機床導軌激光熔覆修復技術的研究*

趙文強 苗鴻賓 江 敏

（①中北大學機械工程與自動化學院，山西太原030051;②山西省深孔加工工程技術研究中心，山西太原 030051）

機床導軌是機床的基準部件，為機床功能的實現(xiàn)提供了可靠基礎。在機床生產(chǎn)加工過程中，導軌受到了切削負荷產(chǎn)生的往復疊加力，容易造成運動段處的磨損、劃傷等各種表面缺陷。這造成了整個機床加工精度的降低，加工工件的誤差亦會隨之變大，如果磨損達到一定程度，整個生產(chǎn)都將無法繼續(xù)。

目前機床導軌的修復技術常常采用噴焊、電弧焊以及采用冷焊機等方式。隨著我國機械加工行業(yè)的快速發(fā)展和日益成熟，大型機床逐漸表現(xiàn)出高速、重載、高精度以及自動化的特點［1］，傳統(tǒng)的導軌修復技術又存在一定的局限性，因此提高機床導軌的精度，增強導軌表面的耐磨性以及對導軌表面缺陷進行快速修復日益引起人們的關注。近年來，我國激光再制造技術不斷發(fā)展，各種激光再制造設備日趨完善，光纖激光器逐步進軍工業(yè)界，激光加工機器人獲得了很大發(fā)展，加之激光熔覆技術在表面改性方面相比傳統(tǒng)技術有著獨特的優(yōu)點，利用激光熔覆技術對機床導軌進行快速修復得以實現(xiàn)。激光熔覆是利用高能激光束加熱材料表面，將涂覆材料同基體表面一起熔化后快速凝固形成新的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐熱、耐蝕、抗氧化及電氣特性等的工藝方法［2］。在激光加工中，激光束高能密度產(chǎn)生近似絕熱的快速加熱過程，對基材產(chǎn)生的熱影響較小，引起的變形也?。?］。目前，激光熔覆修復技術已經(jīng)成為當前機械設備表面修復中的最好技術之一［4］。本文采用光纖激光再制造設備，利用激光熔覆修復技術對機床導軌表面磨損段涂覆一強化層，從而提高機床導軌的局部耐磨性和精度，延長其使用壽命。

1 光纖激光熔覆技術的原理

光纖激光熔覆是采用光纖激光作為光源，配套激光熔覆專用外光路系統(tǒng)、機器人、激光熔覆加工頭、送粉系統(tǒng)等設備，在需處理的零部件表面預置一層特制粉末材料，然后利用光纖激光器產(chǎn)生的高能激光束對涂層進行快速掃描，預置粉末同基體金屬表面瞬間熔化成一薄層，兩者之間的界面在很窄區(qū)域內(nèi)迅速發(fā)生分子或原子級的交互擴散，形成牢固的完全冶金結(jié)合，從而顯著提高零部件基體的各種特性，如耐磨性、耐蝕性以及硬度等性能。

光纖激光熔覆修復技術加工系統(tǒng)集光纖激光技術、機器人技術以及計算機數(shù)控技術于一體，構(gòu)成了高效的自動化加工設備，成為工業(yè)領域中實行適時生產(chǎn)以及現(xiàn)場修復的理想設備和關鍵技術，為優(yōu)質(zhì)、高效、難加工和低成本的表面修復再制造領域開辟了廣闊的前景。

2 光纖激光熔覆技術的特點

與熱噴涂、堆焊、化學鍍等傳統(tǒng)表面改性技術相比，激光熔覆技術在眾多方面表現(xiàn)出了令人滿意的優(yōu)點，而在激光熔覆技術中，采用光纖激光器作為獲得高能激光束的來源更能獲得良好的表面特性。相比傳統(tǒng)的CO2激光器及YAG激光器，光纖激光熔覆技術具有如下特點:①激光光束質(zhì)量提高了一個數(shù)量級，有利于獲得小的聚焦光斑，更適合于精密加工及有色金屬的成型，可大大改善加工質(zhì)量;②采用光纖作為光路傳輸系統(tǒng)，易于實現(xiàn)有色金屬激光熔覆的惰性氣體保護，且適用的材料體系廣泛;③玻璃光纖制造成本低、技術成熟，光纖的可饒性具有小型化、集約化優(yōu)勢;④光纖激光器能勝任惡劣的工作環(huán)境，對灰塵、振蕩、沖擊、濕度、溫度具有很高的容忍度;⑤光纖激光熔覆對基體熱影響更小，工件更不易變形，可對工件表面進行局部區(qū)域處理，熔覆成品率較高;⑥光纖激光器的材料具有極低的體積面積比，散熱快、損耗低，轉(zhuǎn)換效率較高，激光閾值低;⑦光纖激光器的諧振腔內(nèi)無光學鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護、高穩(wěn)定性的優(yōu)點，這是傳統(tǒng)激光器無法比擬的。

