關(guān)于鉤緩裝置激光修復(fù)的工藝參數(shù)的研究

王冬春，杜錦濤，劉輝，欒程群，謝想，隋江雷，劉昊，王聰

（中車青島四方車輛研究所有限公司鉤緩事業(yè)部，山東 青島 266031）

鉤緩裝置是連接列車和傳遞牽引力及沖擊力的主要部件，其在服役過程中可能會(huì)產(chǎn)生表面磨損、腐蝕等缺陷，從而影響使用，導(dǎo)致部件報(bào)廢。對(duì)鉤緩裝置進(jìn)行表面修復(fù)可以延長部件的使用壽命，提高產(chǎn)品利用率，降低生產(chǎn)成本。

激光熔覆是材料表面修復(fù)的有效手段之一，其過程為利用高能激光束作為熱源，將合金粉末熔化，在基體表面形成與基體呈冶金結(jié)合的涂層。與其他表面修復(fù)技術(shù)相比，激光熔覆具有熱影響區(qū)小、工件變形小、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、修復(fù)尺寸精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。

本文采用8620 級(jí)鋼粉為粉末材料，在40Cr 表面進(jìn)行激光熔覆，以熔覆層截面形貌質(zhì)量作為指標(biāo)，優(yōu)化工藝參數(shù)，并探究激光功率、掃描速度、送粉率對(duì)顯微硬度的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

基體材料為40Cr 鋼板，試驗(yàn)前用砂紙進(jìn)行打磨除銹，并用丙酮對(duì)基體進(jìn)行清洗，以去除表面油污，基體化學(xué)成分如表1 所示。

表1 40Cr 化學(xué)成分（%）

粉末材料為粒徑53 ～150μm 的8620 級(jí)鋼粉，其化學(xué)成分如表2 所示，試驗(yàn)前對(duì)粉末進(jìn)行烘干處理。

表2 8620 級(jí)鋼粉化學(xué)成分（%）

1.2 試驗(yàn)方法

采用Laserline LDF4000-100 型激光系統(tǒng)制備熔覆試樣，保護(hù)氣體為氬氣。單道熔覆時(shí)，將激光功率調(diào)至1.5 ～3.0kW 連續(xù)可變狀態(tài)，制備80mm 長的熔覆層，激光熔覆后對(duì)試樣進(jìn)行切割并對(duì)截面進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)截面所處熔覆層的位置，計(jì)算出相應(yīng)位置的激光功率，具體工藝參數(shù)如表3 所示。多道熔覆時(shí)，將激光功率調(diào)至2.5kW 恒定狀態(tài)，工藝參數(shù)詳見表4。采用光學(xué)顯微鏡對(duì)熔覆層的截面形貌及尺寸進(jìn)行分析，并對(duì)試樣進(jìn)行顯微硬度測定。

表3 單道熔覆工藝參數(shù)

表4 多道熔覆工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 單道熔覆

圖1 為單道熔覆層的宏觀形貌，由圖可知，熔覆層表面較為光滑，粉末熔解性良好，隨著激光功率的逐漸增加，熔覆層焊道的寬度也明顯增加。這是由于激光功率增加，激光的能量密度也隨之增加，落入熔池內(nèi)的粉末熔化速率增加，凝固時(shí)間延長，液態(tài)金屬流動(dòng)性增加，因此，熔覆層焊道寬度增加。

圖1 單道熔覆層宏觀形貌 A)1.75kW B)2.1kW C)2.48kwD)2.85kW

圖2 為試樣1 ～4 在不同激光功率下的截面形貌。A 與B 處由于激光功率較低，沒有足夠的熱輸入，因此，幾乎沒有熔深或熔深較小。由于熔深較小，熔覆層與基體結(jié)合強(qiáng)度可能不夠高，因此，這種焊接結(jié)構(gòu)是不可取的。C 處試樣1與試樣3 熔透性良好，熔深適宜，而試樣2 與試樣4 熔深較小，這是由于送粉率增加導(dǎo)致的。試樣2 與試樣4 制備過程中送粉率增加至12%，相同其他工藝條件下進(jìn)入激光光束內(nèi)的粉末量增加，大部分的激光能量被用來熔化粉末而導(dǎo)致基體的熱輸入不足，從而熔深減小。

試樣3 在C 處與D 處的截面形貌相似，成型效果良好，其熔覆層幾乎沒有差別。激光功率增加會(huì)產(chǎn)生更高的能量，但沒有產(chǎn)生任何的幾何收益和力學(xué)性能的正面影響，而使用較低激光功率進(jìn)行修復(fù)生產(chǎn)可節(jié)約成本，因此，激光功率2.5kW 是一個(gè)合適的選擇。

經(jīng)上述分析，得出40Cr 表面制備8620 級(jí)鋼粉單道熔覆層較為合適的工藝參數(shù)，具體參數(shù)如表5 所示。

圖2 試樣1-4 在不同激光功率下的截面形貌A)1.75kW B)2.1kW C)2.48kW D)2.85kW

表5 8620 級(jí)鋼粉單道熔覆層工藝參數(shù)

