激光熔覆技術的工業化實驗

陳學勇，母彩軍，孫志鵬

《水泥技術》2020年第2期《激光熔覆技術的研究與應用》一文介紹了使用激光熔覆技術制作第四代冷卻機的密封件（材質TRG-ZA-6）的實驗，驗證了激光熔覆技術制作結構密封件的可行性，并進行了少量的應用。

近期，我公司和武漢華工激光公司（HGTECH）共同進行了激光熔覆技術工業化實驗，現將實驗研究結果介紹給大家，供參考。

1 激光熔覆相關工藝參數

根據密封件使用工況的實際需要，要求熔覆層硬度達到HRC40以上、溫度≮600℃、焊后應力小、變形量少以及熔覆質量好。為達到以上要求，采用了如下措施：

（1）選用功率為3 000W的固體激光器焊機，見圖1，未使用5 000W甚至10 000W的大功率激光器，可減少焊后變形量。

（2）熔覆材料選用中碳高合金粉料（前期實驗時選用了高碳鉻鐵材料），其成分和母材相近，更易于和母材緊密融合。

（3）控制焊道行走速率在0.8～1.2m/min，保證熔覆材料和母材有足夠的融合時間。

（4）熔覆單層焊道寬度為5mm，厚度為2～3mm，保證密封正常使用，與擋料板不發生干涉。

2 激光熔覆工業化實驗結果分析

在熔覆材料和激光熔覆參數相同的條件下，我們進行了豎向和橫向焊道兩種密封件的制作實驗，見圖2。

除了保證密封耐磨、耐熱性能外，控制熔覆后的變形量也是重點，一是控制熔覆后變形的矯形量，二是矯形平整后，待放置或運輸一段時間，控制二次變形量。

（1）變形量

堆焊完成后，將密封件矯形到要求的1mm平整度以內。5d之后，橫向焊道熔覆的密封件發生了二次變形，翹曲變形量在5mm左右，無法實施安裝；豎向焊道熔覆的密封件保持了較好的平整度，能夠順利安裝在段節梁上，見圖3。

在熔覆材料、激光功率、熔覆速率等相同的條件下，激光熔覆堆焊二次變形的結果表明，豎向焊道的密封件焊后應力遠小于橫向焊道密封件的焊后應力。在矯形后，豎向焊道密封件的自身強度能夠有效抵抗焊后殘余應力，防止密封件的變形，而橫向焊道密封件發生了二次變形。

（2）焊道質量

圖1 3 000W功率的固體激光器焊機

圖2 激光熔覆在密封件上的焊道走向

對激光熔覆堆焊密封件的表面做著色檢測，評估焊道外觀質量。通過檢測，發現無論是橫向焊道還是豎向焊道，焊道的致密度都非常高，基本無裂紋、無夾渣等缺陷，熔覆材料和母材在結合處融合的非常好，見圖4。

（3）熔覆的表面硬度

對焊后的密封件表面進行硬度測試，測試的硬度值分別為HRC40.3、HRC41.6，滿足了熔覆表面硬度值的要求，焊道表面未發生龜裂，見圖5。

3 后續需解決的問題

（1）成本問題

密封件制作數量少是成本較高的一個重要因素，另外，選用的中碳高合金粉料、激光器損耗、臨時制作的卡套工裝均是造成初期成本高的原因。

后續進行大批量工業生產時，對密封件耐磨性能和合金粉的成分應進行綜合匹配，可適當降低成本。另外，對激光器損耗、配套矯形工裝費用進行均攤后，成本也會有所下降。

（2）矯形工裝

激光熔覆后，需進行密封矯形，后續進行大批量工業生產時，應配套制作矯形工裝，以提高生產效率，確保生產進度。

4 結語

（1）選用功率在3 000W的固體激光器能夠滿足粉料的熔覆需求，焊后質量好，無裂紋、夾渣和未熔合等缺陷。

（2）熔覆材料選用中碳高合金粉，焊后表面不開裂，殘余應力小，硬度值在HRC40～42。

（3）激光熔覆時，豎向焊道密封件的焊后殘余應力明顯小于橫向焊道密封件，采用豎向焊道能夠保證密封件在熔覆矯形后，不會產生二次變形，組裝精度有保證。

圖3 矯形到位后間隔5d的二次變形量對比

圖4 熔覆焊道的表面著色檢測

圖5 硬度測試值