3 機床導軌的激光熔覆修復技術

3．1 加工設備

筆者采用光纖激光再制造成套設備對機床導軌進行表面熔覆。該設備主要由IPG光纖激光發(fā)生器、川崎機器人、激光熔覆專用外光路系統(tǒng)、激光熔覆加工頭、送粉系統(tǒng)及冷卻機組等幾部分組成，能夠?qū)﹂L距離的導軌快速修復處理，操作方便簡單，大大地提高了生產(chǎn)效率。

3．1．1 光纖激光器

該光纖激光器為德國IPG光纖激光發(fā)生器，配備相應的控制軟件，該軟件可存貯幾十組激光程序供實際加工使用，可自行控制激光器的各種動作，并可對輸出激光進行波形控制，如正弦波形、方型光波、脈沖調(diào)制、能量的緩升緩降等波形，IPG負責對此軟件進行免費升級。激光器用電標準要求符合中國標準并配備高功率清潔工具箱及用于控制激光系統(tǒng)的計算機。

3．1．2 光束傳輸系統(tǒng)

光束傳輸系統(tǒng)是光纖激光設備的傳輸部分，本系統(tǒng)配備1根光纖，連接到激光熔覆頭。光纖柔性傳輸激光，可彎曲最小半徑200 mm。激光光纖在傳輸能量時具有完善的自保護功能，在光纖磨損老化、過熱、折彎半徑過小和激光泄漏等情況下能自動切斷光路或關閉激光器，確保人員安全和光纖使用安全。

3．1．3 機器人系統(tǒng)

本系統(tǒng)所選用的機器人是日本川崎機器人，包括機器人本體、示教盒、機器人控制柜及供電電纜。機器人采用動態(tài)模型優(yōu)化，加速性能良好，能夠優(yōu)化工作節(jié)拍;控制柜采用熟悉的個人電腦操作界面，方便用戶使用;示教盒具有示教、編程、存儲、檢測、安全保護、絕對位置檢測記憶以及軟PLC等功能。在機器人系統(tǒng)中，使用RS－232電纜來連接計算機和控制器，可使一臺單獨的計算機控制一臺單獨的機器人，也可以通過以太網(wǎng)連接使多臺計算機控制多臺機器人。本次加工過程中，采用一臺聯(lián)想筆記本電腦來控制單獨的一臺機器人。

3．1．4 送粉器系統(tǒng)

該送粉器系統(tǒng)可實現(xiàn)長距離的粉末輸送，是實施激光加工的輔助設備，并可同步送粉，能滿足三維激光熔覆及激光快速成型工藝的要求。功能特點主要包括送粉量精確、穩(wěn)定并可連續(xù)可調(diào);單片機和觸摸屏控制，性能穩(wěn)定、安全可靠;可實現(xiàn)加工設備（如激光器）控制主機的集成控制;送粉噴嘴具有泄壓、水冷、氣流壓縮和煙塵飛濺氣簾保護功能。

3．1．5 冷卻機組

冷卻機組為激光器和外光路系統(tǒng)提供循環(huán)冷卻水，帶走激光器在電光轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的多余熱量以及外光路鏡片反射激光束過程中所吸收的熱量，維持激光系統(tǒng)在工作過程中的熱平衡，是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的保障。冷水機組采用全自動控制運行方式，具有制冷劑壓力、超溫、超壓、斷水、欠流、防凍過載、斷相等安全保護功能，可靠性高，操作簡便，易維護。

