激光熔覆技術在凸輪軸修復中的應用

張亞萍

摘?要：介紹了凸輪軸失效形式與原因，根據凸輪軸工作特點以及失效形式，選擇激光熔覆技術對其進行修復，敘述了激光熔覆表面修復技術的特點，著重介紹了激光熔覆技術修復凸輪軸的工藝過程。修復后凸輪軸表面硬度、耐磨性、抗疲勞強度與其它表面修復技術相比有了很大的提高。

關鍵詞：凸輪軸;失效分析;激光熔覆;修復;應用

中圖分類號：TG455文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.023

凸輪軸是發動機配氣機構中的關鍵傳動部件之一，它控制氣門的開啟和閉合，承受周期性的沖擊載荷作用，由于凸輪和挺柱之間的接觸應力比較大，相對滑動速度高，從而導致凸輪軸工作表面磨損比較快，當磨損量達到極限數值時，就需要對凸輪軸進行尺寸恢復，否則，將影響配氣機構的配氣定時，影響發動機的動力性和運動特性，嚴重情況下發動機功率明顯下降，凸輪軸將無法工作而報廢。

1?凸輪軸失效原因分析

凸輪軸失效是由軸頸和凸輪磨損所導致的，極個別情況下是由于凸輪軸斷裂或彎曲引起的。

1.1?凸輪軸軸頸磨損

凸輪軸是通過軸頸支撐在軸承孔內的，它處于發動機潤滑系統的末端，在長期的運行過程中，由于機油壓力低或油道堵塞，使得潤滑油達不到軸承孔處，造成軸頸潤滑不良而使軸頸產生摩擦磨損。

1.2?凸輪軸凸輪工作表面磨損

凸輪的工作表面磨損主要是粘著磨損和表面疲勞磨損，由于凸輪和挺柱摩擦副之間接觸面的潤滑是靠飛濺潤滑和挺柱內流入的潤滑油進行潤滑，潤滑條件比較差，再加之凸輪和挺柱接觸面承受頻繁的接觸壓力和循環的交變載荷作用，使得凸輪的型線產生磨損。

2?激光熔覆表面工程技術

激光熔覆技術是利用激光束聚集能量高的特點，能在瞬間將待修復表面微熔，同時能使與激光束同步自動送達的合金粉末或預置粉末完全熔化，獲得與基體冶金結合的致密熔覆層。從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、抗疲勞等特性的工藝方法。

激光熔覆技術優點是熔覆層組織細密、性能優異、熱應力小、變形小以及無污染等。它的特點是通過對熔覆層合金成分的設計以及對激光工藝參數的調整，能夠獲得低稀釋率的良好熔覆層，并且熔覆層成分和稀釋度可控;通過調整工藝參數，可以獲得厚度范圍比較寬的熔覆層，其厚度在0.2～2.0 mm;材料消耗少，性價比高;工藝過程易于實現自動化。

3?凸輪軸磨損表面修復技術選擇

激光熔覆技術是根據修復件的工況要求，選擇專用激光熔覆合金粉末，通過熔覆層成分設計，能夠制備出耐熱、耐磨、抗疲勞的表面熔覆層。它解決了氣體保護焊、氬弧焊、等離子噴焊、氧乙炔噴焊等表面修復技術中，不可避免產生的熱變形、熱疲勞損傷等一系列技術難題，同時也解決了傳統電鍍、熱噴涂等工藝中鍍層或噴涂層與基體結合強度差的缺點。

對凸輪軸磨損表面的修復，在保證較高的幾何尺寸精度、較小表面粗糙度和足夠剛度外，凸輪工作表面還應有較高硬度和良好的耐磨性。所以，只有選擇激光熔覆技術，通過合理的熔覆層成分設計以及選擇合理的工藝參數進行修復，才能滿足凸輪軸的設計要求和使用要求。修復后的凸輪軸，使用壽命比其它表面技術修復的凸輪軸能提高30%左右。

4?激光熔覆技術修復工藝過程

4.1?熔覆前待修復表面預處理

（1）將待修復表面清洗除油后進行技術檢測，檢測凸輪軸彎曲度和幾何尺寸精度以及凸輪的輪廓尺寸，確定待修復部位和磨損量，制定激光熔覆技術方案。

（2）軸頸待修復表面的疲勞層進行機械加工處理，凸輪待修復表面的疲勞層進行打磨處理。

（3）將所選激光熔覆合金粉末，放入烤箱內，選取100～120 ℃進行烘烤，保溫2 h后使用。

4.2?激光熔覆設備選擇

采用C02激光器，型號：HANGS-TEL-H6000的激光熔覆設備。

4.3?激光熔覆層合金粉末成分設計

根據凸輪軸失效形式及實際工況，應選擇硬度比較高、耐磨性比較好的鎳基合金粉末。所以，選擇Ni60A鎳基自溶性合金粉末為工作層，硬度HRC58～63。合金粉末化學成份百分含量（含量見下表）。

4.4?熔覆工藝參數的選取：

激光功率范圍：3600～3800 W;送粉方式：同步送粉;光斑直徑為：3～6 mm; 掃描線速度：8 mm·s-1。

4.5?編制數控熔覆程序

根據所選設備、熔覆工藝參數、合金粉末成分進行數控程序編制。

4.6?激光熔覆

根據所選設備操作規程以及編制的數控程序啟動設備，對修復表面實施激光熔覆。

4.7?熔覆后表面處理

對檢測合格的熔覆表面進行室溫冷卻，然后在專用設備上進行機械磨削加工，經質量驗收合格后包裝入庫。

激光熔覆技術是—種涉及多門學科的跨學科高新技術，由于它具有非常顯著的優點，近年來，在材料表面改性或機械零部件磨損修復方面得到大量應用。通過凸輪軸的修復可以看到，在零部件整體性能滿足工況的條件下僅是表面損傷的零部件，都可以選擇激光熔覆技術進行修復，修復后零部件的使用性能和壽命都有明顯的提高，而且實現了經濟效益最大化。所以，作為表面工程技術之一的激光熔覆技術，適用于各類金屬零部件的表面改性和磨損修復。