轧机牌坊激光修复课件

轧机牌坊激光修复一、牌坊的失效原因1.1闭口式机架的牌坊闭式机架是一个整体框架，具有较高强度和刚度。闭式机架主要用于轧制力较大的初轧机、板坯轧机和板带轧机等。1.2开口式机架的牌坊开式机架有机架本体和上盖两部分组成，它主要用在横列式型钢轧机上，其主要优点是换辊方便。一、牌坊的失效原因2.轧机牌坊的工作环境及危害轧机工作过程中，轧制冷却水遇到红灼的钢坯迅速雾化，夹带着从钢坯表面脱落的氧化铁粉末向四周喷射，这些异物可进入到牌坊的工作面，而工作面还承受着巨大的工作载荷；受轧制的冲击和冷却水腐蚀和氧化粉尘等磨粒存在，造成了轧机机架牌坊内侧窗口面、机架牌坊底面、外机架辊平面和内机架辊安装孔等均出现了不同程度的腐蚀磨损,使轧机机架与轧辊轴承座间隙难以有效控制管理，时常出现轧机机架与轧辊轴承座间隙超过管理极限值现象，造成了轧机工作时对机架的冲击增大，加速了机架的磨损。热连轧机组的精轧机机架窗口面的磨损，轧机牌坊间隙增大,还将直接影响到板形的控制，对产品质量造成很大影响。一、牌坊的失效原因通常一台轧机的设计使用寿命大概是30-40年，理论上轧机牌坊的使用寿命应该与轧机同寿，但是实际工况条件下，轧机牌坊的使用年限却仅为12-15年，造成使用缩短的主要原因就是牌坊工作面的腐蚀和磨损。我国现在大多钢厂使用的轧机牌坊购价介于1500-3000万元之间，个别价值可达2亿元，如果损坏后直接选择更换牌坊，将对钢厂造成很大的经济损失，另外钢厂不但要承担其制造费用，而且由于牌坊的更换约需要6个月左右，停产的时间较长，经济损失巨大。一、牌坊的失效原因3.牌坊的失效原因分析3.1牌坊现场腐蚀产物分析对宝钢条钢厂初轧1#机牌坊表面的黑色腐蚀粉末采用PhilipsXL30扫描电镜（SEM）和能谱（EDAX）分析。形貌观察结果和能谱元素分析结果如图2所示，黑色粉末颗粒主要组成元素为铁和氧，腐蚀粉末主要是25#钢在工况环境中形成的氧化产物。图2轧机牌坊表面黑色腐蚀粉末形貌SEM照片及EDAX分析一、牌坊的失效原因3.2牌坊冷却水分析

宝钢轧机牌坊的冷却水样中不含有腐蚀性元素，水质为一般工业用水，检测结果如图3所示，水中基本不含对牌坊基体腐蚀性较强的物质。图3条钢厂初轧单元及2050热轧单元冷却水样测试一、牌坊的失效原因

3.3牌坊的失效原因

根据分析结果可知：宝钢轧机牌坊的主要失效原因为自然环境中的氧化和高温水蒸气腐蚀。因此根据金属所的检验报告以及牌坊的失效原因，初步设计思路是如何针对牌坊的工作面进行防腐处理，提高牌坊工作面的抗腐蚀与磨损的性能，从而达到延长寿命的目的。二、牌坊的修复方案1.机械加工去除法在线机械加工的方式即通过机械加工去除材料，清除牌坊表面受损层找平接触面，扩大的尺寸通过增加衬板厚度来补偿。这种修复方式操作简单方便，但并未改变牌坊面的性质，使用一段时期后牌坊表面又会受到腐蚀磨损而失效，而且多次机械加工将会对牌坊的强度和刚度产生不利影响。考虑到精轧机对刚度的敏感性，可供加工的余量不多，该修复方法只能是权宜之计。二、牌坊的修复方案2.电弧堆焊法电弧堆焊方法即恢复机加工后去除材料扩大的尺寸，并且通过堆焊一层防腐耐磨材料从而改变牌坊表面的性质，提高牌坊的寿命。在牌坊这样的刚性结构上进行大面积的电弧堆焊可能会造成牌坊结构的变形。如果结构发生扭曲失稳变形这将是致命的，无法再进行矫正，这是工厂生产中绝不允许发生的事情。因此该修复方法将带来较大的风险，一般不予采用。二、牌坊的修复方案3.激光表面熔覆激光表面熔覆为非接触式加工且输入热量可控。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。因此可以先采用机械加工的方法去除牌坊表面的腐蚀层和磨损的疲劳层，然后选取耐腐蚀性和耐磨性都优于基材的粉末，采用激光熔覆的方法对牌坊进行修复，这样既避免了多次去除材料给牌坊造成的强度下降的缺陷，又避免了堆焊造成的因应力集中导致的变形问题，而且提高了牌坊的耐腐性和耐磨性。三、对比试验的设计与实施1.激光熔覆与堆焊的变形情况对比

