激光表面熔覆技术的研究及其在轧辊表面修复中的应用
轧辊的失效及其修复---激光焊接修复前景
轧辊的失效及其修复---激光焊接修复前景(2009-04-14 12:44:46)标签：杂谈分类：焊接0前言轧辊的质量和使用寿命，直接关系到轧制生产的生产效率、产品质量及生产成本。
我国轧辊材料供应不足、价格较高，一旦轧辊表面磨损失效，整个轧辊报废，将造成巨大的材料浪费。
如何修复失效轧辊，一直是轧辊制造业面临的重大问题。
轧辊失效的最普遍原因是早期磨损失效。
而轧辊的耐磨性决定于轧辊工作表面的硬度，通过合理的热处理方式可以满足轧辊的硬度要求。
本文比较了轧辊修复常用的几种表面热处理工艺，同时展望了激光表面合金化热处理工艺修复轧辊的发展前景。
1轧辊概述轧辊是使（轧材）金属产生塑性变形的工具，是决定轧机效率和轧材质量的重要大型消耗性部件。
轧辊的主要技术指标有强度、硬度、耐用性及耐热性（热轧工作条件下）。
轧辊根据其工矿条件分为冷轧辊和热轧辊，下面分别介绍。
1.1轧辊工作条件及用材分析⑴冷轧辊工作条件及用材分析冷轧辊在工作过程中要承受很大的轧制循环应力、强力摩擦和挤压、瞬间高温和强烈冲击[1]，轧件的焊缝、夹杂、边裂等问题也对轧辊有影响。
根据冷轧辊的工作条件，辊面需具有高而均匀的表面硬度（＞62HRC）、深的淬硬层（不应小于辊身直径的1.5%，且不得小于5mm）；辊身边缘的硬度应较低；颈部具有较低的硬度（32～35HRC）。
总之，冷轧辊要有抵抗因弯曲应力、扭转应力、剪切应力引起的开裂和剥落的能力，同时也要有高的耐磨性、接触疲劳强度、断裂韧性和热冲击强度等。
冷轧辊的发展方向是在进一步提高强度、硬度和淬硬层深度的同时，保证一定的韧性。
冷轧辊的材料应具有高的含碳量并含有加深淬透性、淬硬性并细化晶粒的合金元素。
国内外冷轧工作辊一般使用的材质有GCr15、9Cr2、9Cr、9CrV、9Cr2W、9Cr2Mo、60CrMoV、80CrNi3W、8CrMoV、86CrMoV7、Mo3A、87CrMnMo、9Cr2Mn等。
⑵热轧辊工作条件及用材分析热轧辊常工作在700℃～800℃（有时其接触的轧材高达1200℃）的高温环境，与灼热的钢坯相接触，承受强大的轧制力，表面承受轧材的强力磨损，反复被热轧材加热及冷却水冷却（可被冷却水冷却至100℃～150℃），经受温度变化幅度较大的热疲劳作用[2]。
激光熔覆在表面修复中应用前景分析！
激光熔覆在表面修复中应用前景分析！随着现代科学技术和工业不断发展，对零部件工作的环境也越来越趋于复杂化，表面性能的要求越来越高，因此零件报废率大大增多。
通常因为表面失效而报废的零件有：转子叶片、辊轴类零件、齿轮类零件、接头类零件等。
在零部件整体性能满足工况的条件下仅是表面损伤的零部件都是可以修复。
如果能对因误加工或服役损伤而致使报废的零件进行修复，不仅能够挽回巨大的经济和时间损失，还可以提高资源的利用率，符合我国可持续发展的战略。
目前零部件修复的方法有激光熔覆、真空钎焊、真空涂层法、钨极惰性气体保护焊（TIG）和等离子体熔覆修复等方法。
激光熔覆是根据工件的工况要求，熔覆各种设计成分的金属或者非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。
激光熔覆是一种快速冷却的过程，熔覆过程中对修复工件的热输入量少，热影响区小，熔覆层组织细小，易于实现自动化等，因此使用激光熔覆的方法来修复转子等零部件比其它的方法具有更大的优势。
激光熔覆技术解决了传统电焊、氩弧焊等热加工过程中不可避免的热变形、热疲劳损伤等一系列技术难题，同时也解决了传统电镀、喷涂等冷加工过程中覆层与基体结合强度差的矛盾，这就为表面修复提供了一个很好的途径。
本文综述了激光熔覆技术在表面修复中的应用，概括了国内外激光修复技术在不同零件和不同的失效情况上的研究发展，并对激光熔覆在表面修复中的应用前景进行了展望。
1、转子叶片的修复转子叶片又称动叶，是随同转子高速旋转的叶片，通过叶片的高速旋转实现气流与转子间的能量转换。
转子叶片承受很大的质量惯性力、较大的气动力和振动载荷，还要承受环境介质的腐蚀与氧化,以及高速运行微小粒子的冲蚀,但加工比较困难，涡轮转子叶片还要在高温状态下工作。
转子叶片是直接影响发动机性能、可靠性和寿命的关键零件，并且其工作条件十分恶劣容易损坏，所以对材料性能的要求也大大的提高，同时提高了材料的经济成本，也为其做修复带来广阔的市场。
轧辊激光表面处理工艺对轧制效果的影响研究
轧辊激光表面处理工艺对轧制效果的影响研究概述在现代工业生产中，轧辊是一种重要的设备，广泛应用于钢铁冶炼、有色金属冶炼等领域。
为了提高轧辊的使用寿命和轧制效果，采用轧辊激光表面处理工艺成为了一种重要的技术手段。
本文将深入探讨轧辊激光表面处理工艺对轧制效果的影响，并介绍相关研究成果和未来的发展方向。
激光表面处理工艺的原理激光表面处理工艺是利用激光束的高能量密度和短脉冲时间特点，对轧辊表面进行加工和改性的技术。
激光束照射轧辊表面后，轧辊表面的物理或化学性质会发生变化，从而改善轧辊的表面性能。
常见的激光表面处理工艺包括激光熔化、激光熔覆和激光改性等。
影响轧制效果的因素轧辊激光表面处理工艺对轧制效果的影响主要取决于以下几个因素：1. 表面形貌轧辊表面的形貌对轧制效果有着重要影响。
激光表面处理可以改变轧辊表面的颗粒度、凸起高度和表面粗糙度等特征，从而改善轧辊与被轧材料的接触情况，减少轧制时的摩擦阻力，提高轧制效果。
2. 表面硬度轧辊的表面硬度直接影响轧制时的变形能力和耐磨性能。
激光表面处理可以使轧辊表面硬度发生变化，提高轧辊的耐磨性、抗疲劳性和抗塑性变形能力，从而延长轧辊的使用寿命。
3. 组织结构轧辊表面的组织结构与轧辊的力学性能密切相关。
激光表面处理可以改变轧辊表面的晶粒尺寸、晶粒形貌和组织结构等，提高轧辊的强度、韧性和疲劳寿命，从而提高轧制效果。
4. 残余应力轧辊表面的残余应力会影响轧制时的变形行为和轧制质量。
激光表面处理可以改变轧辊表面的残余应力分布，降低轧辊表面的残余应力，减少轧辊的应力集中和应力腐蚀，提高轧制质量。
影响轧制效果的研究成果许多学者对轧辊激光表面处理工艺对轧制效果的影响进行了深入研究，并取得了一些重要成果。
1. 表面形貌的优化研究发现，激光表面处理可以改变轧辊表面的凸起高度和表面粗糙度，从而减小轧制时的摩擦阻力，提高轧制效果。
通过优化激光处理参数，可获得不同表面形貌的轧辊，进而实现针对不同轧材的轧制需求。
轧辊激光表面处理工艺对轧辊表面质量的影响研究
轧辊激光表面处理工艺对轧辊表面质量的影响研究随着工业技术的不断发展，轧辊激光表面处理工艺被广泛应用于金属材料的加工和表面改性。
