側(cè)向送絲激光熔覆修復(fù)軋輥工藝研究

章澤豪，劉繼常

（ 1. 湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南省機(jī)械裝備綠色再制造工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410082；2. 湖南嘉程增材制造有限公司，湖南 長沙 410323 ）

我國是鋼鐵生產(chǎn)大國，軋輥是鋼鐵生產(chǎn)的最基礎(chǔ)的工裝，軋輥在服役過程中受熱和力的作用易受損傷， 需要對它們進(jìn)行修復(fù)再制造以節(jié)約成本、能源和資源。 軋輥常見的失效形式有裂紋、剝落和斷裂等[1]。 在周期性的冷熱循環(huán)下會產(chǎn)生熱應(yīng)力，加上軋制壓力和扭矩的作用會使軋輥表面出現(xiàn)裂紋；軋輥表面的裂紋未及時處理，在軋制壓力作用下會在輥面產(chǎn)生局部剝落；軋輥承受較大外部載荷而產(chǎn)生過載又會發(fā)生斷裂。 這些損傷形式會降低軋輥的質(zhì)量和使用壽命，甚至直接使軋輥報廢。

軋輥再制造工藝可以修復(fù)失效的軋輥，使之能重新用于軋制鋼板。 修復(fù)后軋輥的硬度和耐磨性都會恢復(fù)甚至超過出廠時的性能，從而使軋輥的使用壽命延長， 因此研究軋輥再制造技術(shù)具有重要意義。 軋輥表面修復(fù)工藝主要有熱噴涂、熱噴焊、堆焊和激光熔覆等[2]。 熱噴涂是將噴涂材料加熱熔化，通過氣體霧化后壓至基體表面， 與之形成機(jī)械結(jié)合，然而熱噴涂后軋輥承受切削的能力有限，而且涂層中有較多缺陷使其力學(xué)性能變差[3]。 熱噴焊是將已成形的涂層重新加熱熔化于基體表面，并形成較好的冶金結(jié)合，這種方式缺陷率低，但加工過程中產(chǎn)生的熱影響區(qū)較大[4]。 堆焊是用電焊或氣焊法把堆焊材料熔化后沉積在被焊接工件表面，使其形成冶金結(jié)合而不易剝落，但堆焊工藝產(chǎn)生的熱影響區(qū)較大，易引起工件變形，且多層堆焊也會導(dǎo)致工件表面的可成形性較差[5]。 激光熔覆是將激光器發(fā)射的激光束經(jīng)過處理后， 用于快速加熱熔覆材料和基體，并在待加工工件的基體上形成熔池，令兩者產(chǎn)生冶金結(jié)合并形成穩(wěn)定的熔覆層[6]。 激光熔覆具有能量密度高、精度高、柔性度高、熱影響區(qū)域小等特點(diǎn)，能解決熱噴涂技術(shù)結(jié)合強(qiáng)度低、熱噴焊與堆焊易使工件產(chǎn)生熱變形和成形形貌差等問題，在失效軋輥修復(fù)再制造上具有顯著優(yōu)勢。

1 送絲激光熔覆工藝

在激光熔覆工藝應(yīng)用中，由于粉末材料體系完善、相關(guān)技術(shù)較為成熟，因而大部分企業(yè)都以粉末作為熔覆材料進(jìn)行激光熔覆加工。 圖1 所示為送絲激光熔覆示意， 送絲機(jī)將絲材送至待加工工件表面， 絲材一般在到達(dá)基體表面前已被激光束熔化，然后隨著絲材的進(jìn)給送入熔池，激光束與絲材離開后便快速凝固成形。

圖1 側(cè)向送絲激光熔覆示意圖

相比送粉激光熔覆，送絲激光熔覆工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①絲材被激光加熱熔化后可全部熔覆在工件表面，利用率高達(dá)99%；而送粉時大量粉末來不及熔化就會被氣流吹飛，粉末利用率僅有30%左右；②不同于粉末由大量極小顆粒組成，絲材本身就是一個整體，形成的熔覆層致密度高，出現(xiàn)缺陷的概率小，且不會造成粉塵污染；③絲材相比粉末成本較低，經(jīng)濟(jì)效益高；④絲材熔覆加工效率高，加工過程穩(wěn)定。

