球磨機齒輪激光再制造應用研究

張 軍雷竹學張少飛張 偉馬葉紅

（1.楊凌永濟西北可持續(xù)發(fā)展研究中心 陜西咸陽 2.陜西龍門鋼鐵集團大西溝礦業(yè)有限公司 陜西商洛）

（3.解放軍總后建工研究所新產(chǎn)品試制室 西安 4.陜西相和固體潤滑材料工程技術(shù)有限公司 西安）

（5.西安奧耐特固體潤滑工程學研究有限公司 西安）

在機械維修領(lǐng)域，國內(nèi)已經(jīng)形成強大的激光技術(shù)加工中心和加工基地，主要分布在北京、西安、沈陽、唐山、山東等地，涉及修復的范圍為鉆機鉆頭及截齒、大型軸頸的磨損和腐蝕修復、軸齒輪的輪齒修復、鏈輪輪齒、巴士合金瓦修復、花鍵鍵槽修復、空壓機螺桿修復、羅茨風機螺桿修復、銅套修復、銅瓦修復、汽輪機和發(fā)電機軸修復、鍛造機械的液壓柱塞修復、曲軸修復、鋁合金活塞密封環(huán)槽修復、精密合金模型制造、復雜腔型結(jié)構(gòu)制造、微型高精密件制造等，還有提高耐磨性的金屬表面強化處理，如軋輥的表面合金化、刮板機槽體耐磨金屬化處理等，以上技術(shù)被列為“十二五”確定推廣應用的再制造領(lǐng)先技術(shù)。

公司在對2.7 m×3.6 m球磨機主傳動齒輪軸的齒面經(jīng)激光熔敷工藝方法修復后，結(jié)合固體潤滑材料的應用，比對原工況環(huán)境，經(jīng)過一段時間的使用，經(jīng)檢測，各項指標與更換前相比較基本相同；修復件使用性價比和原件基本相同。

一、激光熔敷技術(shù)的成熟應用

激光熔敷技術(shù)應用到金屬缺陷修復上，可使各種機械設備零件起死回生，為企業(yè)大量節(jié)約加工成本。應用到表面處理上，可以極大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞等機械性能，可以極大提高材料的使用壽命。應用到快速制造金屬零件上，所需設備少，可以減少工件制造工序，節(jié)約成本，提高零件質(zhì)量。激光熔敷的主要特性與其他傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，主要優(yōu)點是速度快、深度大、無變形、熔敷層無夾渣、熔池細膩無氣孔。熔敷層與基體為冶金結(jié)合，機加工性能強。例如鍵槽嚴重磨損后，可在原位熔敷至所需尺寸再銑出鍵槽。能在室溫或特殊條件下進行熔敷。例如，激光通過電磁場，光束不會偏移；激光在真空、空氣及某種氣體環(huán)境中均能施焊，并能通過玻璃或?qū)馐该鞯牟牧线M行熔敷。可熔敷難熔材料如鈦、石英等，并能對異性材料進行相互熔敷。激光熔敷耗材為金屬粉末、金屬絲、金屬片。市場上可購買各種材質(zhì)、硬度的金屬粉末。激光熔敷后熔敷層硬度可在15～75 HRC之間靈活選擇，還可以熔敷碳化鎢、陶瓷粉末等非金屬粉末，可熔敷難以接近的部位，施行非接觸遠距離熔敷，具有很大的靈活性。激光加工技術(shù)中大多采用光纖傳輸技術(shù)，可進行1～200 m光線傳輸熔敷?？蛇M行薄壁熔敷，基體無變形。

激光熔敷層組織由底層、中間層及面層組成的各具特點的梯度功能材料，底層具有與基體浸潤性好，結(jié)合強度高等特點；中間層具有一定強度和硬度，抗裂性好等優(yōu)點；面層具有抗沖刷、耐磨損和耐腐蝕等性能，使修復后的設備在安全性及使用性能上更加有保障，解決了傳統(tǒng)電焊、氬弧焊等熱加工過程中不可避免的熱變形、熱疲勞損傷等一系列技術(shù)難題，同時也解決了傳統(tǒng)電焊、噴涂等冷加工過程中敷層與基體結(jié)合強度差的矛盾，因此在工業(yè)中應用中越來越受到重視和推廣，目前，在重要的進口設備部件修復和大型部件修復中也得以應用，特別是汽車制造行業(yè)的部件再制造中應用較多，節(jié)材顯著，工藝先進。

