激光熔覆修复齿轮轴工艺研究[1]

激光熔覆修复齿轮轴工艺研究 张 　智 ,谢沛霖 ( 海军工程大学机械系 ,湖北武汉 430033 ) 　　摘要 : 采用激光熔覆工艺对某船用减速齿轮箱齿轮轴的磨损齿面进行尺寸修复。为制定合理 的修复 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,建立了齿轮轴齿面激光熔覆温度场模型 ,通过计算分析 ,结合样块试验 ,确定了修复过 程中的激光熔覆主要工艺参数 ;选用单向送粉双向扫描的熔覆方法 ,解决了熔覆层开裂的问题 ;针 对计算结果中出现的齿面进出端和齿顶热集中效应和热冲击效应引起的过烧现象 ,提出了搭接熔 覆和包覆熔覆的熔覆工艺 ,较好地消除了过烧现象。最终在磨损轮齿上得到了厚度达 0. 7 mm 质 量稳定的优质熔覆层 ,完成了磨损轮齿的尺寸修复。该激光熔覆工艺可为类似的修复问题提供借 鉴和指导。 关键词 : 激光熔覆 ;温度场 ;齿轮轴 ;修复 中图分类号 : TG456. 7 Laser Cladding Technic Study in Gear Shaft Repair Zhang Zhi ,Xie Peilin ( Naval University of Engineering ,Wuhan 430033 ,China ) Abstract : With the aid of experiment in specimen , the temperature field model of laser cladding on gear shaft is constructed to design a project which used to repair the wear gear in ship deceleration gear box. The technic of unidirectional powder feeding and two way scanning is used to solve the crack problem in cladding. The technic of lapping cladding and whole cladding are used to solve the over heat problem in part of gear arose by heat impact and heat concentrate. Finally , quality cladding which thickness valued 0. 7 mm is gained in tooth of wear gear. The laser cladding technic in this project to repair wear gear can be used in the other similarity. Key words : laser cladding ;temperature field ;gear shaft ;repair 　　某船用减速齿轮箱齿轮轴在使用过程中 ,由于 工作环境恶劣和长期过载导致齿轮轴轮齿齿面磨 损 ,啮合间隙增大 ,致使工作时冲击振动和噪音超出 正常允许范围。常用的解决 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 是直接更换齿轮 轴。但由于此型齿轮轴并非单一部件 ,在轴的末端 还集成了传动涡轮 ,因而只能整体更换。此型齿轮 箱为进口产品 ,国内无相应的零配件供应 ,所有的零 配件均依赖进口 ,故整体更换的时间成本和价格成 本十分昂贵 ,因此唯一的方法是选择适当工艺对磨 收稿日期 : 2007 - 07 - 11 基金项目 : 国防科技重点 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 基金资助项目(51489040104JB1101) 第一作者简介 : 张智 , 男 , 1977 年生 , 博士研究生。 