] 本发明的主要工艺流程是：平台搭建---设备导入---设备调整找正固定---粗加工---精密检测探伤---激光熔覆---精密检测探伤---精加工---精密检测探伤---跟踪验证效果等.

[0007] 本发明在线修复及表面强化方法的主要工艺步骤及技术参数如下：

[0008] 1.施工平台搭建

[0009] 沿轧制方向在机架内侧面将施工用基础平台直接吊运至工作辊换辊轨道上，施工平台位于轧制中心，为确保施工基础平台牢固，需用箱形梁在轧机下方轨道下箱梁焊接支撑，空隙处用槽钢及花纹板铺设.(重点：不允许在机架牌坊上进行动火作业！)[0010] 2.设备安装.就位及调整

[0011] 牌坊在线修复选择合适的机械加工设备也是最主要难点之一，必须充分考虑现场空间允许、加工精度要求、现场找正方式等关键点。2500移动机镗铣机具有承载能力高、运行平稳、摩擦系数小、运行精度高、吸振性能好和导轨无磨损等优点，完全满足使用要求。按轧制方向从入口侧进入轧机机架平台上，按机架内侧面偏中心400放置，调整机床水平度兼顾机床导轨X向与机架窗口内侧面直线度＜0.10mm.

[0012] 3.定位槽激光熔覆前粗加工

[0013] 粗加工去除定位槽侧面疲劳层见铁本色，粗加工前镗铣设备校调基准(见附图2所示)，以平衡缸窗口2540(+0.200)安装面，找正直线度，保证定位槽加工后侧面与窗口面平行度＜0.05，以窗口中心线分出，测量确定定位槽各侧面具体激光熔覆厚度.因受机架实际空间条件限制，修复用移动镗铣设备只能选用较小的，故四处定位槽粗加工需分四次移动.找正设备后四次机械加工工序.且定位槽底部机加后根部残留圆弧做清根处理.[0014] 4.激光熔覆厚度的测算

[0015] 定位槽两侧面激光熔覆层的厚度测量和计算，主要根据粗加工后实测尺寸确定，首先对粗加工后修复面进行无损探伤检测，然后定量确定修复尺寸(见附图1).δ.δ0：为磨损厚度；δ1.δ2：为去疲劳层厚度；加工余量为1mm.通过测量数据分别计算出各定位槽两侧的熔覆厚度分别为：δ+δ1+1mm和δ2+δ0+1mm.

[0016] 5.激光熔覆

[0017] 激光熔覆前的端面着色探伤，检测结果需双方共同确认后，方可进行下道工序操作.如端面发现裂纹等缺陷，由双方现场确定处理方案，对裂纹修补由乙方采用激光熔覆进行处理.

[0018] 在激光束作用下镍基自熔性合金粉末与基体表面加热(全固态激光器参数设计如下:光斑直径2mm、搭接参数0.5mm、速度240mm/min、功率2000w和每次溶覆厚度0.3～0.42mm)，并熔化光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层.现场采用全固态激光器在线对损伤面进行激光熔覆，施工时保证24小时作业,在保证检修质量和检修工期的条件下投入3台全固态激光器，实现2开1备连续工作模式运行.[0019] 6.定位槽精加工

[0020] 精加工时移动镗铣设备校调基准与粗加工工序相同，加工后定位槽尺寸、定位槽侧面与机架窗口直线度和两侧面对面定位槽对称度满足图纸要求；同样精加工时四处定位槽需分四次移动、找正设备后四次机械加工工序.

[0021] 7.各道工序完成后均对修复后的精度进行尺寸检验.硬度检测和无损探伤，保证修复效果和质量、运行一年以上安排对修复后各部尺寸及修复面硬度进行复测，跟踪验证实际使用效果.

[0022] 本发明的优点在于：传统补焊方法并不能彻底解决现场问题，还有可能会对设备造成更严重的伤害，而设备报废更换，不仅费用高、而且周期长，几乎不可能实现.激光熔覆+在线机加工修复方法既不用拆除牌坊、也不影响设备强度、也不产生补焊时热应力影响，且在恢复设备精度的同时，还能缩短停机时间、降低修复费用、通过选择修复材料可有效保护金属基材不受磨损和腐蚀，避免该问题的再次出现，大大延长设备使用寿命、基体材料在激光加工过程中仅表面微熔，激光熔覆热影响区是氩弧焊的十分之一.

[0023] (1)该方法可利用固体激光器小巧灵活方便的特点，适用于在线修复。与手工电弧堆焊相比，激光光头采用数控机器手作为加工结构，可实现自动化控制，大大减轻了劳动强度.