2.2 多道熔覆

由于單道熔覆的工藝參數(shù)不足以證明在多道激光熔覆中具有具有良好的熔合效果，因此多道熔覆的工藝參數(shù)還需繼續(xù)進(jìn)行探究。相較單道熔覆不同，多道熔覆增加搭接率與離焦量兩個(gè)工藝參數(shù)變量。搭接率的改變以確保焊道之間不存在未熔合的現(xiàn)象，離焦量的改變則是為了在保證熱輸入的前提下，用較少的焊道覆蓋更大的區(qū)域。

圖3 多道熔覆試樣截面形貌

多道熔覆試樣的截面形貌如圖3 所示。試樣5（離焦）與試樣6（聚焦）分別為在不同離焦量下制備的多道熔覆層。試5 的熔覆層的平均厚度為1.19mm，但熔深不均勻，且在焊道之間存在未熔合現(xiàn)象。離焦光束并沒有足夠的能量來作用與試樣焊道結(jié)合處。試樣6 具有更大的熔深，但與試樣5 相似，在焊道結(jié)合處熔合不均勻。

為解決前兩種情況下試樣焊道之間熔合不均勻的現(xiàn)象，將熔覆焊道的偏移量進(jìn)行了調(diào)整，增加焊道的搭接率。試樣7 前四個(gè)焊道有較好的熔深，但在第四道后焊道熔深較小。這是由于激光能量是一定的，過量的堆砌阻礙了激光對(duì)基體表面的熱輸入，因此，后續(xù)熔覆層熔深較小。與試樣7 相比，試樣8 降低了掃描速度，因此，熔深增加，但熔覆層堆砌太厚，最大可達(dá)1.96mm，因此，在+30mm 離焦條件下并未找到合適的工藝參數(shù)。因此，試樣9 與試樣10 是在聚焦條件下制備的，試樣9 與試樣6 相比僅搭接率不同，各焊道之間熔合效果良好，但熔覆層厚度依然過高，因此，為防止熔覆層過厚，將試樣10 的送粉率降至6%。結(jié)果表明，試樣10 的所有焊道熔深及熔合情況良好，熔覆層厚度為1.35mm。

綜上所述，得出40Cr 表面制備8620 級(jí)鋼粉多道熔覆層較為合適的工藝參數(shù)，具體參數(shù)如表6 所示。

表6 8620 級(jí)鋼粉多道熔覆層工藝參數(shù)

2.3 工藝參數(shù)對(duì)顯微硬度的影響

2.3.1 激光功率對(duì)顯微硬度的影響

對(duì)試樣1A 截面和C 截面沿熔覆層深度方向進(jìn)行顯微硬度檢測，顯微硬度變化趨勢如圖4 所示。由圖可知，兩截面顯微硬度的變化趨勢相似，但C 截面的顯微硬度在各個(gè)位置明顯大于A 截面。這是由于C 截面處激光功率較高，能量密度大，熔覆層過熱燒損，從而導(dǎo)致稀釋率升高，因此，熔覆層總體的顯微硬度降低。

圖4 熔覆層深度方向顯微硬度變化趨勢

2.3.2 掃描速度對(duì)顯微硬度的影響

C 截面的試樣1 與試樣3 僅存在掃描速度的不同，對(duì)其沿熔覆層深度方向進(jìn)行顯微硬度檢測，顯微硬度變化趨勢如圖5 所示。試樣3 在熱影響區(qū)與熔覆層的顯微硬度明顯大于試樣1，由于試樣3 掃描速度較快，熔覆層單位面積受到的激光照射時(shí)間短，熔池冷卻速度增大，過冷度更加，從而導(dǎo)致晶粒細(xì)化，熔覆層顯微硬度增加。試樣1 掃描速度較慢，熔池冷卻速度較慢，晶粒有充分的時(shí)間長大，從而顯微硬度降低。

2.3.3 送粉率對(duì)顯微硬度的影響

對(duì)試樣1 與試樣4 的C 截面的顯微硬度變化趨勢如圖6所示。試樣4 的送粉率較高，因此，其顯微硬度也高于試樣1。這是由于隨著送粉率的增加，單位時(shí)間內(nèi)粉末進(jìn)入熔池的量也增加，較多的能量用來熔化粉末，從而基體熔化量較小，熔覆層稀釋率低，從而硬度升高。

圖5 熔覆層深度方向顯微硬度變化趨勢

圖6 熔覆層深度方向顯微硬度變化趨勢

3 結(jié)語

以熔覆層截面形貌質(zhì)量作為指標(biāo)，當(dāng)采用激光功率2500W、掃描速度650mm/min、送粉率8%作為工藝參數(shù)進(jìn)行單道熔覆時(shí)，可以獲得結(jié)合強(qiáng)度較高、表面成型良好的熔覆層；當(dāng)采用激光功率2500W、掃描速度650mm/min、送粉率8%、搭接率60%作為工藝參數(shù)進(jìn)行多道熔覆時(shí)，可以獲得焊道熔深合適、熔合良好的熔覆層。

熔覆層的顯微硬度受到激光功率、掃描速度和送粉率等工藝參數(shù)的影響，在一定參數(shù)范圍內(nèi)，激光功率增加可以導(dǎo)致熔覆層顯微硬度有所下降，而掃描速度和送粉率增加則可以增加熔覆層顯微硬度。