损轮齿进行尺寸恢复。 激光熔覆是高能密度作用下 ,在材料 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面进行 的冶金过程。利用激光熔覆表面强化技术把高性能 的合金材料熔覆到价格低廉的金属件上 ,可改善制 品的工作性能 ,也可用于修复少量磨损的工件[1 ] 。 与喷涂、刷镀等常用的表面工程手段相比 ,激光熔覆 实现了冶金结合 ,特别适合于高副构件的磨损后修 复 ;与传统的堆焊相比 ,虽都是冶金结合 ,但激光熔 覆的热影响区较小 ,能保证零部件基本不变形 ,特别 适合于高精度零部件的磨损后修复[2 ] 。本文通过 在 ANSYS 平台上建立相应的物理模型 ,模拟计算 , 结合样块试验确定修复过程中的激光熔覆主要工艺 参数。 —04— 《电加工与模具》2007 年第 6 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　设计·研究 1 　齿面激光熔覆温度场数值模拟 1 . 1 　温度场模拟控制方程 送粉激光熔覆原理如图 1 所示。 图 1 　送粉激光熔覆原理 　　模拟计算温度场控制方程[3 ]如下 :99x Kx 9θ9x + 99y Ky 9θ9y + 99z Kz 9θ9z = - qB θ| s =θs KS 1 9θ9x | s1 = qs1 式中 :θ( x , y , z , t) 为试件的温度场 ;θs 为试件所处 环境温度 ; S 为试件的下表面及侧面 ; S 1 为试件的 熔覆面 ; Kx 为试件材料沿 X 轴方向热导率 ; Ky 为试 件材料沿 Y 轴方向热导率 ; Kz 为试件材料沿 Z 轴方向热导率 ; q ( t) 为光斑热流输入。 　　初始条件 : θ| t = 0 =θ( x , y , z ) 　　 　　边界条件 : S 上为对流边界条件 : qs = h (θs - θ( x , y , z , t) ) S 1 上为对流边界和热流输入混合边界 条件 : qs1 = qt + h (θs - θ( x , y , z , t) ) 1 . 2 　模拟温度场网格模型及计算温度场云 图 模拟计算试样的尺寸为 40 mm ×25 mm ×20 mm ,使用的单元类型为八节点等参单 元 Solid70 ,采用 ANSYS 程序人工网格剖分 程序进行有限元剖分 ,生成如图 2 所示有限 元网格模型 ,其中在熔覆区域及端面采用加 密网格 ,共生成单元15 750个。试样进行单 道激光熔覆 ,得到试样在各个时刻的温度场分布情 况见图 3。 由图 3 可看出 ,前期熔池自由表面形状和高温 热影响区的形状随时间的推移成不规则变化 ,随后 则随时间的推移基本固定 ,呈规则的“鸡蛋形”,这由 于边缘效应的影响 ,稳定的熔池形成于扫描光斑离 开进出试样端面之后 ,在此之前由于形成的熔池温 度场变化剧烈 ,导致形成的熔覆层质量与在稳定熔 池形成后的熔覆层质量有较大差异。在激光扫描光 斑进出试件端面时 ,熔池附近的高温热影响区会出 现一个极高的温度梯度 ,在 0. 01 s 的时间内 ,局部 温度会迅速上升到 1 600 ℃,随后又迅速下降到 200 ℃左右 ,最后高温热影响区的温度稳定在 400 ℃左 右 ,这说明在熔覆过程开始时存在着明显的热冲击效 应。这种热冲击效应会导致端面边缘产生烧塌现象 , 严重时会改变试件基体的几何形状 ,导致试件报废。 图 2 　模型有限元网格 图 3 　熔池温度场云图 　　　　　 2 　齿面激光熔覆修复主要工艺参数 2 . 1 　熔覆粉末的选择 待修复的齿轮轴齿轮部分所用的材料为 34CrNiMo ,其化学成分见表 1 ,修复后齿面硬度要 求达到 45 HRC 以上。常用的激光熔覆合金粉末主 要有三大系列 :铁基合金、镍基合金和钴基合金 ,因 —14— 设计·研究 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《电加工与模具》2007 年第 6 期 不同系列中的合金元素含量不同又分为不同的牌 号。