激光熔覆在曲軸修復(fù)中的應(yīng)用

（新疆獨山子石化機械制造公司，新疆 獨 山子 8 33600）

激光熔覆技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代。它是利用具有高能密度的激光束使某種特殊性能的材料熔覆在基體材料表面與基材相互熔合，材料表面與基材相互熔合，形成與基體成分和性能完全不同的合金熔覆層。激光熔覆的作用不僅僅是提高材料表面層的性能，而且還能賦予它新的性能，并降低制造成本和能耗節(jié)約有限的戰(zhàn)略金屬元素。

1 石油化工設(shè)備修復(fù)的特點

1.1 石油化工生產(chǎn)的特性

現(xiàn)代化的石化工業(yè)采用連續(xù)化大生產(chǎn)模式，上、下游裝置的工序緊密相聯(lián)，每個裝置生產(chǎn)的安穩(wěn)性直接影響到上、下游裝置能否安穩(wěn)生產(chǎn)，這對使用設(shè)備的可靠性、安全性、完好性提出了很高的要求。

1.2 石油化工設(shè)備損壞的原因

在石化行業(yè)中，由于機器設(shè)備長期在惡劣環(huán)境下工作，容易導(dǎo)致零部件的腐蝕、磨損。典型的易失效零部件包括葉輪、大型轉(zhuǎn)子的軸頸、輪盤、軸套、軸瓦等，其中許多零件價格昂貴，涉及的零部件品種很多，形狀復(fù)雜，工況差異較大。還有大型發(fā)電機組的大型轉(zhuǎn)子、動葉片與靜葉片都是需要進行強化或者修復(fù)。

1.3 激光熔覆修復(fù)設(shè)備的優(yōu)點

大型轉(zhuǎn)子和軸類零件采用激光熔覆技術(shù)進行修復(fù)，不需要預(yù)熱工件，就可以恢復(fù)軸頸的尺寸，而且后續(xù)加工量小，不產(chǎn)生冶金裂紋，硬度可以達(dá)到HRC60以上。有關(guān)資料表明，修復(fù)后的部件強度可達(dá)到原強度的90%以上，其修復(fù)費用不到重置價格的1/5，更重要的是縮短了維修時間，解決了石化行業(yè)中重大成套設(shè)備連續(xù)可靠運行所必須解決的轉(zhuǎn)動部件快速搶修難題。另外，對關(guān)鍵部件表面通過激光熔覆超耐磨抗蝕合金，可以在零部件表面不變形的情況下大大了提高零部件的使用壽命；對模具表面進行激光熔覆處理，不僅提高模具強度，還可以降低2/3的制造成本，縮短4/5的制造周期。

2 曲軸損壞的原因

2.1 磨損

曲軸磨損部位主要是主軸頸和連桿軸須。發(fā)動機工作時，連桿軸頸所受的綜合作用力始終作用在連桿軸頸的內(nèi)側(cè)，方向沿曲軸半徑向外，造成連桿軸頸內(nèi)側(cè)磨損最大，形成橢圓形。此外，連桿彎曲、氣缸中心線與曲軸中心線不垂直等原因，都會使軸頸沿軸向受力不均，而使磨損偏斜。

2.2 擦傷或者燒傷

曲軸表面還有可能出現(xiàn)擦傷與燒傷。擦傷主要是由于機油不清潔，其中較大的堅硬機械雜質(zhì)在軸頸表面刻劃引起的；軸頸表面的燒傷是由于燒瓦引起的，燒瓦主要是由于潤滑不足、機油過稀、油路阻塞等原因造成的。

3 曲軸的修復(fù)

3.1 曲軸修復(fù)方案

對于曲軸的修復(fù)，若采用等離子噴涂修復(fù)。涂層和基體的結(jié)合強度不夠，回裝后，可能影響設(shè)備的安全運行。而采用表面堆焊的方法修復(fù)，很難保證修復(fù)層的耐磨性和基體不產(chǎn)生裂紋。鑒于這些情況，采用激光熔覆工藝修復(fù)成為首選的可行方案。采用激光熔覆修復(fù)，首先應(yīng)該了解工件失效原因、工件材質(zhì)、先前的熱處理狀態(tài)、熔覆位置尺寸和形狀、熔覆的工藝和性能要求等；在此基礎(chǔ)上確定修復(fù)方案，包括修復(fù)前機加工方法、工藝過程中工件溫度控制、熔覆后熱處理方法、熔覆焊材、送粉方法、激光掃描方式、激光功率、掃描速度、光斑大小、單層熔覆厚度、機加工余量控制等。