[0024] (2)激光熔覆时，基体材料在激光加工过程中仅表面微熔厚度为0.05～0.1mm，基体热影响区深度一般为0.1～0.2mm(见附图3)，较氩弧焊深度1～4mm(见附图4)极小.机架基体温升不超过80℃，激光加工后基本无热变形，对轧机机架整体结构的影响很小，不会带来机架变形的危险.

[0025] (3)根据设备需求，激光熔覆材料的选择硬度值在HRC27～30，且具有耐磨损和耐腐蚀的金属材料，使修复后定位槽的综合性能与原基材相比得到较大程度的提高，延长了使用寿命，彻底改变了定位槽表面的特性，避免了对定位槽表面频繁的机加工修复带来的危害.

[0026] (4)为保证修复后定位槽的形位公差符合要求，恢复设备原有的功能精度，机架辊定位槽磨损面在激光熔覆后，采用移动镗铣床对熔覆表面进行精加工，确保定位槽满足图纸精度尺寸要求.

附图说明

[0027] 图1是本发明的确定激光熔覆厚度的方法

[0028] 图2是加工基准面的确定

[0029] 图3是激光熔覆热影响区示意图

[0030] 图4是氩弧焊热影响区示意图

具体实施方式

[0031] 本发明具体实施过程：

[0032] 步骤1.施工平台搭建及设备导入

[0033] 施工前进行安全确认，办理施工手续和动火证.施工平台规格δ80×1800×6000-2件搭建于轧制中心，并用箱形梁在轧机下方轨道下箱梁焊接支撑。为防施工人员跌落，空隙处用20#槽钢及花纹板铺设，四周用50#角钢和φ16～20圆钢焊接防护栏杆，必要时搭建走梯.从入口侧将2500移动机镗铣机导入机架平台上进行调整.

[0034] 步骤2.粗加工去除定位槽内侧面各面疲劳层

[0035] 粗加工去除定位槽侧面疲劳层(见铁本色)，粗加工前镗铣设备校调基准(见附图2)，以平衡缸窗口2540(+0.200)安装面找正直线度，保证定位槽加工后侧面与窗口面平行度＜0.05，以窗口中心分出，测量确定定位槽各侧面具体激光熔覆厚度(见附图1).[0036] 步骤3.激光熔覆

[0037] 待四处定位槽全部粗加工结束后机械加工设备移动一侧面，同时激光熔覆用机械手2台同时就位.调整.激光熔覆；定位槽两侧面激光熔覆厚度根据上道工序粗加工后实测尺寸确定，激光熔覆采用梯度材料对损伤面进行修复.修复后的硬度在HRC27～30.修后进行无损探伤检测.

[0038] 步骤4.定位槽精加工

[0039] 精加工时，移动镗铣设备校调基准与粗加工工序相同，加工后定位槽侧面与机架窗口直线度＜0.10mm，定位槽尺寸符合350(+0.100)，入口侧定位槽侧面至窗口中心尺寸1565(0-0.20)，出口侧定位槽侧面至窗口中心尺寸1585(0-0.20)，入口侧DS侧与WS侧面对面定位槽对称度＜0.20，出口侧传动侧与操作侧面对面定位槽对称度＜0.20；确保精加工后均符合图纸和使用要求.

[0040] 步骤5.按照修复标准对修复端面进行着色探伤.硬度及修复尺寸验收达到使用要求.修复后的端面满足在正常情况下，激光熔覆层不脱落.10年内牌坊激光熔覆的基材部位无腐蚀.磨损或熔覆层的耐磨、耐腐蚀指标大于基材10倍以上.

[0041] 步骤6.机械设备.施工平台等撤场，环境清理等工作.

[0042] 步骤7.跟踪检验实际效果.

[0043] 修复运行18个月后，拆卸两个机架辊发现熔覆层未出现翘皮、掉肉或脱落现象，而且对熔覆层进行无损检验后未发现裂纹.进一步对机架辊定位定位槽的尺寸精度和形位公差进行复测均未超标，且磨损量均小于0.4mm.而修复前28个月定位槽累计磨损量达到6mm，进一步验证了定位槽表面耐磨.耐蚀和抗冲击性能得到很大程度提高.

[0044] 修复前后数据详见下表：

[0045]

[0046] 表1修复前后尺寸精度数据对比

[0047] 从表1可以看出，粗轧机机架辊定位定位槽修复后各部位的尺寸精度符合图纸和使用要求.

[0048]

[0049] 表2测量数据汇总表

[0050] 从表2可以看出，粗轧机机架辊定位定位槽修复后，各部位的形位公差符合图纸和使用要求.激光熔覆层单层厚度在0.3～0.42mm范围内，单侧厚度最大达到在8mm，计算公式为(粗加工后尺寸-熔覆尺寸+焊层厚度)/2，超出了激光熔覆层的最大允许深度7mm.[0051]

[0052] 表3测量数据汇总表

[0053] 从表3可以看出，粗轧机机架辊定位槽修复后，激光熔覆层硬度范围(HRC)在26.6～36.5范围内，符合首秦公司提出硬度要求.

