激光熔覆工藝修復(fù)軋輥技術(shù)研究

孫麗萍，鄒 軒，許偉明

(1.上海理工大學(xué)光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200092;2.上海－漢堡國際工程學(xué)院，上海 200092)

激光加工技術(shù)主要包括:焊接、打孔、切割、表面改性、快速成形、熔覆等。激光熔覆技術(shù)是一種表面處理技術(shù)。它通過激光能量加熱預(yù)先選定好的熔覆材料使之在工件表面形成一層具有硬度高、耐磨性能好、抗腐蝕性好等特性的熔覆層［1］，從而提高工件的耐磨性、耐蝕性、耐疲勞等一系列性能，達(dá)到滿足多種不同的使用要求的目的，使廉價材料獲得高檔的應(yīng)用，可大幅度降低成本。激光熔覆技術(shù)在零件再制造和修復(fù)領(lǐng)域發(fā)展很快，已經(jīng)成為研究的重要熱點(diǎn)［2］。

由于受高溫、高速的坯料沖擊，軋輥工作時其工作面快速磨損達(dá)到一定程度，導(dǎo)致無法使用而作廢品處理［3］。因此，為提高軋輥的使用壽命，就需要采用高效率、低成本的軋輥表面處理新技術(shù)。軋輥的頻繁更換嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率［4］。針對激光修復(fù)軋輥加工過程中，熔覆質(zhì)量難以控制的問題，因此本文擬采用激光熔覆的方法對使用過程中受損的軋輥進(jìn)行修復(fù)，重點(diǎn)對激光熔覆的工藝參數(shù)影響熔覆層表面質(zhì)量進(jìn)行研究，希望通過激光熔覆修復(fù)提高軋輥的耐磨性，從而延長其使用壽命。

1 激光熔覆工藝技術(shù)研究

為了研究激光熔覆工藝在棒材軋輥表面的應(yīng)用，并找出最適合的激光熔覆工藝參數(shù)值，首先，對工藝參數(shù)包括激光功率，掃描速度，送粉率、搭接系數(shù)等對激光熔覆的表面質(zhì)量及內(nèi)部組織的影響開展試驗(yàn)。試驗(yàn)基材選用高速鋼板，熔覆材料選用Ni45自熔合金，通過上述試驗(yàn)，選取優(yōu)化的熔覆工藝，調(diào)整工藝參數(shù)，得到最優(yōu)的結(jié)果;最后，根據(jù)以上分析結(jié)果，利用優(yōu)化的工藝參數(shù)對軋輥進(jìn)行激光熔覆處理，最后對修復(fù)后的軋輥跟蹤作業(yè)，得出實(shí)際加工效果。

試驗(yàn)使用一臺5 kW CO2激光熔覆系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)、橫流大功率CO2激光器、送粉系統(tǒng)及相關(guān)附件，可進(jìn)行多種激光試驗(yàn)及加工。

該系統(tǒng)主要部件是GS－HL－5 000 W型高功率橫流CO2激光器，可用于激光熱處理、焊接、切割及表面合金化等應(yīng)用，可加工各種金屬和非金屬材料。該激光器是一種采用橫向針板放電的氣體快速循環(huán)流動激光器，具有功效高、光束質(zhì)量高、壽命長、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊、使用費(fèi)用低、維修方便等特點(diǎn)，在國防、工業(yè)、科研等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景［5］。

送粉系統(tǒng)采用自制的旋轉(zhuǎn)氣動可調(diào)送粉器，通過載粉氣流將粉末輸送到激光熔池，完成激光熔覆過程，送粉效率20 ～300 g·min－1。

2 激光熔覆工藝試驗(yàn)分析

為使熔覆效果最好，通過試驗(yàn)，優(yōu)化激光功率、掃描速度、送粉量、搭接系數(shù)工藝參數(shù)最后，根據(jù)以上分析結(jié)果，對軋輥進(jìn)行激光熔覆處理，最后對修復(fù)后的軋輥進(jìn)行跟蹤作業(yè)。

2.1 激光功率變化對熔覆質(zhì)量的影響

該試驗(yàn)主要考察激光功率變化對熔覆質(zhì)量的影響，掃描速度設(shè)為4.5 mm·s－1，送粉率為 20 g·min－1，在上述參數(shù)條件下，激光功率分別選用3.4 kW、3.7 kW、4.0 kW，進(jìn)行單道熔覆試驗(yàn)。試驗(yàn)后樣品如圖1所示，具體參數(shù)以及熔覆質(zhì)量如表1所示。

