一种异形复杂截面构件梯度增材再制造方法及装备技术

本发明专利技术公开了一种异形复杂截面构件梯度增材再制造方法及装备，该方法包括以下步骤：S1、对失效轧辊服役工况进行有限元仿真，根据轧辊应力场和温度场，确定轧辊梯度材料分层结构；将轧辊由内到外分为多层，通过对每层焊材的选择，实现轧辊各区域的等寿命设计；S2、根据分层结果分析轧辊修复所需的工艺参数，并发送给PLC控制器；S3、将轧辊预热到预设温度后，焊接装置对轧辊梯度分层的最里层进行电弧增材堆焊，锻打装置开始工作，对堆焊形成的焊道区域进行锻打；堆焊和锻打的工艺参数由PLC控制器控制焊接装置和锻打装置实现。本发明专利技术能够对异形复杂截面轧辊实现梯度功能精确堆焊修复，在提高轧辊寿命的同时降低了轧辊修复制造成本。本。本。

【技术实现步骤摘要】
一种异形复杂截面构件梯度增材再制造方法及装备


[0001]本专利技术涉及冶金装备
，具体涉及一种异形复杂截面构件梯度增材再制造方法及装备。

技术介绍

[0002]我国是世界公认的制造大国、世界加工厂，对轧钢的生产和消耗需求巨大。轧辊作为轧钢生产线的主要消耗零部件，直接影响着轧钢的生产品质和成本。随着我国钢铁行业的发展，对辊子的质量和寿命要求越来越高。此外，降本增效也成为各大钢厂提高企业竞争力的核心策略。随着增材再制造技术的快速发展，钢铁企业对轧辊的修复和再制造技术展开了广泛的探索。目前激光熔覆技术和基于埋弧焊的堆焊修复技术成为轧辊修复的两个重要方向。由于堆焊技术具有效率高、成本低、材料成分稳定、设备简单等优势，逐渐成为轧辊修复的主流技术，堆焊技术也在各大钢厂得到了广泛应用。
[0003]目前现存的轧辊堆焊再制造修复技术存在如下问题：首先，轧辊在服役时表层应力状态与芯部应力状态差异较大，采用一种材料修复轧辊时，表层材料和内部材料的力学性能不能差异化处理，进而轧辊不同区域不能达到等寿命。其次，堆焊时焊缝结晶从熔池壁向中心推进，形成粗大的柱状晶组织，且焊缝中心易出现杂质、缩松等缺陷；此外，由于结晶从熔池壁向中心推进，高熔点合金元素首先在熔池壁析出，导致熔池壁和焊缝中心的元素分布不均匀，进而形成区域偏析和显微偏析。通常显微偏析可以通过热处理消除，然而由于粗大柱状晶对区域偏析元素形成了隔离效应，进而导致区域偏析难以通过热处理消除；这些区域偏析、焊缝区域的铸态组织、和残余拉应力导致轧辊在服役时出现应力腐蚀剥落，轧辊宏观呈现出焊道痕迹，极大限制了轧辊寿命的提升。最后，目前主流的轧辊修复工艺及装备不能对异形复杂截面的轧辊进行焊锻复合再制造修复。
[0004]因此，针对现有轧辊堆焊修复与再制造技术存在的上述问题，提出一种能够显著改善修复与再制造效果、提高轧辊使用寿命的新方法，已成为本
亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是：如何提供一种异形复杂截面构件梯度增材再制造方法及装备，解决现有堆焊修复技术对轧辊不同区域不能达到等寿命设计，不能实现异形复杂截面轧辊的梯度材料修复问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种异形复杂截面构件梯度增材再制造方法，包括以下步骤：S1、对失效轧辊服役工况进行有限元仿真，根据轧辊应力场和温度场，确定轧辊梯度材料分层结构；将轧辊由内到外分为多层，通过对每层焊材的选择，实现轧辊各区域的等寿命设计；S2、根据分层结果分析轧辊修复所需的工艺参数，并发送给PLC控制器；S3、将轧辊预热到预设温度后，焊接装置对轧辊梯度分层的最里层进行电弧增材