根据轧机机架牌坊实际结构形式，基本按比例缩小，同时按照宝钢条钢厂

1＃初轧机牌坊基体材料成分进行铸造，成分如表1所示，然后机械加工至堆焊前的形状及尺寸如图4所示。材料C（%）Si（%）Mn（%）S（%）P（%）其他元素（%）条钢厂1#初轧机牌坊0.180.490.710.0060.010Cr:0.17;Ni:0.10;Mo:0.042Cu:0.11;V＜0.02表1宝钢条钢厂

1＃初轧机牌坊基体材料成分图4牌坊模拟件堆焊前尺寸三、对比试验的设计与实施三、对比试验的设计与实施1.1牌坊模拟件激光熔覆试验模拟牌坊实际修复工况，在模拟件内框两侧立面上进行激光熔覆试验，两立面上一侧熔覆钴基材料，另一侧为铁基合金。激光熔覆过程及熔覆层形貌如图5所示，熔覆后结构尺寸如图6，与激光熔覆之前相比，尺寸上基本没有什么变化，即激光熔覆一薄层合金材料对于牌坊模拟件整体结构尺寸上影响很小。图5激光熔覆过程及熔覆层形貌图6激光熔覆后的结构尺寸三、对比试验的设计与实施三、对比试验的设计与实施1.2牌坊模拟件电弧堆焊试验

将激光堆焊层及其热影响区铣去以后，再进行模拟件电弧堆焊试验，以评估电弧堆焊对整个结构的各项影响。电弧堆焊试验采用手工氩弧焊，立面横焊，堆焊两层，均采用奥氏体不锈钢焊丝。

焊后形貌及焊后结构尺寸如图7和图8所示。从图8中可以看出，手工氩弧堆焊后整个结构宽度方向尺寸变大了0.3~0.4mm左右。图7牌坊模拟件电弧堆焊过程形貌图8牌坊模拟件电弧对焊前后的结构尺寸三、对比试验的设计与实施三、对比试验的设计与实施1.3结论

从牌坊模拟件的对比试验可以看出采用手工堆焊后的尺寸变大0.3-0.4mm，而激光熔覆后的变形尺寸很小0.01-0.05mm，基本没有变化，变形量小于电弧堆焊的模拟件，由此可以说明在控制变形方面激光熔覆效果好于电弧堆焊。三、对比试验的设计与实施2.激光熔覆与堆焊的应力对比2.1牌坊模拟件结构应力测试在堆焊修复过程中，基体结构受热以及焊缝冷却收缩等都会在基体结构中产生动态的结构应力。为评估牌坊堆焊修复过程中结构应力的变化及对牌坊本体造成的影响，特在牌坊模拟件的堆焊试验中进行了动态结构应力的测量，监测整个堆焊过程中的动态结构应力的演变情况，以评价堆焊过程对牌坊整体结构所造成的影响。在该试验中对激光熔覆过程及电弧堆焊过程分别进行了动态结构应力的监控，应变片的粘贴如图9所示。图9结构应力测量应变片粘贴位图三、对比试验的设计与实施三、对比试验的设计与实施试验结论：激光熔覆和普通手工堆焊方法相比，激光熔覆产生的应力较小，普通堆焊产生的应力较大，最大应力发生在立柱的中间部位。根据现场的尺寸检测结果，采用普通手工堆焊的立柱确已存在变形的现象。