在金属制造业中，轧辊作为关键的制造工具，其表面质量对产品的质量和生产效率具有重要影响。
因此，了解轧辊激光表面处理工艺对轧辊表面质量的影响是非常重要的。
轧辊激光表面处理工艺是一种使用激光作为能量源对轧辊表面进行加工和改性的技术。
该工艺具有以下几个优点：高能量密度、无接触加工、热影响区(HEZ)较小、加工速度快、可控性好等。
这些优点使得轧辊激光表面处理工艺成为一种受欢迎的表面处理工艺。
首先，轧辊激光表面处理工艺对轧辊表面质量的影响主要体现在以下几个方面。
第一，激光熔覆。
激光熔覆是一种将粉末材料通过高能量密度的激光束熔化并喷涂到轧辊表面的工艺。
激光熔覆可以大幅度改善轧辊的表面硬度、磨损性能和耐蚀性能。
此外，激光熔覆还可以修复轧辊表面的损伤，提高其使用寿命。
第二，激光熔化。
激光熔化是一种通过激光束直接加热轧辊表面，使其瞬间熔化并迅速冷却的工艺。
激光熔化可以使轧辊表面形成高度致密的结构，提高轧辊的表面硬度和耐磨性。
此外，激光熔化还可以消除轧辊表面的气孔和裂纹，提高轧辊的使用寿命和性能。
第三，激光合金化。
激光合金化是一种将合金粉末喷涂到轧辊表面后进行激光加热处理的工艺。
激光合金化可以使轧辊表面形成均匀的合金层，提高轧辊的硬度、抗磨性和耐蚀性。
此外，激光合金化还可以调整轧辊表面的化学成分，进一步提高轧辊的性能。
除了以上几种表面处理工艺，还有其他一些激光表面处理工艺，如激光抛光、激光熔化等，它们都可以对轧辊表面质量产生重要影响。
然而，轧辊激光表面处理工艺也面临一些挑战。
首先，轧辊材料的选择对加工过程和表面质量具有重要影响。
不同材料的熔点、热导率和热膨胀系数等物理特性会影响工艺参数的选择和表面质量的控制。
其次，激光能量的选择和控制对轧辊表面质量的影响也很大。
激光能量过高或过低都可能导致表面质量不理想。
激光熔覆技术的工艺过程及应用
激光熔覆技术的工艺过程及应用林何;丁旭;游明琳;肖路【摘要】激光熔覆技术是一种材料表面改性处理的新技术,具有广阔的应用前景.本文首先介绍了激光熔覆层的成形状况,对熔池成分的均匀化机理进行了分析,针对熔覆层容易产生裂纹的缺陷,从技术层面提出了解决和缓解的办法.阐述了激光熔覆工艺过程中合金粉末和保护气体的选择原则、合金粉末的供给方式、激光工艺参数的预定以及合金粉末和激光工艺参数的优化流程.简述了激光熔覆技术在零件表面修复、汽车、航空航天和生物医学等领域的应用状况,最后指出激光熔覆技术在今后进一步的研究重点.【期刊名称】《工程与试验》【年(卷),期】2011(051)002【总页数】4页(P22-24,50)【关键词】激光熔覆;优化;熔覆层;修复;生物医学【作者】林何;丁旭;游明琳;肖路【作者单位】贵州大学机械工程学院,贵州贵阳550003;贵州大学机械工程学院,贵州贵阳550003;贵州师范大学,贵州贵阳550014;贵州大学机械工程学院,贵州贵阳550003【正文语种】中文【中图分类】TG156.99;TN241 引言激光熔覆技术是20世纪80年代以后发展起来的一种材料表面改性技术,是利用高能密度激光束将具有不同成分、性能的合金在基体表面快速熔化,形成与基体具有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程[1]。
与其它表面强化方法相比,激光熔覆技术具有能量密度高、热变形与热影响区小、可以使强化层与基体之间呈冶金结合以及激光加工位置可以精确定位和控制等优点,因此,正成为机械、汽车、航空航天和生物医学等领域的新兴技术,具有广阔的应用前景。
2 激光熔覆层的成形机理2.1 激光束对材料表面的作用激光熔覆层的成形状况与激光束的功率密度是密切相关的。
当功率密度过低时,材料表面被加热并向深处传导(a),激光功率密度增大时表面将熔化(b),功率密度进一步增大,材料表面瞬时汽化(c),功率密度更高时,表面附近的金属蒸汽及气体变为等离子体,形成等离子云对激光起屏蔽作用,反而不利于激光熔覆(d),如图1所示。
浅述激光熔覆技术的应用
浅述激光熔覆技术的应用【摘要】激光熔覆技术是一种先进的表面修复和涂覆技术，应用广泛。
在汽车制造领域，激光熔覆技术可以提高汽车零部件的耐磨耐蚀性能；在航空航天领域，可以用于修复和加固飞机引擎零部件；在能源装备领域，可用于延长发电设备的使用寿命；在模具制造领域，可以提高模具的耐磨性和使用寿命；在机械制造领域，可以提高机械零部件的表面硬度。
激光熔覆技术的应用为各个领域带来了更高的效率和更长的使用寿命，并且随着技术的不断发展，其应用领域还将继续扩大。
激光熔覆技术的发展前景十分广阔，为各行业的发展带来了新的机遇和挑战。
【关键词】激光熔覆技术, 应用领域, 汽车制造, 航空航天, 能源装备, 模具制造, 机械制造, 发展前景1. 引言1.1 激光熔覆技术简介激光熔覆技术是一种通过激光束熔化表面材料并与基体材料相融合的先进表面处理技术。
它可以在不改变工件整体性能的情况下，通过在表面形成具有良好性能的合金层或涂层来提高工件的耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度。
激光熔覆技术具有热影响区小、熔覆层与基体结合强度高、成形能力强等优点，因此在各个行业得到广泛应用。
激光熔覆技术的基本过程包括准备基体表面、激光预热、激光熔覆合金粉末等步骤。
通过控制激光功率、扫描速度和熔覆层厚度等参数，可以实现对熔覆层性能的调控，从而满足不同工件的需求。
随着激光技术的发展和应用领域的不断扩大，激光熔覆技术在汽车制造、航空航天、能源装备、模具制造和机械制造等领域都有重要应用，为各行各业提供了高效、精密的表面处理解决方案。
随着材料科学、激光技术和工程技术的进步，激光熔覆技术的发展前景将更加广阔。
2. 正文2.1 汽车制造领域的应用激光熔覆技术在汽车制造领域的应用广泛而重要。
通过激光熔覆技术，汽车制造商可以实现高精度、高效率和高质量的零件制造。
这对于汽车行业来说至关重要，因为汽车零件的质量直接影响到汽车的性能和安全性。
在汽车制造中，激光熔覆技术可以用于修复受损零件、增强零件表面硬度和耐磨性、提高零件的耐蚀性能等。
激光表面强化技术在大型轧辊制造中的应用前景
激光表面强化技术在大型轧辊制造中的应用前景激光表面强化技术（Laser surface strengthening technology）作为一种先进的材料加工技术，已在多个领域得到广泛应用。
在大型轧辊制造中，激光表面强化技术也显示出了巨大的潜力和应用前景。
本文将从技术原理、应用优势以及发展前景等方面进行探讨。
一、技术原理激光表面强化技术是利用激光对金属材料进行表面改性，增强其力学性能和耐磨性。
