激光熔敷在礦用車機(jī)架上的表面修復(fù)應(yīng)用

汪 星，張?jiān)倮?/p>

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213000）

礦用自卸車是指在露天場合為完成巖石土方運(yùn)輸與礦石運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)而使用的一種專業(yè)化車輛，主要用于露天礦山、港口碼頭、水利水電工地和交通基礎(chǔ)設(shè)施等大型施工現(xiàn)場。由于載重量較大，道路狀況復(fù)雜，在運(yùn)行過程中，電動(dòng)輪主機(jī)架受沖擊載荷和交變力的影響，會(huì)發(fā)生微變形，電動(dòng)輪主軸出現(xiàn)不同位置不同程度的開裂。主機(jī)架與其上配合運(yùn)行的軸承一直存在相對位移的趨勢，由于軸承內(nèi)圈硬度較機(jī)架配合面硬度高，沖擊變形會(huì)造成機(jī)架軸承檔產(chǎn)生不同程度的變形和磨損。對已使用1～2 個(gè)大修期的減速器進(jìn)行拆解、檢測和分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)架、輪轂、轉(zhuǎn)軸等零件都有不程度的磨損，但電動(dòng)輪部件的性能仍能滿生產(chǎn)使用。因此，對機(jī)架、輪轂、轉(zhuǎn)軸等零件磨損部位修復(fù)進(jìn)行研究，完成損壞零件的再利用，即有現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)需求，也有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 激光熔敷

1.1 激光熔覆定義

激光熔覆是一種表面改性技術(shù)，是以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置設(shè)計(jì)成分的涂層材料（金屬或非金屬），經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結(jié)合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法[1]，從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的，既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素。

1.2 激光熔覆特點(diǎn)

激光熔覆處理多使用大功率半導(dǎo)體激光，其特點(diǎn)是可產(chǎn)生大功率、高效率的激光震蕩。由于聚焦技術(shù)的進(jìn)步，可產(chǎn)生高能量密度以及質(zhì)量優(yōu)良的激光束，從而獲得穩(wěn)定的堆焊質(zhì)量。激光具有高的能量密度，但與使用電弧和等離子等本身高溫?zé)嵩吹亩押覆煌す馊鄹部蓪⑦M(jìn)入基材的熱量控制到非常小的范圍，即激光熔覆的堆焊熱影響區(qū)非常狹窄，因此可將對基材的影響控制到最小程度，并且使基材過度熔融產(chǎn)生的合金成分稀釋和熱應(yīng)力引起的變形最小化[2]。與傳統(tǒng)堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有熔覆熱影響區(qū)小，涂層與基體結(jié)合好，工件變形小，工件易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)。

1.3 激光熔覆材料

由于激光熔覆可以將高熔點(diǎn)材料熔覆在低熔點(diǎn)的基材表面，且材料的成分亦不受平衡冶金熱力學(xué)限制，因而，所采用的激光熔覆材料的范圍相當(dāng)廣泛，包括鎳基、鈷基、鐵基合金、碳化物復(fù)合合金材料以及陶瓷材料等，其中合金材料和碳化物復(fù)合材料的激光熔覆較為成熟，并已獲得實(shí)際應(yīng)用。激光熔覆合金體系主要有鐵基合金、鎳基合金、鈷基合金和金屬陶瓷等。激光熔覆鐵基合金適于要求局部耐磨且容易變形的零件，鐵基合金深層的基材多用鑄鐵和低碳鋼熔覆；鎳基合金適于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構(gòu)件，所需的激光功率密度要比熔覆鐵基合金的略高；鈷基合金涂層適于要求耐磨、耐蝕和抗熱疲勞的零件；陶瓷涂層在高溫下有較高的強(qiáng)度，且熱穩(wěn)定性好，化學(xué)穩(wěn)定性高，適用于耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。這類材料具有優(yōu)異的耐磨和耐蝕等性能，通常以粉末的形式使用，并采用火焰噴焊等方法熔覆，可獲得表面光滑且與基材結(jié)合較好的熔覆層[3]。最先選用且研究最廣的涂層材料是鎳基，鈷基，鐵基自熔合金，基體材料有各種碳鋼、不銹鋼、工具鋼、鑄鐵、鋁合金、銅合金、鈦合金等。這幾種自熔合金與上述基體材料具有良好的潤濕性，易獲得稀釋度低、與基體成為冶金結(jié)合的致密涂層。在此基礎(chǔ)上，在自熔合金中加入各種高熔點(diǎn)的碳化物、氮化物、硼化物和氧化物陶瓷顆粒，形成了復(fù)合涂層，甚至純陶瓷涂層，進(jìn)行復(fù)合涂層或純陶瓷涂層的激光熔覆，可獲得各種優(yōu)異的表面性能。不同激光熔覆材料的適用基材范圍較廣泛，如鎳基涂層材料可用于碳鋼，合金鋼，鑄鐵及鋁合金等的表面熔覆，但對于一定工作環(huán)境，某一基體而言，存在一最佳涂層合金。選用的2 種粉末JG-18 和Inconel-625分別屬于鐵基和鎳基粉末，標(biāo)記粉末a、粉末b。

