机床导轨表面激光熔覆修复技术探讨

董兵天

（甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100）

激光熔覆是一种新型的表面改性技术，在对材料或者产品的表面修复方面发挥了重要的作用。激光熔覆技术通过在材料的表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束辐照，将添加材料与基体表面薄层同时熔化并结合的修复技术。通过激光熔覆修复技术的应用，可显著提升基层表面的化学性能，从而达到修复的目的。机床导轨在机床摩擦作用下，表面会受到不同程度的磨损，直接影响到机床加工的精度。如果更换导轨会产生较高的成本，而采用其他表面修复技术，在性能要求和经济性方面都存在不足。所以利用激光熔覆技术对机床导轨表面进行修复，既能够满足材料表面特定的性能要求，又能够节约贵重元素的应用。

1 机床导轨表面修复再制造技术

再制造技术是在我国发展循环经济的背景下提出的理念，其本质是采用先进的工艺技术对旧的机器设备进行新的制造，让旧设备焕发新的生命力，重新制造的旧机器设备在性能和质量上都不比原来的新品差。再制造技术既能够节省更换设备的成本，同时又能够提高设备的使用寿命，在机械制造中得到了广泛的应用。其中的表面修复技术就是再制造技术中的重要组成部分。对于机械设备在使用过程中因为氧化、腐蚀、磨损、变形等因素而降低性能的现象，通过表面修复技术对其进行再制造，可减少原材料和新备件的消耗，并且修复后的设备在性能上会得到进一步的优化。通常情况下，可以使用表面修复再制造技术的零部件需要满足一定的要求才可以使用，进行表面修复的零部件成本要大大低于换新的成本，否则就失去了修复的意义，同时修复后的零部件在性能和使用寿命上可以满足实际生产参数的所需，所采用的表面修复技术应该满足绿色环保的要求，修复过程中不能造成污染。对于机床导轨而言，还需要对导轨的磨损失效程度进行评估，机床是否可以正常运行，导轨磨损程度对机床加工精度的影响程度，对导轨表面修复技术的目标以及工艺方案的选择等。在选定修复工艺技术时应该从性能和经济性两个方面进行考虑，从而选择最佳修复方案。

2 机床导轨表面激光熔覆修复技术的优势及工艺

2.1 机床导轨表面激光熔覆修复技术的优势

机床导轨作为机床中的基准部件，不仅为机床的运动提供了光滑的表面和导向，同时还可缓解机床进行切削运动时对加工零件造成的冲击，为机床的高效运行提供了重要的基础。在加床加工工件的过程中，由于切削负荷的往复叠加会加重对导轨运动段表面的磨损和划伤，进而对机床加工精度产生影响，加工误差也会越来越大。在导轨表面磨损超过一定程度时，机床将无法正常运行。传统的机床导轨表面修复技术主要有喷焊、电弧焊和电刷镀等技术，但是这些技术都会存在不同的缺陷，而近些年来激光熔覆修复技术在导轨表面修复上应用较广，作为一种先进的表面修复技术，其技术特点有如下几方面。

（1）冷却速度快。由于激光熔覆修复技术具有较快的冷却速度，所以凝固后的熔覆层组织更加致密、细小和均匀，修复后的表面光滑度较高。并且熔覆层的硬度较高，在耐磨性、耐腐蚀性方面的性能也更强，使得基体表面的性能得到了大大的提升。

（2）效率高。由于激光加工束的功率较大，所以温度升高较快，在材料的选择方面范围更广，尤其是对于熔点较低的金属工件熔覆高熔点合金更加适合。而高温激光束在接触工件后快速移开，对基体的热影响较小，不会产生变形等现象，对于大型设备可进行局部小范围的表面修复处理。激光熔覆技术可精准控制熔覆层的成分、厚度和宽度，所以对于熔覆层的性能控制较强，还可大大节省材料。

（3）技术先进。激光熔覆技术的应用非常符合现代倡导的环保要求，不会对大气造成污染。在工艺技术方面比较灵活，可以与数控技术、计算机技术、机器人技术进行结合使用，实现自动化生产，非常便捷。同时，激光熔覆对粉末的限制较小，所以能够满足待修复工件的修复要求。

（4）光纤激光器的特点。如果采用光纤激光器来获取激光光源，修复效果还会大大提升。相比于CO2、YAG激光器而言，光纤激光熔覆的聚焦光斑直径更小，对有色金属的惰性气体保护更强，对工作环境的要求不高，散热更快，稳定性更强，可减少维护和调节等工作。