3．2 機床導軌激光熔覆的步驟

本次實驗針對深孔鉆鏜床的導軌磨損處進行修復，該深孔加工機床型號為T2120，最大鏜孔直徑200 mm，最大鏜孔深度3 000 mm，導軌長約10 m，運動段易磨損段長為2 m，受磨損需修復處共有3處，每處需修復面積約為25 cm2，由于機床導軌的移動性差，不適合進行裝卡修復，故采用光纖激光再制造移動式設備進行激光熔覆很好地解決了該問題。激光熔覆粉末材料選用鎳基自熔性粉末，牌號為3540，其主要成分包括 Ni、Cr、B、Si等，該系列粉末適于要求局部抗熱疲勞、耐熱腐蝕及耐磨損的構(gòu)件，能形成硬度高、組織致密、無裂紋、無氣孔夾雜塌陷的鎳基涂層，工藝性能良好［5］。在實際使用過程中，可添加適量的鉭來使涂層裂紋敏感性降低，得到更好的質(zhì)量效果［6］。

首先將機床導軌磨損處進行表面初期處理。表面初期處理主要是為了除掉零部件表面需修復部位的污垢和銹蝕，使其表面狀態(tài)能夠滿足后續(xù)的同步或預置粉末激光熔覆要求，主要包括工件表面清洗和打坡口等［7］。在熔覆工作開始前要通過了解工件材質(zhì)和導軌先前的熱處理狀態(tài)來確定熔覆的工藝方法以及熔覆位置尺寸和形狀等。本次使用的導軌材質(zhì)為HT200，在此基礎上制定完善的修復方案，包括修復前機加工方法、熔覆粉末材料、送粉方法、激光掃描方式及掃描速度、所用的激光功率大小及光斑大小、工藝過程中工件溫度控制、單層熔覆厚度、熔覆后熱處理方法、修復后機加工處理時余量控制等。

接著對設備進行加水，通過水箱后置的兩進口對冷卻機組進行充水，水的量一定要加足，以保證激光熔覆過程的正常進行，然后設定溫度使所加水達到所需溫度。之后檢查并打開加工系統(tǒng)中所連接進的兩瓶高純氮氣，這兩瓶氮氣分別用于實現(xiàn)保護光路和為送粉裝置提供壓力。再進行校正、編寫AS加工程序、驗證激光功率及掃描速度。最后啟動程序，出光加工。加工過程中要及時反饋信息，通過隨時觀察熔覆狀況，如工件的溫度、熔覆層的厚度、反射光位置、搭接率、平整度等，控制好熔覆的加工節(jié)奏。

熔覆結(jié)束后，首先對導軌熔覆層的外觀質(zhì)量進行檢驗，通過肉眼來觀察熔覆層是否有缺陷，如是否存在高點、低洼點或咬邊等現(xiàn)象，還需著色探傷熔覆層表面是否有裂紋，必要時可進行超聲波探傷，以檢測熔覆層內(nèi)部質(zhì)量。然后采用便攜硬度計檢測熔覆層硬度，并對機床導軌的位置精度和尺寸精度進行檢測。若符合要求則對激光熔覆后的導軌進行機加工后處理，包括對熔覆層的磨削或手工打磨等，以使導軌表面達到最終尺寸精度及表面粗糙度等要求。

3．3 機床導軌表面激光熔覆的數(shù)控參考程序

在機床導軌激光熔覆修復過程中使用的川崎機器人控制器為E系列，該系列由名為AS的軟件系統(tǒng)控制。在AS系統(tǒng)中，用戶可以和機器人進行通訊，也可以通過AS語言開發(fā)程序。AS系統(tǒng)根據(jù)給定的指令和程序控制機器人，可實現(xiàn)顯示系統(tǒng)狀態(tài)或機器人位姿（位置和姿態(tài)）、保存數(shù)據(jù)到外部存儲設備、編寫/編輯程序等多項功能。相比其他系統(tǒng)，AS具有如下特點:①可以使機器人沿著連續(xù)的路徑軌跡運動（CP運動）;②提供了2種坐標系統(tǒng)，基礎坐標系和工作坐標系;③可實現(xiàn)中斷功能;④坐標系可以按工作位姿的改變進行平移或旋轉(zhuǎn)等。

機床導軌表面激光熔覆即運用AS語言進行編寫，在程序編寫中需實現(xiàn)激光熔覆過程中的往復修復，設熔覆層橫向邊長為50 mm，激光加工系統(tǒng)中程序速度為1 000 mm/min，加工過程的部分參考程序如下:

