激光熔覆技術(shù)在港口設(shè)備中的應(yīng)用

劉紹斌山東日照港股份二公司門機(jī)隊(duì)

激光熔覆技術(shù)在港口設(shè)備中的應(yīng)用

劉紹斌
山東日照港股份二公司門機(jī)隊(duì)

本文講述了激光熔覆技術(shù)在港口門機(jī)旋轉(zhuǎn)減速箱殼體修復(fù)中的一次應(yīng)用，闡述了激光熔覆技術(shù)的特點(diǎn)及其修復(fù)的工藝流程。通過觀察修復(fù)效果，得出了激光熔覆技術(shù)可以在港口設(shè)備推廣應(yīng)用的結(jié)論。

激光熔覆；港口；再制造

1.現(xiàn)狀分析

機(jī)電產(chǎn)品零部件的失效模式是由于其局部磨損。腐蝕、高溫氧化等損傷而導(dǎo)致其整體使用性能喪失。換言之，由部件1%左右的損傷導(dǎo)致了其100%的報(bào)廢。對(duì)于喪失使用性能的機(jī)電產(chǎn)品零部件，用傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝無法恢復(fù)其使用性能。減速箱作為港口門機(jī)上的動(dòng)力傳動(dòng)裝置，極易發(fā)生殼體或者內(nèi)部軸部件的磨損，當(dāng)磨損發(fā)生后往往是沒有比較理想的維修方案的，對(duì)于磨損較小的部件，比如高采用一般性焊補(bǔ)等方式，其焊接熱影響區(qū)較寬，存在較大的焊接殘余應(yīng)力，降低了零件抗疲勞強(qiáng)度，可靠性較差。同時(shí)，鑄鐵、低合金高強(qiáng)度鋼等材料焊接性能較差，也增加了焊修的難度。當(dāng)這些大型的港口設(shè)備因?yàn)檫@些問題而報(bào)廢，會(huì)造成很大的浪費(fèi)。因此，選擇一種合適的工藝對(duì)損壞的減速箱進(jìn)行再制造具有很大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.激光熔覆技術(shù)及特點(diǎn)

應(yīng)用于激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和固體激光器（主要包括碟片激光器，光纖激光器和二極管激光器，老式燈泵浦激光器由于光電轉(zhuǎn)化效率低，維護(hù)繁瑣等問題已逐漸淡出市場）。對(duì)于連續(xù)CO2激光熔覆，國內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究.高功率固體激光器的研制發(fā)展迅速，主要用于有色合金表面改性。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，采用CO2激光進(jìn)行鋁合金激光熔覆，鋁合金基體在CO2激光輻照條件下容易變形，甚至塌陷。固體激光器，特別是碟片激光器輸出波長為1.06μm，較CO2激光波長小1個(gè)數(shù)量級(jí)，因而更適合此類金屬的激光熔覆。

激光熔覆按送粉工藝的不同可分為兩類：粉末預(yù)置法和同步送粉法。兩種方法效果相似，同步送粉法具有易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，激光能量吸收率高，無內(nèi)部氣孔，尤其熔覆金屬陶瓷，可以顯著提高熔覆層的抗開裂性能，使硬質(zhì)陶瓷相可以在熔覆層內(nèi)均勻分布等優(yōu)點(diǎn)。

1、激光熔覆具有以下特點(diǎn)：（1）冷卻速度快（高達(dá)106K/s），屬于快速凝固過程，容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無法得到的新相，如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等。（2）涂層稀釋率低（一般小于5%），與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合，通過對(duì)激光工藝參數(shù)的調(diào)整，可以獲得低稀釋率的良好涂層，并且涂層成分和稀釋度可控；（3）熱輸入和畸變較小，尤其是采用高功率密度快速熔覆時(shí)，變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)。（4）粉末選擇幾乎沒有任何限制，特別是在低熔點(diǎn)金屬表面熔敷高熔點(diǎn)合金；（5）熔覆層的厚度范圍大，單道送粉一次涂覆厚度在0.2～2.0mm；（6）能進(jìn)行選區(qū)熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能價(jià)格比；（7）光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷；（8）工藝過程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