通过激光高能量的短时作用，可以使材料表面的温度迅速升高并迅速冷却，形成一个具有高硬度、高耐磨性的表面层。
这种表面层可以有效防止轧辊在使用过程中出现磨损、脱落等问题，提高其使用寿命和性能稳定性。
二、应用优势1. 提高轧辊的耐磨性：激光表面强化技术可以在轧辊表面形成一个坚固的耐磨层，有效抵抗摩擦和磨损。
这可以减少轧辊与金属材料之间的摩擦力和磨损，延长轧辊的使用寿命，降低生产成本。
2. 提高轧辊的强度和硬度：激光表面强化技术可以显著提高轧辊的强度和硬度，使其能够承受更大的压力和应力。
这对于处理高强度或高硬度金属材料具有重要意义，可以保证轧辊在高强度工作条件下的安全运行。
3. 提高产品表面的质量：通过激光表面强化技术处理后的轧辊，可以有效改善金属材料的表面质量，减少产品表面的缺陷和不均匀性。
这对于生产高质量、高精度的金属制品具有重要意义。
4. 提高生产效率：激光表面强化技术具有快速、精确的特点，可以在短时间内对轧辊表面进行处理。
相比传统的热处理和化学处理方法，激光表面强化技术能够显著缩短生产周期，提高生产效率。
三、发展前景激光表面强化技术在大型轧辊制造中的应用前景广阔。
随着现代工业生产对材料性能要求的不断提高，对轧辊的耐磨性、强度和硬度等方面也提出了更高的要求。
传统的热处理和化学处理方法已经不能满足这些要求，而激光表面强化技术则能够提供一种有效新颖的解决方案。
此外，随着激光技术的不断进步和发展，激光设备的性能和稳定性也得到了显著提升。
激光熔覆技术在钢铁行业的应用实例讲解
激光熔覆技术在钢铁行业的应用实例1.常用轧辊的激光处理效果锻钢辊--采用激光淬火与熔凝淬火技术，可以在锻钢辊表面获得硬度为59-63HRC,层深为2毫米以上的硬化层，因此可以大幅度提高轧辊的使用寿命。
采用激光熔覆技术还可以对轧辊的辊面和轴颈进行修复。
铸钢辊--采用激光淬火与熔凝淬火技术，可以在铸钢辊表面获得硬度为59-63HRC,层深为2毫米以上的硬化层，大幅度延长轧辊的使用寿命。
采用激光熔覆技术还可以对轧辊的辊面和轴颈进行修复。
合金半钢轧辊--经过激光淬1.常用轧辊的激光处理效果锻钢辊 -- 采用激光淬火与熔凝淬火技术，可以在锻钢辊表面获得硬度为59-63HRC,层深为2毫米以上的硬化层，因此可以大幅度提高轧辊的使用寿命。
采用激光熔覆技术还可以对轧辊的辊面和轴颈进行修复。
铸钢辊 -- 采用激光淬火与熔凝淬火技术，可以在铸钢辊表面获得硬度为59-63HRC,层深为2毫米以上的硬化层，大幅度延长轧辊的使用寿命。
采用激光熔覆技术还可以对轧辊的辊面和轴颈进行修复。
合金半钢轧辊 -- 经过激光淬火、熔凝淬火、合金化处理后，表面硬度可以相应提高到45-54HRC。
对于半钢制成的带钢粗轧辊、中轧辊等以及棒线材的粗轧、中轧辊，使用效果显著。
采用激光熔覆技术还可以对轧辊轴颈进行修复。
铸铁辊 -- 采用激光淬火、熔凝淬火和激光合金化技术，可以在冷硬铸铁轧辊、无限冷硬铸铁轧辊表面获得高硬度、红硬性好的硬化层，因此可以大幅度提高轧辊的使用寿命。
采用激光熔覆技术可以对铸造高铬钢轧辊的轴颈进行修复。
2.其它易损件的激光处理情况钢铁行业中的主要易损件还包括：夹送辊、输送辊、张力辊、飞剪、大型圆盘锯、行车轮、卷筒、助卷辊等。
其主要材质、性能和适合激光加工的工艺要求见表。
3.轧辊激光表面强化处理的应用实例。
激光熔覆的原理和技术应用
激光熔覆的原理和技术应用1.简介激光熔覆是一种先进的表面修复和涂层技术，利用激光束对工件表面进行高能量熔化并有选择性地添加材料进行涂层。
这种技术广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域，具有高效、精密和耐磨特性，大大提高了工件的使用寿命和性能。
2.激光熔覆的原理激光熔覆技术的原理主要包括以下几个步骤：2.1 准备工作在开始激光熔覆之前，需要对工件进行表面清洁和预处理。
这包括去除污垢、氧化物和涂层，确保表面光滑和准备接纳涂层材料。
2.2 激光能量聚焦通过透镜或镜子等光学元件，将激光束聚焦到工件表面的特定区域。
激光的能量密度很高，可以局部加热工件表面。
2.3 材料喷射在激光照射的同时，喷射材料通过喷嘴或粉末喷枪等装置，将粉末或线材喷射到工件表面。
喷射材料可以是金属、陶瓷等。
2.4 熔化和固化激光的高能量照射使得工件表面的材料迅速熔化，同时激光的照射范围非常精确，可以准确控制涂层的形状和厚度。
熔化后，材料迅速固化形成坚固的涂层。
3.激光熔覆技术的应用3.1 航空航天领域激光熔覆技术在航空航天领域的应用非常广泛。
例如，在航天器的发动机零件中，通过激光熔覆可以修复受损的表面，并增强其耐磨和耐腐蚀性能。
此外，激光熔覆还可以用于修复飞机涡轮机叶片等关键部件，提高其使用寿命和性能。
3.2 汽车制造领域在汽车制造领域，激光熔覆技术可以用于修复发动机零件和提高涂层的性能。
通过激光熔覆修复发动机零件，可以减少更换零件的成本，同时提高零件的耐磨性和耐腐蚀性。
此外，激光熔覆还可以用于制造汽车涂层，提高涂层的耐候性和抗刮擦性。
3.3 电子设备领域在电子设备领域，激光熔覆技术可以用于修复芯片和电路板等关键部件。
对于受损的芯片，激光熔覆可以修复瑕疵并提高芯片的性能。
此外，激光熔覆还可以用于制造高精度的电子零件，提高其可靠性和稳定性。
3.4 其他领域的应用除了航空航天、汽车制造和电子设备领域，激光熔覆技术还广泛应用于钢铁、化工、冶金等领域。
激光熔覆技术提高轧辊表面硬度的应用经验
43科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 工 业 技 术莱钢型钢生产线轧钢车间产品品种有:H型钢、工字钢、槽钢,年产量30万吨,布置了两架开坯轧机和三架万能轧机,大部分的压下量集中在两架开坯轧机区域。
开坯轧辊的材料一般为铸钢或锻钢,轧辊辊身硬度低,耐磨性不能很好的满足生产线需要。
在使用过程中一般是孔型开口腿内侧壁磨损最严重,其次是孔型的外侧壁、槽底,给轧辊的使用及修车带来了极大的难度。
同时,因轧辊耐磨性低而造成的负面影响也较大,如成品腿外侧出现粘钢、裂纹;轧辊频繁更换,工人劳动强度大,日历作业低,辊耗、气耗、电耗大幅升高。
在轧辊孔型表面进行激光熔覆以提高硬度的技术,是目前国内较为先进的工艺方法。
可以替代高合金铸钢轧辊,节约资源。
由于降低了磨损,减少了车削量,提高了轧辊寿命,具有良好的社会效益。
1 激光熔覆技术在开坯轧辊上的试验1.1激光熔覆技术原理激光熔覆技术是在激光淬火基础上发展起来的,激光淬火技术是指在材料表面通过激光束的高温加热,在材料表面形成一层淬火层,不能补给材料的磨损部分。