堆焊，锻打装置开始工作，对堆焊形成的焊道区域进行锻打；堆焊和锻打的工艺参数由PLC控制器控制焊接装置和锻打装置实现；S4、最里层堆焊结束后，重复步骤S3，由内向外依次完成轧辊梯度剩余层电弧增材堆焊和锻打；S5、最后再对修复后的轧辊进行焊后处理、精加工，即实现轧辊梯度增材再制造。
[0007]进一步地，焊接装置根据轧辊尺寸变化在轨道上作轧辊径向、轧辊轴向和垂直方向移动，锻打装置根据轧辊尺寸变化在轨道上作轧辊径向和轧辊轴向移动，且锻打装置和焊接装置轴向移动速度相同；轧辊通过机头驱动绕轧辊轴线转动，从而在轧辊圆周表面上以异形螺旋线的形式满焊设定厚度的焊材。
[0008]进一步地，焊接装置的焊枪位于轧辊轴线上方并竖直朝下，锻打装置的锻打方向水平朝向轧辊轴线，锻打装置和焊枪在轧辊轴线上错开设定距离，当焊接形成的焊道随轧辊转动四分之一圆周后，锻打装置在对应轨道上正好滑移该设定距离，从而进入锻打区域；同时控制轧辊的转动速度，使轧辊转动四分之一圆周后焊道处于预设温度范围内。
[0009]进一步地，在步骤S2中，分析轧辊修复所需的工艺参数时结合工艺参数推荐系统进行，工艺参数推荐系统包括BP人工神经网络响应部分、遗传算法工艺参数反求部分和工艺参数评价部分，控制中心对工艺参数推荐系统推荐的工艺参数进行解析，并发送给PLC控制器，通过PLC控制器控制焊接装置、锻打装置和加热保温装置实时协同工作。
[0010]进一步地，锻打装置的锻打频率控制在10～50Hz。
[0011]进一步地，在步骤S3的预设温度控制在300～450℃。
[0012]本专利技术还提出一种异形复杂截面构件梯度增材再制造装备，包括底座，在底座上设有支架，在底座上位于支架一侧固定安装有机头，机头上设有用于将待加工轧辊一端卡紧的三爪夹盘，以使轧辊在机头驱动下可沿轧辊轴线转动，在底座上远离机头一端设有用于将待加工轧辊另一端顶紧的顶针机构，在支架上安装有与待加工轧辊轴线平行的轴向焊接滑轨，轴向焊接滑轨上滑动设有第一固定座，第一固定座上固定设有径向焊接滑轨，以及与第一固定座滑动连接的竖直焊接滑轨，在径向焊接滑轨上滑动设有焊接装置，焊接装置的焊枪位于带加工轧辊上方并竖直向下朝向轧辊轴线；在支架上设有与轴向焊接滑轨平行的轴向锻打滑轨，在轴向锻打滑轨上滑动设有第二固定座，第二固定座上固定设有径向锻打滑轨，径向锻打滑轨上滑动设有锻打装置，锻打装置的锻打方向水平朝向待加工轧辊轴线；锻打装置和焊接装置轴向滑移速度相同且两者在轧辊轴向上错开设定距离，锻打装置在该设定距离上的滑移时间与轧辊转动四分之一圈的时间相同；在位于机头与顶针机构之间的底座上设有加热保温装置，用于对待加工轧辊加热保温，使其温度维持在预设温度。
[0013]进一步地，还包括PLC控制器，PLC控制器的输入连接工艺参数推荐系统的输出，PLC控制器的输出分别连接焊接装置的焊枪、锻打装置的伺服电机和加热保温装置的电磁阀；PLC控制器，用于接收工艺参数推荐系统分析轧辊修复所需的工艺参数，并根据工艺参数控制焊枪、伺服电机和电磁阀的协同工作。
[0014]进一步地，所述加热保温装置为多个，且间隔均匀设置，每个加热保温装置的火焰喷头位于轧辊正下方并朝向轧辊轴线；所有加热保温装置均由燃气设备提供燃烧热量，并通过电磁阀控制燃气设备供气量来控制火焰大小，以使待加工轧辊温度维持在预设温度。
[0015]进一步地，锻打装置包括锻打座，锻打座呈矩形槽体结构，在锻打座外表面水平滑