很適合油田常見易損件的磨損修復(fù)。

2、激光熔覆與激光合金化的異同

激光熔覆與激光合金化都是利用高能密度的激光束所產(chǎn)生的快讀熔凝過程，在基材表面形成于基體相互融合的、具有完全不同成分與性能的合金覆層。兩者工藝過程相似，但卻有本質(zhì)上的區(qū)別，主要區(qū)別如下：（1）激光熔覆過程中的覆層材料完全融化，而基體熔化層極薄，因而對(duì)熔覆層的成分影響極小，而激光合金化則是在基材的表面熔融復(fù)層內(nèi)加入合金元素，目的是形成以基材為基的新的合金層。（2）激光熔覆實(shí)質(zhì)上不是把基體表面層熔融金屬作為溶劑，而是將另行配置的合金粉末融化，使其成為熔覆層的主題合金，同時(shí)基體合金也有一薄層融化，與之形成冶金結(jié)合。激光熔覆技術(shù)制備新材料是極端條件下失效零部件的修復(fù)與再制造、金屬零部件直接制造的重要基礎(chǔ)，收到世界各國科學(xué)界和企業(yè)的高度重視。

金屬冶金粉末的輸送主要有預(yù)置法和同步送粉法，前者是將粉末實(shí)現(xiàn)覆蓋在待修復(fù)區(qū)，而后者是隨著激光的移動(dòng)將粉末均勻噴敷在激光形成的熔池中，其工藝性好，生產(chǎn)效率高，過程原理如圖1所示。

圖1　激光熔覆技術(shù)原理圖

3.激光熔覆技術(shù)在港口減速箱修復(fù)中的應(yīng)用

3.1設(shè)備選用

激光器主要有三種，CO2激光器，固體激光器，準(zhǔn)分子激光器。2011年開發(fā)研制了大功率半導(dǎo)體激光器，最大功率達(dá)到4KW。選用ABB或者KUKA機(jī)器人手，如圖2所示，將機(jī)械手與激光頭配套使用，可以對(duì)復(fù)雜的加工面進(jìn)行柔性加工。

3.2工藝流程

此次改造實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)40T門機(jī)的旋轉(zhuǎn)減速箱殼體出現(xiàn)磨損的問題進(jìn)行，通過與廠家溝通確定了基本的修復(fù)流程:

圖3　激光熔覆工藝流程圖

根據(jù)減速機(jī)殼母體材料進(jìn)行選配、研制合金粉末，配合大功率半導(dǎo)體激光器及六自由度機(jī)器人系統(tǒng)將研制的合金粉末熔覆到磨損部位，激光熔覆采用紅外測(cè)溫儀控制工件溫度，確保工件不因過熱導(dǎo)致基體材料顯微組織產(chǎn)生變化；采用激光熔覆的合金粉末經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)性能檢測(cè)（包括金相組織、硬度、摩擦磨損、掃描電鏡、鹽霧試驗(yàn)等）；使用X射線殘余應(yīng)力檢測(cè)儀檢測(cè)確保工件應(yīng)力最小。

3.3修復(fù)效果

修復(fù)前后對(duì)比明顯，修復(fù)后的減速箱殼體在機(jī)殼表面獲得硬度可達(dá)HRC45-50、耐磨性能更加優(yōu)異并且具有優(yōu)良的耐腐蝕性能的熔覆層。在外形尺寸、表面形態(tài)和內(nèi)部硬度上都已經(jīng)達(dá)到了正常使用所要求的標(biāo)準(zhǔn)。目前經(jīng)激光修復(fù)后的殼體已經(jīng)用于減速箱的組裝，并已經(jīng)在門機(jī)上運(yùn)行作業(yè)，觀察一切良好。

激光熔覆再制造技術(shù)適用于港口設(shè)備，將這種修復(fù)技術(shù)進(jìn)行推廣，應(yīng)用到其他的受損港口設(shè)備，可以大大節(jié)約設(shè)備維護(hù)成本，具有重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。