礦用鏈輪激光增材再制造修復

郭辰光，何順之，岳海濤，翟建華

（1.遼寧工程技術大學，遼寧 阜新 123000；2.遼寧省大型工礦裝備重點實驗室，遼寧 阜新 123000）

作為綜采裝備關鍵零部件之一，礦用圓環(huán)鏈輪在工作面物料運輸及設備傳動過程中起到至關重要的作用。井下綜采工作面工況復雜，鏈輪在工作過程中承受脈動、沖擊等載荷作用，極易發(fā)生鏈窩磨損失效[1-2]。磨損的鏈輪會出現(xiàn)節(jié)距增大、與鏈條非正常嚙合等情況，進而導致綜采裝備運行比能耗升高，振動加劇，動力傳遞效率降低，整機動態(tài)可靠性與服役壽命顯著下降。隨著煤炭生產(chǎn)企業(yè)對綜采裝備高效、安全生產(chǎn)的迫切需求，對提升重載鏈輪服役壽命與動態(tài)可靠性等綜合力學性能的要求越來越迫切，關于損傷失效重載鏈輪再制造修復技術及其工藝的研究成了煤炭裝備制造與服務企業(yè)關注的焦點。

激光增材再制造技術是一種以激光熔覆技術[3-5]及激光快速成形技術[6]為依托，進行損傷毛坯件空間三維增材修復再制造的特種加工技術。目前，煤機制造與服務企業(yè)往往通過堆焊技術[2]進行鏈輪的維修，修復層在井下沖擊、交變載荷作用下的耐磨性與抗沖擊性不高，極易發(fā)生磨損、脆斷、脫落等失效情況，且鏈窩磨損域待修復型面結(jié)構(gòu)復雜，堆焊修復操作軌跡精度不高，加工過程柔性較差，難以有效保證損傷鏈輪的再制造修復質(zhì)量。激光增材再制造技術具有能量密度高、熱影響區(qū)域小[7]、溫度分布均勻、修復后熔覆層內(nèi)缺陷少等一系列優(yōu)點，在航空航天、軍工、醫(yī)療、汽車等領域得到廣泛應用。舒林森等[8]對重載齒輪軸磨損軸面激光再制造過程的溫度場動態(tài)演化行為及其規(guī)律進行了研究，利用有限元參數(shù)化設計語言，建立了熔覆層逐漸沉積的瞬態(tài)熱分析模型，還提出了離心壓縮機再制造葉輪結(jié)構(gòu)特征重構(gòu)方法，為獲取標準損傷葉輪三維重構(gòu)模型提供了有效方法[9]。王浩等[10]根據(jù)離心壓縮機葉輪失效特點，對失效葉輪模型進行了激光熔覆修復。李陽春等[11]采用堆焊技術方法開展了鏈輪修復研究，指出堆焊修復域熱影響區(qū)較大，對鏈輪的基體組織影響顯著，焊接熱分布不均勻性導致堆焊層內(nèi)部裂紋較多，堆焊修復層內(nèi)應力分布復雜，成形精度差，自動化程度低等一系列問題。A. Ray 等[12]利用激光熔覆技術將鎳基粉末制備在連鑄機側(cè)輥筒損傷區(qū)域，顯著提高了連鑄機側(cè)輥筒的耐磨性和耐腐蝕性。J. Tuominen 等[13]通過在磨損液壓活塞桿上制備激光修復層，用以提升活塞桿表面硬度、耐磨性、耐腐蝕性、疲勞強度。經(jīng)堆焊技術修復的鏈輪，由于熱影響區(qū)大，存在著較多缺陷，而利用激光再制造技術對損傷區(qū)域進行修復，能有效提升修復層的力學性能。此外，失效葉輪模型重構(gòu)方法的有效性可為研究鏈輪復雜磨損域的再制造修復提供建模思路。

為了解決經(jīng)傳統(tǒng)堆焊技術修復的磨損鏈輪精度低及易因性能不足而再失效的問題，本文以礦用重載圓環(huán)鏈輪為研究對象，采用激光增材再制造技術對鏈窩磨損域進行修復，采用統(tǒng)一采樣方法完成毛坯點云數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建磨損域截面樣條曲線，完成鏈窩磨損域三維幾何模型反求重構(gòu)建模，實現(xiàn)了鏈輪磨損域再制造激光加工軌跡代碼的自動生成。通過工藝性試驗優(yōu)選了鏈輪激光增材再制造加工工藝參數(shù)，并進行了實例驗證。結(jié)果表明，磨損鏈輪在經(jīng)激光增材再制造修復后，尺寸、表面硬度、抗拉強度等均滿足井下使用要求，修復層內(nèi)部缺陷較少，無裂紋及氣孔出現(xiàn)，能夠有效地提升鏈輪的服役壽命及可靠性等綜合性能，減少鏈輪在承受沖擊載荷時再失效的風險，降低維修成本。

