機床導軌表面激光熔覆修復技術探討

董兵天

（甘肅有色冶金職業技術學院，甘肅 金昌 737100）

激光熔覆是一種新型的表面改性技術，在對材料或者產品的表面修復方面發揮了重要的作用。激光熔覆技術通過在材料的表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束輻照，將添加材料與基體表面薄層同時熔化并結合的修復技術。通過激光熔覆修復技術的應用，可顯著提升基層表面的化學性能，從而達到修復的目的。機床導軌在機床摩擦作用下，表面會受到不同程度的磨損，直接影響到機床加工的精度。如果更換導軌會產生較高的成本，而采用其他表面修復技術，在性能要求和經濟性方面都存在不足。所以利用激光熔覆技術對機床導軌表面進行修復，既能夠滿足材料表面特定的性能要求，又能夠節約貴重元素的應用。

1 機床導軌表面修復再制造技術

再制造技術是在我國發展循環經濟的背景下提出的理念，其本質是采用先進的工藝技術對舊的機器設備進行新的制造，讓舊設備煥發新的生命力，重新制造的舊機器設備在性能和質量上都不比原來的新品差。再制造技術既能夠節省更換設備的成本，同時又能夠提高設備的使用壽命，在機械制造中得到了廣泛的應用。其中的表面修復技術就是再制造技術中的重要組成部分。對于機械設備在使用過程中因為氧化、腐蝕、磨損、變形等因素而降低性能的現象，通過表面修復技術對其進行再制造，可減少原材料和新備件的消耗，并且修復后的設備在性能上會得到進一步的優化。通常情況下，可以使用表面修復再制造技術的零部件需要滿足一定的要求才可以使用，進行表面修復的零部件成本要大大低于換新的成本，否則就失去了修復的意義，同時修復后的零部件在性能和使用壽命上可以滿足實際生產參數的所需，所采用的表面修復技術應該滿足綠色環保的要求，修復過程中不能造成污染。對于機床導軌而言，還需要對導軌的磨損失效程度進行評估，機床是否可以正常運行，導軌磨損程度對機床加工精度的影響程度，對導軌表面修復技術的目標以及工藝方案的選擇等。在選定修復工藝技術時應該從性能和經濟性兩個方面進行考慮，從而選擇最佳修復方案。

2 機床導軌表面激光熔覆修復技術的優勢及工藝

2.1 機床導軌表面激光熔覆修復技術的優勢

機床導軌作為機床中的基準部件，不僅為機床的運動提供了光滑的表面和導向，同時還可緩解機床進行切削運動時對加工零件造成的沖擊，為機床的高效運行提供了重要的基礎。在加床加工工件的過程中，由于切削負荷的往復疊加會加重對導軌運動段表面的磨損和劃傷，進而對機床加工精度產生影響，加工誤差也會越來越大。在導軌表面磨損超過一定程度時，機床將無法正常運行。傳統的機床導軌表面修復技術主要有噴焊、電弧焊和電刷鍍等技術，但是這些技術都會存在不同的缺陷，而近些年來激光熔覆修復技術在導軌表面修復上應用較廣，作為一種先進的表面修復技術，其技術特點有如下幾方面。

（1）冷卻速度快。由于激光熔覆修復技術具有較快的冷卻速度，所以凝固后的熔覆層組織更加致密、細小和均勻，修復后的表面光滑度較高。并且熔覆層的硬度較高，在耐磨性、耐腐蝕性方面的性能也更強，使得基體表面的性能得到了大大的提升。

（2）效率高。由于激光加工束的功率較大，所以溫度升高較快，在材料的選擇方面范圍更廣，尤其是對于熔點較低的金屬工件熔覆高熔點合金更加適合。而高溫激光束在接觸工件后快速移開，對基體的熱影響較小，不會產生變形等現象，對于大型設備可進行局部小范圍的表面修復處理。激光熔覆技術可精準控制熔覆層的成分、厚度和寬度，所以對于熔覆層的性能控制較強，還可大大節省材料。

（3）技術先進。激光熔覆技術的應用非常符合現代倡導的環保要求，不會對大氣造成污染。在工藝技術方面比較靈活，可以與數控技術、計算機技術、機器人技術進行結合使用，實現自動化生產，非常便捷。同時，激光熔覆對粉末的限制較小，所以能夠滿足待修復工件的修復要求。

（4）光纖激光器的特點。如果采用光纖激光器來獲取激光光源，修復效果還會大大提升。相比于CO2、YAG激光器而言，光纖激光熔覆的聚焦光斑直徑更小，對有色金屬的惰性氣體保護更強，對工作環境的要求不高，散熱更快，穩定性更強，可減少維護和調節等工作。

