一种激光增材制造表面硬度波动性≤5HRC的在线冷却方法

本发明涉及增材制造，特别涉及一种激光增材制造表面硬度波动性≤5hrc的在线冷却方法。

背景技术：

1、中国专利文献cn114507854a公开了一种基于激光修复可热处理铝合金的在线冷却和热处理方法，该方法采用半开放式结构，通过顶部敞开的气氛维持单元和循环水冷系统对熔覆区及其热影响区进行实时冷却，并在实验过程中通过气管连接氩气瓶不断通入氩气以维持保护气氛。然而，这种方法仅针对铝合金的损伤修复，而在超高速激光熔覆增材制造中，尤其是针对长度≥1m的冷轧工作辊，存在局限性。由于冷轧工作辊快速旋转，仅依靠冷却气体自由上浮的方式以及半开放式的结构设计，难以实现对m2高速钢增材层表面硬度波动性控制在≤5hrc的精确要求。关键在于，增材层表面硬度的稳定性依赖于对冷轧工作辊表面温度的精确控制，而上述方案并未考虑这点。

2、中国专利文献cn112809183a公开了一种增材制造金属冷却方法，该方法通过将冷却装置设置在热源后方并跟随热源，对熔覆层及其下方的热影响区进行实时冷却。该冷却装置由多个u形管组成，形成u形冷却通道，熔覆层位于通道内部，装置开口向下罩在熔覆层上，实现与最上层熔覆层的近似平行接触。此外，增材设备配备了温度检测装置，用以监测热源后侧熔覆层的温度。尽管上述方案能够提高熔覆层的冷却速度并减少热影响区的深度，但它未能考虑到热源后方增材层表面形成的温度梯度，即距离热源越近，温度越高，导致仅使用统一的冷却条件，无法有效控制m2高速钢增材层的表面硬度波动，使其超过5hrc。此外，u形管冷却通道的精度不足，冷却效果有限，无法确保m2高速钢增材层表面硬度达到62hrc的高标准。

3、中国专利文献cn113059159a公开了一种预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法。该方法中，冷却装置被设置在热源前方，并与热源同步移动，对熔池前段进行实时冷却，同时采用液氮冷却的铝箔贴附于熔覆层上，以增强冷却效果。该方案旨在通过增大熔池固液界面的温度梯度，促进定向晶体的生长，从而提高凝固过程的定向性，有助于预防裂纹的产生。然而，尽管该方案在一定程度上实现了冷却目的，但它并未考虑到冷却过程中的精度控制，将导致m2高速钢增材层的表面硬度出现较大波动，超出5hrc的控制范围。

4、中国专利文献cn110883093a公开了一种铝合金不锈钢复合板异步冷轧成形工艺，其中涉及到对铝合金板复合面的相对面实施在线冷却的步骤，具体采用喷淋冷却水的方式进行。该工艺通过在线反馈功能实现自动化控制，当检测到铝合金面的温度超过300℃时，系统会自动增加喷水量，以防止复合板软化。虽然这种冷却方法在控制复合板温度方面表现出较好的效果，但它存在一些局限性。直接使用喷淋冷却水的方法会导致m2高速钢增材层表面发生淬火现象而引起开裂。此外，该方案也未考虑到冷却精度，无法使m2高速钢增材层的表面硬度波动控制在5hrc以内。

5、在冷轧工作辊的超高速激光熔覆增材制造过程中，尤其是面对m2高速钢增材层数达到三层或以上时，传统的在线冷却方法面临挑战，难以满足表面硬度达到至少62hrc（≥62hrc）和硬度波动控制在5hrc以内（≤5hrc）的严格标准。这一难题源于冷轧工作辊在制造中高速旋转，激光热源造成的熔池区域温度最高，而远离熔池区域温度递减，形成显著的温度梯度。为了确保增材层质量，需要对冷轧工作辊的整个长度进行一致性的温度控制，且必须采用梯度冷却方法，根据不同区段的温度梯度调整冷却条件。然而，现有方案往往忽略了这种精确控温和梯度冷却的重要性，导致增材层表面硬度不足（如硬度＜62hrc）和波动过大（如波动性＞5hrc），产生低质量的增材层。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种激光增材制造的在线冷却方法，以改善不同区段的精确冷却控温问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种激光增材制造表面硬度波动性≤5hrc的在线冷却方法，包括以下步骤：