对于牌坊模拟件结构，当堆焊从立柱的下部往上部顺序堆焊过程中，在焊接点位置，垂直方向的应力会在焊接后的冷却过程中逐步减小，而水平方向的应力不会下降。随着堆焊层数和厚度的增加，水平方向的应力会进一步加大，当超过材料的屈服极限时，会产生横向变形。

一侧的立柱的堆焊产生的热量不会引起另一侧立柱的温度过快的增高，其堆焊过程对另一侧立柱产生的应力影响较小。三、对比试验的设计与实施2.2牌坊模拟件残余应力测量分别在激光熔覆前后以及电弧堆焊前后进行牌坊结构残余应力的测量，以评估大面积堆焊后整个结构中残余应力的状态。残余应力的测量委托上海交通大学材料科学与工程学院进行，测量方法选择盲孔法，测量后对残余应力进行了比较。三、对比试验的设计与实施2.2.1残余应力测点分布根据牌坊结构的特点，选择了六个特征点进行残余应力测量，其分布见图10。堆焊表面在牌坊内侧的左右两个面上，每次堆焊后的测点距离原有测点要大于50mm。图10残余应力测点位置三、对比试验的设计与实施2.2.2残余应力的测量

残余应力的测量采用盲孔法应变测量技术，测量被测表面的平面应力。应变片采用上海应变计厂生产的盲孔法专用CA-120型0°—90°—45°三向应变花，应变测量仪为上海华东电子仪器厂生产的YJ-16静态电阻应变仪。在获得盲孔法实测应变后，再用盲孔法专用计算公式求得测点残余应力。图11是盲孔法测量残余应力时的实况图。图9残余应力测量实况图三、对比试验的设计与实施三、对比试验的设计与实施2.2.3残余应力的比较

根据测量的应变值计算应力值，表2是堆焊前牌坊的原始应力，从表中可以看出原始状况应力水平不高，最大主应力在90MPa以下，最小主应力低于70MPa。三、对比试验的设计与实施表2堆焊前牌坊的原始应力原始应力计算参数ABC状况焊后焊缝-2.7-2.4135上钢三厂绣花机钢结构地点宝钢日期2007.7.9人员徐济进陈立功张超测量与计算序号应变测量值（με）夹角（弧度）应力计算值（Mpa）0°90°45°γΣmaxσminDσσZΣθ环向轴向1-9622-95-0.7849153444202-231-73-198-0.5372343870373-123-20-320.6552252749284-96260-114-0.8365-4511047-275-219-207-218-0.696663366636-251-235-1521.488951387268三、对比试验的设计与实施表3是采用激光熔覆铁基合金和钴基合金后的残余应力结果，比较表3和表2中的数据可以看出，框架侧面应力有所上升，但幅度不大。1＃、3＃测点约达90MPa，但2＃测点略有下降，为43MPa，4＃测点上升较大达139MPa。5#和6#点是同一个测点，钻了两次，第一次钻孔深度约1mm，第二次钻到基体，两次计算的应力值比较接近，说明应变已经释放完，7#点没有钻进去，从表中可以看出，熔覆铁基合金使表面残余应力上升，最大主应力达220MPa，最小主应力达到170MPa（指钻透堆焊层的结果，用Q345参数计算）。而熔覆钴基材料的表面，由于钻头的原因，无法钻孔，因此不能测量其应变和残余应力。三、对比试验的设计与实施表3激光熔覆后的原始应力激光堆焊后应力计算参数ABC状况焊后焊缝-2.7-2.4135上钢三厂绣花机钢结构地点宝钢-1.8-3.2125上海蕴藻浜大桥钢结构人员陈立功徐济进倪纯珍饶德林日期2007.8.10测量与计算序号应变测量值（με）夹角（弧度）应力计算值（Mpa)0°90°45°γσmaxσminDσσZσθ环向轴向171-294-92-0.11847768842-96-76-88-0.204339443393-107-276-81-0.9289315843784-75-508-99-0.7313919121341245-652-498-3821.19227162652061826-637-538-4551.21220176442061907-264-218-1981.08109941510598三、对比试验的设计与实施