圖1 熔覆試樣－僅功率不同

表1 熔覆質(zhì)量－僅功率不同

試驗(yàn)結(jié)果觀察:從圖1(a)中可以看出，激光功率為3.4 kW時，試樣表面不平、氣孔多、有裂紋、有明顯夾雜，這種情況是由于功率過低熔覆層未完全熔化造成的缺陷;圖1(b)圖隨著激光功率的增加到3.7 kW，試樣表面已經(jīng)較為平滑，無明顯夾雜、氣孔等缺陷，是較為理想的效果;圖1(c)圖隨著功率增加到4.0 kW，試樣表面粗糙，熔覆層有明顯氣孔、凹陷，整個激光熔覆由于熔池溫度過高，造成熔覆層過燒，產(chǎn)生缺陷。

試驗(yàn)結(jié)果分析:在其它工藝參數(shù)不變的情況下，當(dāng)功率過低時合金粉末熔化不徹底易造成夾雜氣孔、裂紋等缺陷，隨著功率升高，熔覆層表面平滑，無氣孔、裂紋缺陷產(chǎn)生，達(dá)到熔覆要求。而當(dāng)功率過高時，因能量密度過高合金粉末表面氧化造成熔覆層過燒，又造成表面粗糙有微裂紋產(chǎn)生，因此，在其它工藝參數(shù)不變時，選擇激光功率3.7 kW左右才能達(dá)到預(yù)期的熔覆效果，本次試驗(yàn)熔覆效果最佳是3.7 kW激光功率。

2.2 激光掃描速度變化對熔覆質(zhì)量的影響

選用高速鋼板作為試驗(yàn)基材，Ni基合金粉末作為熔覆材料，進(jìn)行單道熔覆試驗(yàn)。本次試驗(yàn)工藝參數(shù)為激光功率3.7 kW、送粉率20 g·min－1，掃描速度分別采用 4 mm·s－1、6 mm·s－1、8 mm·s－1，試驗(yàn)后樣品如圖2所示，具體參數(shù)以及熔覆質(zhì)量如表2所示。

圖2 熔覆試樣－僅掃描速度不同

表2 熔覆質(zhì)量－僅掃描速度不同

試驗(yàn)結(jié)果觀察:圖2(a)中，由于掃描速度過低，激光停相對停留時間過長，致使熔覆層表面氧化產(chǎn)生缺陷;圖2(b)掃描速度增加，熔覆層表面較為平滑，無夾雜、裂紋等缺陷，掃描速度最佳;圖2(c)掃描速度過快，熔池粉末熔化不完全，產(chǎn)生夾雜、氣孔。

試驗(yàn)結(jié)果分析:從上述試驗(yàn)中可知，若其它工藝參數(shù)不變，掃描速度過慢，單位時間合金粉末供應(yīng)量過多易使熔覆層變厚，引起夾雜、氣孔裂紋，掃描太快熔池粉末量供應(yīng)不足，造成熔覆層過薄燃燒、表面粗糙、硬度下降。

2.3 送粉率變化對熔覆質(zhì)量的影響

依舊選用高速鋼板作為基材，Ni基合金粉末作為熔覆材料進(jìn)行單道熔覆試驗(yàn)。試驗(yàn)激光功率為3.7 kW，掃描速度為 6 mm·s－1，送粉率分別為 17 g·min－1、19 g·min－1、21 g·min－1，試驗(yàn)后樣品如圖 3 所示，具體參數(shù)以及熔覆質(zhì)量如表3所示。

圖3 熔覆試樣－僅送粉率不同

表3 熔覆質(zhì)量－僅送粉率不同

試驗(yàn)結(jié)果觀察:從圖3(a)中可知，由于送粉率過低，激光熔池不穩(wěn)定造成試樣表面粗糙不平、有明顯夾雜;圖3(b)隨著送粉量的增加，試樣表面變的較為平滑，無明顯夾雜、氣孔，達(dá)到理想的熔覆效果;圖3(c)當(dāng)送粉量增加到21 g·min－1，試樣表面變得粗糙，不平整。

試驗(yàn)結(jié)果分析:當(dāng)其它參數(shù)不變時，送粉率過低，造成激光熔池不穩(wěn)定，送粉量過高會造成激光功率相對不夠，均產(chǎn)生熔覆缺陷，可見，選擇合適的送粉率十分重要，本次試驗(yàn)中送粉率選擇19 g·min－1熔覆效果較佳。

