曲軸軸頸損傷表面的激光熔覆再制造修復(fù)研究

景奉全 景 朔

（山東布洛爾智能科技有限公司，濟(jì)南 250200）

再制造技術(shù)主要是將損傷和報(bào)廢零部件當(dāng)成毛坯，應(yīng)用相關(guān)技術(shù)和工藝，使受損的零件恢復(fù)原有或者是近形尺寸，繼而使性能恢復(fù)或者超出原基材水平。激光熔覆屬于再制造期間應(yīng)用極為合理的一項(xiàng)修復(fù)技術(shù)。它的應(yīng)用優(yōu)勢在于將熔覆層和基體冶金相結(jié)合，有利于合理控制熔覆層的稀釋率，且基體變形程度小。曲軸經(jīng)過長時間運(yùn)行會發(fā)生磨損、裂紋等問題。噴涂技術(shù)尚存在一些缺陷，存在界面結(jié)合強(qiáng)度較低、涂層中存在孔隙等問題[1]。激光熔覆技術(shù)因?yàn)槟芰棵芏雀?，有利于有效解決涂層中存在的缺陷，界面結(jié)合強(qiáng)度非常高。大部分研究人員專門對激光熔覆技術(shù)進(jìn)行了有關(guān)探究，但由于激光熔覆曲軸期間為了獲取性能極佳的熔覆層，激光束運(yùn)行軌跡應(yīng)當(dāng)和曲軸運(yùn)行軌跡相符合，且保持速度恒定，操作難度較大。另外，熔覆時軸徑和曲柄臂之間的過渡圓角加工難度也較大，導(dǎo)致曲軸軸徑表面的研究較少。本文通過曲軸材料鋼樣件展開熔覆試驗(yàn)操作，從熔覆層的顯微組織和硬度等方面入手，確保熔覆符合各項(xiàng)基本要求。

1 樣件激光熔覆

1.1 試驗(yàn)設(shè)備以及材料

激光熔覆試驗(yàn)主要以6 kW橫流CO2激光器為主，使用優(yōu)化的激光熔覆工藝參數(shù)：激光功率表現(xiàn)為4 kW；掃描速度約為500 mm·min-1；光斑直徑為3 mm；焦距為30 mm； 進(jìn)行多道搭接，搭接率為40%；預(yù)制粉末厚度為1 mm，不應(yīng)用粘結(jié)劑；基體材料是鋼平板，熔覆使用熔性合金粉末。在進(jìn)行激光熔覆前，要先使用砂紙打磨基體表面，再使用乙醇和丙酮進(jìn)行清洗，確保徹底清除表面氧化皮和油污。鐵基和金粉末的化學(xué)成分，如表1所示。

表1 鐵基和金粉末的化學(xué)成分

1.2 試樣制備

首先，依照設(shè)定的尺寸切割熔覆層，制作成金相試樣，并研磨拋光。其次，因?yàn)槿鄹矊颖然w抗腐蝕性強(qiáng)，可以采取4%的硝酸乙醇溶液腐蝕基體，并采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的硝酸乙醇溶液腐蝕熔覆層[2]。最后，應(yīng)用光學(xué)顯微鏡仔細(xì)查看熔覆層的顯微組織，檢驗(yàn)熔覆層的纖維硬度。例如，當(dāng)載荷為25 gf時，加載時間為5 s，測量3次取平均值。

1.3 熔覆層顯微組織

試樣件橫截面包含熔覆層、結(jié)合區(qū)以及基體。熔覆層組織極為密切，尚未出現(xiàn)裂紋和氣孔等現(xiàn)象。要想更好地呈現(xiàn)熔覆層和基體的結(jié)合方式與效果，需要掃描試樣件橫截面線，檢驗(yàn)Cr元素的實(shí)際分布狀態(tài)。熔覆層和基體交界面處產(chǎn)生了元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，表明熔覆層和基體之間達(dá)到了有效結(jié)合。熔覆層的組織變化依次表現(xiàn)為熔覆層和基體交界面處的胞狀晶、柱狀枝晶以及接近熔覆層表面的樹枝晶[3]。這主要是由于熔覆層的組織形態(tài)可以影響結(jié)晶方向上的溫度梯度和凝固速度比值。在熔池冷卻期間，熔覆層和基體交接位置逐漸增大。隨著熔覆層表面間距的縮減，比值下降。在合金成分條件下，熔覆層組織從以往的平面晶和胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲А?/p>

