激光熔覆技術在港口設備中的應用

劉紹斌山東日照港股份二公司門機隊

激光熔覆技術在港口設備中的應用

劉紹斌
山東日照港股份二公司門機隊

本文講述了激光熔覆技術在港口門機旋轉減速箱殼體修復中的一次應用，闡述了激光熔覆技術的特點及其修復的工藝流程。通過觀察修復效果，得出了激光熔覆技術可以在港口設備推廣應用的結論。

激光熔覆；港口；再制造

1.現狀分析

機電產品零部件的失效模式是由于其局部磨損。腐蝕、高溫氧化等損傷而導致其整體使用性能喪失。換言之，由部件1%左右的損傷導致了其100%的報廢。對于喪失使用性能的機電產品零部件，用傳統的機械加工工藝無法恢復其使用性能。減速箱作為港口門機上的動力傳動裝置，極易發生殼體或者內部軸部件的磨損，當磨損發生后往往是沒有比較理想的維修方案的，對于磨損較小的部件，比如高采用一般性焊補等方式，其焊接熱影響區較寬，存在較大的焊接殘余應力，降低了零件抗疲勞強度，可靠性較差。同時，鑄鐵、低合金高強度鋼等材料焊接性能較差，也增加了焊修的難度。當這些大型的港口設備因為這些問題而報廢，會造成很大的浪費。因此，選擇一種合適的工藝對損壞的減速箱進行再制造具有很大的經濟效益。

2.激光熔覆技術及特點

應用于激光熔覆的激光器主要有CO2激光器和固體激光器（主要包括碟片激光器，光纖激光器和二極管激光器，老式燈泵浦激光器由于光電轉化效率低，維護繁瑣等問題已逐漸淡出市場）。對于連續CO2激光熔覆，國內外學者已做了大量研究.高功率固體激光器的研制發展迅速，主要用于有色合金表面改性。據文獻報道，采用CO2激光進行鋁合金激光熔覆，鋁合金基體在CO2激光輻照條件下容易變形，甚至塌陷。固體激光器，特別是碟片激光器輸出波長為1.06μm，較CO2激光波長小1個數量級，因而更適合此類金屬的激光熔覆。

激光熔覆按送粉工藝的不同可分為兩類：粉末預置法和同步送粉法。兩種方法效果相似，同步送粉法具有易實現自動化控制，激光能量吸收率高，無內部氣孔，尤其熔覆金屬陶瓷，可以顯著提高熔覆層的抗開裂性能，使硬質陶瓷相可以在熔覆層內均勻分布等優點。

1、激光熔覆具有以下特點：（1）冷卻速度快（高達106K/s），屬于快速凝固過程，容易得到細晶組織或產生平衡態所無法得到的新相，如非穩相、非晶態等。（2）涂層稀釋率低（一般小于5%），與基體呈牢固的冶金結合或界面擴散結合，通過對激光工藝參數的調整，可以獲得低稀釋率的良好涂層，并且涂層成分和稀釋度可控；（3）熱輸入和畸變較小，尤其是采用高功率密度快速熔覆時，變形可降低到零件的裝配公差內。（4）粉末選擇幾乎沒有任何限制，特別是在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金；（5）熔覆層的厚度范圍大，單道送粉一次涂覆厚度在0.2～2.0mm；（6）能進行選區熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能價格比；（7）光束瞄準可以使難以接近的區域熔敷；（8）工藝過程易于實現自動化。

很適合油田常見易損件的磨損修復。

2、激光熔覆與激光合金化的異同

激光熔覆與激光合金化都是利用高能密度的激光束所產生的快讀熔凝過程，在基材表面形成于基體相互融合的、具有完全不同成分與性能的合金覆層。兩者工藝過程相似，但卻有本質上的區別，主要區別如下：（1）激光熔覆過程中的覆層材料完全融化，而基體熔化層極薄，因而對熔覆層的成分影響極小，而激光合金化則是在基材的表面熔融復層內加入合金元素，目的是形成以基材為基的新的合金層。（2）激光熔覆實質上不是把基體表面層熔融金屬作為溶劑，而是將另行配置的合金粉末融化，使其成為熔覆層的主題合金，同時基體合金也有一薄層融化，與之形成冶金結合。激光熔覆技術制備新材料是極端條件下失效零部件的修復與再制造、金屬零部件直接制造的重要基礎，收到世界各國科學界和企業的高度重視。

金屬冶金粉末的輸送主要有預置法和同步送粉法，前者是將粉末實現覆蓋在待修復區，而后者是隨著激光的移動將粉末均勻噴敷在激光形成的熔池中，其工藝性好，生產效率高，過程原理如圖1所示。

圖1　激光熔覆技術原理圖

3.激光熔覆技術在港口減速箱修復中的應用

3.1設備選用

激光器主要有三種，CO2激光器，固體激光器，準分子激光器。2011年開發研制了大功率半導體激光器，最大功率達到4KW。選用ABB或者KUKA機器人手，如圖2所示，將機械手與激光頭配套使用，可以對復雜的加工面進行柔性加工。

3.2工藝流程

此次改造實驗主要針對40T門機的旋轉減速箱殼體出現磨損的問題進行，通過與廠家溝通確定了基本的修復流程:

圖3　激光熔覆工藝流程圖

根據減速機殼母體材料進行選配、研制合金粉末，配合大功率半導體激光器及六自由度機器人系統將研制的合金粉末熔覆到磨損部位，激光熔覆采用紅外測溫儀控制工件溫度，確保工件不因過熱導致基體材料顯微組織產生變化；采用激光熔覆的合金粉末經過實驗室各項性能檢測（包括金相組織、硬度、摩擦磨損、掃描電鏡、鹽霧試驗等）；使用X射線殘余應力檢測儀檢測確保工件應力最小。

3.3修復效果

修復前后對比明顯，修復后的減速箱殼體在機殼表面獲得硬度可達HRC45-50、耐磨性能更加優異并且具有優良的耐腐蝕性能的熔覆層。在外形尺寸、表面形態和內部硬度上都已經達到了正常使用所要求的標準。目前經激光修復后的殼體已經用于減速箱的組裝，并已經在門機上運行作業，觀察一切良好。

激光熔覆再制造技術適用于港口設備，將這種修復技術進行推廣，應用到其他的受損港口設備，可以大大節約設備維護成本，具有重大的社會經濟效益。