基于激光增材再制造技術(shù)的MMD 625 齒板修復(fù)方法

龍永祥，王 闖

（國家電投內(nèi)蒙古公司 霍林河北露天煤礦，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200）

霍林河北露天煤礦擁有2 大輸煤系統(tǒng)，主要承擔火力發(fā)電廠發(fā)電機組燃煤的破碎、儲存和輸運任務(wù)。MMD 雙齒輥破碎機具有諸多優(yōu)點：占用空間小，結(jié)構(gòu)緊湊，對基礎(chǔ)要求小，生產(chǎn)能力高，節(jié)能環(huán)保，能夠適應(yīng)各種物料的破碎，因此在輸煤系統(tǒng)中選用了MMD 625 型雙齒輥破碎機進行煤炭破碎的任務(wù)。

齒板是MMD625 破碎機中的關(guān)鍵部件之一，也是最易磨損失效的部件，在齒板破損到一定程度之后就需要及時地更換齒板以保證破碎機工作效率。然而，齒板昂貴的更換費用以及有限空間的惡劣工作環(huán)境使得企業(yè)的維修經(jīng)費和人工成本大大增加。

MMD 625 雙齒輥破碎機一般采用齒板結(jié)構(gòu)形式的截齒，通過齒板間齒冠的相互嚙合剪切、擠壓對煤炭進行破碎。通過大量的實踐證明，齒板磨損嚴重的主要因素有2 種：①齒板自身耐磨性和強度不夠，齒板在進行連續(xù)破碎過程中由于與煤塊的沖擊和摩擦，會產(chǎn)生磨損，若齒板強度和耐磨性不足，則會加快齒板磨損速度；②煤炭中含有夾矸石和鐵結(jié)核，由于夾矸石和鐵結(jié)核抗壓強度高、硬度大，鐵結(jié)核和夾矸石不能被破碎機破碎，因此會長期滯留在破碎機內(nèi)與齒板長期沖擊，不但會使齒板磨損迅速，還容易導(dǎo)致齒冠崩斷，使得齒板失效。

齒板磨損到一定程度后，破碎機的破碎能力會迅速下降，進料速度大于出料速度，從而發(fā)生返料故障，破碎后的煤料塊度也不能滿足電廠需要，這時就需要及時更換齒板。然而，由于MMD 破碎機為進口破碎設(shè)備，包括齒板等大量零部件都依賴進口，采購和運輸也比較困難，價格非常昂貴，因此每次更換齒板都會花費巨大維修費用；另外，由于MMD 破碎機齒板與齒輥之間采用螺栓固定聯(lián)接，在每次更換齒板時都要在狹小空間中采用氣動扳手和氣鏟對螺栓孔中的煤粉和污泥進行清理，才能完成齒板拆卸和更換工作，粉塵污染大，作業(yè)環(huán)境惡劣，勞動強度大，齒板更換困難，同時也存在著物體打擊、擠傷等安全隱患。

1 齒板修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀

為了減緩齒板破損速度，盡可能減少齒板更換頻率，有效降低維修經(jīng)費和人工成本，國內(nèi)諸多MMD 雙齒輥破碎機設(shè)備用戶采取措施來降低齒板磨損速度，其中胡友情等[1]總結(jié)出一套破碎機齒板磨損后的處理方法，采用多種不同材料的耐磨焊條分2 次對齒板齒尖進行補焊，結(jié)果表明，通過此方法有效減緩了齒板磨損速度，延長了齒板更換周期，降低了工人的勞動強度，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益。對于磨損嚴重的齒板修復(fù)，徐昆鵬等[2]引進耐磨堆焊新材料，采用堆焊方式對齒板進行了修復(fù)，將齒冠堆焊至原有形狀，通過實踐發(fā)現(xiàn)，修復(fù)效果顯著，齒板耐磨性得到顯著增強，大大延長了齒板使用時間，有效保證了破碎機出料塊度，實現(xiàn)了節(jié)能降耗，經(jīng)濟效益顯著。

