激光熔覆技术在港口设备中的应用

刘绍斌山东日照港股份二公司门机队

激光熔覆技术在港口设备中的应用

刘绍斌
山东日照港股份二公司门机队

本文讲述了激光熔覆技术在港口门机旋转减速箱壳体修复中的一次应用，阐述了激光熔覆技术的特点及其修复的工艺流程。通过观察修复效果，得出了激光熔覆技术可以在港口设备推广应用的结论。

激光熔覆；港口；再制造

1.现状分析

机电产品零部件的失效模式是由于其局部磨损。腐蚀、高温氧化等损伤而导致其整体使用性能丧失。换言之，由部件1%左右的损伤导致了其100%的报废。对于丧失使用性能的机电产品零部件，用传统的机械加工工艺无法恢复其使用性能。减速箱作为港口门机上的动力传动装置，极易发生壳体或者内部轴部件的磨损，当磨损发生后往往是没有比较理想的维修方案的，对于磨损较小的部件，比如高采用一般性焊补等方式，其焊接热影响区较宽，存在较大的焊接残余应力，降低了零件抗疲劳强度，可靠性较差。同时，铸铁、低合金高强度钢等材料焊接性能较差，也增加了焊修的难度。当这些大型的港口设备因为这些问题而报废，会造成很大的浪费。因此，选择一种合适的工艺对损坏的减速箱进行再制造具有很大的经济效益。

2.激光熔覆技术及特点

应用于激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和固体激光器（主要包括碟片激光器，光纤激光器和二极管激光器，老式灯泵浦激光器由于光电转化效率低，维护繁琐等问题已逐渐淡出市场）。对于连续CO2激光熔覆，国内外学者已做了大量研究.高功率固体激光器的研制发展迅速，主要用于有色合金表面改性。据文献报道，采用CO2激光进行铝合金激光熔覆，铝合金基体在CO2激光辐照条件下容易变形，甚至塌陷。固体激光器，特别是碟片激光器输出波长为1.06μm，较CO2激光波长小1个数量级，因而更适合此类金属的激光熔覆。

激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类：粉末预置法和同步送粉法。两种方法效果相似，同步送粉法具有易实现自动化控制，激光能量吸收率高，无内部气孔，尤其熔覆金属陶瓷，可以显著提高熔覆层的抗开裂性能，使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点。

1、激光熔覆具有以下特点：（1）冷却速度快（高达106K/s），属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等。（2）涂层稀释率低（一般小于5%），与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控；（3）热输入和畸变较小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的装配公差内。（4）粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金；（5）熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.2～2.0mm；（6）能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；（7）光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷；（8）工艺过程易于实现自动化。

很适合油田常见易损件的磨损修复。

2、激光熔覆与激光合金化的异同

激光熔覆与激光合金化都是利用高能密度的激光束所产生的快读熔凝过程，在基材表面形成于基体相互融合的、具有完全不同成分与性能的合金覆层。两者工艺过程相似，但却有本质上的区别，主要区别如下：（1）激光熔覆过程中的覆层材料完全融化，而基体熔化层极薄，因而对熔覆层的成分影响极小，而激光合金化则是在基材的表面熔融复层内加入合金元素，目的是形成以基材为基的新的合金层。（2）激光熔覆实质上不是把基体表面层熔融金属作为溶剂，而是将另行配置的合金粉末融化，使其成为熔覆层的主题合金，同时基体合金也有一薄层融化，与之形成冶金结合。激光熔覆技术制备新材料是极端条件下失效零部件的修复与再制造、金属零部件直接制造的重要基础，收到世界各国科学界和企业的高度重视。

金属冶金粉末的输送主要有预置法和同步送粉法，前者是将粉末实现覆盖在待修复区，而后者是随着激光的移动将粉末均匀喷敷在激光形成的熔池中，其工艺性好，生产效率高，过程原理如图1所示。

图1　激光熔覆技术原理图

3.激光熔覆技术在港口减速箱修复中的应用

3.1设备选用

激光器主要有三种，CO2激光器，固体激光器，准分子激光器。2011年开发研制了大功率半导体激光器，最大功率达到4KW。选用ABB或者KUKA机器人手，如图2所示，将机械手与激光头配套使用，可以对复杂的加工面进行柔性加工。

3.2工艺流程

此次改造实验主要针对40T门机的旋转减速箱壳体出现磨损的问题进行，通过与厂家沟通确定了基本的修复流程:

图3　激光熔覆工艺流程图

根据减速机壳母体材料进行选配、研制合金粉末，配合大功率半导体激光器及六自由度机器人系统将研制的合金粉末熔覆到磨损部位，激光熔覆采用红外测温仪控制工件温度，确保工件不因过热导致基体材料显微组织产生变化；采用激光熔覆的合金粉末经过实验室各项性能检测（包括金相组织、硬度、摩擦磨损、扫描电镜、盐雾试验等）；使用X射线残余应力检测仪检测确保工件应力最小。

3.3修复效果

修复前后对比明显，修复后的减速箱壳体在机壳表面获得硬度可达HRC45-50、耐磨性能更加优异并且具有优良的耐腐蚀性能的熔覆层。在外形尺寸、表面形态和内部硬度上都已经达到了正常使用所要求的标准。目前经激光修复后的壳体已经用于减速箱的组装，并已经在门机上运行作业，观察一切良好。

激光熔覆再制造技术适用于港口设备，将这种修复技术进行推广，应用到其他的受损港口设备，可以大大节约设备维护成本，具有重大的社会经济效益。