激光熔覆技术指在材料表面通过喷涂或其他方式将涂层合金预置于基材表面,然后利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝,达到好的冶金结合。
它可以在低成本材料上制成高性能表面,代替大量的高级合金,以节约贵重、稀有金属材料。
决定激光熔覆宏观、微观质量的因素主要是激光参数、材料特性、加工工艺和环境条件、激光束、粉末和基体之间的相互作用时间等。
激光硬化层正比与激光功率,反比与光斑尺寸和扫描速度。
作用与材料表面的功率密度和照射时间是影响激光硬化质量的决定因素,三者可以互相补偿,经适当的选择和调整可获得相近的硬化效果。
目前应用广泛的激光熔覆材料主要有镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料,其中又以镍基材料应用最多。
激光熔覆按熔覆材料的供给方式大概可分为预置式激光熔覆和同步式激光熔覆,预置式激光熔覆是将熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位,然后采用激光束辐照扫描熔化,熔覆材料以粉、丝、板的形式加入,其中以粉末的形式最为常用。
轧辊表面激光毛化织构熔凝成形机理与性能
有色金属行业
在铝、铜等有色金属的轧制过程中 ，采用激光毛化织构熔凝成形技术 ，增加轧制过程中的润滑效果，降 低能耗和轧制力。
机械制造行业
在机械制造领域，利用激光毛化织 构熔凝成形技术对模具表面进行优 化处理，提高模具的使用寿命和精 度。
轧辊表面激光毛化织构熔凝成形的前景展望
拓展应用领域
绿色制造
注重环保和节能，研究低能耗、低污染的激光毛化织构熔 凝成形技术，推动绿色制造的发展。
06
参考文献
参考文献
参考文献1 文献名称：探究轧辊表面激光毛化织构熔凝成形的机理与性能
作者：张三，李四，王五
THANKS
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轧辊表面激光毛化织构熔凝成形机 理与性能
2023-11-11
目录
• 轧辊表面激光毛化织构熔凝成形 技术概述
• 轧辊表面激光毛化织构熔凝成形 机理
• 轧辊表面激光毛化织构熔凝成形 的性能研究
目录
• 轧辊表面激光毛化织构熔凝成形 的实验研究
• 轧辊表面激光毛化织构熔凝成形 的工业应用与前景
• 参考文献
激光是一种高亮度、单色性好的光束，具有方向性强、能量密度高、频率单一 等优点。
激光与物质的相互作用
激光与物质相互作用时，会产生光热效应、光化学效应、光压效应等，这些效 应会影响物质的物理和化学性质。
轧辊表面激光毛化织构熔凝成形的热力学过程
01
02
03
轧辊表面的热传导
激光照射到轧辊表面时， 产生瞬间高温，使轧辊表 面材料熔化。
01
轧辊表面激光毛化织构熔凝成形 技术概述
激光毛化技术背景与意义
激光毛化技术是一种先进的表面处理技术，能够改善轧辊表面的性能，提高轧制 产品的质量。
激光表面工程技术在冶金轧辊及剪刃上的应用研究解析
激光表面工程技术在冶金轧辊及剪刃上的应用研究一、概述激光表面工程技术属光、机、电一体化科学范畴。
现代材料科学和冶金工程应用表明，冶金工程的工件失效大都发生在表面。
激光技术的出现，为冶金备件表面强化提供了又一新型技术手段。
激光表面工程技术体现在激光的产品化研究方面，主要侧重于对工件进行表面淬火处理。
此技术具备高性能表面改性，能达到零件成本与工作表面高性能的最佳结合的特点。
表现在：①快速的热处理速度和冷却速度，0.1s可完成淬火处理，效率高，成本低；②淬硬层可精确控制，是一种精密的节能热处理工艺技术。
变形小，且几乎无氧化脱碳现象；③硬度、耐磨性、抗疲劳性能大幅度提高，还可制备特殊的耐蚀性能表层；④可实现自冷淬火，不需要冷却介质；⑤一般不需真空条件，即使进行合金化处理时，也只需要吹保护气体即可有效防止氧化烧损；⑥易实现自动化，可实现立体曲面自动处理，是一种先进的无污染的新型表面强化技术。
所以，国内外近年来，在冶金备件表面改性、修复方面得到了广泛应用。
激光表面工程技术应用到工件的金属表面强化，硬度可达到63—70HRC，能有效地增强工件的耐磨、韧性，同时又能保证工件的内部组织性能不变。
这就是为什么美国通用汽车公司1978年就规定其3EMD柴油机汽缸套必须经激光处理方可出厂的原因所在。
正因如此，俄罗斯高温研究所与俄罗斯第二大钢铁联合企业---切内波菲茨钢铁联合体于1986年合作，进行了10—20kw激光表面硬化处理大型轧辊产品化研究，于1990年取得了成功，并已在切内波菲茨钢铁联合体安装了1台万瓦激光轧辊表面处理设备，经激光硬化处理后的轧辊表面硬度，由原来的51HRC上升到65—70HRC，轧辊寿命也由原来的8小时更换一次提高到24小时更换一次，仅以减少轧辊换辊时间一项，每年该厂可提高钢产5％以上，经济效益十分显著。
近年来，日本、德国、法国、英国、意大利等国也在积极开展这方面的研究。
我国激光淬火技术的研究始于二十世纪八十年代初期，近年来有不少大中型企业对此项目十分感兴趣，相继建成了数十条激光淬火生产线，取得了较好的经济效益。
激光熔覆纳米涂层及其在模具修复中的应用
激光熔覆纳米涂层及其在模具修复中的应用发表时间：2020-06-03T08:26:49.192Z 来源：《建设者》2020年6期作者：张加根[导读] 必须要对此进行深入研究，才能够更好的利用激光熔覆技术，实现模具寿命的延长。
广东鸿图南通压铸有限公司摘要：在铸造生产中，模具在高温高压的环境中循环使用会出现各种各样的问题造成失效，为了提升模具的使用寿命，需要对模具进行修复，近年来激光熔覆纳米涂层技术通过对模具表面进行性能改进得到了广泛的应用。
本文简要介绍了其在模具修复领域的应用。
指出激光熔覆适合对各类模具进行表面修复，并且通过熔覆制备适宜的纳米涂层进而有效提高修复后模具的表面性能。
简单介绍了其存在的问题和今后研究的方向。
关键词：激光熔覆；纳米涂层；模具修复；应用分析1激光熔覆技术作为一种新型模具修复技术，激光熔覆技术是在激光束的作用下，熔化合金粉末，随后将光束移开让粉末与冷却后与基体材料结合生成涂层，但对于基体表面起到强化作用，能够增强表面的抗磨损和抗腐蚀性能。
以 45# 钢为例，对其模具表面进行激光熔覆技术，采用的材料是镍基纳米Al2O3，极大地提升了模具表面的耐磨性；此外针对 Q235 钢的基体表面进行修复，采用CO2 激光熔覆技术，在该基体表面配置金属陶瓷粉末，经过激光处理形成金属陶瓷熔覆层，其硬度高达800HV。
如图 1 所示，为激光熔覆技术的应用。
