關于鉤緩裝置激光修復的工藝參數的研究

王冬春，杜錦濤，劉輝，欒程群，謝想，隋江雷，劉昊，王聰

（中車青島四方車輛研究所有限公司鉤緩事業部，山東 青島 266031）

鉤緩裝置是連接列車和傳遞牽引力及沖擊力的主要部件，其在服役過程中可能會產生表面磨損、腐蝕等缺陷，從而影響使用，導致部件報廢。對鉤緩裝置進行表面修復可以延長部件的使用壽命，提高產品利用率，降低生產成本。

激光熔覆是材料表面修復的有效手段之一，其過程為利用高能激光束作為熱源，將合金粉末熔化，在基體表面形成與基體呈冶金結合的涂層。與其他表面修復技術相比，激光熔覆具有熱影響區小、工件變形小、易于實現自動化、修復尺寸精準等優點。

本文采用8620 級鋼粉為粉末材料，在40Cr 表面進行激光熔覆，以熔覆層截面形貌質量作為指標，優化工藝參數，并探究激光功率、掃描速度、送粉率對顯微硬度的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

基體材料為40Cr 鋼板，試驗前用砂紙進行打磨除銹，并用丙酮對基體進行清洗，以去除表面油污，基體化學成分如表1 所示。

表1 40Cr 化學成分（%）

粉末材料為粒徑53 ～150μm 的8620 級鋼粉，其化學成分如表2 所示，試驗前對粉末進行烘干處理。

表2 8620 級鋼粉化學成分（%）

1.2 試驗方法

采用Laserline LDF4000-100 型激光系統制備熔覆試樣，保護氣體為氬氣。單道熔覆時，將激光功率調至1.5 ～3.0kW 連續可變狀態，制備80mm 長的熔覆層，激光熔覆后對試樣進行切割并對截面進行編號，根據截面所處熔覆層的位置，計算出相應位置的激光功率，具體工藝參數如表3 所示。多道熔覆時，將激光功率調至2.5kW 恒定狀態，工藝參數詳見表4。采用光學顯微鏡對熔覆層的截面形貌及尺寸進行分析，并對試樣進行顯微硬度測定。

表3 單道熔覆工藝參數

表4 多道熔覆工藝參數

2 試驗結果

2.1 單道熔覆

圖1 為單道熔覆層的宏觀形貌，由圖可知，熔覆層表面較為光滑，粉末熔解性良好，隨著激光功率的逐漸增加，熔覆層焊道的寬度也明顯增加。這是由于激光功率增加，激光的能量密度也隨之增加，落入熔池內的粉末熔化速率增加，凝固時間延長，液態金屬流動性增加，因此，熔覆層焊道寬度增加。

圖1 單道熔覆層宏觀形貌 A)1.75kW B)2.1kW C)2.48kwD)2.85kW

圖2 為試樣1 ～4 在不同激光功率下的截面形貌。A 與B 處由于激光功率較低，沒有足夠的熱輸入，因此，幾乎沒有熔深或熔深較小。由于熔深較小，熔覆層與基體結合強度可能不夠高，因此，這種焊接結構是不可取的。C 處試樣1與試樣3 熔透性良好，熔深適宜，而試樣2 與試樣4 熔深較小，這是由于送粉率增加導致的。試樣2 與試樣4 制備過程中送粉率增加至12%，相同其他工藝條件下進入激光光束內的粉末量增加，大部分的激光能量被用來熔化粉末而導致基體的熱輸入不足，從而熔深減小。

試樣3 在C 處與D 處的截面形貌相似，成型效果良好，其熔覆層幾乎沒有差別。激光功率增加會產生更高的能量，但沒有產生任何的幾何收益和力學性能的正面影響，而使用較低激光功率進行修復生產可節約成本，因此，激光功率2.5kW 是一個合適的選擇。

經上述分析，得出40Cr 表面制備8620 級鋼粉單道熔覆層較為合適的工藝參數，具體參數如表5 所示。

圖2 試樣1-4 在不同激光功率下的截面形貌A)1.75kW B)2.1kW C)2.48kW D)2.85kW

表5 8620 級鋼粉單道熔覆層工藝參數

2.2 多道熔覆

由于單道熔覆的工藝參數不足以證明在多道激光熔覆中具有具有良好的熔合效果，因此多道熔覆的工藝參數還需繼續進行探究。相較單道熔覆不同，多道熔覆增加搭接率與離焦量兩個工藝參數變量。搭接率的改變以確保焊道之間不存在未熔合的現象，離焦量的改變則是為了在保證熱輸入的前提下，用較少的焊道覆蓋更大的區域。