盡管采用上述方式可以減緩齒板磨損速度和重新修復(fù)齒板，但無論是對齒板齒冠進行補焊還是通過堆焊形式對齒板進行修復(fù)，基本都是采用手工電弧焊的作業(yè)方式，人的因素對手工電弧焊的焊接成形質(zhì)量有很大影響，不能保證齒板修復(fù)后的強度和精度達到標準，另外，手工電弧焊產(chǎn)生的熱影響區(qū)較大，還會使齒板基體材質(zhì)發(fā)生改變，強度及耐磨性下降，發(fā)生齒冠斷裂現(xiàn)象，齒板基體磨損加劇，進而導(dǎo)致齒板失效[3-4]。針對現(xiàn)有齒板修復(fù)技術(shù)存在的問題，為減小因補焊和堆焊修復(fù)齒冠對齒板產(chǎn)生的不良影響，提出了一種新的齒板修復(fù)方法——基于激光熔覆技術(shù)的激光增材再制造技術(shù)。

2 激光熔覆及激光增材再制造技術(shù)

激光熔覆技術(shù)早在20 世紀70 年代就開始有人進行研究，它是激光制造技術(shù)一個核心的應(yīng)用領(lǐng)域，在金屬材料表面性能改進、摩擦學(xué)、應(yīng)用激光以及零件再制造方面有著廣泛的應(yīng)用，激光熔覆技術(shù)的優(yōu)異表現(xiàn)受到了國內(nèi)外學(xué)者的追捧和研究[5-7]。激光熔覆的工作原理是將提前預(yù)置在加工位置的或以不同輸送方法輸運過來的熔覆粉末流送入激光束高能量區(qū)域，與零件表面同時熔化，冷卻后形成極低稀釋率的熔層，能夠提高零件的表面抗腐蝕性、抗磨性、抗高溫等性能[8-10]。激光熔覆技術(shù)可以明顯提高零件表面性能，也可面向損傷部件實行再制造修復(fù)，它擁有節(jié)能、對環(huán)境污染小、自動化程度高等優(yōu)點，該技術(shù)正成為高附加值零件生產(chǎn)行業(yè)的熱門話題，它引入全新的制造理念，例如零件的激光直接制造、增材制造與激光再制造，它避免了傳統(tǒng)制造模式下存在的材料過多浪費問題。

再制造就是一個機械零件在到達本身的使用壽命后，通過一些專業(yè)技術(shù)手段與方法重新對零件損傷的部位進行修復(fù)重造，它是基于零件本身的重新制造的過程。激光增材再制造技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)模式上的再制造過程，引入了全新再制造理念，它是基于金屬3D 打印技術(shù)，結(jié)合高柔性的智能控制系統(tǒng)，對零件的受損或失效部位進行反向三維建模，通過分層切片、修復(fù)線路編程等規(guī)程，采用合適的送粉和修復(fù)工藝，使用逐點、線、面、層的方法對損傷部位修復(fù)成形再造，修復(fù)后的零件在強度、硬度、形狀等方面都能達到理想的要求[8-10]。激光增材再制造系統(tǒng)原理示意圖如圖1。

