礦用電機轉(zhuǎn)子軸激光熔覆修復技術的研究與應用

羅星星，高 沖

(神東煤炭集團設備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200)

0 引言

在設備維修過程中發(fā)現(xiàn)返廠的電機轉(zhuǎn)子軸每到大項修周期都會出現(xiàn)不同程度的磨損、變形、裂紋等失效形式。據(jù)統(tǒng)計，在設備修復過程中每年檢測出來的電機轉(zhuǎn)子軸失效軸類零件200余件，修復價值近500萬元。主要失效形式為軸承位磨損超差、膠合。在修復過程中發(fā)現(xiàn)通過焊接修復直徑小于150 mm的軸類零件時，零件整體產(chǎn)生撓度形變，焊后零件不可用。因此，需要尋求一種經(jīng)濟有效的軸類零件修復技術。

電機軸在機械設備中廣泛存在，因其購置費用高、損壞率高而具有極高的修復價值。電機軸直徑小，傳統(tǒng)修復變形大，修復工藝受頗多限制。本文主要從激光修復對電機軸表面質(zhì)量的提升及變形量控制來研究一種激光修復手段在電機軸修復工藝中的運用。

1 常用軸類零件修復技術

1.1 傳統(tǒng)焊接修復

通過熔化焊材及母材表面形成熔池，采用焊材填充的方法修復軸類零件表面。其優(yōu)點是操作簡單、焊接人員隊伍龐大，運用廣泛、成本低廉，設備小巧不受場地限制。缺點是焊接修復熱量大，焊件易產(chǎn)生很大的焊接變形，不能用于修復小直徑等對變形量要求高的零件；易產(chǎn)生氣孔、夾渣、裂紋等缺陷；焊接尺寸不易控制、焊后機械加工余量大。

1.2 超聲波焊接修復

超聲波焊接是利用高頻率振動能量實現(xiàn)焊接的一種焊接手段。在壓力作用下超聲波使接觸面薄膜破裂，通過壓力、摩擦實現(xiàn)焊接。其優(yōu)點是不會對焊件引起高溫損傷和污染，超聲波焊接適合于零件尺寸較小的緊密電子元件、金、銀及塑料制品等焊接。缺點是不適合機械零件的焊接。

1.3 電刷鍍修復

通過電沉積原理將某種金屬溶液用鍍筆鍍到零件的表面實現(xiàn)零件修復的效果[4]。其優(yōu)點是無電鍍槽，設備簡單，不受零件尺寸的限制；電鍍工藝簡單，只需去污、活化、電鍍幾個簡單步驟即可完成；沉積速度快，每小時可刷鍍厚度0.2 mm以上；鍍后一般不要加工，鍍層厚度可控制，經(jīng)濟成本低。缺點是與基體的結合強度不如焊接修復高；鍍層厚度不宜超過0.5 mm，不適用于深層裂紋、點蝕工件；對環(huán)境存在一定的污染。

1.4 過盈連接修復

通過新加工一段空心軸套，依靠空心軸套與軸的過盈連接來實現(xiàn)緊固連接。其優(yōu)點是工藝簡單，對設備要求低；可用熱裝法實現(xiàn)過盈連接；工件同軸度高，不產(chǎn)生焊接熱變形。缺點是不能運用于薄壁類軸類零件；空心軸套上一般不能加工螺紋、鍵槽；遇重載、沖擊載荷不可靠。

1.5 激光熔覆修復

通過激光熔覆技術與傳統(tǒng)車削加工手段相結合的方式，將合金粉末與修復基體通過冶金結合，實現(xiàn)修復面的表面改性及尺寸修復。該工藝修復效果好、熱影響區(qū)小，對工件變形影響小。

2 激光熔敷技術原理和影響因素分析

2.1 激光熔敷技術原理

激光熔覆修復零件可以理解為在零件表面形成一個微小的熔池，激光束、熔覆粉末、基體材料三者在此微小熔池內(nèi)相互作用，達到平衡狀態(tài)，隨著熔池的推進將合金粉末與基體冶金結合在一起，形成穩(wěn)定牢固的保護層。一般來講，激光熔覆后的組織比母材要細小，具有更高的耐蝕、硬度及綜合強度。最終得到熔覆層的硬度值比金屬粉末的標稱值要略高。