2.2 機床導軌表面激光熔覆修復技術工藝

（1）預置式激光熔覆和同步式激光熔覆。根據合金材料的供應方式不同，激光熔覆修復技術可分為預置式和同步式兩種。預置式激光熔覆是將待熔覆的合金材料預先覆置在工件表面，然后使用激光輻照合金覆蓋層，使得合金覆蓋層與基體的一部分熔化，移開激光束后，熔融的金屬快速冷卻在基材表面凝固形成合金熔覆層。預置式激光熔覆的材料一般為粉末、絲和板材，工藝流程為先對需要修復的工件進行預處理，再將待熔覆的材料置于工件表面，在對工件預熱后即可開始熔覆，在熔覆后要對熔覆層表面進行一定的處理，以提高表面的效果。預置式激光熔覆還存在一定的缺點，如果預制的涂層厚度不均，將會影響到熔化效果或者對基材產生一定的影響。同步式激光熔覆是使用專門的送料系統在熔覆的過程將合金材料直接送入激光加工區，將合金熔覆材料和基體局部同時熔化，在冷卻后形成熔覆層。不同的供料對激光熔覆的能量、質量和動量傳輸都會產生一定的影響，進而影響到熔覆層的性能，所以要掌控好送料方式。

（2）機床導軌表面激光熔覆修復技術粉末和激光器的選擇。激光熔覆粉末會對熔覆層的性能產生一定的影響，比較常用的粉末有自熔性合金粉末和自熔性碳化物復合粉末及氧化物陶瓷粉末。自熔性粉末脫氧和自熔作用較強，所以熔覆層的氣孔率較小，氧化物含量低，對于碳鋼、鑄鋼和不銹鋼等基材具有較好的適應性，熔覆層性能較好。碳化物復合粉末的涂覆層具有較強的硬質合金，但是在使用中應該控制好碳化鎢粉的含量，避免熔覆層出現裂紋。氧化物陶瓷粉末主要有氧化鋁和氧化鋯兩個系列。根據機床導軌表面材料的性質，選擇鎳基自熔性粉末，可提高組織的致密性，同時可避免裂紋、氣孔等缺陷，具有較好的硬度和耐磨耐腐蝕性。激光熔覆技術的激光器主要有CO2氣體激光器、Nd：TAG固體激光器和光纖激光器，在使用時可根據待修復工件表面的性能以及所要達到的效果進行選擇。由于光纖激光器的效果較好，下面針對光纖激光熔覆步驟進行簡要分析。

（3）機床導軌光纖激光熔覆步驟。首先，要進行修復前的準備工作。對機床導軌的工況進行分析，查明工件失效的原因，明確工件的熱處理狀態和材質，確定熔覆的位置、形狀、尺寸、工藝以及性能要求，在此基礎上制定出光纖激光熔覆修復方案。正式修復前還應該對導軌表面進行預處理，清洗導軌表面的油污和銹蝕，然后對磨損處進行打底處理，為提高熔覆效果打好基礎。其次，實施工藝。將光纖激光器與機器人、送粉設備和冷水機組進行組裝，打開總電源和各設備的控制開關。為冷卻機組注水，控制好水量和水溫，保證激光器的高效穩定運行。對設備進行抽氣和充氣操作，抽氣形成真空環境，充進氬氣或者氮氣，為送粉設備提供壓力并保護光路。然后編制機床導軌表面修復AS程序，設定合適的激光功率、光斑尺寸、掃描速度、送粉氣流和粉量的大小等各項參數，檢查光路傳輸系統、送粉裝置、聚焦位置，開啟風機、激光送粉器和激光發生器，程序啟動后即開始激光熔覆修復工作。同步送粉有利于對精度的控制，并可減少對合金成分的稀釋。在光纖激光熔覆修復的過程中，對激光熔覆層的搭接率、厚度、平整度，導軌的溫度、激光反射光位置等進行細致觀察，對其節奏進行精準的控制。在激光熔覆結束后，對熔覆層的外觀質量、內部質量、硬度、位置精度進行檢查，在滿足各類標準的基礎上，對熔覆層進行磨削或者手工打磨，以保證表面最終尺寸精度和光潔度符合要求。

3 結語

激光熔覆技術在機床導軌表面修復中的應用，大大的提高了修復后工件的性能和強度，降低了維修的成本，是循環經濟背景下實現工業機械設備再制造的重要手段。激光熔覆修復技術本身具有較多的優勢，而在科學技術快速發展的時代背景下，其與計算機技術、機器人以及數控技術的結合使用，進一步提升了修復技術的水平。隨著科學技術的更新，激光熔覆修復技術也會不斷的改善和提升。

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[2] 范君.基于再制造的機床導軌表面激光熔覆修復關鍵技術研究[J].科技資訊,2017，01.

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