二、激光熔敷技術(shù)的突出優(yōu)勢

1.熱影響區(qū)小

熱影響區(qū)的相變和加熱溫度、冷卻速度有關(guān)，也和相變溫度持續(xù)的時間有關(guān)。有時候某區(qū)域雖然加熱溫度達到了相變溫度，由于相變的滯后，還沒有來得及相變，焊接熱源又遠離該區(qū)域，溫度也隨之下降到相變點以下，該區(qū)域沒有發(fā)生相變或者力學性能上的變化。熱源的加熱功率密度越大，熱源所能達到的焊接溫度越高，融化母材所需的時間就越短，短時間內(nèi)融化母材和填充金屬，并且以較快的速度移動，焊接溫度場曲線就會被很大程度上壓扁，等溫線甚至會重合，這樣熱影響區(qū)寬度就越小。

圖1 激光熔敷熱影響區(qū)

激光熔敷的特點是激光熔敷層與基體形成冶金結(jié)合，結(jié)合強度與原設計強度基本相同，基體材料在激光加工過程中僅表面微熔，基體受熱影響區(qū)域極小，如圖可見，激光熔敷熱影響區(qū) 0.1～0.2 mm，熔化區(qū)為0.05～0.1 mm。激光加工過程中基體溫升≤80℃，激光加工后基體也不會出現(xiàn)熱變形。激光熔敷技術(shù)可控性好，易實現(xiàn)自動化控制。

氬弧焊和電弧焊熔敷層與基體也形成冶金結(jié)合，但其加熱功率密度較小，熔池較深，基體受熱影響區(qū)域大，如圖可見，熔敷熱影響區(qū)和熔化區(qū)明顯增大。激光與弧焊熱影響區(qū)對比，熔敷層與基體均無粗大的鑄造組織，熔敷層及其界面組織致密，晶粒細小，無孔洞、無夾渣和裂紋等缺陷。氬弧焊的熱影響區(qū)為2.3~4 mm，熔化區(qū)為2.5～3 mm。

圖2 氬弧焊熱影響區(qū)

2.裂紋傾向小

由于激光熔敷過程中，加熱迅速，噴嘴移動迅速，基體表面溫升不超過80℃，相變的滯后，還沒有來得及相變，焊接熱源又遠離該區(qū)域，溫度也隨之下降到相變點以下，該區(qū)域沒有發(fā)生相變或者力學性能上的變化。

圖3所示為手工電弧焊接的熔池、熔合線（熔敷結(jié)合面和基體的結(jié)合面）溫度分布，可以看出最高溫度達到1350℃，據(jù)熔合線4.1 mm的熔合面溫度達到600℃，金屬相變熱裂傾向最大的溫度區(qū)間為 t8/5和 t8/3，也就是隨著時間推移，當冷卻溫度從800℃開始，到500℃和300℃分為熱裂紋、冷裂紋產(chǎn)生和控制的關(guān)鍵時段，這也就是焊接中為什么焊前加熱和焊后保溫的緣故，主要目的是防止和減少裂紋的出現(xiàn)。小件修理或許能夠?qū)崿F(xiàn)預熱和保溫，而大件的修理和不能因為修理而退火變質(zhì)的保證，顯然手弧焊是無法保證的，也足以說明為什么電焊修復的軸類零件會出現(xiàn)頻繁斷裂的緣故，因為，理想化的均勻預熱、保溫、冷卻是很難實現(xiàn)的。

手弧焊的熱影響區(qū)3.5 mm左右，熔化區(qū)6.5 mm左右?？芍?，激光熔敷微熔層熱影響區(qū)一般僅為氣體保護焊氬弧焊的1/10，為電弧焊接的1/20。

圖3 手弧焊熱影響區(qū)

表1 手弧焊熱影響區(qū)熔合線溫度分布

三、激光熔敷技術(shù)修復球磨機齒輪

礦業(yè)公司有8臺2.7 m×3.6 m和4臺3.2 m×5.4 m的球磨機，傳動齒輪軸為軸齒一體設計和加工，齒輪軸配件的價格分別為5.4～7.8萬元、9.8～11.8萬元，使用周期3.5年，修復費用占原件的65%～80%（視磨損情況），使用壽命基本相同。2009年12月與西北可持續(xù)發(fā)展研究中心合作，對第一選礦車間的2.7 m×3.6 m球磨機傳動齒輪進行激光熔敷修復，初次實踐就收到很好效果，修復件使用壽命達3年。

