超高速激光熔覆在采煤机齿轮上应用研究

王先龙，张维林，侯军，陈立成，张东

西安煤矿机械有限公司 陕西西安 710200

1 序言

激光熔覆技术是一种新的表面改性技术，通过在基体表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使其与基体表面薄层同时熔化并快速凝固的方法。激光熔覆技术以表面工程技术为基础，以节能、节材和环保为目的，通过对问题零件进行检测、修复再制造，使零件达到原有甚至超过原有性能，以得到重新使用的现代制造技术[1，2]。激光熔覆技术作为我国新世纪重点发展起来的新工艺技术，以节约资源、绿色环保为特色，高度契合了国家构建循环经济的战略要求，并为改善损伤结构的组织和性能提供了新的途径，进而大大降低了损伤零件的更换成本[3-5]。

超高速激光熔覆与常规传统激光熔覆区别：①超高速激光熔覆时，零件基体吸收的激光热输入要远小于常规熔覆。②超高速激光熔覆相对传统激光熔覆，熔池较小且较浅。③超高速激光熔覆线速度高，表面平展，外观效果好；两种激光熔覆外观效果如图1所示。

图1 超高速激光熔覆和传统激光熔覆效果

2 激光熔覆方案

西安煤矿机械有限公司某种齿轮（见图2）材质为42CrMo，热处理状态调质硬度260~300HBW。在对齿轮精磨时，φ85k6轴承外圆尺寸超差0.02mm。现采用超高速激光熔覆方法进行修复，工艺流程为粗车→激光熔覆→精加工。

图2 被修复齿轮图样和实物

3 激光熔覆工艺流程

（1）粗车 激光熔覆前，应清除齿轮表面的油污、水、锈等杂物，以保证熔合及避免焊接熔合区在最表面上，影响质量，采用车床将齿轮表面加工去除0.2mm。

（2）确定超高速激光熔覆参数 为了确定焊接时激光熔覆参数，根据齿轮被修复面外径的大小，选取相同的外径试棒，先在试棒上进行熔覆试验。主要参数包含主轴转速、机器人手臂轴向移动速度、熔覆层厚度等。

主轴转速：

式中 v ——激光熔覆时线速度（mm/s），v=300mm/s；

d ——修复面的外径（mm），d=85mm。

机器人手臂轴向移动速度：

式中 n——转速（rad/min），其中0.5mm为螺距。

根据上述公式调整送粉量，确定熔覆厚度。

（3）验证修复时采用激光熔覆粉末的力学性能 采用一种Fe-S04粉末在30mm厚的钢板上激光熔覆5个区域（见图3）。其中5个区域通过送粉量的调整，单层熔覆厚度分别为1.2mm、1.0mm、0.8mm、0.6mm、0.4mm。试验完成后，用角磨机打磨抛光表面，经超声波洛氏硬度检测仪检测表面硬度。

通过试验数据分析可知：试验各个区域的熔覆质量较好，未发现裂纹，各个区域的硬度为47~50HRC，说明熔覆的厚度对硬度影响不大，满足被修复面的技术要求。

图3 试板激光熔覆

（4）激光熔覆修复 根据公式可分别计算出主轴转速为68r/min，机器人手臂轴向移动速度为34mm/min。考虑齿轮的大小及尽量消除不利影响，选定激光熔覆功率为2800W，确定激光器内部水循环温度为32℃。送粉量为20g/min，气体流量6L/min，单层熔覆厚度要求0.4~0.5mm之间。采用上述参数熔覆后，注意确认熔覆层的厚度，保证有后序加工余量。上述齿轮之所以无法使用传统焊接方法进行修复，一是齿轮本身属于焊接性差的钢种；二是焊接时，传统焊接方法热输入高，容易引起周围孔面的变形。本次齿轮激光熔覆完成后，通过温度测温仪，测得熔覆后温度仅67℃左右，熔覆后相邻外圆变形能够控制在公差范围之内，如图4所示。

图4 齿轮激光熔覆现场照片及熔覆后效果

（5）精加工 激光熔覆完成后，用磨床精磨修复外圆表面，逐步去除余量直至图样公差要求范围。

4 结束语

介绍了一种齿轮修复的方法，通过超高速激光熔覆工艺方案的研究，实施方案和修复流程的设计，对今后的设计开发者具有很好的借鉴意义。通过方案的实施，降低企业成本，节约了资源，具有较广的应用前景。