关于钩缓装置激光修复的工艺参数的研究

王冬春，杜锦涛，刘辉，栾程群，谢想，隋江雷，刘昊，王聪

（中车青岛四方车辆研究所有限公司钩缓事业部，山东 青岛 266031）

钩缓装置是连接列车和传递牵引力及冲击力的主要部件，其在服役过程中可能会产生表面磨损、腐蚀等缺陷，从而影响使用，导致部件报废。对钩缓装置进行表面修复可以延长部件的使用寿命，提高产品利用率，降低生产成本。

激光熔覆是材料表面修复的有效手段之一，其过程为利用高能激光束作为热源，将合金粉末熔化，在基体表面形成与基体呈冶金结合的涂层。与其他表面修复技术相比，激光熔覆具有热影响区小、工件变形小、易于实现自动化、修复尺寸精准等优点。

本文采用8620 级钢粉为粉末材料，在40Cr 表面进行激光熔覆，以熔覆层截面形貌质量作为指标，优化工艺参数，并探究激光功率、扫描速度、送粉率对显微硬度的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

基体材料为40Cr 钢板，试验前用砂纸进行打磨除锈，并用丙酮对基体进行清洗，以去除表面油污，基体化学成分如表1 所示。

表1 40Cr 化学成分（%）

粉末材料为粒径53 ～150μm 的8620 级钢粉，其化学成分如表2 所示，试验前对粉末进行烘干处理。

表2 8620 级钢粉化学成分（%）

1.2 试验方法

采用Laserline LDF4000-100 型激光系统制备熔覆试样，保护气体为氩气。单道熔覆时，将激光功率调至1.5 ～3.0kW 连续可变状态，制备80mm 长的熔覆层，激光熔覆后对试样进行切割并对截面进行编号，根据截面所处熔覆层的位置，计算出相应位置的激光功率，具体工艺参数如表3 所示。多道熔覆时，将激光功率调至2.5kW 恒定状态，工艺参数详见表4。采用光学显微镜对熔覆层的截面形貌及尺寸进行分析，并对试样进行显微硬度测定。

表3 单道熔覆工艺参数

表4 多道熔覆工艺参数

2 试验结果

2.1 单道熔覆

图1 为单道熔覆层的宏观形貌，由图可知，熔覆层表面较为光滑，粉末熔解性良好，随着激光功率的逐渐增加，熔覆层焊道的宽度也明显增加。这是由于激光功率增加，激光的能量密度也随之增加，落入熔池内的粉末熔化速率增加，凝固时间延长，液态金属流动性增加，因此，熔覆层焊道宽度增加。

图1 单道熔覆层宏观形貌 A)1.75kW B)2.1kW C)2.48kwD)2.85kW

图2 为试样1 ～4 在不同激光功率下的截面形貌。A 与B 处由于激光功率较低，没有足够的热输入，因此，几乎没有熔深或熔深较小。由于熔深较小，熔覆层与基体结合强度可能不够高，因此，这种焊接结构是不可取的。C 处试样1与试样3 熔透性良好，熔深适宜，而试样2 与试样4 熔深较小，这是由于送粉率增加导致的。试样2 与试样4 制备过程中送粉率增加至12%，相同其他工艺条件下进入激光光束内的粉末量增加，大部分的激光能量被用来熔化粉末而导致基体的热输入不足，从而熔深减小。

试样3 在C 处与D 处的截面形貌相似，成型效果良好，其熔覆层几乎没有差别。激光功率增加会产生更高的能量，但没有产生任何的几何收益和力学性能的正面影响，而使用较低激光功率进行修复生产可节约成本，因此，激光功率2.5kW 是一个合适的选择。

经上述分析，得出40Cr 表面制备8620 级钢粉单道熔覆层较为合适的工艺参数，具体参数如表5 所示。

图2 试样1-4 在不同激光功率下的截面形貌A)1.75kW B)2.1kW C)2.48kW D)2.85kW

表5 8620 级钢粉单道熔覆层工艺参数

2.2 多道熔覆

由于单道熔覆的工艺参数不足以证明在多道激光熔覆中具有具有良好的熔合效果，因此多道熔覆的工艺参数还需继续进行探究。相较单道熔覆不同，多道熔覆增加搭接率与离焦量两个工艺参数变量。搭接率的改变以确保焊道之间不存在未熔合的现象，离焦量的改变则是为了在保证热输入的前提下，用较少的焊道覆盖更大的区域。