目前激光熔覆的主要應用是提高材料的耐磨性，在零部件的局部表面制備高耐磨的熔覆層；提高材料的耐腐蝕性，即在材料表面熔覆一層具有高耐腐蝕性的合金層；改變母材表面性能，形成一層具有特殊性能的表面層。

2.2 激光熔覆的影響因素

激光熔覆的影響因素涉及激光熔覆中的平衡狀態(tài)，對得到優(yōu)質(zhì)熔覆層起到關鍵的作用，因此成為激光熔覆工藝的關鍵問題，且相互關聯(lián)，相互影響。

激光光束特性參數(shù)：主要由激光器種類確定，一般來說在激光器種類及型號已確定的情況下，光束質(zhì)量是不可改變的。在光路傳輸系統(tǒng)確定的情況下，激光的光束模式、光斑直徑大小也已經(jīng)是完全確定的值。在實際加工中可以調(diào)節(jié)激光器的輸出功率和離焦量進行調(diào)整，得到適合激光熔覆所需要的激光束光斑。

材料特性參數(shù)：主要是指待修復工件基體和熔覆金屬粉末的相關數(shù)據(jù)。包括母材的化學成分及熱處理狀態(tài)、硬度及工件形狀等；金屬粉末的化學成分、顆粒目數(shù)、流動性、堆積密度等，以及兩者之間的冶金浸潤特性參數(shù)。材料對激光的吸收率，熔化溫度點，熱傳導速率等。

加工工藝參數(shù)：是指激光熔覆過程中對設備設定的參數(shù)值，最主要有熔池行進速度、粉末輸送速度等。體積較小的工件在加工中注意散熱，避免熱量積累導致的工件形變發(fā)生。

環(huán)境條件參數(shù)：是指與整個熔覆過程中相關的外部因素，如基體冷卻條件、熔池保護氣流量等，都會直接影響到熔覆層的成型質(zhì)量。

2.3 熔覆區(qū)的有限元分析

激光熔覆是一個速冷速熱的過程，熔覆過程熱傳遞情況較為復雜，本文通過有限元分析建立電機轉(zhuǎn)子軸激光熔覆溫度場模型分析熔覆過程。激光器產(chǎn)生的能量基本被熔覆粉末及基體吸收并轉(zhuǎn)化成熱能，其傳熱過程大概可分為熔覆粉末區(qū)的熱傳導、熔覆粉末與基體的熱對流以及基體熱輻射3個過程。因速冷速熱的穩(wěn)定效應，激光熔覆的熱分析應為瞬態(tài)熱分析。

溫度場的有限元分析：使用ANSYS軟件對熔敷過程進行仿真，選取六道焊縫進行溫度仿真，可得到溫度變化曲線，如圖1所示。由圖1可以看出：①前5道焊縫的峰值溫度逐步增加，但第6道焊縫的峰值溫度更高一些，這是由于第6道焊縫已經(jīng)處于外角邊緣，由于空氣的散熱不如金屬材料的自身導熱快，因此，在最后一道焊縫熔覆時熱量散出速度相對減??；②高溫區(qū)間很短，說明高能密度的激光可以瞬間將材料表面熔化，又可以在短時間內(nèi)快速冷卻，這對熔覆過程中增強表面強度具有明顯作用。

圖1 溫度變化曲線圖

應力場的有限元分析：使用ANSYS軟件對熔敷過程進行應力仿真，選取六道焊縫進行應力分析，可得到應力變化曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，熔覆修復過程中的動態(tài)應力具有復雜性，峰值與溫度隨時間變化曲線的峰值略有相似，這與熔覆熱循環(huán)有關。該變化復雜性與熔覆動態(tài)過程中拉、壓應力的轉(zhuǎn)換也有很大關系。