側(cè)向送絲激光熔覆具有加工穩(wěn)定、絲材利用率高、絲材價格低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但也有工藝參數(shù)多、影響因素復(fù)雜、技術(shù)不成熟等缺點(diǎn)，本文旨在研究側(cè)向送絲激光熔覆修復(fù)軋輥工藝， 為高效率、低成本修復(fù)軋輥打下基礎(chǔ)。

2 單道試驗

試驗采用45 鋼作為基板材料， 其尺寸分別為100 mm×100 mm×10 mm 和200 mm×200 mm×10 mm。熔覆絲材為HB-YD405A（Q）耐磨藥芯焊絲，直徑為1.2 mm，耐磨性高且能承受中等沖擊，其化學(xué)成分如表1 所示。

表1 耐磨焊絲化學(xué)組成

單道激光熔覆作為整個修復(fù)過程的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其成形質(zhì)量和穩(wěn)定性對后續(xù)多道激光熔覆有極大影響，該過程可調(diào)控的工藝參數(shù)有激光功率、掃描速度和送絲速度。 由于全面試驗組數(shù)過多，為減少試驗量與計算量，設(shè)計相應(yīng)的正交試驗表，由于不存在三因素三水平正交表，研究時增加了一空白因素X 以構(gòu)成四因素三水平正交試驗，即L9（34），試驗方案見表2 和表3。

表2 正交試驗各因素水平

表3 正交試驗工藝參數(shù)設(shè)計

圖2 是單道正交試驗9 組熔覆層的宏觀形貌，圖中序號與試驗序號相對應(yīng)。 對這9 組熔覆層制樣進(jìn)行處理， 測量尺寸并計算出高寬比和稀釋率，另外結(jié)合熔覆過程的飛濺和煙霧、 熔覆層的魚鱗、波紋及孔隙情況進(jìn)行綜合評價，所得結(jié)果見表4。

圖2 單道正交試驗熔覆層形貌

表4 單道正交試驗結(jié)果

3 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法是一種分析因素間關(guān)系次序的方法，通過同時分析多個工藝參數(shù)，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合[7]。 灰色關(guān)聯(lián)分析法對試驗樣本需求小，與正交試驗匹配度高，分析時計算量小、準(zhǔn)確度高，適合解決多目標(biāo)優(yōu)化問題。

由于評價指標(biāo)間的量綱不同，須對各評價數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理[8]，評價指標(biāo)分為望小特性、望大特性和望目特性3 種。 在評價指標(biāo)中，高寬比和稀釋率越小，說明熔覆層質(zhì)量越好，越符合所期望的結(jié)果，故采用望小特性式（1）進(jìn)行計算；在評價指標(biāo)中，綜合評價越大說明熔覆過程越穩(wěn)定、熔覆層表面形貌越好，故而采用望大特性式（2）進(jìn)行計算[9]：

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ζi（k）通過式（3）、式（4）所得：

通過灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)平均值來求灰色關(guān)聯(lián)度[10]，根據(jù)式（5）進(jìn)行計算:

根據(jù)式（1）和（2）對表4 中的高寬比、稀釋率和綜合評價進(jìn)行無量綱化處理，計算結(jié)果見表5。

結(jié)合式（3）和式（4）可推導(dǎo)出式（6），并將表5的數(shù)據(jù)代入式（5）和式（6）計算得到表6 的數(shù)據(jù)。

表5 無量綱化處理后數(shù)據(jù)序列

表6 灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果

根據(jù)表6 可得到各工藝參數(shù)在不同水平下的灰色關(guān)聯(lián)度的平均值，具體如表7 所示。 該值越大說明該參數(shù)的取值越優(yōu)秀，綜合分析各參數(shù)的最大關(guān)聯(lián)值，可得到最優(yōu)組合為激光功率2200 W、掃描速度4.5 mm/s、送絲速度45 mm/s。