图 1 激光熔覆技术本质上来讲，激光熔覆技术具有很高的经济效益，其操作简单，通过激光在基体表层进行涂层，并且对基体材料性能的影响非常微弱。
高性能的涂层能够有效改善某些零件的使用性能，另外激光熔覆技术也可以方便地应用到金属材料的表面修复中。
对金属表面的磨损、划痕、裂纹等缺陷可以采用激光熔覆的方法，在基体上“长肉”，补全磨损量、缺陷，覆盖划痕、弥合裂纹等，随后再进行加工，最终获取到符合要求的制件。
这些特点使其在材料表面进行性能提升改造，对于模具的修复与制造都有广泛应用。
9Cr5MoV轧辊钢激光熔覆修复试验浅析
9Cr5MoV轧辊钢激光熔覆修复试验浅析軋辊是轧钢机上的重要零件，利用一对或一组轧辊滚动时产生的压力来轧碾钢材。
9cr5mov钢是含铬量在5%左右的高碳合金钢，含铬量高，形成了硬度高且弥散分布的碳化物[1]，具有良好的淬透性和耐磨性。
它主要承受轧制时的动静载荷，磨损和温度变化的影响。
激光熔覆，是一种新的表面改性技术。
它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，并显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素[2]。
标签：轧辊；轧钢机；试验本文结合激光熔覆加工工艺，对9Cr5MoV轧辊钢表面凹坑缺陷的修复进行浅析，以选用合适修复参数。
1 试验材料与方法本试验针对基材为9Cr5MoV的轧辊钢进行，其表面硬度≥64HRC，选用AB 两组相同轧辊，表面加工出直径10mm，深5mm的凹坑缺陷，数量为3个，淬火深度单边20mm。
具体试验方法如下：预热：A组工件整体预热120℃，B组工件整体预热200℃表面打磨三个凹坑缺陷，并用究竟擦拭干净。
熔覆：A组熔覆参数见表1，（注意熔覆顺序）先围绕小坑中心走一圈，熔覆层外沿不超过凹坑最边缘，熔覆层中心刚好重叠；搭接第一个圆，光斑中心对准凹坑边线，再走一圈；中心开光3秒送粉熔覆；最后再熔覆层外圈和中间点间隙处走一圈，即修补完成；接头处适当搭接，高出部分在下一圈熔覆前打磨平整。
B组熔覆参数见表，逐层进行铺粉熔覆，在凹坑較深时，铺粉范围不能超出凹坑外沿；进行2～3层熔覆后，合金层与工件表面高度差不超过1mm时，可大面积铺粉，直到把凹坑中心全部补平；（1）消除应力热处理：100℃保温8小时；（2）抛磨：工件完全冷却后，进行表面抛磨；（3）探伤：对工件修补区域进行着色探伤（图1）。
2 结果分析A组探伤后发现三个凹坑底部均分布细小裂纹，边缘存在点状缺陷，高硬度材料表面熔覆时，基材本身熔覆性较差，易受预热温度，熔覆层数影响。
轧辊表面修复技术及应用
轧辊表面修复技术及应用当前,国内轧辊市场持续低弥,原材料价格上涨,导致生产成本增加,由于轧辊铸造技术含量不高,一些个体和私营企业纷纷上马生产,出现不正当竞争,使产品售价一降再降利润空间越来越小,市场竞争已由产品的质量竞争转变为价格竞争,这就要求企业最大限度的降低成本,提高成品率,在轧辊成品率上面,除要想办法减少大的铸造缺陷外,一些小的表面缺陷和辊径超差我们也应不断探索,争取采用先进的修复技术使之从报废的边缘变为满足用户使用要求的成品。
标签：轧辊修复技术应用经过多年的经验,轧辊的缩松、夹渣、砂眼、气孔及尺寸超差等缺陷可以通过焊补、刷镀、粘接、喷涂等技术进行修复,下面将各种修复技术在轧辊表面缺陷上的应用简单介绍一下。
1 焊补技术它可以采用电焊机堆焊,首先将轧辊辊径表面缩松、夹渣部分用丙酮等清洗去杂质,气孔要见底,焊补前将烤箱加热至150~180℃,放入镍铁焊条烘烤2~3小时去潮,最好将轧辊表面预热,如果是已加工面,注意做好防护措施,防止焊花飞溅破坏表面粗糙度,焊接电流选为90-170安培,进行焊补时边焊边用铁刷等工具清除药皮,由于焊条熔点不是太高,故不能连续焊接,焊补宽度在15mm范围内,每焊100mm长要间歇一下,并用榔头敲击焊点,使之应力消除,防止出现焊裂,大面积堆焊后,应用石棉布保温减慢降温速度,然后上车床加工,再用外圆磨床磨削到尺寸要求。
此种技术由于操作方便、设备简单、效率高,在轧辊修复上使用广泛,缺点为对一些细小的表面缺陷效果不是太好,而且二次金属与轧辊基体结合处颜色差异明显。
另外,焊补也可以采用专用的铸造缺陷修补机来进行,铸造缺陷修补机是应用电容充放电原理,电源工作在R-L-C充放电状态,在端子输出ms极上千安大电流。
由于其作用時间极短(ms级),瞬时冲击电流极大,所焊补工件微区熔化、结合、焊牢,微区以外保持冷态,无热变形,无内应力,可直接手握、眼视,焊点准确。
焊补材料即可采用黑色金属薄片或细丝,也可以采用轧辊基体的小于0.8mm的颗粒铁粉。
激光表面强化技术在钢铁厂轧辊维护与管理中的应用
激光表面强化技术在钢铁厂轧辊维护与管理中的应用激光表面强化技术（Laser Surface Strengthening Technology）是一种通过激光作用下的热和热变形来改善材料表面性能的先进技术。
在钢铁厂轧辊维护与管理中，激光表面强化技术已被广泛应用，并取得了显著的效果。
本文将重点探讨激光表面强化技术在轧辊维护与管理中的应用。
钢铁厂轧辊作为重要的生产设备，其表面质量和使用寿命直接影响到钢材生产的质量和产能。
而长期的使用和摩擦会导致轧辊表面退火和疲劳损伤，从而降低了轧辊的强度和硬度，进而影响轧制质量和生产效益。
因此，如何有效地维护和管理轧辊成为钢铁企业亟需解决的问题。
激光表面强化技术通过激光能量的高浓度和集中作用，能够在轧辊表面形成极高的温度梯度和应力梯度，从而改善其表面硬ness和强度。
具体来说，激光对轧辊表面进行扫描，使其迅速加热至临界温度以上，并通过快速冷却形成致密的表面层。
这一过程能够消除轧辊表面的氧化物和缺陷，提高轧辊的硬度、强度和疲劳寿命。
首先，激光表面强化技术在轧辊维护中可以修复轧辊表面的缺陷和损伤。
经过长时间的使用，轧辊表面会出现磨损、裂纹和断裂等问题，严重影响轧辊的使用寿命和质量。
传统的修复方法通常需要大量的材料投入和较长的修复周期，而激光表面强化技术可以通过局部加热的方式，迅速修复轧辊表面的缺陷和损伤，使其重新获得理想的表面质量和强度。
这种快速、精准的修复方式大大提高了轧辊的可用性和生产效率。
其次，激光表面强化技术在轧辊管理中能够延长轧辊的使用寿命。
传统的轧辊管理通常是定期更换或修复受损的轧辊，成本较高且操作繁琐。
而激光表面强化技术可以有效地提高轧辊的硬度和疲劳寿命，延缓其表面的磨损和疲劳破坏。
通过定期对轧辊进行激光表面强化处理，可以使轧辊在相同工况下承受更大的载荷和摩擦，延长轧辊的使用寿命，从而降低了钢铁企业的维护成本和生产停机时间。
此外，激光表面强化技术还能够提高轧辊的质量和生产效率。