3．4 機床導軌激光熔覆的有限元模擬

激光熔覆是快速熔化和凝固的過程，其熱力學過程復雜，各種參量的變化難以實驗測定，這使數(shù)值模擬方法在該領域內(nèi)具有很大的應用空間［8］。對機床導軌激光熔覆過程進行有限元的模擬仿真不僅能使我們更清楚地了解激光熔覆過程中的各種情況，更能為激光熔覆過程的工藝控制提供重要的指導意義，而對激光熔覆過程中的溫度場的仿真模擬則是該有限元模擬中的關鍵部分。筆者利用ANSYS12.0，通過編寫APDL程序施加移動載荷對機床導軌的激光熔覆過程中的溫度場進行模擬仿真，得到了激光熔覆修復過程中導軌熔覆層的溫度分布模擬圖。

3．4．1 機床導軌溫度場分析的步驟

機床導軌的激光熔覆溫度場的模擬遵循普通有限元分析的一般步驟，唯一不同的是激光熱源的加載需通過編寫APDL程序施加移動載荷來實現(xiàn)。本文采用建立三棱柱模型來模擬導軌形態(tài)，其分析的步驟大致如下［9］:①確定模型的分析類型。激光熔覆有限元模擬屬于非線性瞬態(tài)熱力學分析，故選擇瞬態(tài)熱分析;②進入前處理器選擇單元類型。在ANSYS12.0中提供了多種單元來模擬各種傳熱問題，在本模擬中，采用SOLID70單元來實現(xiàn)激光加工中的三維熱傳導問題;③根據(jù)實際情況輸入材料物性;④建立導軌模型并劃分出單元。導軌模型采用直接建模方法，建立一三棱柱來模擬導軌，在劃分單元時采取映射網(wǎng)格劃;⑤施加載荷并確定時間幾步長。在激光熔覆過程中，激光束處于運動狀態(tài)，這就需要我們通過編寫APDL語言循環(huán)語句來實現(xiàn)，具體使用方法為“生死單元法”，即在計算的開始時設定所有熔覆層單元為死單元，在以后的每一步計算中先判斷所有的死單元是否落入激光束的照射區(qū)域，若落入則將其激活納入計算模型中;⑥開始求解。求解過程中需進行大量運算，要耐心等待;⑦進入后置處理器中得到所要結(jié)果文件。

3．4．2 溫度場模擬結(jié)果與分析

對機床導軌激光熔覆過程的溫度場模擬是一個復雜的過程。圖1是第7 s時刻的溫度場云圖顯示，從圖中可以看到，機床導軌激光熔覆過程中熔池內(nèi)的等溫線呈橢圓形，溫度呈梯度分布并集中在熔池附近，在導軌受激光照射加工時，溫度急劇上升，而當激光光源移開該處后，導軌受基材自冷作用表面溫度迅速降低，即呈現(xiàn)出急冷急熱特征，在光斑沿導軌表面移動的過程中，熔池隨光源同步移動，溫度場亦隨之變化。這與實際情況相符。

對導軌激光熔覆過程的有限元模擬有助于我們對激光熔覆層組織形成機制及凝固過程有更好的認識，在溫度場有限元模擬的基礎上，我們可以進一步研究導軌激光熔覆過程中殘余應力的計算以及熔池流場的模擬等。

3．5 熔覆結(jié)果

采用激光熔覆修化技術對機床導軌磨損處涂覆的合金熔覆層，經(jīng)檢測3處熔覆處表面硬度平均達到55 HRC，大大提高了機床導軌運動段處的耐磨損性和其他機械性能。將該導軌投入生產(chǎn)使用中，所加工出的深孔零件精度相比修復前提高了40%。實踐表明，采用光纖激光再制造設備對機床導軌進行激光熔覆再修復的工藝方法可行并有可觀的前景。

4 結(jié)語

光纖激光熔覆修復技術是利用高性能激光束優(yōu)良的特性，在金屬材料表面形成與基體呈冶金結(jié)合的高硬度、無裂紋、高性能涂層，是集光纖制造技術、激光熔覆技術、機器人技術與數(shù)控加工技術于一體的先進制造技術。光纖激光熔覆修復后的機床導軌的使用壽命大大提高。該方法具有技術先進、修復方便、安全性高等突出特點。應用光纖激光熔覆技術修復機床導軌，可以減少機床導軌的更換檢修時間，提高機床整體的加工精度，并可實現(xiàn)機床的實時快速修復，節(jié)約大量資金，對于實現(xiàn)綠色制造與建設節(jié)約型社會有著廣泛而深遠的意義。

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