表4是堆焊不锈钢层的残余应力，从表中可以看出，应力水平明显上升，其中侧面中央贴近堆焊面的3＃测点达287MPa，达到或超过材料屈服应力。估计由于多次堆焊和机加工的热应变强化和加工硬化响应而造成。堆焊面应力约220MPa，略低于3＃测点水平，估计由于不锈钢的低温相变，使母材残余应力达到峰值后，堆焊面再出现下降而造成。三、对比试验的设计与实施表4激光熔覆后的原始应力

原始应力

计算参数ABC

状况焊后焊缝-2.7-2.4135上钢三厂绣花机钢结构地点宝钢-1.92-4.0150上海锅炉厂核聚变钢结构人员陈立功徐济进倪纯珍饶德林日期2007.8.10测量与计算序号应变测量值（με）夹角（弧度）应力计算值（Mpa）

0°90°45°γΣmaxσminDσσZσθ

环向轴向1-245-552-375-0.151316665671312-477-230-301.2116318144116653-813-911-375-1.4728783204174195476-220-3781.12109-321427695-802-489-5190.68206156502011626-816-476-1130-1.23245117128202160四、激光熔覆性能检测结果通过对比试验可以看出，激光熔覆后的试验件的变形程度和残余应力都小于堆焊的，因此采用激光熔覆的方法对宝钢的轧机牌坊的修复具有可行性。根据宝钢牌坊的失效机理，初步选择了九种激光熔覆金属粉末，并对这几种粉末的熔覆层进行模拟现场的抗氧化性和耐磨损性能测试，最终选取合适的粉末对牌坊进行修复。试验所选取的材料有：铁基粉末一种命名为Fe，镍基粉末四种分别命名为Ni1、Ni2、Ni3、Ni4、钴基粉末四种分别命名为Co1、Co2、Co3、Co4，试验用基材采用与牌坊成分相近的25#钢，用DLA60100型1000W固体激光器进行熔覆，对每一种材料的激光熔覆工艺参数都进行了试验优化，以选出最理想的激光熔覆工艺参数，激光熔覆工艺试验过程如图12所示。图12激光工艺试验四、激光熔覆性能检测结果四、激光熔覆性能检测结果1.抗氧化性能实验在国产恒温烘箱中进行，烘箱温度设定为150℃。试样垂直放入无污染的坩埚之中，每隔20分钟喷水一次，每天定时取出样品在电子天平上称重(精度为10-5g)。氧化前后具有代表性样品形貌采用PhilipsXL30扫描电镜（SEM）和金相显微镜进行表面形貌观察。样品经粗、精磨和表面抛光后，露出金属色泽。所有样品表面平整，无明显缺陷。4种激光熔覆层和25#钢在150℃水蒸气环境中氧化7天后增重见表5和图13。四、激光熔覆性能检测结果Ni1Ni3Co3Fe基基材（25#）1天后试样增重0.007140.007140.007140.007140.035712天后试样增重0.014290.007140.007140.007140.107143天后试样增重0.014290.014290.014290.01429-0.142864天后试样增重0.014290.014290.014290.014290.035715天后试样增重0.014290.021430.014290.014290.178576天后试样增重0.021430.021430.014290.021430.257天后试样增重0.021430.021430.014290.021430.32143表5试样腐蚀增重与时间的关系（单位：g/cm2）图1325#钢和几种激光熔覆层在150℃水蒸气环境中氧化增重四、激光熔覆性能检测结果图14几种激光熔覆层在150℃水蒸气环境中氧化增重比较图四、激光熔覆性能检测结果图13为几种激光熔覆层和25＃钢在150℃水蒸气环境中氧化增重曲线。可见，25＃钢在实验前两天的增重速率远大于几种激光熔覆层，在第3天发生失重，随后质量又急剧增加，7天后平均增重后达0.32g/cm2；而施加激光熔覆层之后，试样的氧化增重明显降低，抗氧化能力显著提高。由于4种激光熔覆层的氧化增重很小。为了进一步区别不同激光熔覆层的抗氧化性能，它们的氧化增重曲线比图由图14给出。可以看出氧化7天后，Co1激光熔覆层抗氧化性能最好，增重仅为0.014g/cm2，为25#钢的1/22；其它3种激光熔覆层增重均为0.021g/cm2，为25#钢的1/15。四、激光熔覆性能检测结果为了更直观的反映出25#钢和几种激光熔覆层150℃水蒸气环境中的抗氧化性能的差异，假定25#钢的增重为1，则几种激光熔覆层相对25#钢的增重如表6和图15所示。表625#钢和几种激光熔覆层150℃水蒸气环境中的抗氧化性能对比25#钢Ni1Ni3FeCo111/15

