機(jī)床導(dǎo)軌表面激光熔覆修復(fù)技術(shù)探討

董兵天

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

激光熔覆是一種新型的表面改性技術(shù)，在對(duì)材料或者產(chǎn)品的表面修復(fù)方面發(fā)揮了重要的作用。激光熔覆技術(shù)通過(guò)在材料的表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束輻照，將添加材料與基體表面薄層同時(shí)熔化并結(jié)合的修復(fù)技術(shù)。通過(guò)激光熔覆修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，可顯著提升基層表面的化學(xué)性能，從而達(dá)到修復(fù)的目的。機(jī)床導(dǎo)軌在機(jī)床摩擦作用下，表面會(huì)受到不同程度的磨損，直接影響到機(jī)床加工的精度。如果更換導(dǎo)軌會(huì)產(chǎn)生較高的成本，而采用其他表面修復(fù)技術(shù)，在性能要求和經(jīng)濟(jì)性方面都存在不足。所以利用激光熔覆技術(shù)對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌表面進(jìn)行修復(fù)，既能夠滿足材料表面特定的性能要求，又能夠節(jié)約貴重元素的應(yīng)用。

1 機(jī)床導(dǎo)軌表面修復(fù)再制造技術(shù)

再制造技術(shù)是在我國(guó)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的背景下提出的理念，其本質(zhì)是采用先進(jìn)的工藝技術(shù)對(duì)舊的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行新的制造，讓舊設(shè)備煥發(fā)新的生命力，重新制造的舊機(jī)器設(shè)備在性能和質(zhì)量上都不比原來(lái)的新品差。再制造技術(shù)既能夠節(jié)省更換設(shè)備的成本，同時(shí)又能夠提高設(shè)備的使用壽命，在機(jī)械制造中得到了廣泛的應(yīng)用。其中的表面修復(fù)技術(shù)就是再制造技術(shù)中的重要組成部分。對(duì)于機(jī)械設(shè)備在使用過(guò)程中因?yàn)檠趸⒏g、磨損、變形等因素而降低性能的現(xiàn)象，通過(guò)表面修復(fù)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行再制造，可減少原材料和新備件的消耗，并且修復(fù)后的設(shè)備在性能上會(huì)得到進(jìn)一步的優(yōu)化。通常情況下，可以使用表面修復(fù)再制造技術(shù)的零部件需要滿足一定的要求才可以使用，進(jìn)行表面修復(fù)的零部件成本要大大低于換新的成本，否則就失去了修復(fù)的意義，同時(shí)修復(fù)后的零部件在性能和使用壽命上可以滿足實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)的所需，所采用的表面修復(fù)技術(shù)應(yīng)該滿足綠色環(huán)保的要求，修復(fù)過(guò)程中不能造成污染。對(duì)于機(jī)床導(dǎo)軌而言，還需要對(duì)導(dǎo)軌的磨損失效程度進(jìn)行評(píng)估，機(jī)床是否可以正常運(yùn)行，導(dǎo)軌磨損程度對(duì)機(jī)床加工精度的影響程度，對(duì)導(dǎo)軌表面修復(fù)技術(shù)的目標(biāo)以及工藝方案的選擇等。在選定修復(fù)工藝技術(shù)時(shí)應(yīng)該從性能和經(jīng)濟(jì)性?xún)蓚€(gè)方面進(jìn)行考慮，從而選擇最佳修復(fù)方案。

2 機(jī)床導(dǎo)軌表面激光熔覆修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及工藝

2.1 機(jī)床導(dǎo)軌表面激光熔覆修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

機(jī)床導(dǎo)軌作為機(jī)床中的基準(zhǔn)部件，不僅為機(jī)床的運(yùn)動(dòng)提供了光滑的表面和導(dǎo)向，同時(shí)還可緩解機(jī)床進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)加工零件造成的沖擊，為機(jī)床的高效運(yùn)行提供了重要的基礎(chǔ)。在加床加工工件的過(guò)程中，由于切削負(fù)荷的往復(fù)疊加會(huì)加重對(duì)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)段表面的磨損和劃傷，進(jìn)而對(duì)機(jī)床加工精度產(chǎn)生影響，加工誤差也會(huì)越來(lái)越大。在導(dǎo)軌表面磨損超過(guò)一定程度時(shí)，機(jī)床將無(wú)法正常運(yùn)行。傳統(tǒng)的機(jī)床導(dǎo)軌表面修復(fù)技術(shù)主要有噴焊、電弧焊和電刷鍍等技術(shù)，但是這些技術(shù)都會(huì)存在不同的缺陷，而近些年來(lái)激光熔覆修復(fù)技術(shù)在導(dǎo)軌表面修復(fù)上應(yīng)用較廣，作為一種先進(jìn)的表面修復(fù)技術(shù)，其技術(shù)特點(diǎn)有如下幾方面。