1 鏈輪激光增材再制造流程

鏈輪的激光增材再制造修復由5 部分組成，如圖1 所示。首先，對鏈輪再制造的可行性進行評估，若可進行，再制造修復，進行下一步，否則作淘汰報廢處理。然后，對鏈輪進行清洗、噴砂和打磨，消除表面附著的煤泥、腐蝕層及亞表面應力梯度層，并在鏈輪磨損區(qū)域噴涂三維掃描顯影劑，利用高精度掃描儀進行鏈輪毛坯三維點云數(shù)據(jù)反求，對點云數(shù)據(jù)進行濾波處理。其次，對磨損鏈輪毛坯進行三維模型重構(gòu)，將鏈輪磨損域幾何模型與初始鏈輪幾何模型進行對比，通過布爾運算得到磨損區(qū)域的三維幾何模型，并對此模型進行分層切片處理，完成鏈輪待修復區(qū)域加工軌跡路徑規(guī)劃。接著，對激光增材再制造修復所需NC 代碼進行整合生成，并根據(jù)控制需求，對控制代碼進行修正與校核。最后，數(shù)控系統(tǒng)讀取并載入鏈輪激光增材再制造NC 代碼，在既定的工藝參數(shù)下，開展圓環(huán)鏈輪激光增材再制造修復，對修復加工后的鏈輪進行成形銑削及質(zhì)量檢測，完成鏈輪的再制造修復。

圖1 鏈輪激光增材再制造流程Fig.1 Laser additive remanufacturing process of sprocket

2 鏈輪磨損域點云數(shù)據(jù)處理與反求重構(gòu)

2.1 鏈輪磨損域點云數(shù)據(jù)處理

采用HandySCAN-3D 三維掃描儀（測量精度為0.03 mm）掃描獲取再制造鏈輪毛坯點云數(shù)據(jù)，其掃描區(qū)域主要位于鏈窩磨損部位與鏈輪端面。掃描獲得的大量點云數(shù)據(jù)由逆向工程軟件Imageware 進行處理，過濾去除曲面偏離奇異點。為了能在保證精度的同時精簡平滑區(qū)域的點云數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)一采樣方法選取60%的數(shù)據(jù)點[14]，獲得的鏈輪毛坯點云數(shù)據(jù)如圖2所示。

2.2 磨損區(qū)域幾何模型重構(gòu)

在再制造鏈輪毛坯點云數(shù)據(jù)中選取控制點構(gòu)建樣條曲線，擬合鏈輪磨損域截面樣條曲線，截面樣條曲線集合可實現(xiàn)再制造鏈輪蒙皮曲面的構(gòu)建。為了使擬合曲線具有相同的控制點數(shù)和階次，同時定義在相同的節(jié)點矢量上，將控制點數(shù)確定為樣條曲線中控制點數(shù)最大值，并定義階次為3[9]。

圖2 再制造鏈輪毛坯點云圖Fig.2 Point cloud diagram of remanufactured sprocket blank

將在鏈輪上提取的n條截面曲線的給定點定義為Pij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)，作為擬合曲面的型值點。根據(jù)鏈輪曲面特征，設定重構(gòu)曲面的參數(shù)方向，令沿截面曲線的方向為u向，截面法向方向為v向。依據(jù)式（1）給出的NURSB 曲面方程，運算并繪制如圖3a、b 所示的控制曲線網(wǎng)格及蒙皮曲面。

式中：m為u向的控制點個數(shù)；n為v向的控制點個數(shù)；Vi,j為曲面的控制頂點；ωi,j為Vi,j的權(quán)因子，規(guī)定曲面頂點處取正權(quán)因子，即ω0,0、ωn,0、ω0,n、ωn,n>0，其余ωi,j≥0；Bi,3、Bj,3分別為沿u、v向的三次樣條基函數(shù)。

通過截面樣條曲線控制點微調(diào)鏈輪磨損域曲面形狀，使其與點云數(shù)據(jù)達到最佳擬合。利用特征平面對擬合曲面冗余部分進行剪切處理，去除擬合曲面邊緣不規(guī)則部分，得到最終的再制造鏈輪鏈窩處擬合曲面。經(jīng)重構(gòu)的磨損鏈窩幾何模型如圖3c、d所示。

