超高速激光熔覆在采煤機(jī)齒輪上應(yīng)用研究

王先龍，張維林，侯軍，陳立成，張東

西安煤礦機(jī)械有限公司 陜西西安 710200

1 序言

激光熔覆技術(shù)是一種新的表面改性技術(shù)，通過在基體表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使其與基體表面薄層同時(shí)熔化并快速凝固的方法。激光熔覆技術(shù)以表面工程技術(shù)為基礎(chǔ)，以節(jié)能、節(jié)材和環(huán)保為目的，通過對(duì)問題零件進(jìn)行檢測(cè)、修復(fù)再制造，使零件達(dá)到原有甚至超過原有性能，以得到重新使用的現(xiàn)代制造技術(shù)[1，2]。激光熔覆技術(shù)作為我國新世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展起來的新工藝技術(shù)，以節(jié)約資源、綠色環(huán)保為特色，高度契合了國家構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略要求，并為改善損傷結(jié)構(gòu)的組織和性能提供了新的途徑，進(jìn)而大大降低了損傷零件的更換成本[3-5]。

超高速激光熔覆與常規(guī)傳統(tǒng)激光熔覆區(qū)別：①超高速激光熔覆時(shí)，零件基體吸收的激光熱輸入要遠(yuǎn)小于常規(guī)熔覆。②超高速激光熔覆相對(duì)傳統(tǒng)激光熔覆，熔池較小且較淺。③超高速激光熔覆線速度高，表面平展，外觀效果好；兩種激光熔覆外觀效果如圖1所示。

圖1 超高速激光熔覆和傳統(tǒng)激光熔覆效果

2 激光熔覆方案

西安煤礦機(jī)械有限公司某種齒輪（見圖2）材質(zhì)為42CrMo，熱處理狀態(tài)調(diào)質(zhì)硬度260~300HBW。在對(duì)齒輪精磨時(shí)，φ85k6軸承外圓尺寸超差0.02mm。現(xiàn)采用超高速激光熔覆方法進(jìn)行修復(fù)，工藝流程為粗車→激光熔覆→精加工。

圖2 被修復(fù)齒輪圖樣和實(shí)物

3 激光熔覆工藝流程

（1）粗車 激光熔覆前，應(yīng)清除齒輪表面的油污、水、銹等雜物，以保證熔合及避免焊接熔合區(qū)在最表面上，影響質(zhì)量，采用車床將齒輪表面加工去除0.2mm。

（2）確定超高速激光熔覆參數(shù) 為了確定焊接時(shí)激光熔覆參數(shù)，根據(jù)齒輪被修復(fù)面外徑的大小，選取相同的外徑試棒，先在試棒上進(jìn)行熔覆試驗(yàn)。主要參數(shù)包含主軸轉(zhuǎn)速、機(jī)器人手臂軸向移動(dòng)速度、熔覆層厚度等。

主軸轉(zhuǎn)速：

式中 v ——激光熔覆時(shí)線速度（mm/s），v=300mm/s；

d ——修復(fù)面的外徑（mm），d=85mm。

機(jī)器人手臂軸向移動(dòng)速度：

式中 n——轉(zhuǎn)速（rad/min），其中0.5mm為螺距。

根據(jù)上述公式調(diào)整送粉量，確定熔覆厚度。

（3）驗(yàn)證修復(fù)時(shí)采用激光熔覆粉末的力學(xué)性能 采用一種Fe-S04粉末在30mm厚的鋼板上激光熔覆5個(gè)區(qū)域（見圖3）。其中5個(gè)區(qū)域通過送粉量的調(diào)整，單層熔覆厚度分別為1.2mm、1.0mm、0.8mm、0.6mm、0.4mm。試驗(yàn)完成后，用角磨機(jī)打磨拋光表面，經(jīng)超聲波洛氏硬度檢測(cè)儀檢測(cè)表面硬度。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：試驗(yàn)各個(gè)區(qū)域的熔覆質(zhì)量較好，未發(fā)現(xiàn)裂紋，各個(gè)區(qū)域的硬度為47~50HRC，說明熔覆的厚度對(duì)硬度影響不大，滿足被修復(fù)面的技術(shù)要求。

圖3 試板激光熔覆

（4）激光熔覆修復(fù) 根據(jù)公式可分別計(jì)算出主軸轉(zhuǎn)速為68r/min，機(jī)器人手臂軸向移動(dòng)速度為34mm/min。考慮齒輪的大小及盡量消除不利影響，選定激光熔覆功率為2800W，確定激光器內(nèi)部水循環(huán)溫度為32℃。送粉量為20g/min，氣體流量6L/min，單層熔覆厚度要求0.4~0.5mm之間。采用上述參數(shù)熔覆后，注意確認(rèn)熔覆層的厚度，保證有后序加工余量。上述齒輪之所以無法使用傳統(tǒng)焊接方法進(jìn)行修復(fù)，一是齒輪本身屬于焊接性差的鋼種；二是焊接時(shí)，傳統(tǒng)焊接方法熱輸入高，容易引起周圍孔面的變形。本次齒輪激光熔覆完成后，通過溫度測(cè)溫儀，測(cè)得熔覆后溫度僅67℃左右，熔覆后相鄰?fù)鈭A變形能夠控制在公差范圍之內(nèi)，如圖4所示。

圖4 齒輪激光熔覆現(xiàn)場(chǎng)照片及熔覆后效果

（5）精加工 激光熔覆完成后，用磨床精磨修復(fù)外圓表面，逐步去除余量直至圖樣公差要求范圍。

4 結(jié)束語

介紹了一種齒輪修復(fù)的方法，通過超高速激光熔覆工藝方案的研究，實(shí)施方案和修復(fù)流程的設(shè)計(jì)，對(duì)今后的設(shè)計(jì)開發(fā)者具有很好的借鑒意義。通過方案的實(shí)施，降低企業(yè)成本，節(jié)約了資源，具有較廣的應(yīng)用前景。