齒面的激光熔覆修復工藝

楊 毅 曾慶生

（南華大學工程訓練中心，湖南 衡陽 421001）

傳統(tǒng)齒輪齒面的修復法有電鍍法、熱噴涂法和堆焊法。電鍍法的鍍層結(jié)合強度低且耐磨性差，熱噴涂法變形大，而堆焊法工藝較復雜，都不太適合形狀復雜齒面修復的工業(yè)應(yīng)用。激光熔覆修復是以激光作為熱源，通過在損壞齒面添加粉末材料，利用激光束的高能量密度使之與齒面薄層熔凝并形成冶金結(jié)合，從而恢復齒廓形貌。激光加工可進行局部及有選擇性的修復處理，具有工藝性靈活、修復層與齒面結(jié)合牢固、熱影響小、組織致密、稀釋率低等優(yōu)點，非常適合齒輪的齒面修復應(yīng)用。

一、齒面激光熔覆

1.試驗裝置和材料

試驗設(shè)備：TJ-HL-T5000型恒流電激勵連續(xù)CO2激光器，PMAC五軸聯(lián)動數(shù)控機床，JKF-6型激光寬帶涂敷送粉器。

試驗材料：45鋼斜齒輪軸整體結(jié)構(gòu)，齒數(shù)25，螺旋角15°28′34″，法面模數(shù)4mm，法面壓力角20°；粉末材料為Ni60粉末，化學組分為：C0.6%～0.8%，Cr15.0%～16.5%，Si4.4%～5.0%，B2.5%～3.5%，F(xiàn)e≤5.0%。

試驗方案：采用側(cè)向送粉方式，送粉噴嘴的位置在激光束的一側(cè)，粉末和激光束相交于一點，單向送粉單向掃描，如圖1所示。齒輪熔覆采用軸向分齒跳齒掃描法，光束不動，齒輪沿軸線方向作直線運動，齒輪同步旋轉(zhuǎn)。

2.試驗過程

本研究采用的齒面激光熔覆修復的工藝過程如下。

（1）采用無損探傷法對損壞齒輪進行檢測，判斷是否具有修復價值。

（2）根據(jù)失效齒輪的幾何參數(shù)與變化規(guī)律，確定最佳掃描方法。

（3）在平面樣塊上實驗，得到激光熔覆最佳工藝參數(shù)組合。

（4）根據(jù)損壞齒面情況設(shè)計激光掃描軌跡，編制相應(yīng)計算機控制程序。

（5）清洗齒面，去除損壞處氧化膜和污垢，以便熔融金屬粉末能潤濕齒輪基體。

（6）在齒輪表面單道熔覆成形，使覆層與基體形成冶金結(jié)合。

（7）對面積較大損壞，在第一道的基礎(chǔ)上熔覆第二道，使第二道與第一道搭接平整。

（8）對齒面損壞較深處，在第一層的基礎(chǔ)上熔覆第二層，使第二層與第一層形成冶金結(jié)合。

（9）重復以上過程，直到將整個損壞齒輪修復完為止。

（10）對修復后齒面進行適當后續(xù)機加工，恢復原有漸開線齒廓形狀，并進行質(zhì)量檢測。

3.熔覆工藝

（1）單道熔覆。

齒面輪廓復雜，為了獲得理想的激光熔覆工藝參數(shù)，先在大量探索性實驗基礎(chǔ)上確定一個工藝參數(shù)范圍。根據(jù)正交法原理，以激光功率P、送粉量G、掃描速度V為因子安排L9（34）正交實驗，通過評價覆層外觀、外形及稀釋率，最后確定P=1.8kW、G=80r/min、V=3.8mm/s，試驗結(jié)果為熔覆層表面光滑、外形規(guī)則并形成冶金結(jié)合，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化工藝參數(shù)下單道覆層形貌

（2）多層熔覆。

因單道熔覆層厚度有限，對損壞較嚴重齒面還需進行多層修復。因多層熔覆時基體已不再是平面而是弧形，通過多次試驗，發(fā)現(xiàn)影響覆層高度的因素很復雜，沒有實時閉環(huán)監(jiān)測是無法精確控制的。最終將預先測得初始五層燒結(jié)高度的平均值作為分層基準，實踐證明效果較好。在多層熔覆試樣上用顯微硬度計測量硬度值，發(fā)現(xiàn)寬度方向上硬度相差很小，深度方向上的硬度如圖3所示，硬度分布比較均勻，且大大超過了粉末的硬度，能夠強化修復齒面，提高其耐磨性。