（1）冷卻速度快。由于激光熔覆修復(fù)技術(shù)具有較快的冷卻速度，所以凝固后的熔覆層組織更加致密、細(xì)小和均勻，修復(fù)后的表面光滑度較高。并且熔覆層的硬度較高，在耐磨性、耐腐蝕性方面的性能也更強(qiáng)，使得基體表面的性能得到了大大的提升。

（2）效率高。由于激光加工束的功率較大，所以溫度升高較快，在材料的選擇方面范圍更廣，尤其是對(duì)于熔點(diǎn)較低的金屬工件熔覆高熔點(diǎn)合金更加適合。而高溫激光束在接觸工件后快速移開(kāi)，對(duì)基體的熱影響較小，不會(huì)產(chǎn)生變形等現(xiàn)象，對(duì)于大型設(shè)備可進(jìn)行局部小范圍的表面修復(fù)處理。激光熔覆技術(shù)可精準(zhǔn)控制熔覆層的成分、厚度和寬度，所以對(duì)于熔覆層的性能控制較強(qiáng)，還可大大節(jié)省材料。

（3）技術(shù)先進(jìn)。激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用非常符合現(xiàn)代倡導(dǎo)的環(huán)保要求，不會(huì)對(duì)大氣造成污染。在工藝技術(shù)方面比較靈活，可以與數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，非常便捷。同時(shí)，激光熔覆對(duì)粉末的限制較小，所以能夠滿足待修復(fù)工件的修復(fù)要求。

（4）光纖激光器的特點(diǎn)。如果采用光纖激光器來(lái)獲取激光光源，修復(fù)效果還會(huì)大大提升。相比于CO2、YAG激光器而言，光纖激光熔覆的聚焦光斑直徑更小，對(duì)有色金屬的惰性氣體保護(hù)更強(qiáng)，對(duì)工作環(huán)境的要求不高，散熱更快，穩(wěn)定性更強(qiáng)，可減少維護(hù)和調(diào)節(jié)等工作。

2.2 機(jī)床導(dǎo)軌表面激光熔覆修復(fù)技術(shù)工藝

（1）預(yù)置式激光熔覆和同步式激光熔覆。根據(jù)合金材料的供應(yīng)方式不同，激光熔覆修復(fù)技術(shù)可分為預(yù)置式和同步式兩種。預(yù)置式激光熔覆是將待熔覆的合金材料預(yù)先覆置在工件表面，然后使用激光輻照合金覆蓋層，使得合金覆蓋層與基體的一部分熔化，移開(kāi)激光束后，熔融的金屬快速冷卻在基材表面凝固形成合金熔覆層。預(yù)置式激光熔覆的材料一般為粉末、絲和板材，工藝流程為先對(duì)需要修復(fù)的工件進(jìn)行預(yù)處理，再將待熔覆的材料置于工件表面，在對(duì)工件預(yù)熱后即可開(kāi)始熔覆，在熔覆后要對(duì)熔覆層表面進(jìn)行一定的處理，以提高表面的效果。預(yù)置式激光熔覆還存在一定的缺點(diǎn)，如果預(yù)制的涂層厚度不均，將會(huì)影響到熔化效果或者對(duì)基材產(chǎn)生一定的影響。同步式激光熔覆是使用專(zhuān)門(mén)的送料系統(tǒng)在熔覆的過(guò)程將合金材料直接送入激光加工區(qū)，將合金熔覆材料和基體局部同時(shí)熔化，在冷卻后形成熔覆層。不同的供料對(duì)激光熔覆的能量、質(zhì)量和動(dòng)量傳輸都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響到熔覆層的性能，所以要掌控好送料方式。