圖3 多道熔覆試樣截面形貌

多道熔覆試樣的截面形貌如圖3 所示。試樣5（離焦）與試樣6（聚焦）分別為在不同離焦量下制備的多道熔覆層。試5 的熔覆層的平均厚度為1.19mm，但熔深不均勻，且在焊道之間存在未熔合現象。離焦光束并沒有足夠的能量來作用與試樣焊道結合處。試樣6 具有更大的熔深，但與試樣5 相似，在焊道結合處熔合不均勻。

為解決前兩種情況下試樣焊道之間熔合不均勻的現象，將熔覆焊道的偏移量進行了調整，增加焊道的搭接率。試樣7 前四個焊道有較好的熔深，但在第四道后焊道熔深較小。這是由于激光能量是一定的，過量的堆砌阻礙了激光對基體表面的熱輸入，因此，后續熔覆層熔深較小。與試樣7 相比，試樣8 降低了掃描速度，因此，熔深增加，但熔覆層堆砌太厚，最大可達1.96mm，因此，在+30mm 離焦條件下并未找到合適的工藝參數。因此，試樣9 與試樣10 是在聚焦條件下制備的，試樣9 與試樣6 相比僅搭接率不同，各焊道之間熔合效果良好，但熔覆層厚度依然過高，因此，為防止熔覆層過厚，將試樣10 的送粉率降至6%。結果表明，試樣10 的所有焊道熔深及熔合情況良好，熔覆層厚度為1.35mm。

綜上所述，得出40Cr 表面制備8620 級鋼粉多道熔覆層較為合適的工藝參數，具體參數如表6 所示。

表6 8620 級鋼粉多道熔覆層工藝參數

2.3 工藝參數對顯微硬度的影響

2.3.1 激光功率對顯微硬度的影響

對試樣1A 截面和C 截面沿熔覆層深度方向進行顯微硬度檢測，顯微硬度變化趨勢如圖4 所示。由圖可知，兩截面顯微硬度的變化趨勢相似，但C 截面的顯微硬度在各個位置明顯大于A 截面。這是由于C 截面處激光功率較高，能量密度大，熔覆層過熱燒損，從而導致稀釋率升高，因此，熔覆層總體的顯微硬度降低。

圖4 熔覆層深度方向顯微硬度變化趨勢

2.3.2 掃描速度對顯微硬度的影響

C 截面的試樣1 與試樣3 僅存在掃描速度的不同，對其沿熔覆層深度方向進行顯微硬度檢測，顯微硬度變化趨勢如圖5 所示。試樣3 在熱影響區與熔覆層的顯微硬度明顯大于試樣1，由于試樣3 掃描速度較快，熔覆層單位面積受到的激光照射時間短，熔池冷卻速度增大，過冷度更加，從而導致晶粒細化，熔覆層顯微硬度增加。試樣1 掃描速度較慢，熔池冷卻速度較慢，晶粒有充分的時間長大，從而顯微硬度降低。

2.3.3 送粉率對顯微硬度的影響

對試樣1 與試樣4 的C 截面的顯微硬度變化趨勢如圖6所示。試樣4 的送粉率較高，因此，其顯微硬度也高于試樣1。這是由于隨著送粉率的增加，單位時間內粉末進入熔池的量也增加，較多的能量用來熔化粉末，從而基體熔化量較小，熔覆層稀釋率低，從而硬度升高。

圖5 熔覆層深度方向顯微硬度變化趨勢

圖6 熔覆層深度方向顯微硬度變化趨勢

3 結語

以熔覆層截面形貌質量作為指標，當采用激光功率2500W、掃描速度650mm/min、送粉率8%作為工藝參數進行單道熔覆時，可以獲得結合強度較高、表面成型良好的熔覆層；當采用激光功率2500W、掃描速度650mm/min、送粉率8%、搭接率60%作為工藝參數進行多道熔覆時，可以獲得焊道熔深合適、熔合良好的熔覆層。

熔覆層的顯微硬度受到激光功率、掃描速度和送粉率等工藝參數的影響，在一定參數范圍內，激光功率增加可以導致熔覆層顯微硬度有所下降，而掃描速度和送粉率增加則可以增加熔覆層顯微硬度。