2 曲軸連桿軸徑激光熔覆

2.1 計(jì)算分析軌跡

2.1.1 相關(guān)條件

在激光熔覆曲軸期間，曲軸連續(xù)軸徑主要以主軸徑中心線為基準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)的圓周運(yùn)動。要想從連續(xù)軸徑表面獲取均勻性的熔覆層，需要符合以下要求。第一，激光頭到工件表面的距離不發(fā)生變化。第二，激光束和連桿軸徑相對運(yùn)行速度處于恒定狀態(tài)。第三，在激光熔覆期間，必須確保激光束處于曲軸連桿軸徑的上面。

2.1.2 計(jì)算激光軌跡和光斑掃描速度

在激光熔覆曲軸連桿軸徑時，連桿軸徑繞著主軸頸圓心進(jìn)行圓周運(yùn)動，即不同時刻連續(xù)軸徑同一點(diǎn)處于不同的位置。激光束伴隨著軸徑的運(yùn)動而運(yùn)動，位于連續(xù)軸徑的最上方。在熔覆期間，主軸頸以相應(yīng)的角速度轉(zhuǎn)動，使得曲軸連桿軸徑位置隨之發(fā)生變化。

為了在曲軸連桿軸頸表面獲得成分均勻且沒有缺陷的熔覆層，需要使激光束和曲軸連桿軸徑的相對運(yùn)動速度恒定。在激光熔覆期間，連續(xù)軸徑位置處于不斷變化狀態(tài)，激光束一直處于連續(xù)軸徑的最上端。以激光熔覆過程軌跡舉例說明，激光束軌跡的圓心為A點(diǎn)，連桿軸頸運(yùn)動軌跡的圓心為O點(diǎn)，此刻連桿軸頸的圓心為C點(diǎn)，設(shè)連桿軸頸的半徑為r，激光束軌跡的半徑為r2，連桿運(yùn)動軌跡的半徑為rs，連桿軸頸中心線運(yùn)動軌跡的半徑為r4。連續(xù)軸徑的半徑、連桿運(yùn)動軌跡半徑以及連桿中心線運(yùn)動軌跡的半徑差相等[4]。在相同時間段內(nèi)，曲軸主軸頸、連續(xù)軸徑和激光束轉(zhuǎn)過的角度相同。在曲軸尺寸一定的情況上，相對運(yùn)動速度和轉(zhuǎn)速有關(guān)，且曲軸主軸徑和激光束的轉(zhuǎn)速相同。因此，要想達(dá)到相對運(yùn)動速度恒定，關(guān)鍵在于確保主軸和激光束保持良好的轉(zhuǎn)動速度。

在激光熔覆期間，掃描速度等其他參數(shù)一定時，隨著激光功率的增加，熔覆層高度也隨之升高。在熔覆曲軸連續(xù)軸徑期間，如果沒有合理匹配激光束和曲軸連續(xù)軸徑運(yùn)行速度，將會使激光頭到工件表面的距離發(fā)生改變，進(jìn)而使激光功率也發(fā)生變化，影響熔覆層外表[5]。如圖1所示，在激光束和曲軸連桿速度沒有匹配好的情況下獲取熔覆層圖片，可見熔覆層的厚度不具備均勻性，熔覆層位置2處的高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于位置1。

圖1 熔覆層宏觀圖片

2.2 激光熔覆曲軸連桿軸徑試驗(yàn)

如圖2所示，在機(jī)床中固定曲軸水平，合理調(diào)整曲軸連桿軸徑位置，使其處于連桿軸徑運(yùn)動軌跡的高處，并嚴(yán)格控制激光束到連桿軸徑表面之間的間距，使激光頭位于軸徑上端。從圖3可以看出，當(dāng)軸徑通過激光熔覆后，熔覆層表面處于良好的均勻狀態(tài)，不存在裂紋現(xiàn)象。通過磨削加工操作后，軸徑表面光滑，未出現(xiàn)氣孔缺陷。

圖2 激光熔覆試驗(yàn)圖

圖3 磨削加工以后的軸頸表面

3 結(jié)語

從以上論述來看，熔覆試樣塊內(nèi)熔覆層和基體之間達(dá)到了良好的冶金結(jié)合，熔覆層組織不存在缺陷性問題，自身的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了基體。在進(jìn)行激光熔覆曲軸連續(xù)軸徑作業(yè)期間，必須確保熔覆層符合標(biāo)準(zhǔn)要求，以確保熔覆的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。