3.2 具體修復(fù)實例

2011年1月，煉油廠重整芳烴車間有一根曲軸，急需修復(fù)。該曲軸工作時，由于油內(nèi)進入雜質(zhì)，導(dǎo)致其中一個軸頸位置嚴(yán)重磨損，急需修復(fù)。曲軸材質(zhì)為45#鍛件，材料鍛造后經(jīng)過回火、正火熱處理，材料硬度為HB162-187，修復(fù)部位曲拐與回轉(zhuǎn)中心線之間的平行度要求小于0.03 mm，曲拐圓柱度要求小于0.014 mm，曲拐中軸線與工件回轉(zhuǎn)中心線偏心位置度要求在140±0.2 mm。曲拐修復(fù)后主要尺寸精度應(yīng)達(dá)到259.9 mm至259.84 mm。表面粗糙度應(yīng)小于0.08 mm。修復(fù)部位曲拐總長度為150 mm。同時要求激光熔覆時候必須避開曲拐連接部位圓弧倒角5 mm，以免出現(xiàn)應(yīng)力集中。

曲軸的激光熔覆修復(fù)工藝過程如下：

（1）做外觀品質(zhì)檢驗：肉眼觀察是否有明顯的銹蝕、劃傷、磕碰、補焊等現(xiàn)象；然后進行著色探傷檢查工件表面是否存在裂紋、氣孔、砂眼等缺陷；再用便攜硬度計檢測工件需熔覆位置及周邊的硬度。

（2）曲軸熔覆面的表面前處理。去除表面氧化層，采用手工磨削加工，再用丙酮清除表面的雜物。

（3）裝卡待熔覆曲軸，調(diào)整激光光路，編制熔覆程序。

（4）在45#鋼的樣件上進行工藝試驗，制作激光熔覆試樣，進行硬度梯度、金相、強度試驗、耐磨、耐疲勞試驗等分析，優(yōu)化激光熔覆工藝，直到達(dá)到工藝要求。

（5）進行激光熔覆，在熔覆過程中的具體工藝如下：激光功率2 000 W；掃描速度220~500 mm/min；光斑大小準(zhǔn)3~6 mm，合金粉末為鐵基自熔性合金粉末 XS-320，送粉量 8~40 g/min，搭接量：35~40%。熔覆過程中氬氣保護熔池，送氣壓力：0.05 MPa。

（6）檢查激光熔覆表面的品質(zhì)，對于表面?zhèn)€別缺陷進行局部修復(fù)，檢測熔覆后尺寸，保證熔覆面加工后熔覆層厚度能夠達(dá)到要求。

（7）在熔覆完成后，用石棉布對熔覆后的表面進行保溫，讓工件緩冷以減小殘余熱應(yīng)力。

在加工過程中，隨時觀察熔覆狀況，包括熔覆層厚度、平整度、搭接率、工件溫度、反射光位置等，控制熔覆的加工節(jié)奏。熔覆完成后，肉眼觀察熔覆層是否有高點、低洼點或咬邊等現(xiàn)象，著色探傷熔覆層表面是否存在裂紋缺陷，便攜硬度計初步檢測熔覆層的硬度，檢測工件的尺寸精度和位置精度，均符合要求。最后將熔覆完成后的工件用手工打磨的方式達(dá)到工件最終尺寸精度和光潔度等要求。該曲軸回裝完成后，達(dá)到使用要求。

3.3 后續(xù)加工缺陷

用激光熔覆完成對曲軸的修復(fù)，熔覆層的厚度、平整度和曲軸熔覆時候產(chǎn)生的溫度都符合要求。但是在后續(xù)加工方面，存在一定的缺陷，在后續(xù)加工中，除了軸頸表面尺寸精度和表面粗糙度要符合技術(shù)要求外，還必須達(dá)到形位公差的要求：磨削曲軸時候，必須保證主軸頸和連桿軸頸各軸心線的同軸度及兩軸心線之間的平行度，限制曲軸半徑誤差。并保證連桿軸頸相互位置夾角的精度。因此，曲軸的磨削都是在專門的曲軸磨床上進行的，但是目前石化公司沒有這樣的設(shè)備，對于曲軸的后續(xù)加工，只能通過手工研磨的方式處理。這樣加工后的曲軸，雖然能夠使用，但是使用效果是要打一定折扣的。

4 結(jié)束語

激光熔覆技術(shù)對制造技術(shù)要求高、生產(chǎn)周期長、加工費用高，價格昂貴的工程構(gòu)件進行修復(fù)具有廣泛的工程需求，同時可以優(yōu)化資源配置，節(jié)約貴重、稀有金屬材料，降低能源消耗，節(jié)省資金。激光熔覆修復(fù)技術(shù)無污染、無公害，有很強的保護環(huán)境的作用，屬于綠色再制造工程。從長遠(yuǎn)的角度看，激光熔覆技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢必將在精密修復(fù)中扮演重要的角色。

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