2.4 多道搭接系數(shù)試驗(yàn)

搭接系數(shù)是指單道熔覆層之間的重疊程度，一般用重疊量與單道熔覆層的寬度的比值來計算［6］。由于受功率等諸多因素的影響，激光熔覆層單道寬度是非常有限的，要實(shí)現(xiàn)大面積的激光熔覆必須要通過多個單道搭接而成，恰當(dāng)?shù)拇罱酉禂?shù)是獲得高質(zhì)量熔覆產(chǎn)品的關(guān)鍵因素。上述對激光功率、掃描速度、送粉率等參數(shù)的試驗(yàn)是單道試驗(yàn)，給多道熔覆試驗(yàn)提供了參考數(shù)據(jù)。

多道搭接試驗(yàn)基材依舊選用高速鋼，熔覆粉末選用Ni45合金粉末，采取的工藝參數(shù)數(shù)為激光功率3.7 kW，掃描速度 6 mm·s－1，送粉量 19 g·min－1，搭接系數(shù)分別為30%、40%、50%進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)試樣如圖4所示，具體參數(shù)以及熔覆質(zhì)量如表4所示。

圖4 熔覆試樣－僅多道搭接系數(shù)不同

表4 熔覆質(zhì)量－僅多道搭接系數(shù)不同

試驗(yàn)結(jié)果觀察:從圖4(a)中知搭接系數(shù)過低，熔覆層表面出現(xiàn)明顯凹陷;圖4(b)隨著搭接系數(shù)增加，熔覆層表面平滑，無裂紋、空洞、夾雜;圖4(c)搭接系數(shù)過高，熔覆層表面產(chǎn)生隆起、夾雜、空洞。

試驗(yàn)結(jié)果分析:當(dāng)搭接系數(shù)過低時，在相鄰單道之間易產(chǎn)生間隙形成溝狀間隙，搭接系數(shù)過高容易造成鄰道之間熔覆厚度增加形成凸起，產(chǎn)生夾雜氣孔，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果搭接系數(shù)在40%左右時效果最好，過高或過低都有缺陷。

2.5 效果跟蹤

熔覆后的軋輥熔覆層搭接比較均勻，無明顯夾雜、氣孔，無明顯凸起感凹陷缺陷，表面硬度和厚度分布均勻，表面平滑，表觀質(zhì)量較好。對熔覆后的軋輥多部位進(jìn)行硬度測量，均達(dá)到設(shè)計要求。軋輥熔覆后在線作業(yè)跟蹤結(jié)果得知，作業(yè)效果較好，軋輥表面熔覆后在線作業(yè)軋鋼量達(dá)到了理想的效果，其中單槽軋鋼量較熔覆前提高了近1倍。

3 結(jié)束語

激光熔覆技術(shù)在冶金行業(yè)已得到普通的推廣應(yīng)用，并不斷地向更深的層次發(fā)展，對冶金生產(chǎn)起到越來越重要的作用［7］。文章對激光熔覆技術(shù)工藝與質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)踐與研究，在高速鋼鋼基材上預(yù)涂Ni45粉末，用高功率CO2激光器進(jìn)行熔覆處理，得到優(yōu)化的工藝參數(shù)為:激光功率3.7 kW、送粉率選擇19 g·min－1、掃描速度6 mm·s－1、搭接系數(shù)40%。針對棒材軋輥進(jìn)行了激光熔覆的應(yīng)用實(shí)踐，通過在線作業(yè)實(shí)際生產(chǎn)效果很好，實(shí)現(xiàn)延長工件壽命的目的，同時為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。該熔覆工藝在節(jié)能、環(huán)保上有著積極的現(xiàn)實(shí)意義［8］。

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［3］楊寧，楊帆.激光熔覆工藝參數(shù)對熔覆層質(zhì)量的影響［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2010(31):17－19.

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［5］張寧.鋁合金激光熔覆金屬基復(fù)合材料及數(shù)值模擬［D］.沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)，2007.

［6］張朝輝.ANSYS熱分析教程與實(shí)例解析［M］北京:中國鐵道出版社，2007，2

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［8］連志恒，杜曉暉.棒材軋輥激光處理應(yīng)用實(shí)踐［J］.材料報導(dǎo)，2011(3):84－86.