模擬分析結果：通過對零件熔覆修復過程溫度場、應力場數(shù)值模擬及分析可得出如下結果。①熔覆過程中存在熱量的積聚過程，起始熔覆時熔池溫度略低，達到準穩(wěn)態(tài)后熔池溫度趨于穩(wěn)定，隨著熔覆修復道數(shù)的增加，熔池溫度會逐步上升，直至熔覆結束；從工藝角度出發(fā)，應在起始熔覆時適當增大熱輸入以獲得良好的熔合，熔覆修復后期可以適當減小熱輸入，防止熔池溫度過高形成熔覆熱裂紋。也可有效降低焊縫間的成分偏析，提高焊縫整體強度及組織均勻性；②熔覆結束后的冷卻過程中，冷卻初始階段降溫速率較大，后期較慢；為了避免焊后熱裂紋的產(chǎn)生，應在熔覆結束后迅速采取覆蓋保溫棉等有效措施。在冷卻后期，可以適當進行錘擊，釋放焊縫內(nèi)部殘余應力；③總體熔覆殘余應力較小，當前熔覆工藝可以進行適當優(yōu)化，但具有熔覆可行性，熔覆修復工藝設計合理。

圖2 應力變化曲線圖

3 激光熔覆粉末制備及工藝參數(shù)

3.1 母材成分

合金粉末的制備應在母材材料化學分析及金屬學特性分析的基礎上進行，熔覆材料的成分一般根據(jù)使用要求與基體的狀況來選配。根據(jù)基體材料以及表面熔覆后需要獲得的硬度指標等性能指標確定粉末體系配比。如目前常見的有鎳基、鐵基、鋁基等。

電機軸為鐵基材質(zhì)，材料成分與45鋼基本一致，見表1。因此在粉末制備上采用相近原則應選用鐵基粉末。

表1 電機軸母材成分

3.2 粉末成分對熔覆層影響

電機軸主要損傷形式為磨損，修復要求對電機軸修復位置做表面強化以提高耐磨性，根據(jù)磨損量計算公式，要降低磨損量需對材料硬度進行提升。通過在合金粉末中添加微量元素提升修復層耐磨性是一種較好的技術解決方案。粉末成分對熔覆層性能的影響主要有雜質(zhì)元素、造渣元素以及添加的有利成份是哪個方面。

雜質(zhì)元素：在鐵礦石的煉制過程中，不可避免地存在一些雜質(zhì)元素。這些雜質(zhì)元素是在鐵礦石冶煉過程中難以去除的有害元素或是起脫氧作用主動添加的，對材料性能無改善效果。對于不能改善熔覆層性能的雜質(zhì)元素不應在粉末中配置。常見的雜質(zhì)元素有S、P、N、Cu等，這些元素使材料產(chǎn)生熱脆性、冷脆性，降低熔覆層熔覆質(zhì)量，不宜添加。

造渣元素選?。含F(xiàn)一般都采用自身能起熔劑作用的自熔性合金粉末。自熔性元素一般為B和Si。B和Si熔點較低，起到良好的自造渣功能。實驗研究發(fā)現(xiàn)B和Si的熔點在850 ℃左右，有效降低了熔點，熔化后與氧氣反映應形成硼硅酸鹽，對熔池起到了較好的保護作用，但是合金中B和Si的含量也不宜過高，激光熔覆快冷快熱的熔池性質(zhì)導致部分硼硅酸鹽尚未浮出表面即被凝固形成薄膜，故粉末中B和Si含量過高會導致覆層的開裂傾向?？偭靠刂圃?%以下為宜。

合金粉末對硬度的提升：從電機轉(zhuǎn)子軸的硬度現(xiàn)場測試情況來看，平均硬度為HRC22～25，屬于中等偏低硬度，易磨損，熔覆修復因考慮適當提高零件表面硬度，硬度過高則后續(xù)機械加工困難，加工效率低。根據(jù)一般車削加工刀具適宜車削硬度，熔覆后修復層的硬度值在HRC 45左右，零件修復后耐磨性能提升約90%。常見合金元素中能顯著提升材料硬度有Cr、Ni，粉末體系選擇鐵基粉末，適當增加Cr、Ni的含量，以提高耐磨性。Cr、Ni在熔覆過程中溶于基體形成合金元素，合金在粉末中的含量應于鐵素體中含量相當。