1/15

1/151/22四、激光熔覆性能检测结果图1525#钢和几种激光熔覆层150℃水蒸气环境中的抗氧化性能对比图四、激光熔覆性能检测结果

25＃钢氧化后表面形貌如图16所示，表面氧化皮在试验过程中发生严重剥落，整个表面呈红褐色。图16-b为16-a中的A区域的放大照片，生成的氧化皮结构很疏松。这可能由于氧化皮主要是结构疏松的铁锈。而几种激光熔覆层在实验后试样表面形貌类似，氧化后样品表面依旧平整，没有明显的红褐色铁锈生成。其典型的氧化后形貌如图17所示，总的来说这些激光熔覆层表面能形成较致密的氧化膜，具有良好的保护性能。

在150℃水蒸气环境中氧化7天后，25#钢增重为0.32g/cm2，抗氧化性能最差。4种激光熔覆层氧化增重均远小于25#钢，其中Co1激光熔覆层增重最低，仅为25#钢的1/22。四、激光熔覆性能检测结果图1625#钢在150℃水蒸气环境下7天后表面形貌SEM照片四、激光熔覆性能检测结果图17Co1激光熔覆层水蒸气实验后表面形貌四、激光熔覆性能检测结果2.耐磨损性能对工艺试验中熔覆的试样进行磨损试验，磨损试验同样采用T-11球盘式摩擦试验机磨损进行，该试验机用于检测材料的摩擦性能，适用于金属、塑料、陶瓷和涂层材料，可以在干摩擦或油润滑条件下进行测试，也可以在室温或较高温度下测试（≤300℃），试验测试结果符合ASTMG99-90标准。该试验机可实现球盘式和销盘式两种条件下的摩擦磨损试验。并由计算机实时记录实验过程中摩擦力的变化。试验机实物图和原理简图见图18。四、激光熔覆性能检测结果图18T-11摩擦磨损试验机实物与原理图四、激光熔覆性能检测结果试验过程中下试样为表面带有激光熔覆层的待磨圆盘，尺寸为Ф25.6×6mm，表面粗糙度Ra<1.6μm。上试样为Φ6.35mm的Si3N4陶瓷球，表面粗糙度Ra=0.012μm。载荷30N，接触点运动速度0.3m/s，运动距离540m，运动时间30min，机油润滑，实验温度为室温。各涂层及基材在相同条件下所得摩擦系数的测量值如表7，摩擦系数对比图如图19。四、激光熔覆性能检测结果Ⅰ号试样Ⅱ号试样Ⅲ号试样摩擦力平均值/N摩擦系数1点2点3点1点2点3点1点2点3点Ni13.353.313.283.353.233.115.4218.4113.217.410.247Ni214.9616.6414.123.333.332.958.0816.7413.0610.360.345Ni312.0817.0317.873.413.293.2211.6916.8316.2511.300.377Ni42.512.512.512.52.512.522.52.522.512.510.084Fe2.452.512.552.512.542.582.432.472.492.500.083Co12.462.462.462.533.072.752.422.462.462.560.085Co22.362.362.342.462.442.442.422.422.422.410.080Co32.752.752.742.462.442.442.442.432.422.540.085Co42.412.412.402.432.442.432.422.442.422.420.08125#2.82.612.592.542.522.592.752.732.712.650.088表725#钢和9种激光熔覆层摩擦系数测量值四、激光熔覆性能检测结果图1925#钢和9种激光熔覆层摩擦系数对比四、激光熔覆性能检测结果从表7和图19中可以看出，Ni1、Ni2、Ni3的摩擦系数远远大于基材，表明该三种涂层的耐磨性能较基材差，其中Ni3的摩擦系数最大，耐磨损性能最差；而其他6种涂层的摩擦系数均比基材的要小，说明其耐磨损性能好于基材。