表7 各工藝參數(shù)各水平的平均灰色關(guān)聯(lián)度

表8 和圖3 是試驗得到最優(yōu)工藝參數(shù)組合下的試驗結(jié)果與熔覆層形貌， 激光熔覆過程穩(wěn)定，煙塵、飛濺小，熔覆層表面光滑、無裂紋和金屬顆粒，熔覆層無明顯缺陷。 另外，可看出冶金結(jié)合平面中間有凸起現(xiàn)象，這是因為熔覆時絲材阻擋了部分激光束， 導(dǎo)致絲材下方的基體吸收的激光熱量減少，形成熔池后兩側(cè)的熔深會比中間的深，所以冶金結(jié)合平面中間較高，如激光功率逐漸減小，會從中間開始出現(xiàn)孔隙。

圖3 熔覆層形貌

表8 最優(yōu)單道試驗結(jié)果

4 多道搭接試驗

4.1 搭接率的選擇

軋輥表面熔覆層是由多道熔覆帶搭接融合形成的，為得到良好的多道熔覆層質(zhì)量，必須選擇一個適當(dāng)?shù)拇罱勇省?根據(jù)前述工藝參數(shù)組合進(jìn)行不同搭接率下的多道搭接試驗， 所得結(jié)果見圖4。 可看出，各搭接熔覆層表面光滑、無裂紋和夾雜等缺陷，當(dāng)搭接率為40%和50%時出現(xiàn)了孔隙，其他搭接率下無明顯缺陷。

圖4 多道單層搭接試驗結(jié)果

為選擇出最合適的搭接率，還需要對多道搭接熔覆層表面平整度進(jìn)行測量[11]，選擇圖4 中不同熔覆道最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別進(jìn)行三次測量，將三個波峰中的最大值F減去波谷中的最小值G 作為此搭接率下的表面平整度S，結(jié)果如表9 所示。

表9 不同搭接率的表面平整度數(shù)值

從表9 可看出，當(dāng)搭接率20%～40%下，波峰最大值和波谷最小值都隨著搭接率的增大而增大，表面不平整度隨著搭接率的增大而減小， 在搭接率40%的表面平整度最好，但是有未熔合缺陷。這是由于搭接率大，熔池金屬鋪展被前道阻擋嚴(yán)重，下一道熔覆道大部分疊加在上一道熔覆道之上，導(dǎo)致波峰最大值增大；另外，搭接率越大，熔覆道之間的間隙越小，需要填補(bǔ)的空間變小，使波谷最小值不斷增大。 當(dāng)搭接率為40%，絲材懸于前一道熔覆帶側(cè)上方，阻擋了搭接處前一道熔覆帶表面與基體表面交匯部位的激光，使該部位得不到充足的激光熱量熔化，再加上上一道熔覆層的激冷作用使熔池液體溫度降低而難以流入該部位，導(dǎo)致搭接處被熔融金屬覆蓋后該部位氣體未及時排除熔覆層就凝固成形了，所以在搭接處出現(xiàn)未熔合缺陷；而當(dāng)搭接率為50%時，表面平整度差且有未熔合缺陷，而表面平整度變差是由于多余的金屬使熔覆道高度大幅增加，嚴(yán)重影響下一道熔覆層的熔覆位置，導(dǎo)致熔覆過程不穩(wěn)定，出現(xiàn)較高的波峰和較低的波谷。

綜上所述，當(dāng)搭接率過小時，熔覆道間的空間較大，熔池不易將其填平，導(dǎo)致熔覆層平整度差；當(dāng)搭接率過大時，搭接處前一道熔覆帶表面與基體表面交匯部位吸收熱量不足且熔融金屬不能及時流入填滿，易導(dǎo)致未熔合缺陷和表面平整度差。 綜合考量平整度與缺陷情況，選擇搭接率為30%，熔覆層平整度較好，沒有明顯缺陷。

4.2 金相組織

圖5 是熔覆層橫截面的金相組織，激光熔覆加工過程中溫度梯度大，因此形成的組織均勻且晶粒細(xì)小。 熔覆層內(nèi)組織的生長方向整體為垂直于基板方向，這是由于基體能快速導(dǎo)熱，使熔覆層朝沉積方向的溫度梯度最大，因此晶粒偏向該方向生長。