2 待修復(fù)機(jī)架

選取的待修復(fù)產(chǎn)品是市場上某噸位礦用自卸車電動(dòng)輪機(jī)架。經(jīng)過取樣檢測，基材為20 號鋼，機(jī)架材質(zhì)成分分析見表1。機(jī)架性能強(qiáng)度分析見表2。

表1 機(jī)架材質(zhì)成分分析

表2 機(jī)架性能強(qiáng)度分析

3 熔敷工藝過程

開展激光熔覆之前，修復(fù)部位清理后需進(jìn)行機(jī)械加工，去除疲勞層，遵循最小去除量原則，最大程度不損傷完好的基材部位。清理前，須做好周邊部位防護(hù)工作，確保防護(hù)嚴(yán)密。機(jī)架軸徑熔覆區(qū)域部位為新的機(jī)加工面，需進(jìn)行尺寸檢測、無損探傷和硬度檢測。尺寸檢測應(yīng)徑向和軸向多點(diǎn)檢測，客觀反映原始轉(zhuǎn)態(tài)的圓柱度。通過檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)和滿足使用的尺寸要求，定量確認(rèn)最終熔覆內(nèi)容和尺寸。

正式的熔覆工藝過程包括：

1）組裝機(jī)架，對去除疲勞層后的待修復(fù)部位進(jìn)行徹底清理，采用酒精除油，并用清洗溶劑清洗，確認(rèn)無任何油漬與殘留物方可。

2）選用專用激光熔覆合金粉末，其熔覆性能滿足機(jī)架運(yùn)行工況要求。熔覆材料需與母材相近，硬度與機(jī)架相近，嚴(yán)禁使用腐蝕性的或?qū)υO(shè)備和人體有損害的化學(xué)藥品或金屬粉末。

3）根據(jù)機(jī)架軸徑熔覆區(qū)域的具體實(shí)際尺寸進(jìn)行機(jī)器人編程，并校驗(yàn)程序的可靠性，采用同步送粉的方法進(jìn)行熔覆。熔覆過程中，確認(rèn)機(jī)架能夠低速、均勻、連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，軸向不發(fā)生竄動(dòng)。轉(zhuǎn)速小于10 r/min，旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)架軸徑跳動(dòng)小于0.02 mm[4]。為避免分段熔覆產(chǎn)生的熱輸入不均勻和形位差異造成的厚度不均而導(dǎo)致的熔覆結(jié)構(gòu)應(yīng)力（不使用打補(bǔ)丁分段熔覆），采用沿圓周方向連續(xù)施工?？刂戚S徑修復(fù)區(qū)域表面溫度不高于室溫50 ℃，確保最小程度的熱影響及組織應(yīng)力。按照已確定的軸徑熔覆工藝參數(shù)，實(shí)施激光熔覆。軸向單層熔覆區(qū)域一次性完成，避免軸向搭接處接合強(qiáng)度不足的安全隱患[5]。