圖1 激光增材再制造技術(shù)原理示意圖

激光增材再制造技術(shù)是近幾年一種新興的零部件修復(fù)再造技術(shù)，由于其高精度、高智能化、熱損傷小、成本低等諸多特點，在國內(nèi)諸多領(lǐng)域有著相當廣泛的應(yīng)用，例如在航空領(lǐng)域飛機發(fā)動機葉片的修復(fù)，航海輪船發(fā)動機曲軸的修復(fù)再造，礦山刮板輸送機鏈輪、液壓支架液壓缸體的修復(fù)，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域農(nóng)耕刀具的修復(fù)、鍍層等。中國科學(xué)院金屬研究所王茂才等[11]利用粉末冶金修復(fù)再制造技術(shù)成功解決了大空隙缺陷近強度修復(fù)以及難焊接鑄造高溫葉片焊接難題。王浩，王立文等[12]針對航空發(fā)動機葉片修復(fù)困難與維修價格昂貴等問題，采用了基于激光熔覆技術(shù)的再制造修復(fù)方法，葉片修復(fù)取得良好的效果。封慧，李劍鋒等[13]利用激光熔覆再制造技術(shù)對損傷曲軸進行了修復(fù)，通過試驗，熔層與基體冶金結(jié)合良好，熔層硬度顯著優(yōu)于基體硬度[14]。齊海波，徐全蓋等[15]利用激光增材再制造技術(shù)對鐵軌損傷部位進行再制造修復(fù)，修復(fù)后的熔層表面強度和硬度均超過了原有基材力學(xué)性能。由于其優(yōu)秀的表現(xiàn)，激光增材再制造技術(shù)獲得了廣泛的認可和肯定。

2.1 激光增材再制造熔覆試件細觀形貌

激光增材再制造熔覆試件截面在超景深顯微鏡下細觀形貌特征，熔覆試件上層為合金粉末熔融產(chǎn)生的熔覆層，中層為熔融金屬粉末與基材相融結(jié)合的冶金層，下方為試件基體，中部區(qū)域為激光熔覆后產(chǎn)生的熱影響區(qū)。與手工電弧焊產(chǎn)生的熱影響區(qū)相比，采用此技術(shù)能夠大大減小熱影響區(qū)的范圍，對修復(fù)件基體材質(zhì)的影響能夠降到最低。

2.2 硬度測試

利用洛氏硬度檢測儀器對激光增材再制造熔覆試件進行硬度測試，在試件截面熔覆層、熔池、熱影響區(qū)、基材4 個區(qū)域分別選取5 個樣本點進行硬度表1 測試。實際測量路開硬度數(shù)據(jù)見表1。

表1 實際測量洛氏硬度數(shù)據(jù)HRC

測試結(jié)果表明，從熔覆層到基體材料，硬度在逐漸下降，熱影響區(qū)和基體材料硬度基本無差別，由此可以看出，采用激光增材再制造技術(shù)對試件進行熔覆，不但能夠強化試件表面強度和硬度，熔覆產(chǎn)生的熱影響對基體材料的材質(zhì)幾乎沒有影響。相信使用該技術(shù)對齒板進行修復(fù)再制造，不但能夠獲得理想的形狀和尺寸精度，還能使齒板基體的熱損傷降到最低，達到甚至超過原有齒板強度。

4 結(jié)語

對齒板磨損原因和更換過程中產(chǎn)生的問題進行了分析，闡述了現(xiàn)有齒板修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)有齒板修復(fù)技術(shù)存在的一些問題，引出了激光增材再制造技術(shù)，介紹了激光增材再制造技術(shù)的原理和研究現(xiàn)狀，觀察了激光增材再制造熔覆試件截面在超景深顯微鏡下細觀形貌特征，并對熔覆件進行了硬度測試，發(fā)現(xiàn)熔覆試件表面強度和硬度達到并超過了原基體強度和硬度，對基體材質(zhì)的熱損傷幾乎可以忽略不計。在MMD 625 雙齒輥破碎機齒板修復(fù)再制造方面，若是采用激光增材再制造技術(shù)修復(fù)齒板，能夠克服手工電弧焊所產(chǎn)生的不良影響，提高修復(fù)精度，極大降低齒板熱損傷，修復(fù)部位能夠達到甚至超過齒板基體強度和硬度，這將會為企業(yè)降低維修成本，提高破碎機工作效率，降低人工勞動強度，因此激光增材再制造技術(shù)在齒板修復(fù)方面具有很高的應(yīng)用前景。