激光熔覆工艺修复轧辊技术研究
槽 轧 钢 量 较 熔 覆 前 提 高 了近 １倍 ，经 济效 益 可观 。
关键 词 激 光 ；熔 覆 工 艺 ；轧 辊 ；技 术应 用
中 图分 类 号
Ｔ Ｎ ２ ４ ９
文献标识码
Ａ
文章 编 号
１ ０ ０ ７— ７ ８ ２ ０ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ３—１ ３ ９— ０ ４
（ １ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ — Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｒ ｃ ｌ ａ ａ ｎ ｄ Ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ，Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｈ ｎｇ ａ ｈ ａ ｉ ｆ ｏ ｒ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｓ ｈ ｎｇ ａ ｈ ａ ｉ ２ Ｏ Ｏ Ｏ ９ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；２ ． Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ － Ｈａ ｍ ｂ ｕ ｒ ｇ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ，Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｓｉ ｒ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ｆ ｏ ｒ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｙ ，Ｓ ｇ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ０ ９ ２，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
ａ 竹技２ ０ １ ５ 年 第 ２ ８ 卷 第 ３ 期
激光熔覆技术及应用现状
激光熔覆技术及应用现状激光熔覆技术是一种利用激光束对材料表面进行熔化，并在凝固过程中形成一层涂层的技术。
该技术具有高能量密度、局部熔化、快速冷却等特点，可实现对各种材料表面的修补、强化和改性。
目前，激光熔覆技术已经在诸多领域得到广泛应用。
在汽车制造和航空航天等领域，激光熔覆技术可用于修复和加固零部件表面。
例如，激光熔覆技术可以修复引擎零部件的磨损或损坏表面，延长其使用寿命。
此外，激光熔覆技术还可以在航空航天领域中用于修复和加固飞机发动机叶片、涡轮等关键部件，提高其耐磨性和抗腐蚀性能。
在能源领域，激光熔覆技术可用于制备太阳能电池板、燃料电池板等材料表面。
通过激光熔覆技术，可以在材料表面形成一层具有特殊光学、电化学性能的涂层，提高太阳能电池板等能源材料的转换效率和稳定性。
在冶金行业，激光熔覆技术可用于合金材料的表面改性。
激光熔覆技术可以通过熔化合金粉末，将其均匀覆盖在材料表面，从而提高材料的硬度、抗磨性和耐腐蚀性。
这在冶金行业中具有重要的应用价值。
在电子领域，激光熔覆技术可用于制备微观结构和电子器件。
通过激光熔覆技术，可以在材料表面形成具有特定形状和尺寸的微观结构，用于制备微型传感器、微型天线、微电子元件等。
在环境保护领域，激光熔覆技术可用于处理工业废物和污染物。
通过激光熔覆技术，可以在污染物表面形成一层抗腐蚀、抗氧化的涂层，从而减少或抑制污染物的释放和扩散，保护环境。
此外，激光熔覆技术还在船舶制造、电力设备维修、医疗器械制造等多个领域得到应用。
激光熔覆技术在这些领域的应用主要包括表面修复、功能性薄膜制备、材料强化等方面。
激光熔覆技术的应用现状在不断发展中。
随着激光熔覆设备和材料技术的不断改进，激光熔覆的成本逐渐降低，其应用范围也在不断扩大。
目前，激光熔覆技术已经成为先进制造业中的重要技术之一，为现代工业的发展提供了新的解决方案。
轧辊表面修复技术及应用
颗粒铁粉。 操作步骤如下 ： ①用 电源正极接焊笔 ， 负极接轧辊 基体 。 ②
厚层。
先 用 喷 砂 或 电火 花 将 表 面 拉 毛 ， 涂 层 表 面 粗 糙 ， 轧 辊 装 夹 使 将 用打 磨 和 丙酮 擦洗 的 方法 ， 除 轧辊 和 补 材 表 面 氧 化层 和油 污层 ， 清 根 在机床 卡盘上或顶 尖问 ， 喷枪装在 刀架上 ， 喷涂 前切 削和喷涂后 切 据修复情况选 择补材（ 丝、 ） 片、 粉 及材质 。 ⑧调节 电源 ： 根据补材厚度 隹和装夹 方法应保持 一致 ， 喷涂 设 按 将 低 频 、 高 频 开 关 置 好 ，高 频 可 焊 ０１ ．ｍｍ 以下 ，低 频 焊 补 厚 度 削 以及在喷涂过程 中的定位基 ； 备说明书规定 ， 用合理 的空气工作压 力、 选 电压 、 电流 、 喷射距离 ， 零 Ｏ２ Ｏ３ ．～ ．ｍｍ。 幅度一般置于 ８ ％左 右。 ０ ④将焊头压住补材 ， 踩动脚踏 件旋 转速度和钢丝直径 ， 喷涂应连续进行 ， 不可 间断 ， 喷涂 的金属射 开 关 即可 产 生一 个 焊 点 ， 材 为轧 辊 基 体 铁 粉 时 ， 笔 先 在 孔 位 处 做 补 焊 流 要尽量垂直于 被喷表面 ， 喷涂加工后 的最 小厚度 为 ０３ ．ｍｍ， 喷涂 连 续 圆周 运动 ， 即空 焊 ２ ３周 后 将 铁 粉 置 于 孔 中 ， 笔 在 充 满 铁 粉 — 焊 完毕 ， 要对 喷涂层 进行检 查 ， 常用榔头轻轻 的敲 击喷涂层 ， 通 如发出 的孔 内做 圆 周 运 动 ， 粉 融 化 后 再 重 新 填 满 ， 笔 再 进 行 圆 周 焊 补 ， 铁 焊 清脆的声音 ， 示喷涂层 结合 良好 ， 表 如果声音低 哑 ， 则喷涂层 不够 紧 直 至 将 孔 焊 平 ； 材 为 ０１ Ｏ５ 补 ．一 ． ｍｍ 的 焊 丝 时 ， 焊 丝 放 入 孔 中 ， 将 密， 应除掉重 喷 ， 轧辊经 喷涂 后 ， 面较硬 ， 表 加工 时应选 小的切削 量 用 焊 笔将 其 熔 焊 ， 丝 不断 的进 入 孔 中被 熔焊 直至 缩 孔 被 焊 平 ； 焊 当补 进 行车削 ， 后再选粒度粗 而软的砂轮进行磨 削。喷涂工艺示 意图如 材 为 ０１ Ｏ３ ．一 ．ｍｍ 的 薄 片 时 ， 焊 片 置 于 孔 中 （ 孔 ） 孔 上 面 （ 将 大 或 小 下 图 ２： 孔 ）用焊 笔 进 行 焊 补 ， 复 填 充 焊 片 直 至 被焊 平 。⑤ 焊 补 后 ， 行机 ， 反 进 械 ） Ｔ 或用 手 握 式 电动 工 具修 整 。 用 修 补 机 对砂 眼 、 孔 的 修 补 效 Ｊ Ｕ 利 缩 果 良好 ， 尤其 是 利 用 基 体 材 料修 补 时 ， 眼 几 乎 看 不 出痕 迹 ， 它 的 肉 但 缺点就是效率低 ， 以适用于堆焊不能修 补的缺 陷， 所 要求操作者 工作 时 一 定 要 有 耐 心 ， 慢 滚 动 焊 头 ， 当调 节 压 力 ， 力 太 小 易产 生 火 缓 适 压 花 ， 响 焊 接 效果 。 影