圖3 基于截面曲線的NURBS 控制網(wǎng)格及鏈窩幾何模型重構(gòu)Fig.3 Reconstruction of NURBS control grid and chain socket geometric model based on section curve: a) control curve grid; b)skin surface; c) fitted surface; d) regular surface

如圖4 所示，選取鏈輪毛坯模型共14 個鏈窩擬合曲面坐標數(shù)據(jù)，并依次與初始掃描點云數(shù)據(jù)進行定位比較。分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)點最大偏差值為0.26 mm，最小偏差值為–0.05 mm，重構(gòu)的鏈窩磨損區(qū)域幾何模型與點云數(shù)據(jù)匹配性較好，滿足再制造加工鏈輪磨損區(qū)域幾何模型重構(gòu)的精度要求。

圖4 擬合曲面與點云數(shù)據(jù)偏差值Fig.4 Deviation between fitted surface and point cloud data

2.3 鏈輪磨損區(qū)域模型構(gòu)建與路徑規(guī)劃

將再制造鏈輪毛坯三維模型導入三維建模軟件中，與初始鏈輪模型進行布爾減運算，得到鏈輪磨損區(qū)域模型，對鏈輪磨損區(qū)域曲面模型進行分層切片處理。為便于加工熱量的釋放，提高冷卻速率，避免熱致殘余應力過大，采用“弓”形加工路徑，完成鏈輪磨損域激光增材再制造[15]。同時，為了保證修復層晶粒細密、組織均勻，避免氣孔、坍陷、裂紋等缺陷，激光修復層沿激光束法向方向需等間距劃分，且光斑在等寬度平行連續(xù)軌跡內(nèi)加工運動，從而利于控制代碼的處理，易于達到成形效果。對每個片層的激光路徑軌跡進行規(guī)劃，確立激光運行定位點，選取合適的搭接率。整合所有修復片層NC 加工代碼，對所得到的NC 加工代碼進行修正與校核，得到再制造鏈輪磨損區(qū)域的修復軌跡，如圖5 所示。

圖5 磨損區(qū)域構(gòu)建與路徑規(guī)劃Fig.5 Wear area construction and path planning

3 激光增材再制造工藝試驗

3.1 材料與設備

鏈輪激光增材再制造試驗所熔覆的合金粉末為FeCr 合金，粉體組成成分見表1，該粉末顆粒直徑為40～100 μm。重載鏈輪多采用強度、硬度較高的34CrNiMo6 合金制造。工藝性試驗所用的基材為經(jīng)過真空淬火的34CrNiMo6，試件結(jié)構(gòu)尺寸為40 mm×30 mm×20 mm。激光增材再制造試驗在四軸聯(lián)動數(shù)控平臺上進行，加工試件通過虎鉗安裝在移動工作臺上。激光器為德國Laserline 公司生產(chǎn)的光纖耦合半導體激光器，最大輸出功率為3 kW，光斑直徑為3 mm。采用IWS-COAX8 同軸送粉噴嘴以及PF2/2 送粉器實現(xiàn)激光同軸送粉，載粉與保護氣體為氬氣。試件加工完成后，采用日本基恩士公司的光學超景深三維顯微系統(tǒng)（VHX-5000 型）完成試件熔覆層幾何形貌的測量，采用德國卡爾蔡司公司的Axio Scope A1 金相顯微鏡觀測試件熔覆層截面金相組織，采用數(shù)顯硬度計完成試件熔覆層硬度測試。

表1 鐵鉻合金熔覆粉末化學成分Tab.1 The mass fraction of chemical composition of Iron-chromium alloy cladding powder

3.2 試件熔覆加工流程

使用砂紙打磨真空淬火的34CrNiMo6 基材，去除表面氧化層，再用丙酮試劑清洗，烘干備用。試件加工工藝參數(shù)：激光功率為 1200 W，掃描速度為887 mm/min，送粉速率為3.5 rad/min，搭接率為0.45，光斑直徑為3 mm，焦距為15 mm，切片間距為0.4 mm，切片疊層層數(shù)為20 層。為了驗證加工工藝的適用性與穩(wěn)定性，重復4 次加工工藝制備試件，且每次試驗過程中要求激光增材再制造系統(tǒng)整機試驗前6 h 內(nèi)不啟機，室內(nèi)保持恒溫24 ℃，系統(tǒng)送粉，出光前空載運行15 min 熱機。加工后，將試件置于光學超景深顯微鏡下完成表面形貌分析，經(jīng)切割、逐級研磨、拋光并經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后，制成金相試樣，進行組織分析與硬度測試[7]。

