本技术专注于激光增材制造领域，旨在通过在线冷却系统实现表面硬度波动控制在5HRC以内。该方法涵盖预热冷轧工作辊至300-350℃，并维持温度波动性。
背景技术
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。
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。
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。
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。
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。
实现思路