图3 多道熔覆试样截面形貌

多道熔覆试样的截面形貌如图3 所示。试样5（离焦）与试样6（聚焦）分别为在不同离焦量下制备的多道熔覆层。试5 的熔覆层的平均厚度为1.19mm，但熔深不均匀，且在焊道之间存在未熔合现象。离焦光束并没有足够的能量来作用与试样焊道结合处。试样6 具有更大的熔深，但与试样5 相似，在焊道结合处熔合不均匀。

为解决前两种情况下试样焊道之间熔合不均匀的现象，将熔覆焊道的偏移量进行了调整，增加焊道的搭接率。试样7 前四个焊道有较好的熔深，但在第四道后焊道熔深较小。这是由于激光能量是一定的，过量的堆砌阻碍了激光对基体表面的热输入，因此，后续熔覆层熔深较小。与试样7 相比，试样8 降低了扫描速度，因此，熔深增加，但熔覆层堆砌太厚，最大可达1.96mm，因此，在+30mm 离焦条件下并未找到合适的工艺参数。因此，试样9 与试样10 是在聚焦条件下制备的，试样9 与试样6 相比仅搭接率不同，各焊道之间熔合效果良好，但熔覆层厚度依然过高，因此，为防止熔覆层过厚，将试样10 的送粉率降至6%。结果表明，试样10 的所有焊道熔深及熔合情况良好，熔覆层厚度为1.35mm。

综上所述，得出40Cr 表面制备8620 级钢粉多道熔覆层较为合适的工艺参数，具体参数如表6 所示。

表6 8620 级钢粉多道熔覆层工艺参数

2.3 工艺参数对显微硬度的影响

2.3.1 激光功率对显微硬度的影响

对试样1A 截面和C 截面沿熔覆层深度方向进行显微硬度检测，显微硬度变化趋势如图4 所示。由图可知，两截面显微硬度的变化趋势相似，但C 截面的显微硬度在各个位置明显大于A 截面。这是由于C 截面处激光功率较高，能量密度大，熔覆层过热烧损，从而导致稀释率升高，因此，熔覆层总体的显微硬度降低。

图4 熔覆层深度方向显微硬度变化趋势

2.3.2 扫描速度对显微硬度的影响

C 截面的试样1 与试样3 仅存在扫描速度的不同，对其沿熔覆层深度方向进行显微硬度检测，显微硬度变化趋势如图5 所示。试样3 在热影响区与熔覆层的显微硬度明显大于试样1，由于试样3 扫描速度较快，熔覆层单位面积受到的激光照射时间短，熔池冷却速度增大，过冷度更加，从而导致晶粒细化，熔覆层显微硬度增加。试样1 扫描速度较慢，熔池冷却速度较慢，晶粒有充分的时间长大，从而显微硬度降低。

2.3.3 送粉率对显微硬度的影响

对试样1 与试样4 的C 截面的显微硬度变化趋势如图6所示。试样4 的送粉率较高，因此，其显微硬度也高于试样1。这是由于随着送粉率的增加，单位时间内粉末进入熔池的量也增加，较多的能量用来熔化粉末，从而基体熔化量较小，熔覆层稀释率低，从而硬度升高。

图5 熔覆层深度方向显微硬度变化趋势

图6 熔覆层深度方向显微硬度变化趋势

3 结语

以熔覆层截面形貌质量作为指标，当采用激光功率2500W、扫描速度650mm/min、送粉率8%作为工艺参数进行单道熔覆时，可以获得结合强度较高、表面成型良好的熔覆层；当采用激光功率2500W、扫描速度650mm/min、送粉率8%、搭接率60%作为工艺参数进行多道熔覆时，可以获得焊道熔深合适、熔合良好的熔覆层。

熔覆层的显微硬度受到激光功率、扫描速度和送粉率等工艺参数的影响，在一定参数范围内，激光功率增加可以导致熔覆层显微硬度有所下降，而扫描速度和送粉率增加则可以增加熔覆层显微硬度。