圖5 多道單層金相組織

圖5a 是前熔覆道和后熔覆道搭接的重熔區(qū)，組織多為胞狀晶和柱狀晶。 圖5b 是前熔覆道的中心區(qū)放大200 倍后的結(jié)果，表面該區(qū)域為柱狀晶和等軸晶組成的混合組織， 上部分區(qū)域離基體較遠(yuǎn)，各方向上的散熱速度相當(dāng)，所以等軸晶較多；下部分區(qū)域離基體近， 豎直方向上的溫度梯度較大，所以柱狀晶較多。 圖5c 是熔覆層中心區(qū)域放大400倍后的結(jié)果，表明該區(qū)域大部分為針狀馬氏體和板條狀馬氏體組織， 說明熔覆層的強(qiáng)度和硬度較高，下面將對其橫截面的硬度進(jìn)行測量分析。

4.3 顯微硬度分析

圖6 是熔覆層橫截面的橫向顯微硬度分布，可見顯微硬度隨著距離的增加，出現(xiàn)“上坡”和“下坡”的循環(huán)，最后一段保持在較高的硬度值范圍。 這是由于“上坡”段處于各熔覆道的搭接區(qū)域，該區(qū)域晶粒細(xì)小、硬度高；另外，激光熔覆過程中，后道的激光熔覆時，會對前道再次加熱產(chǎn)生回火作用，導(dǎo)致前道熔覆層受后道熔覆影響所產(chǎn)生的熱影響區(qū)的硬度降低，而每個搭接區(qū)都是離下一道熔覆層最遠(yuǎn)的地方，所以受下一道的熱影響最小，硬度最高。 搭接區(qū)過后出現(xiàn)一個“下坡”，這是由于熔覆層受溫度影響增大，回火作用增加，使硬度降低。 最后一道熔覆道不再受后道的熱影響，所以硬度會保持在一個較高的范圍，表層顯微硬度在560HV 左右，符合軋輥修復(fù)要求。

圖6 橫向顯微硬度分布

4.4 軋輥修復(fù)模擬試驗

通過上述分析結(jié)果表明，工藝參數(shù)組合在30%搭接率下已滿足修復(fù)軋輥的需求。 為真實(shí)模擬軋輥修復(fù)過程，用該參數(shù)在外徑300 mm、厚度16 mm 的45 鋼管上進(jìn)行軋輥修復(fù)模擬試驗。鋼管用卡盤裝夾后隨卡盤轉(zhuǎn)動，通過控制卡盤的轉(zhuǎn)速可以使空心管表面的線速度實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，而該線速度即可近似看作在基板上進(jìn)行試驗時的掃描速度，此時激光工作頭的掃描速度影響搭接率的大小，通過計算可知激光工作頭的掃描速度約為0.022 mm/s， 試驗結(jié)果如圖7 所示，可見熔覆層表面無明顯裂紋。

圖7 軋輥修復(fù)模擬試驗結(jié)果

為探查熔覆層表面是否有難以發(fā)現(xiàn)的表面缺陷，用著色滲透探傷的方法進(jìn)行探查。 試驗結(jié)果如圖8 所示，可見熔覆層表面無明顯缺陷。

圖8 著色滲透探傷結(jié)果

5 結(jié)論

本文采用正交試驗法與灰色關(guān)聯(lián)分析法，針對基底為45 鋼的軋輥表面研究了側(cè)向送絲激光熔覆工藝的修復(fù)效果，得到以下結(jié)論：

（1）通過灰色關(guān)聯(lián)分析法對單道正交試驗結(jié)果處理，得到在激光功率2200 W、掃描速度4.5 mm/s、送絲速度45 mm/s 的工藝條件下， 側(cè)向送絲激光熔覆工藝熔覆過程穩(wěn)定，表面形貌良好。

（2）當(dāng)搭接率過小時，熔覆道間間距較大，獲得的熔覆層平整度差；當(dāng)搭接率過大時，搭接處出現(xiàn)未熔合缺陷。 最合適的搭接率為30%，該搭接率下熔覆層表面平整且搭接處沒有未熔合缺陷，表面平整度為0.339 mm。

（3）微觀組織大部分為馬氏體，橫向顯微硬度呈周期性變化，由于后道會對前道再次加熱產(chǎn)生回火作用，導(dǎo)致前道熔覆層硬度降低，熔覆層硬度在560HV 左右。