[0054] 疑难问题及处理方法

[0055] (1)调整熔覆粉末成分.解决超大面积修复

[0056] 结合基体材质特点，调制镍基自熔性合金熔覆粉末，使熔覆层具备优越的粘着力，可以牢固附着在金属基材表面，长期工作而不会脱落；而且自身具有极高的抗压强度，即使在高达1900吨的轧制力作用下，材料也不会损坏；具有良好的抗冲击性能，可以吸收机架辊对定位槽的冲击，减少了磨损的程度，同时具有良好的耐腐.耐磨和抗冲击性能.并且修复过程中温升不超过80度，无热应力变形，对牌坊未造成不利影响.

[0057] (2)氩弧焊和激光熔覆技术相结合.熔覆层厚度超标控制

[0058] 激光在线修复过程中，粗加工去除定位槽侧面疲劳层见铁本色后，发现入口操作侧入口方向定位槽端面磨损严重，磨损量达到8mm.而国内现有的激光熔覆修复案例中，修复的最大厚度均≤7mm，若超过激光熔覆层允许的最大厚度，将不利于确保修复质量.根据首秦粗轧机机架辊定位槽的现场情况，采用氩弧焊方式熔焊2mm左右，减少激光熔覆厚度，使之达到最佳工作状态.然后手工打磨研平，再进行激光熔覆，以保证激光熔覆层质量满足正常使用要求.

[0059] (3)应用激光熔覆+在线机加工技术.实现大型牌坊在线修复

[0060] 采用激光熔覆+在线机加工技术对4300mm产线粗轧机机架辊定位槽磨损表面进行修复，达到了激光熔覆技术与在线机加工技术完美的结合，并且修复后获得了耐磨.耐蚀.耐冲击等多功能性.具有既不用拆除牌坊.也不影响设备强度.也不产生补焊时热应力影响，且在恢复和提升设备精度的同时，还能缩短停机时间.降低修复费用等优点.[0061] (4)打磨.氩弧焊和激光熔覆相结合.处理超长裂纹

[0062] 定位槽粗加工后，对入口操作侧.入口传动侧.出口操作侧.出口传动侧等四个定位槽.八个面进行着色探伤，发现有三个面存在裂纹，分别在操作侧入口一侧裂纹总长度100mm，操作侧出口一侧裂纹总长度50mm，传动侧入口一侧裂纹总长度80mm处理方法：

[0063] 1)对裂纹深度3～4mm进行打磨.清除裂纹，采用氩弧焊方式进行熔焊，熔焊后打磨研平，打磨后进行着色探伤，保证无裂纹等缺陷方可进行下一步激光熔覆；

[0064] 2)对裂纹深度超过3～4mm，手工打磨消除裂纹后，采用氩弧焊方式进行熔焊.封闭裂纹，防止裂纹继续扩伸.熔焊后打磨研平和着色探伤，保证无裂纹缺陷后再进行激光熔覆.三处裂纹经打磨补焊探伤后均消除了裂纹等缺陷.

[0065] (5)采取让开R角的修复工艺.获得良好熔覆层

[0066] 项目修复前吸取以前的经验教训，认识到定位槽R角的位置特殊，作为加工中退刀槽使用，多为应力集中区域.修复过程中，改变传统修复习惯，在R角处不进行激光熔覆作业避免局部受热.激光熔覆层通过手工磨平后自然过度至R角，消除应力集中导致裂纹的产生，获得良好的修复层，以满足正常使用要求.

[0067] (6)应用激光局部修复方法.降低成本缩短工期

[0068] 1)粗加工前局部激光修复

[0069] 在线修复项目在粗加工前，采用精密检测技术掌握机架辊定位定位槽各部磨损状态和裂纹情况.为了获得最佳性价比，经过专题会研究后决定对定位定位槽的8个定位表面采取局部激光修复，达到定位定位槽整体耐磨.耐蚀和抗冲击性能提升.

[0070] 2)粗加工过程中局部激光修复

[0071] 在粗加工过程中，如果定位面已经能光出较大面积，仅是局部磨损严重.有裂纹或凹坑等问题，再次进行精密检测，进行局部的切削漏出铁本色，之后采用局部激光修复的方法.

[0072] 因此，在粗加工前和加工过程中，采用局部激光修复工艺，既能减少修复面的切削量，又能降低熔覆材料粉末的使用量，达到快速找到基准面，缩短施工工期，使修复后的熔覆层获得最佳的性价比。