圖3 修復層深度方向上顯微硬度分布曲線

（3）多道搭接。

在齒輪修復中，不僅有各個磨損部位個別修復的要求，有時還需要對一個齒面進行整體修復。但由于光斑尺寸小，單道燒結(jié)的寬度十分有限，對大模數(shù)齒面激光熔覆只能采用多道搭接。搭接率的大小將直接影響到齒面修復層的表面平整和修復效果。若搭接率太小，兩道之間會有一條明顯的凹陷區(qū)，若搭接率太大，整個涂層表面呈現(xiàn)一斜坡。根據(jù)搭接系數(shù)確定的理論依據(jù)和實驗驗證，當搭接系數(shù)為20%時修復層表面平整。

二、熔覆層缺陷控制

1.修復精度和表面質(zhì)量

大面積的齒面修復層表面雖較平整，但很粗糙，精度較低，必須經(jīng)過后續(xù)切削加工才能重新投入使用。究其原因，一是因為粉末輸送的不均勻和激光功率等工藝參數(shù)的不穩(wěn)定，造成單道厚度、寬度發(fā)生變化；二是采用側(cè)向同步送粉沿齒面掃描時，漸開面上各點的粉末運動方向與激光束掃描速度方向的夾角不一致，導致各點的粉末堆積形狀發(fā)生變化；三是熔池中凝固組織在高溫狀態(tài)下發(fā)生氧化，在修復層外表面形成了氧化皮外殼。通過實驗發(fā)現(xiàn)，采用反復逐層機械修整的方法可以大大提高修復精度和表面質(zhì)量。

2.裂紋和氣孔

對齒面進行多道多層激光熔覆后，修復層表面會產(chǎn)生明顯的裂紋和氣孔。氣孔主要是由于粉末熔化過程中產(chǎn)生的氣體在快速凝固時來不及逃逸出表面所致。在實驗前對Ni60粉末烘干，并適當調(diào)整工藝參數(shù)，減緩熔池冷卻結(jié)晶速度有利于氣體的逃逸。

激光熔覆過程修復層經(jīng)受一個極為不均勻的快熱快冷作用，熔池在快速凝固及隨后的快速冷卻中將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這是導致齒面修復層開裂的主要原因。另外，Ni60粉末中B、Si元素的存在，使得熔覆層中會產(chǎn)生硅化物和硼化物等脆硬相，降低了修復層的延展性，增加了開裂傾向。輪齒修復前對齒面進行一定溫度的預熱、修復后再進行一定的后處理，可降低溫度梯度從而降低開裂可能。

3.齒頂塌陷

齒輪傳動時，主動齒輪齒頂將推動從動齒輪齒根運動。齒面激光熔覆時齒頂會發(fā)生塌陷現(xiàn)象，將影響傳動平穩(wěn)性。齒頂塌陷主要是由于激光照射時熱量向齒面邊緣擴散，位于邊緣的齒頂橫向剖面積小，熱集聚效應(yīng)明顯。此外，齒輪齒廓曲線為漸開線，熔融液體從高處向低處流，齒頂熔池里的熔液向兩側(cè)流動造成齒頂材料的流失而塌陷。

在激光功率、光斑尺寸不變的情況下，通過增加送粉量或減小掃描速度，使齒頂基體盡量少熔化可減緩塌陷。另外，通過實驗驗證，齒頂采用預置粉末法，先用較低的激光功率掃描，使小部分粉末熔化或微熔，依靠這部分粉末使大量的粉末粘結(jié)成團附著在齒頂表面，再進行正式的激光熔覆，基本能解決齒頂塌陷問題。

三、結(jié)語

（1）利用激光熔覆技術(shù)對失效齒面進行了激光熔覆修復。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，得到了表面平整、稀釋率低、具有良好冶金結(jié)合且硬度較高的修復層。

（2）通過采用反復逐層機械修整的方法提高了齒面修復精度和表面質(zhì)量，對輪齒修復前的預熱和修復后的后處理降低了開裂的可能，對熔覆粉末烘干并適當調(diào)整工藝參數(shù)解決了氣孔問題，采用粉末預置二次掃描基本解決了齒頂塌陷問題。

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