根據(jù)以上原則，在母材成份基礎上去除雜質(zhì)元素，添加一定量的造渣元素及Cr、Ni合金元素，制備熔覆粉末。

3.3 激光熔覆工藝參數(shù)制定

熔覆過程中可調(diào)工藝參數(shù)主要為激光功率、掃描速度、送粉速度。電機軸修復重點研究范圍為不同工藝參數(shù)對修復層硬度的影響。通過現(xiàn)場實踐掌握了設備常用工藝參數(shù)區(qū)間范圍，通過正交實驗研究工藝參數(shù)對熔覆區(qū)硬度的影響。

實驗參數(shù)：選取激光功率為3.5 kW、4.0 kW、4.5 kW；掃描速度350 mm/min、450 mm/min、550 mm/min；送粉速度(g/cm3，為送粉管中的粉末密度，送粉時氣體流量恒定，故送粉速度由粉末密度決定)。根據(jù)實際轉(zhuǎn)速(即掃描速度)下粉末鋪設效果選取5 g/cm3、6 g/cm3、7 g/cm33個中間值，實驗方案見表2。

K值、極差R值：各因素Kij(i=A,B,C;j=1,2,3)值、極差Ri(i=A,B,C)值見表3。

正交實驗最優(yōu)值：激光功率2(4 kW，KA2=45.6)，掃描速度2(450 mm/min，KB2=45.6)，送粉速度1(5 g/cm3，KC1=44.7)。最佳工藝是以上3個最優(yōu)水平的組合，有利于提高工件的硬度水平。

表2 正交實驗方案

表3 K值、極差R值計算結果

由R值判斷：對工件硬度影響最大的是激光功率(3.3 HRC)、掃描速度(3.3 HRC)，最小的是送粉速度(0.7 HRC)。

最佳工藝參數(shù)：P=4 000 W，V=450 mm/min，送粉速度5 g/cm3，搭接率0.4，進給速度3 mm/r，離焦量30 mm。

3.4 實驗結果測試分析

表面硬度：選定修復位置6個點，樣本均勻分布在外圓柱面上，測定表面硬度見表4。數(shù)據(jù)顯示修復層表面硬度顯著提升，各點硬度變化不大，性能穩(wěn)定，滿足修復需求。

表4 修復區(qū)外圓面硬度檢測表

顯微組織分析：在熔覆過程中，熔池底部的熱量主要通過基體擴散，激光束產(chǎn)生的熱量高度集中，在基地底部形成了代表良好冶金結合的白亮帶，較窄的白亮帶說明粉末與基體材料結合可靠以及較低的稀釋率。由熔池底部往上，溫度降低，出現(xiàn)胞狀結晶且晶胞逐漸減小直至出現(xiàn)樹枝狀結晶。分析可知激光熔覆的熔池冷卻結晶過程完全符合冶金規(guī)律，材料結合緊密可靠，稀釋率、氣泡率較低。顯微組織顯示為樹枝狀結晶，如圖3所示，存在氣孔1個，氣孔直徑0.08 mm，氣孔率約為1%，與粉末實驗結論基本一致，熔覆效果表現(xiàn)優(yōu)異，顯示電機軸激光熔覆修復后各項性能指標符合修復需求，達到修復預期效果。

圖3 修復區(qū)顯微組織圖

4 結論

(1)通過對激光設備的特性分析、ANSYS實驗仿真提出了軸類零件激光熔覆修復工藝的可行性，通過對激光設備各項熔覆參數(shù)的比對及粉末熔覆實驗，實現(xiàn)了軸類零件的激光熔覆修復，修復后工件表面硬度有所提升，工件顯微組織結構良好，各項指標評定滿足修復需求。

(2)熔敷工藝參數(shù)通過正交試驗法得出，有一定的使用價值，但是要更為準確地掌握熔覆參數(shù)對性能的影響還需要建立準確的數(shù)學模型。通過模型做更為細致的定量研究，得到更為精準的工藝參數(shù)定值。

(3)因條件有限，實驗以現(xiàn)有二氧化碳激光器為熔覆設備，該設備不代表當今最先進的激光設備，研究可基于體積較小的固體激光器及更大功率的激光器，提升激光熔覆效率。

(4)對激光熔敷粉末成分做更為精準的定量分析，建立元素比例與熔覆層硬度、耐磨性能指標的數(shù)學模型，精準掌控粉末元素對性能的影響。