3、s1、预热冷轧工作辊，预热温度为300～350℃，预热温度波动性不超过±25℃；

4、s2、同轴送粉；

5、s3、预热后进行空冷；

6、s4、空冷后施加冷却气体；

7、s5、将冷轧工作辊沿其轴线方向划分为多个区段，并对每个区段实施冷却气体的冷却，熔覆头的起始工作位置对应冷轧工作辊的首个区段，每个区段所对应的冷却气体流量随着区段距离熔覆头越远而依次减少；

8、s6、在激光熔覆操作过程中，利用局部冷却装置对冷轧工作辊上温度异常升高的区域进行针对性冷却。

9、进一步地，步骤s5中，在熔覆头沿冷轧工作辊移动至不同区段时，根据每个区段与熔覆头的距离，实时调整对应的冷却气体流量，并遵循距离熔覆头越远的区段，冷却气体流量相应减少的原则。

10、进一步地，步骤s5中，在熔覆头对冷轧工作辊的每个区段进行熔覆操作时，至少在从熔覆操作开始冷轧工作辊表面温度的下降幅度尚未达到150℃时，该区段的冷却气体以垂直向上的方向吹出，以避开冷轧工作辊表面，减少直接吹至冷轧工作辊表面的冷却气体量，从而控制冷却速率，防止材料因过快冷却而进入淬火或半淬火状态，降低开裂风险。

11、进一步地，步骤s5中，通过全局冷却装置对冷轧工作辊的各个区段实施冷却气体的冷却；

12、所述全局冷却装置包括与冷轧工作辊轴线平行的出风管道，所述出风管道的冷轧工作辊侧设置有连续或间隔的多个出风口和多个调节板，所述调节板的数量及位置和冷轧工作辊的区段数量及位置一一对应，用于调节出风口的开口大小和朝向，以控制每个区段的冷却气体流量和吹送方向。

13、上述全局冷却装置可实现梯度冷却，故也可称为梯度冷却装置。

14、进一步地，步骤s2中，同轴送粉使用的保护气和送粉气的气体流量不超过20 l/min。

15、进一步地，步骤s3中，当冷轧工作辊预热至其设定位置达到马氏体转变温度时，停止预热，并进行空冷。

16、进一步地，步骤s4中，所述冷却气体为氩气和空气的混合气体，且氩气的质量分数为60～65%。

17、进一步地，所述冷却气体的流量为25～30 l/min。

18、进一步地，上述方法还包括以下步骤：

19、当激光熔覆操作结束时，继续向冷轧工作辊的每个区段实施冷却气体的冷却，直至增材层表面温度波动性不超过±25℃，且表面温度不超过200℃时，停止实施冷却气体的冷却，让其空冷。

20、进一步地，上述方法还包括以下步骤：

21、在激光熔覆操作过程中，控制冷轧工作辊表面增材层每一层的厚度不超过0.6mm。

22、进一步地，所述激光熔覆操作在半密闭式的冷却室中进行，所述冷却室上端开放且四周设置有可移动的挡板。

23、优选地，所述挡板为能够过滤激光的透明玻璃。

24、优选地，所述冷却室内设置有用于在线监测熔池和增材层温度的装置。

25、本发明通过预热冷轧工作辊并严格控制预热温度范围及波动性，确保了冷轧工作辊在激光熔覆前获得均匀一致的起始温度条件，为后续熔覆过程的均匀性和一致性打下了基础。并且，采用同轴送粉技术，实现了材料供应与激光熔覆过程的同步，保障了熔覆材料的连续、均匀铺覆，提高了熔覆效率和材料利用率。其中，预热后的空冷步骤，使冷轧工作辊在激光熔覆前达到一个适宜的起始温度，有助于提高熔覆质量和熔覆层与基材的结合强度。而且，在空冷后施加冷却气体，对冷轧工作辊进行初步冷却，有效控制了熔覆前的基材温度，防止了因温度过高导致的材料性能下降。同时，通过沿冷轧工作辊轴线方向划分多个区段，并根据区段与熔覆头的距离调整冷却气体流量，实现了梯度冷却，适应了不同区段的温度需求，提高了冷却的精确性和有效性。另外，还在激光熔覆操作过程中，对局部温度异常升高的区域进行及时的针对性冷却，有效避免了局部过热现象，保证了熔覆层的整体质量和性能。综合上述措施，本发明的在线冷却方法能够显著提高冷轧工作辊超高速激光熔覆增材制造的质量，确保了增材层的表面硬度和硬度波动性满足特定要求，如表面硬度达到≥62hrc，硬度波动性控制在≤5hrc，从而提升了最终产品的使用性能和可靠性。