动设有滑动座，以及转动设有凸轮，凸轮与滑动座之间通过连杆连接，以通过连杆带动滑动座水平往复滑移，滑动座上设有锤头，用于对焊接形成的焊道区域进行锻打；在锻打座内设伺服电机，伺服电机转轴与凸轮转轴联接。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1、通过对轧辊服役工况进行有限元仿真，精确计算轧辊不同区域的服役负载，通过增材制造工艺将性能不同的材料堆焊到对应区域，实现轧辊各区域的等寿命设计，进而在大幅提升轧辊服役寿命的同时显著降低再制造成本。
[0017]2、焊接装置的轴向、径向和竖直方向，与锻打装置的轴向、径向进行五轴联动控制，可实现任意复杂截面轧辊的堆焊修复，对主流轧辊的修复实现全覆盖。
[0018]3、频率可调电动锻打装置能够精确本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异形复杂截面构件梯度增材再制造方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对失效轧辊服役工况进行有限元仿真，根据轧辊应力场和温度场，确定轧辊梯度材料分层结构；将轧辊由内到外分为多层，通过对每层焊材的选择，实现轧辊各区域的等寿命设计；S2、根据分层结果分析轧辊修复所需的工艺参数，并发送给PLC控制器；S3、将轧辊预热到预设温度后，焊接装置对轧辊梯度分层的最里层进行电弧增材堆焊，锻打装置开始工作，对堆焊形成的焊道区域进行锻打；堆焊和锻打的工艺参数由PLC控制器控制焊接装置和锻打装置实现；S4、最里层堆焊结束后，重复步骤S3，由内向外依次完成轧辊梯度剩余层电弧增材堆焊和锻打；S5、最后再对修复后的轧辊进行焊后处理、精加工，即实现轧辊梯度增材再制造。2.根据权利要求1所述的一种异形复杂截面构件梯度增材再制造方法，其特征在于，焊接装置根据轧辊尺寸变化在轨道上作轧辊径向、轧辊轴向和垂直方向移动，锻打装置根据轧辊尺寸变化在轨道上作轧辊径向和轧辊轴向移动，且锻打装置和焊接装置轴向移动速度相同；轧辊通过机头驱动绕轧辊轴线转动，从而在轧辊圆周表面上以异形螺旋线的形式满焊设定厚度的焊材。3.根据权利要求2所述的一种异形复杂截面构件梯度增材再制造方法，其特征在于，焊接装置的焊枪位于轧辊轴线上方并竖直朝下，锻打装置的锻打方向水平朝向轧辊轴线，锻打装置和焊枪在轧辊轴线上错开设定距离，当焊接形成的焊道随轧辊转动四分之一圆周后，锻打装置在对应轨道上正好滑移该设定距离，从而进入锻打区域；同时控制轧辊的转动速度，使轧辊转动四分之一圆周后焊道处于预设温度范围内。4.根据权利要求1所述的一种异形复杂截面构件梯度增材再制造方法，其特征在于，在步骤S2中，分析轧辊修复所需的工艺参数时结合工艺参数推荐系统进行，工艺参数推荐系统包括BP人工神经网络响应部分、遗传算法工艺参数反求部分和工艺参数评价部分，控制中心对工艺参数推荐系统推荐的工艺参数进行解析，并发送给PLC控制器，通过PLC控制器控制焊接装置、锻打装置和加热保温装置实时协同工作。5.根据权利要求1所述的一种异形复杂截面构件梯度增材再制造方法，其特征在于，锻打装置的锻打频率控制在10～50Hz。6.根据权利要求1所述的一种异形复杂截面构件梯度增材再制造方法，其特征在于，在步骤S3的预设温度控制在300～...

【专利技术属性】
技术研发人员：周杰，肖贵乾，张焱城，张建生，赖世强，李国文，郑超，廖保莲，权国政，卢顺，
申请(专利权)人：重庆杰品科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：