激光熔覆技術(shù)在凸輪軸修復(fù)中的應(yīng)用

張亞萍

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

關(guān)鍵詞：凸輪軸;失效分析;激光熔覆;修復(fù);應(yīng)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(fā)動機配氣機構(gòu)中的關(guān)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(yīng)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(shù)值時，就需要對凸輪軸進行尺寸恢復(fù)，否則，將影響配氣機構(gòu)的配氣定時，影響發(fā)動機的動力性和運動特性，嚴重情況下發(fā)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(nèi)的，它處于發(fā)動機潤滑系統(tǒng)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(chǎn)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(nèi)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(huán)的交變載荷作用，使得凸輪的型線產(chǎn)生磨損。

2?激光熔覆表面工程技術(shù)

激光熔覆技術(shù)是利用激光束聚集能量高的特點，能在瞬間將待修復(fù)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(yù)置粉末完全熔化，獲得與基體冶金結(jié)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(shù)優(yōu)點是熔覆層組織細密、性能優(yōu)異、熱應(yīng)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(shè)計以及對激光工藝參數(shù)的調(diào)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(diào)整工藝參數(shù)，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(xiàn)自動化。

3?凸輪軸磨損表面修復(fù)技術(shù)選擇

激光熔覆技術(shù)是根據(jù)修復(fù)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(shè)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(fù)技術(shù)中，不可避免產(chǎn)生的熱變形、熱疲勞損傷等一系列技術(shù)難題，同時也解決了傳統(tǒng)電鍍、熱噴涂等工藝中鍍層或噴涂層與基體結(jié)合強度差的缺點。

對凸輪軸磨損表面的修復(fù)，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(yīng)有較高硬度和良好的耐磨性。所以，只有選擇激光熔覆技術(shù)，通過合理的熔覆層成分設(shè)計以及選擇合理的工藝參數(shù)進行修復(fù)，才能滿足凸輪軸的設(shè)計要求和使用要求。修復(fù)后的凸輪軸，使用壽命比其它表面技術(shù)修復(fù)的凸輪軸能提高30%左右。

4?激光熔覆技術(shù)修復(fù)工藝過程

4.1?熔覆前待修復(fù)表面預(yù)處理

（1）將待修復(fù)表面清洗除油后進行技術(shù)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(fù)部位和磨損量，制定激光熔覆技術(shù)方案。

（2）軸頸待修復(fù)表面的疲勞層進行機械加工處理，凸輪待修復(fù)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(nèi)，選取100～120 ℃進行烘烤，保溫2 h后使用。

4.2?激光熔覆設(shè)備選擇

采用C02激光器，型號：HANGS-TEL-H6000的激光熔覆設(shè)備。

4.3?激光熔覆層合金粉末成分設(shè)計

根據(jù)凸輪軸失效形式及實際工況，應(yīng)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(shù)的選?。?/p>

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(shù)控熔覆程序

根據(jù)所選設(shè)備、熔覆工藝參數(shù)、合金粉末成分進行數(shù)控程序編制。

4.6?激光熔覆

根據(jù)所選設(shè)備操作規(guī)程以及編制的數(shù)控程序啟動設(shè)備，對修復(fù)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(shè)備上進行機械磨削加工，經(jīng)質(zhì)量驗收合格后包裝入庫。

激光熔覆技術(shù)是—種涉及多門學科的跨學科高新技術(shù)，由于它具有非常顯著的優(yōu)點，近年來，在材料表面改性或機械零部件磨損修復(fù)方面得到大量應(yīng)用。通過凸輪軸的修復(fù)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(shù)進行修復(fù)，修復(fù)后零部件的使用性能和壽命都有明顯的提高，而且實現(xiàn)了經(jīng)濟效益最大化。所以，作為表面工程技術(shù)之一的激光熔覆技術(shù)，適用于各類金屬零部件的表面改性和磨損修復(fù)。