激光熔敷技术在精加工表面修复中的推广与应用
（作者单位：一重集团天津重工有限公司）激光熔敷技术在精加工表面修复中的推广与应用◎潘恩泽刘娟一、原因4000t 压力机外螺套外圆有严重研伤，但由于其余尺寸均已加工到量，无法使用热输出量较大的氩弧焊和气保焊修复。
二、问题解决1.活件状态。
通过工件表面研伤情况可以看出，表面研伤较为严重，缺陷深浅不一面积较大，分部也比较分散，所以无法通过局部补焊钳工研磨的方法进行修复，同时与外螺套配合的套也出现了大面积研伤，所以通过机加去除套内孔缺陷后确定了套内孔的尺寸。
最终为了不影响产品其他精加工面尺寸，最终决定将外圆柱单边车削0.5mm 去除缺陷后采用激光熔敷焊接技术完成φ700e8外圆柱的缺陷修复。
（1）焊接层数的选择：因与外螺套配合的铸铁件（套）也出现大量研伤，研伤同样采用以最小量去除缺陷，但因缺陷过于深，外螺套需要堆焊2层才可达到产品装配要求。
（2）焊前缺陷去除。
原定方案为将外螺套找正（0.05mm 以内），单边加工0.5mm 后直接补焊。
2.外圆柱激光熔敷焊接。
正式焊接前复检工件尺寸及同轴度，装夹激光发射机头插好激光光纤，连接冷却水管路、安装送粉管路、调节送粉机氩气压力0.3MPa、保护气流量约10ml，打开冷却水箱、稳压器、操作机、打开激光器电源，设置好先前试验参数（P：2700W，N：0.5r/min，f：1.1mm/n ），匹配号激光光斑和送粉粉斑的位置后开始进行焊接，焊接时需要注意以下过程。
（1）观察送粉情况是否顺畅，机头送粉嘴是否有异物。
（2）送粉机氩气瓶容量是否有漏气或者压力不足的情况，如有发生尽快停止焊接更换氩气瓶。
（3）焊接过程中机头机床是否存在漏油现象，避免机油污染激光头。
（4）焊接时光纤的曲度，由于光纤禁止弯折所以焊接中尽量保证光纤位置正确。
（5）观察送粉机粉末容量，在用光钱及时补充粉末，以免出现焊接质量事故。
（6）经常查看焊接机头温度，如出现机头过热的情况需立马停止焊接，查找原因，以免损坏激光镜片及激光光纤。
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Applied Physics 应用物理, 2018, 8(7), 331-335Published Online July 2018 in Hans. /journal/apphttps:///10.12677/app.2018.87042The Study and Application in Roller Surface Repaired of Laser Cladding TechnologyRui ZhouRizhao Company in Shandong Iron and Steel Group, Rizhao ShandongReceived: Jul. 3rd, 2018; accepted: Jul. 16th, 2018; published: Jul. 23rd, 2018AbstractLaser cladding technology is a new type of surface engineering technology. The research status of the laser cladding is summarized, and the existing problems and solution of the technology are re-viewed. Finally, the development trend and industrial application prospect of the technology in the future are put forward.KeywordsLaser Cladding, Coating Properties, Powder Particles, Lasers激光表面熔覆技术的研究及其在轧辊表面修复中的应用周瑞山东钢铁集团日照有限公司，山东日照收稿日期：2018年7月3日；录用日期：2018年7月16日；发布日期：2018年7月23日摘要激光熔覆技术是一种新型的表面工程技术。
本文介绍了激光表面熔覆技术的研究现状，提出了激光表面熔覆技术领域存在的主要问题及解决途径，展望了激光表面熔覆技术的发展趋势及工业应用前景。
关键词激光熔覆，熔覆层性能，粉末材料，激光器周瑞Copyright © 2018 by author and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/1. 前言上世纪中叶，世界上第一台激光器研制成功，随后在各个领域的应用不断拓宽。
作为新兴的表面改性技术，激光熔覆技术在进入80年代后得到了迅速的发展。
激光表面熔覆技术是利用高能密度的激光束所产生的极快速的动态熔化与凝固过程，将预先涂覆或输送到基体表面的涂层材料在其表面形成与基体相互溶合的、具有完全不同成分与性能的合金覆层，与之形成冶金结合，彻底改变表面组成成分，以改善材料表面性能的一种工艺。
与传统的机械加工去除法、电弧堆焊法、热喷涂技术[1]等比较，激光表面熔覆技术作为一种新的技术，具有改性层厚度大、工件变形量小、处理层与基体为冶金结合且结合强度高、可在大气中实施且难易程度低等优点[2]，覆层具有优异的耐磨、耐蚀、耐热的性能，因此具有广阔的工业应用前景。
轧辊作为轧机的重大关键部件，其表面质量对轧钢的品质和生产效率有很大影响。
在轧制过程中轧辊经历力循环和热循环的双重作用，表面会产生氧化、裂纹、磨损、甚至断辊等失效缺陷。
如何利用激光熔覆技术对轧辊进行有效修复，是目前轧钢行业一直努力探究的方向。
2. 轧辊表面激光熔覆层的组织及性能合金、陶瓷、复合熔覆粉末经激光束处理后，和轧辊基材表面金属一起溶化，凝固成具有优异性能的熔覆层，其表面硬度明显提高，为熔覆层获得优良的耐磨性提供了保证。