3.3 熔覆試件性能分析

3.3.1 表面形貌分析

疊層熔覆試件的二維及三維表面形貌如圖6 所示。宏觀可見，各試件熔覆層表面均出現(xiàn)較多熔渣，但整體表面形貌較好。對熔覆層與基體進行著色探傷檢測，發(fā)現(xiàn)熔覆層與基體結(jié)合情況良好，層間結(jié)合細密，表面無裂紋或結(jié)構(gòu)塌陷，縱向截面上方平整度保持良好。采用超景深顯微鏡觀測熔覆試件表面形貌，發(fā)現(xiàn)熔覆高度最高點為8220.49 μm，熔覆寬度為23 359.87 μm，預期熔覆高度為8000 μm，熔覆寬度為22 800 μm，實際測量尺寸與預計結(jié)構(gòu)尺寸高度偏差較小。

3.3.2 金相組織分析

圖7a 與圖7c 分別顯示了熔覆試件熔合區(qū)與擴散區(qū)的金相組織形貌?？梢钥闯?，熱影響區(qū)域材料和熔覆層材料之間相互擴散熔合，結(jié)合區(qū)組織均勻，兩者呈現(xiàn)出良好的冶金熔合效果。圖7b 為熔覆層區(qū)域的顯微組織金相圖，可觀察到熔覆組織主要由沿傳熱方向的柱狀枝晶[16]組成。在激光加工及隨后的快速凝固過程中，熔覆層通過基體散熱，造成沿垂直于界面的溫度梯度最大，基體與熔合區(qū)界面處的G/R[17]（G為溫度梯度，R為凝固速率）比較高，容易生成柱狀枝晶，并伴有析出物的存在，細化了組織，有利于組織性能的提高。隨著凝固過程的進行以及熱量的累積，溫度梯度逐漸減小，熔覆區(qū)域呈現(xiàn)出向外部散熱的趨勢，并逐漸增大，熔覆區(qū)外表面的冷卻速度加快，形成樹枝晶狀，并有向更細小組織轉(zhuǎn)變的趨勢。從熱影響區(qū)材料的金相圖（圖7c）可以看出，由鐵素體和滲碳體組成的非層狀組織結(jié)構(gòu)，是激光輻照后熱影響區(qū)組織奧氏體化的表現(xiàn)[18]，具有較高的強韌性配合。在硬度相同的情況下，貝氏體組織的耐磨性優(yōu)于馬氏體等其他組織結(jié)構(gòu)，可以達到馬氏體的1～3 倍。總體來看，熔覆區(qū)域組織均勻致密，熔合區(qū)與基體冶金結(jié)合性良好，無微觀裂紋及缺陷產(chǎn)生。

圖6 熔覆試件超景深三維表面形貌Fig.6 3D surface morphology of cladding specimens with depth of field

圖7 熔覆試件金相組織Fig.7 Metallographic structure of cladding specimens : a) cladding bond; b) cladding zone; c) diffusion and heat affected zone

3.3.3 硬度分析

將試樣沿垂直于掃描方向切開，研磨至表面光滑，用丙酮清洗并烘干，沿熔覆區(qū)到基體截面縱向方向均勻選取20 個測點，進行洛氏硬度測量。從熔覆層截面到基體材料截面的洛氏硬度變化曲線如圖8所示?？梢钥闯觯鄹矊拥挠捕让黠@高于基體硬度，變化趨勢呈現(xiàn)出從熔覆層向熔池、熱影響區(qū)、基材逐級遞減，后與基體材料34CrNiMo6 硬度相符合的趨勢。產(chǎn)生這種變化趨勢的原因是，熔覆合金粉末鐵鉻合金的制備較為合理，粉末中含有大量的合金元素，導致熔覆層內(nèi)部元素之間的固溶強化作用[19-20]增強，材料冶金性強，致使熔覆層硬度高于基材。當測點逐漸向熔池方向移動時，硬度逐漸降低，但優(yōu)于基材硬度。這是因為熔池內(nèi)多種元素的共晶化合物產(chǎn)生彌散現(xiàn)象[21]，起到硬度強化的作用，同時熔池快速凝固特征導致其金相組織均勻、致密，從而產(chǎn)生了熔池硬度高于基材但低于熔覆層的現(xiàn)象。當測點逐漸進入熱影響區(qū)后，硬度降低趨勢減緩，稍高于基材。其主要原因是熱影響區(qū)域在激光高溫作用下進行淬火處理，同時少量的熔池合金元素擴散進入熱影響區(qū)，從而使得熱影響區(qū)的硬度低于熔池，但稍高于基材。當測點離開熱影響區(qū)進入基材截面后，硬度變化趨于平穩(wěn)，接近初始經(jīng)真空淬火的34CrNiMo6 基體材料的實際硬度。