（2）機(jī)床導(dǎo)軌表面激光熔覆修復(fù)技術(shù)粉末和激光器的選擇。激光熔覆粉末會(huì)對(duì)熔覆層的性能產(chǎn)生一定的影響，比較常用的粉末有自熔性合金粉末和自熔性碳化物復(fù)合粉末及氧化物陶瓷粉末。自熔性粉末脫氧和自熔作用較強(qiáng)，所以熔覆層的氣孔率較小，氧化物含量低，對(duì)于碳鋼、鑄鋼和不銹鋼等基材具有較好的適應(yīng)性，熔覆層性能較好。碳化物復(fù)合粉末的涂覆層具有較強(qiáng)的硬質(zhì)合金，但是在使用中應(yīng)該控制好碳化鎢粉的含量，避免熔覆層出現(xiàn)裂紋。氧化物陶瓷粉末主要有氧化鋁和氧化鋯兩個(gè)系列。根據(jù)機(jī)床導(dǎo)軌表面材料的性質(zhì)，選擇鎳基自熔性粉末，可提高組織的致密性，同時(shí)可避免裂紋、氣孔等缺陷，具有較好的硬度和耐磨耐腐蝕性。激光熔覆技術(shù)的激光器主要有CO2氣體激光器、Nd：TAG固體激光器和光纖激光器，在使用時(shí)可根據(jù)待修復(fù)工件表面的性能以及所要達(dá)到的效果進(jìn)行選擇。由于光纖激光器的效果較好，下面針對(duì)光纖激光熔覆步驟進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

（3）機(jī)床導(dǎo)軌光纖激光熔覆步驟。首先，要進(jìn)行修復(fù)前的準(zhǔn)備工作。對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌的工況進(jìn)行分析，查明工件失效的原因，明確工件的熱處理狀態(tài)和材質(zhì)，確定熔覆的位置、形狀、尺寸、工藝以及性能要求，在此基礎(chǔ)上制定出光纖激光熔覆修復(fù)方案。正式修復(fù)前還應(yīng)該對(duì)導(dǎo)軌表面進(jìn)行預(yù)處理，清洗導(dǎo)軌表面的油污和銹蝕，然后對(duì)磨損處進(jìn)行打底處理，為提高熔覆效果打好基礎(chǔ)。其次，實(shí)施工藝。將光纖激光器與機(jī)器人、送粉設(shè)備和冷水機(jī)組進(jìn)行組裝，打開(kāi)總電源和各設(shè)備的控制開(kāi)關(guān)。為冷卻機(jī)組注水，控制好水量和水溫，保證激光器的高效穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)設(shè)備進(jìn)行抽氣和充氣操作，抽氣形成真空環(huán)境，充進(jìn)氬氣或者氮?dú)?，為送粉設(shè)備提供壓力并保護(hù)光路。然后編制機(jī)床導(dǎo)軌表面修復(fù)AS程序，設(shè)定合適的激光功率、光斑尺寸、掃描速度、送粉氣流和粉量的大小等各項(xiàng)參數(shù)，檢查光路傳輸系統(tǒng)、送粉裝置、聚焦位置，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)、激光送粉器和激光發(fā)生器，程序啟動(dòng)后即開(kāi)始激光熔覆修復(fù)工作。同步送粉有利于對(duì)精度的控制，并可減少對(duì)合金成分的稀釋。在光纖激光熔覆修復(fù)的過(guò)程中，對(duì)激光熔覆層的搭接率、厚度、平整度，導(dǎo)軌的溫度、激光反射光位置等進(jìn)行細(xì)致觀察，對(duì)其節(jié)奏進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。在激光熔覆結(jié)束后，對(duì)熔覆層的外觀質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量、硬度、位置精度進(jìn)行檢查，在滿足各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)熔覆層進(jìn)行磨削或者手工打磨，以保證表面最終尺寸精度和光潔度符合要求。

3 結(jié)語(yǔ)

激光熔覆技術(shù)在機(jī)床導(dǎo)軌表面修復(fù)中的應(yīng)用，大大的提高了修復(fù)后工件的性能和強(qiáng)度，降低了維修的成本，是循環(huán)經(jīng)濟(jì)背景下實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械設(shè)備再制造的重要手段。激光熔覆修復(fù)技術(shù)本身具有較多的優(yōu)勢(shì)，而在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代背景下，其與計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人以及數(shù)控技術(shù)的結(jié)合使用，進(jìn)一步提升了修復(fù)技術(shù)的水平。隨著科學(xué)技術(shù)的更新，激光熔覆修復(fù)技術(shù)也會(huì)不斷的改善和提升。

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