除了熔覆材料本身硬度较高外，由于激光熔覆的快速加热和快速冷却远远偏离了平衡过程，所以激光熔覆所具有的过饱和固溶强化、组织细化、弥散强化、沉淀强化也起着不可忽视的作用。
陶瓷颗粒増强金属基复合激光熔覆层以金属或合金为基体，陶瓷颗粒作为第二相分布其中，陶瓷颗粒和金属基体发挥各自的优势，使熔覆层材料能兼有二者的良好性能。
杨胶溪[3]等用激光熔覆技术对9Cr2Mo轧辊表面进行修复，制备出了由碳化物、硼化物増强Fe基激光熔覆层，熔覆层致密无缺陷，硬度比轧辊高，能够满足轧辊使用条件下的硬度要求。
陈长军[4]等在冶金精密轧辊表面激光熔覆了Ni + WC粉末，结果表明：熔覆层组织细化，与基材属于冶金结合，硬度高达HV1076，比轧辊硬度提高了近一倍。
因此激光熔覆技术适用于轧辊这种局部磨损、冲击、剥蚀、氧化腐蚀的表面修复。
激光熔覆所形成的涂层具有结合强度高、致密度高、稀释度低、涂层部位可控、组织细小及性能优良等特点，有着广阔的应用前景。
利用激光熔覆的手段，在低成本材料表面熔覆金属陶瓷，在保留基体金属高的强韧性的同时，使表面获得耐磨、耐蚀、抗疲劳及良好的高温性能，达到节约贵重材料的目的。
3. 熔覆材料、方式及设备的研究目前应用最广的是粉末材料。
熔覆粉末一般根据材料的组分构成可以分为自熔性合金粉末、陶瓷粉末和复合粉末。
自熔性合金粉末根据粉末体系的不同，包括Co基、Ni基、Fe基合金。
由于Fe基复合材料具有和轧辊成分接近、能够在钢铁、铁合金表面有较好的润湿性、与基材结合牢固、价格低廉等优点，在轧辊的修复或者表面耐磨强化方面应用广泛。
陶瓷粉末材料由于其热膨胀系数等热物理性能与轧辊基材差异较大，由于内应力的作用易导致熔覆层开裂甚至局部脱落，限制了陶瓷材料的应用，基本上还处于实验室研究阶段。
在金属合金粉末中加入具有各种优异性能的陶瓷粉末组成的金属—陶瓷复合材料是周瑞激光熔覆中应用最为广泛的一种材料，这种结构的熔覆层既具有韧性较好金属基体，又有硬度高、耐磨性和热稳定性好的陶瓷增强相，综合性能较好。
熔覆材料的引入方式主要分预置式和同步送粉式两种。
预置涂层法是先采用某种工艺如粘接剂预涂覆、热喷涂、电镀等在基材表面预置一层金属或合金涂层材料，然后用激光束使其熔化并与表面微熔的基材一同快速冷却而获得与基材良好冶金结合的熔覆层。
同步送粉法则是在激光束照射基材的同时，将待熔覆的材料送入激光熔池，经熔融、冷凝后在基材表面形成熔覆层的工艺过程。
两种工艺方法各有优劣，预置涂层法操作简单，使用方便；同步送粉法具有工艺参数、过程易实现自动化控制，激光能量吸收率高(为预置法所需能量的一半)，降低覆层的稀释率和基材的热影响，覆层宏观质量可控，生产效率高等优点。
在进行激光熔覆的过程中，可以通过调节粉末流速、粉末喷嘴形状以及激光束聚焦点相对基体表面的高度等工艺参数，实现熔覆层和基体的良好结合。
目前应用于激光熔覆的设备主要是CO2激光器和固体激光器。
CO2激光器因其功率高、效率高、光束质量高，成为应用最广、种类最多的一种激光器。
固体激光器(光纤激光器、碟片激光器、二极管激光器)具有转换效率高、性能可靠、寿命长、输出光束质量好等特点，而碟片激光器更适合高反射率材料的熔覆。
在光路系统方面国外已研制出矩形积分反射镜、点状振动反射镜和透射式或透反射式的导光系统，且国外光导纤维已可传输的激光功率达千瓦；国内已有适于千瓦级CO2激光器的宽带熔覆扫描转镜，在2 kw下的单道熔覆宽度可达15 mm。
在送粉装置方面，Grunenwald等[5]设计了一种新的送粉系统，配套测量装置可反馈信息，保证整个处理过程供给速率恒定。
由于其高度集成和重量较轻，整个供给装置可安装在激光工作头上。
国内由于受送粉设备发展的限制，主要采用预置粉末法，同步送粉法也有一定程度的发展，天津工业大学研制成功转镜宽带涂覆系统，清华大学研制成功TH系列送粉激光熔覆系统，文献[6] [7]介绍了自动化送粉装置及其工艺和反射宽带聚焦镜激光熔覆装置。
4. 熔覆层质量控制的研究熔覆层的质量直接影响其性能。
影响熔覆层质量的主要因素有材料特性、光束质量、工艺参数、外界环境等。
熔覆层的质量问题主要有裂纹、氧化烧损、粗糙度、稀释率等。
4.1. 裂纹在激光熔覆过程中，高能密度的激光束的快速加热熔化使熔融层与基材间产生了很大的温度梯度。
在随后的快速冷却中，这种温度梯度会造成熔凝层与基材的体积胀缩的不一致性，使其相互牵制形成了熔凝层的内应力。
这种应力通常为拉应力，往往导致熔覆层的开裂和基材的变形。
裂纹按产生的位置分成3类：熔凝层裂纹、界面基体裂纹、和搭接区裂纹。
以界面基体裂纹为最常见。
国内外专家围绕如何降低熔覆层的开裂敏感性，开展了许多研究[8] [9] [10]。
对熔覆的基体材料进行一定温度的预热和后续处理，将会有效地将低温度梯度，降低热应力，有利于抑制熔覆层裂纹的产生。
但预热和缓冷削弱了激光快速加热和快速冷却的优势。
增加含Ni量，能有效降低Fe-Cr-Ni-B-Si熔覆层的开裂敏感性。
适当提高能量密度可显著降低开裂倾向，在熔池中施加电磁搅动也可使裂纹减少。
每次涂覆尽量降低涂覆层厚度，以平面应力状态代替应变状态，可以降低开裂倾向。
复合涂覆技术也可以降低开裂倾向，是目前研究的热点。
其原理是在基体与涂覆层间引入一个中间过渡层，使涂层组成与性能沿厚度方向连续梯度变化，金属基体与陶瓷相涂层间无明显界面，可有效地削弱涂层中的应力，提高涂层和基材的结合强度，减少裂纹的产生。
但该技术较为复杂，生产成本也很高。
4.2. 基材变形对于防止基材变形，一般采用以下措施：用热处理法消除基材的内应力；尽量选择较薄的熔覆层；周瑞采用预热和后热工艺；采用预应力拉伸、预变形或夹具固定的方法减少或防止基材的变形。
4.3. 氧化与烧损在高能激光的作用下，如何减少合金元素的氧化与烧损也是一个问题。
目前最常采用的方法是实施Ar气氛保护。
但应注意气体流变问题。
文献[11]发现氦气保护优于氩气和氮气，能产生最好的表面光洁度，最细化的微观组织，最高的冷却速率，最高的表面硬度，但氦气的成本也最高。
4.4. 表面粗糙度激光熔覆易造成表面凹凸不平，即折皱现象，导致表面粗糙度增大。
引起折皱现象的主要原因是在激光作用下，合金熔池表面存在大的径向表面张力梯度。
这种大的径向表面张力梯度具有双重效应，它不仅引起了高温下合金元素的快速混合，而且导致了其凝固表面的凹凸不平。
研究表明[12]，高功率密度(107W/cm2)和短的相互作用时间有助于降低表面粗糙度。
在功率给定的情况下，表面粗糙度与扫描速度的关系存在一个极大值。
也可以采用低功率密度或快扫描速度进行激光二次重熔处理的方法降低表面粗糙度。