2.2 机床导轨表面激光熔覆修复技术工艺

（1）预置式激光熔覆和同步式激光熔覆。根据合金材料的供应方式不同，激光熔覆修复技术可分为预置式和同步式两种。预置式激光熔覆是将待熔覆的合金材料预先覆置在工件表面，然后使用激光辐照合金覆盖层，使得合金覆盖层与基体的一部分熔化，移开激光束后，熔融的金属快速冷却在基材表面凝固形成合金熔覆层。预置式激光熔覆的材料一般为粉末、丝和板材，工艺流程为先对需要修复的工件进行预处理，再将待熔覆的材料置于工件表面，在对工件预热后即可开始熔覆，在熔覆后要对熔覆层表面进行一定的处理，以提高表面的效果。预置式激光熔覆还存在一定的缺点，如果预制的涂层厚度不均，将会影响到熔化效果或者对基材产生一定的影响。同步式激光熔覆是使用专门的送料系统在熔覆的过程将合金材料直接送入激光加工区，将合金熔覆材料和基体局部同时熔化，在冷却后形成熔覆层。不同的供料对激光熔覆的能量、质量和动量传输都会产生一定的影响，进而影响到熔覆层的性能，所以要掌控好送料方式。

（2）机床导轨表面激光熔覆修复技术粉末和激光器的选择。激光熔覆粉末会对熔覆层的性能产生一定的影响，比较常用的粉末有自熔性合金粉末和自熔性碳化物复合粉末及氧化物陶瓷粉末。自熔性粉末脱氧和自熔作用较强，所以熔覆层的气孔率较小，氧化物含量低，对于碳钢、铸钢和不锈钢等基材具有较好的适应性，熔覆层性能较好。碳化物复合粉末的涂覆层具有较强的硬质合金，但是在使用中应该控制好碳化钨粉的含量，避免熔覆层出现裂纹。氧化物陶瓷粉末主要有氧化铝和氧化锆两个系列。根据机床导轨表面材料的性质，选择镍基自熔性粉末，可提高组织的致密性，同时可避免裂纹、气孔等缺陷，具有较好的硬度和耐磨耐腐蚀性。激光熔覆技术的激光器主要有CO2气体激光器、Nd：TAG固体激光器和光纤激光器，在使用时可根据待修复工件表面的性能以及所要达到的效果进行选择。由于光纤激光器的效果较好，下面针对光纤激光熔覆步骤进行简要分析。

（3）机床导轨光纤激光熔覆步骤。首先，要进行修复前的准备工作。对机床导轨的工况进行分析，查明工件失效的原因，明确工件的热处理状态和材质，确定熔覆的位置、形状、尺寸、工艺以及性能要求，在此基础上制定出光纤激光熔覆修复方案。正式修复前还应该对导轨表面进行预处理，清洗导轨表面的油污和锈蚀，然后对磨损处进行打底处理，为提高熔覆效果打好基础。其次，实施工艺。将光纤激光器与机器人、送粉设备和冷水机组进行组装，打开总电源和各设备的控制开关。为冷却机组注水，控制好水量和水温，保证激光器的高效稳定运行。对设备进行抽气和充气操作，抽气形成真空环境，充进氩气或者氮气，为送粉设备提供压力并保护光路。然后编制机床导轨表面修复AS程序，设定合适的激光功率、光斑尺寸、扫描速度、送粉气流和粉量的大小等各项参数，检查光路传输系统、送粉装置、聚焦位置，开启风机、激光送粉器和激光发生器，程序启动后即开始激光熔覆修复工作。同步送粉有利于对精度的控制，并可减少对合金成分的稀释。在光纤激光熔覆修复的过程中，对激光熔覆层的搭接率、厚度、平整度，导轨的温度、激光反射光位置等进行细致观察，对其节奏进行精准的控制。在激光熔覆结束后，对熔覆层的外观质量、内部质量、硬度、位置精度进行检查，在满足各类标准的基础上，对熔覆层进行磨削或者手工打磨，以保证表面最终尺寸精度和光洁度符合要求。

3 结语

激光熔覆技术在机床导轨表面修复中的应用，大大的提高了修复后工件的性能和强度，降低了维修的成本，是循环经济背景下实现工业机械设备再制造的重要手段。激光熔覆修复技术本身具有较多的优势，而在科学技术快速发展的时代背景下，其与计算机技术、机器人以及数控技术的结合使用，进一步提升了修复技术的水平。随着科学技术的更新，激光熔覆修复技术也会不断的改善和提升。

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