圖8 洛氏硬度變化曲線Fig.8 Rockwell hardness curve

從對熔覆截面的觀測結(jié)果可以看出，熔覆層與基體材料冶金結(jié)合性良好，熔覆層表面無裂紋、脫落、翹曲等現(xiàn)象。熔覆層硬度明顯高于基材，達到了在對基體材料增材再制造的同時，起到對表面強化改性的作用。

3.3.4 結(jié)合層抗拉強度分析

再制造結(jié)合層抗拉強度測試樣件如圖9 所示，其中A 區(qū)域為34CrNiMo6，B 區(qū)域為待修復層。對樣件待修復層進行再制造修復后，采用WDW-300 電子萬能試驗機測試結(jié)合層的抗拉強度，加載變形速率為0.5 mm/min。試件拉斷后，斷口較為平整，熔覆區(qū)與基體結(jié)合層未出現(xiàn)斷裂，試件屈服強度達到900 MPa，抗拉強度為1000 MPa，伸長率為10%，且拉伸斷口均出現(xiàn)在34CrNiMo6 基材上，結(jié)合層的抗拉強度優(yōu)于基材。

圖9 結(jié)合層抗拉強度測試試件Fig.9 Specimen for tensile strength of bonding layer: a) structural dimensions of the specimen; b) specimen sample

3.4 礦用鏈輪激光增材再制造試驗

圖10 磨損鏈輪的具體加工修復過程Fig.10 The specific processing and repair process of the wear sprocket

圖11 經(jīng)激光增材再制造修復后的磨損鏈輪Fig.11 The repaired wear sprocket based on laser additive remanufacturing

采用上述工藝，開展美國久益公司礦用鏈輪激光增材再制造加工試驗。該鏈輪為雙排14 鏈齒鏈輪，采用圓盤夾具進行定位裝夾，在轉(zhuǎn)臺上可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，鏈輪再制造修復過程如圖10 所示。鏈輪鏈窩再制造修復區(qū)域如圖11 所示，鏈窩修復域表面較為平整，再制造加工過程中存在熔池殘渣的冷卻結(jié)晶析出現(xiàn)象，熔覆層搭接痕跡明顯，表面無裂紋，整體熔覆效果較好。采用銑削加工完成再制造鏈輪鏈齒修整及鏈窩表面精加工，熔覆層與基體結(jié)合部分實現(xiàn)冶金結(jié)合，表面無裂紋及氣孔缺陷。應用鏈窩規(guī)檢測各鏈窩幾何尺寸，符合國標[22-23]要求，鏈窩表層硬度為50～56HRC。采用超聲波探傷儀測試修復域發(fā)現(xiàn)，超聲波形無變化，修復域內(nèi)無缺陷，再制造鏈輪達到井下應用需求。

4 結(jié)論

通過對圓環(huán)鏈輪的復雜鏈窩磨損域進行幾何模型重構(gòu)，利用激光增材再制造修復技術實現(xiàn)了再制造熔覆層與基體間良好的冶金結(jié)合。同時，鏈輪表面也得到了強化改性，有效地解決了傳統(tǒng)堆焊技術修復鏈輪存在的精度及性能不足等缺點，對復雜曲面的建模及相關再制造修復工藝研究有著較高參考價值。經(jīng)過研究分析，得出以下結(jié)論：

1）以礦用鏈輪磨損域為研究對象，提出了鏈輪再制造結(jié)構(gòu)特征建模及其流程方法，包括再制造鏈輪磨損域復雜曲面重構(gòu)方法、激光熔覆路徑規(guī)劃等關鍵技術，提出了鏈輪磨損域激光再制造修復的解決方案。

2）通過樣板試驗確定了鏈輪磨損域最優(yōu)增材再制造加工工藝參數(shù)，對試驗結(jié)果從表面形貌、金相組織、顯微硬度、抗拉強度進行分析，發(fā)現(xiàn)熔覆組織主要由沿傳熱方向的柱狀枝晶組成，組織均勻致密，再制造熔覆層與基體形成了良好的冶金結(jié)合。熔覆層的硬度高于基體，且呈現(xiàn)出從熔覆層向熔池、熱影響區(qū)、基材逐級遞減的趨勢?？估瓘姸葹?000 MPa，結(jié)合層的抗拉強度優(yōu)于34CrNiMo6 基材。

3）對受損鏈輪進行再制造修復驗證試驗，結(jié)果表明，再制造修復后的鏈輪滿足工作需求，本文提出的方法具有顯著的工程應用價值。