四、激光熔覆性能检测结果25#钢和激光熔覆层磨痕宽的测量值见表8，熔覆层和基材的磨损体积对比见图20，若以基体材料的耐磨性为1，则它们的相对耐磨性对比见图21。从表8、图20和21中可以看出，基材的磨损体积分别为Co4、Ni4、Fe、Co3、Co2、Co1的24.2、21、21、15.6、11.4、8倍；而Ni1、Ni2、Ni3的磨损体积分别为基材的3.7、6.9、9倍。该结果表明Co4、Ni4、Fe、Co3、Co2、Co1的耐磨损性能明显好于基材，其中又以Co4的耐磨损性能最为突出；而Ni1、Ni2、Ni3三种材料的耐磨损性能不如基材，其中又以Ni3的耐磨损性能最差。四、激光熔覆性能检测结果表825#钢和激光熔覆层磨痕宽测量值（单位：0.01mm）Ⅰ号试样Ⅱ号试样Ⅲ号试样平均值磨损体积（mm3）相对耐磨性1点2点3点1点2点3点1点2点3点Ni173716911311812385607988.01.112340.27Ni212511812373787912512l130108.02.0907060.15Ni3837981134141132137141135118.l2.7431090.11Ni423222122222121222321.90.0144421.0Fe22212321202222222421.90.01444521.0Co140464823212417181928.40.038087.97Co223212236343618201925.40.026691l.37Co324222322212025252322.80.0193915.64Co423222119202116201820.00.0125024.2725#534846696475555350570.303351四、激光熔覆性能检测结果图2025#钢和激光熔覆层磨损体积对比图四、激光熔覆性能检测结果图2125#钢和激光各熔覆层相对耐磨性对比图四、激光熔覆性能检测结果通过对实验过程中所获得的摩擦系数和磨损体积的数值进行分析，可以得出如下结论：Ni4、Fe、Co1、Co2、Co3、Co4的相对耐磨性均较高，耐磨损性能远好于基材；而Ni1、Ni2、Ni3相对耐磨性较低。所有涂层中Co4的相对耐磨性最高，然后依次为Ni4（Fe）、Co3、Co2、Co1、Ni1、Ni2、Ni3。四、激光熔覆性能检测结果根据以上的试验结果决定选择抗氧化性和耐磨性最好的钴基合金粉末对宝钢的轧机牌坊进行激光熔覆并上机实验。激光处理后的牌坊使用6个月后，表面基本未发生腐蚀磨损。2009年5月，宝钢对牌坊进行检测发现：原牌坊工作面腐蚀磨损量为4mm/年，激光再制造后工作面的腐蚀磨损量为0.01~0.02mm/年。目前宝钢的牌坊的激光再制造项目每年都在逐步实施，而鞍钢牌坊激光再制造项目已经立项并开始大规模投产。五、工程案例1.宝钢条钢厂轧机牌坊激光再制造2007年11月