基于农机刀具的激光熔覆装备与工艺研发

金硕 黄 腾 杜祥星

（山东镭研激光科技有限公司，济南 250000）

激光熔覆技术以高能激光束作为热源，将金属粉末材料熔覆于零部件表面，制备高性能防护涂层，提高零部件表面硬度以及抗磨损、抗腐蚀、抗氧化、耐高温等性能，从而延长零部件的使用寿命[1-2]。农机刀具作为农业器械的核心零部件，在收割、耕种等常规农作环节起到了关键作用。为保证农业生产效率，研制作业效率更高、停机时间更短、使用寿命更长的农用器械，成为当下亟待解决的技术问题。

1 农业器械核心零部件强化的发展现状

农机刀具是农业器械中的重要零部件，也是易损件之一。高速旋转的刀具刃口极易磨损，影响耕种或收割效率。当刀具刃口磨损严重时，甚至会出现无法继续作业的情况，必须批量更换器械上的刀具，才能继续进行耕种、收割任务。目前，刀具刃口处采用的堆焊技术和高频淬火技术是提高农机刀具刃口耐磨性较为常用的两种技术。堆焊技术易对刀具产生热影响，导致刀具变形或开裂。高频淬火技术尽管可以提高刃口的表面硬度，但是实际耐磨性欠佳。

激光熔覆作为一种绿色环保的材料表面强化技术，具有表面稀释率低、结合力强、热输入量小以及粉末材料可拓展等诸多优点，在金属材料增材强化与修复中效果显著[3-5]。针对农机刀具的失效特点，充分考虑刀具的成本与附加值，采用激光熔覆技术对农机刀具进行刃口处的表面强化，提高了刀具刃口处的耐磨、耐腐蚀性能，延长了刀具的使用寿命。

2 农机刀具的激光熔覆核心装备

农机刀具激光熔覆核心装备由激光器、水冷机、激光熔覆头（宽光斑）、送粉器、六轴工业机器人以及定制工装等组成，如图1 所示。

图1 农机刀具激光熔覆设备

2.1 六轴工业机器人

系统采用FANUC 六轴工业机器人M-20iD/25，臂展1 831 mm，重复定位精度±0.02 mm，可实现循环、偏移、条件判断等逻辑操作，完成复杂动作的示教编程。M-20iD/25 动作范围如图2 所示。

图2 M-20iD/25 动作范围

2.2 宽光斑激光熔覆头

针对农机刀具刃口的形状及加工特点，开发出宽光斑激光熔覆头，实现矩形光斑气动同轴激光熔覆。熔覆带尺寸为20 mm×2 mm，配合气动送粉，可以完成同轴中心送粉，粉末利用率在85%以上，保护镜片更换率低于5%。宽光斑气动同轴送粉激光熔覆头如图3 所示。

图3 宽光斑气动同轴送粉激光熔覆头

2.3 刀具工作台

为了有效提高生产效率，方便农机客户批量化加工，结合农机刀具本体附加值低、加工数量大的特点，设计开发一种农机刀具工作台，实现标准化批量摆放、不间断生产及粉末收集等便捷功能。刀具工作台结构如图4 所示。

图4 刀具工作台结构

3 农机刀具的激光熔覆强化工艺

针对农机刀具的作业环境与工况，配比合适的耐磨成分，大幅提高刀具作业效率，降低更换刀具频率，达到降本增效的目的。激光熔覆的工艺参数：激光功率为2 100 W，光斑为12 mm×2 mm 矩形光斑，光斑焦距为400 mm，矩形同轴气动送粉的粉距为17 mm，机器人运行速度为40 cm·min-1，保护气体为Ar，气体流速为6 L·min-1，激光头与刀具刃面呈90°，送粉量为2.5 r·min-1。其中，光斑长度为12 mm，实际熔覆的宽度略窄，约为11 mm，侧边点位应注意刃口边缘的实际熔覆情况，避免出现刃口烧蚀或刃口熔覆不饱满的情况。

在以上激光熔覆工艺参数下作业，能够使刃口正面或者背面均有一定厚度的熔覆涂层（约50 丝），而且刀具刃口的边缘未出现刃口烧蚀或者刃口边缘无熔覆层的现象。此工艺参数下的熔覆层，既能保证涂层的硬度与耐磨性，又不减损刃类刀具刃口的锋利程度。熔覆强化后的刀具刃口外观如图5 所示。

图5 强化后的农机刀具刃口熔覆层外观

耐磨层材料采用铁基合金粉末，各成分的质量百分数如表1 所示。铁基合金粉末粒度为270～400 目，平均硬度为58～62 HRC。考虑到农机刀具的产品附加值较低，激光熔覆的粉末选取成本较低、硬度性能稳定的高强度铁基合金材料，配合接近60%的高比例耐磨成分，提升农机刀具刃口的耐磨性。

表1 铁基合金粉末组成成分的质量分数 单位：%

4 结语

针对农机刀具展开激光熔覆装备与工艺的研发。首先，设备采用矩形宽光斑同轴气动送粉熔覆头，通过机器人程序逻辑编辑实现不同刀具形式的柔性加工动作，同时配合刀具的标准工装摆放实现批量化的不停机加工。其次，同轴矩形宽光斑气动熔覆头效率更高，喷嘴更易维护，特别适合平面类刃口的刀具加工，简化了激光熔覆操作工艺。再次，针对刃口类农机刀具易磨损区域的形状，对强化区域的熔覆层设计条状的第一耐磨层和第二耐磨层。第一耐磨层长度大于第二耐磨层的长度，形成“一长一短”的耐磨层形状，既保证强化效果，又节省粉末材料，提高熔覆生产的效率，降低加工成本。最后，将激光熔覆装备及工艺推广至农业机械行业，不仅要考虑加工效率、设备的耐用性与稳定性，而且要符合生产实际，研发出成本更低、耐磨度更高的合金粉末成分配比。