圖4 手弧焊熱影響區(qū)晶粒分布

1.修復前狀況

球磨機齒輪傳動軸為軸齒一體設計，主要是受安裝空間的限制。目前，大型球磨機的傳動軸齒均為一體設計，軸齒加工需要大型專用機床，特別是齒輪部位的加工，需要專門特制的加工刀具和機床，傳統(tǒng)的齒輪加工設備無法完成。由于在激光熔敷技術(shù)應用之前，好多修復采用電弧熱焊、涂鍍等方法，只能修復軸面缺損，齒輪齒面修復無法完成，即使如此，修復的軸類經(jīng)常在短時間內(nèi)出現(xiàn)焊接熔合面附近的齊茬斷裂。公司球磨機1146 kg的一根齒軸，齒面磨損不到30 kg，剩余部分全部完好，若整件報廢只能按照廢鋼處理，價值不足3000元。

2.修復工藝

由于齒輪軸齒一般都進行翻邊使用，所以，齒面磨損非常嚴重，齒頂已不存在，齒頂寬已磨成為刀刃狀，齒根出現(xiàn)連續(xù)2 mm遞進的5個臺階，剩余齒面相對原厚度不足50%，單邊熔敷厚度超過6 mm。修后件回廠安裝后，一直運轉(zhuǎn)了3年。

3.定型的修復方案

因為激光熔敷技術(shù)會根據(jù)材料的差別對基體結(jié)合層、合金層、表面層、熔敷溫度控制、表面硬度等制定嚴格的工藝控制和檢測，特別是和基體的結(jié)合層配比，會影響到整個修復的成敗，若熔合不好就會掉塊，產(chǎn)生大量毛細裂紋，還有表面層的配比也很重要，既要考慮到耐磨性，還要考慮嚙合副的硬度匹配。經(jīng)過實踐，建議修復工藝如下。

（1）齒面磨損要控制到適當?shù)姆秶话闱闆r下單邊磨損＜5 mm。

（2）齒面在使用過程中嚴禁任何電弧焊接、氧氣烘烤等＞300℃的熱影響。

（3）首次激光熔敷修復后，要嚴格控制磨損量，盡可能不磨到結(jié)合層（結(jié)合層配方要求高，成本最高），可大大降低維修費用。

（4）激光熔敷要對修復件建立個件維修檔案，用戶要詳細記錄，以便循環(huán)維修時調(diào)整表面層合金粉末的配方，使嚙合副耐磨性最佳，達到循序漸進的目的。

（5）激光熔敷修復可循環(huán)進行多次，供需方有機結(jié)合可大大降低維修綜合成本，用戶可降低費用支出。

（6）激光熔敷修復的成本會隨著良性循環(huán)而逐漸趨于穩(wěn)定，總費用遠遠低于部件大修（行業(yè)維修比例為60%以上）的比例。

四、激光熔敷工藝與節(jié)能減排

再制造工程是實現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵手段之一，是循環(huán)經(jīng)濟4R原則的重要組成，其關(guān)鍵技術(shù)是表面工程技術(shù)。為充分適應表面工程的發(fā)展方向和再制造工程的實踐需要，研究開發(fā)了以激光熔敷技術(shù)為代表的、可適應產(chǎn)業(yè)化再制造加工需求的多種自動化表面工程技術(shù)。

資源的二次利用或者說“再制造”作為再生資源利用的一種高級形式，是實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟“減量化、再利用、資源化”3原則的重要途徑，是廢舊產(chǎn)品高技術(shù)修復、改造的產(chǎn)業(yè)化過程，既是一種節(jié)約資源的先進制造，又是一種保護環(huán)境的綠色制造。再生資源利用同時也是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、推動節(jié)能減排的重要途徑之一。激光修復為冶金結(jié)合，結(jié)合強度可與基體媲美，修復后材料的硬度可根據(jù)工件進行調(diào)整，不退火、不變形、無應力變化，因此在各行業(yè)設備中維修中得到了廣泛的應用。