4）激光熔覆單層后必須進(jìn)行打磨清理、冷卻后著色探傷檢測，合格后才能繼續(xù)下一層熔覆。最后1層激光熔覆厚度高于基體面的尺寸必須符合使用要求，確保加工余量。熔覆結(jié)束后對表面的高點(diǎn)進(jìn)行打磨處理，以便于精修加工。

5）整個(gè)熔覆熔覆過程實(shí)現(xiàn)了激光器運(yùn)行、機(jī)器人程序、旋轉(zhuǎn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行的閉環(huán)聯(lián)動(dòng)控制，確保了整個(gè)熔覆設(shè)計(jì)工藝的穩(wěn)定可靠性，使熔覆質(zhì)量得到了有效的保障。熔池實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)控，避免肉眼觀察熔池的視覺誤差導(dǎo)致誤判。對熔覆后的機(jī)架進(jìn)行再加工，加工的尺寸符合使用要求。修復(fù)部位進(jìn)行探傷和檢查，確認(rèn)合格后方可投入使用。

4 熔覆后性能對比分析

1）硬度試驗(yàn)。熔覆層的厚度約4.5 mm，第1 層至第3 層為熔覆層粉末區(qū)域，第4 層至第5 層為試塊表面區(qū)域。實(shí)物的硬度約25 HRC，試塊a 和試塊b 檢測硬度值見表3，可知熔覆粉末a 和粉末b 都高于機(jī)架硬度，滿足使用要求。

表3 試塊a 和試塊b 檢測硬度值

2）彎曲試驗(yàn)。彎曲試驗(yàn)設(shè)備精度不低于1 級，按計(jì)量儀器設(shè)備檢定規(guī)程檢定合格，且在檢定周期之內(nèi)。彎曲直徑選取2 倍的試樣厚度，試驗(yàn)彎曲至熔敷層斷裂試驗(yàn)隨機(jī)停止[6]。試塊a 和試塊b 抗彎角度見表4，可知粉末b 熔覆的試塊的抗彎能力明顯優(yōu)于粉末a 熔覆的試塊。

表4 試塊a 和試塊b 抗彎角度

3）剪切試驗(yàn)。剪切試驗(yàn)在壓力機(jī)或萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，設(shè)備精度不低于1 級，按計(jì)量儀器設(shè)備檢定規(guī)程檢定合格，且在檢定周期之內(nèi)。試驗(yàn)速率不大于0.1 kN/s，試塊a 和試塊b 剪切強(qiáng)度見表5。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)知20 號鋼的抗剪強(qiáng)度約為246～328 MPa，可知熔覆材料與木材的結(jié)合力滿足使用要求，熔覆材料與母體的結(jié)合較好。

表5 試塊a 和試塊b 剪切強(qiáng)度

4）金相。針對熔敷后的試塊熔敷層以及過渡區(qū)的顯微組織進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)熔敷層的晶粒均勻細(xì)小，多數(shù)晶粒呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀。沿著厚度方向過渡區(qū)組織從粗大逐漸細(xì)小，粉末a 和粉末b 熔覆后的的組織為鐵素體和珠光體[7]。

5 結(jié)語

通過粉末a 和粉末b 熔覆后的試塊硬度、彎曲、剪切和金相特性分析，可以發(fā)現(xiàn)相對于粉末a，粉末b 的彎曲強(qiáng)度更佳，硬度低但符合機(jī)架使用要求，韌性更佳。結(jié)合現(xiàn)場使用粉末b 對機(jī)架軸徑熔覆區(qū)域的修復(fù)，得到了滿足使用要求的機(jī)架，熔覆層與機(jī)架基體結(jié)合良好且表面成型良好，經(jīng)過探傷，確認(rèn)表面無裂紋、氣孔等缺陷，滿足使用力學(xué)指標(biāo)，保證了機(jī)架熔覆區(qū)域的耐磨性能。