修复工艺要求选择一种熔覆后能使齿面硬度达 到 45 HRC ,熔覆性能好 ,能形成连续优质无裂纹熔 覆层的合金粉末。最初根据齿轮材料与粉末材料相 容性原则[4 ]考虑选用镍基合金 ,但通过对十几种镍 基粉末的试验熔覆 ,从形成的熔覆层质量来看 ,镍基 粉末熔覆后形成的熔覆层裂纹较多 ,经计算分析发 现主要原因是齿轮材料与粉末材料的热膨胀系数相 差较大。最终通过多次试验选择了成分如表 2 所示 的钴基合金粉末 ,其颗粒度为 200～320 目。试验熔 覆表明此种钴基合金粉末能在 34CrNiMo 基材上形 成稳定优质的熔覆层。 表 1 　34Cr NiMo 合金钢成分表 　　 单位 : % C Si Mn S P Cr Ni Mo P + S 0. 33 0. 27 0. 41 < 0. 012 < 0. 015 0. 91 2. 94 0. 23 < 0. 027 表 2 　钴基合金粉末成分表 　　 单位 : % 成分 C Cr B Si Ni W Co 含量 0. 8 20 1. 2 1. 7 13 8 余 2 . 2 　激光功率、扫描速度与送粉速率的确定 熔覆层的尺寸可通过调整激光功率、扫描速度 及送粉速率等工艺参数来控制。在选定基体与熔覆 合金材料成分、光斑形状与尺寸、喷嘴位置等参数 后 ,熔覆层的几何形貌主要通过激光功率、扫描速度 和送粉速率这 3 个参数来控制。 选用 34CrNiMo 材料制作尺寸为 40 mm ×25 mm ×20 mm 的样块 ,使用表 2 所示的合金粉末 ,光 斑直径 3. 5 mm ,在 HJ23 型 2kW CO2 激光加工机上 进行变参数熔覆 ,得到的熔覆层几何形貌与送粉速 率、扫描速度、激光功率的关系见表 3～表 5。 表 3 　送粉速率变化对熔覆层几何形貌的关系 送粉速率 v f / (g·min - 1) 3 4 5 6 7 熔覆层厚度 H/ mm 0. 45 0. 70 0. 87 0. 88 1. 00 熔覆层宽度 W / mm 5. 95 5. 85 5. 83 7. 57 5. 69 表 4 　扫描速度和熔覆层几何形貌的关系 扫描速度 v s/ (mm·s - 1) 1. 5 2. 0 2. 5 3. 0 3. 5 熔覆层厚度 H/ mm 1. 40 0. 92 0. 70 0. 56 0. 55 熔覆层宽度 W / mm 5. 35 5. 76 5. 50 5. 85 5. 10 表 5 　激光功率与熔覆层几何形貌的关系 激光功率 P/ W 900 1 000 1 100 1 200 1 300 熔覆层厚度 H/ mm 0. 99 1. 01 1. 10 1. 14 1. 20 熔覆层宽度 W / mm 4. 54 5. 00 5. 19 5. 31 5. 34 　　由表 3～表 5 数据可看出 : 扫描速度和送粉速率一定时 ,熔覆层的厚度和 宽度均随激光功率的增加而增加。但在送粉总量不 变的条件下 ,当激光功率达到一定值后 ,再进一步提 高功率 ,熔覆层的厚度和宽度不会明显增加。 激光功率和送粉速率一定时 ,熔覆层厚度随扫 描速度的增加而明显减小 ,熔覆层的宽度则随扫描 速度的增加呈现出不规则变化的趋势 ,但从总体上 看 ,扫描速度变化对熔覆层宽度的影响不大。 在相同的激光功率和扫描速度条件下 ,送粉速 率增加 ,意味着单位时间内进入熔池的熔覆材料增 多 ,因此熔覆层厚度增加。由于熔覆材料消耗了较 多的激光能量 ,基体所获得的能量相应减少 ,因而熔 池尺寸和熔覆层宽度也随之减小。 根据实际齿轮齿面修复的要求 ,结合样块试验 数据 ,最终选定了表 6 所示的熔覆工艺参数。 表 7 　最佳熔覆参数 激光功率/ W 送粉速率/ (g·s - 1)扫描速度/ (mm·s - 1) 光斑直径/ mm 1 300 4 3. 5 3. 5 3 　激光熔覆修复中裂纹和过烧问题的解决 3 . 1 　熔覆层裂纹问题 在激光熔覆过程中 ,熔池中会产生极高的温度 梯度。随着光斑的移动 ,熔化了的熔覆材料和基体 表层材料迅速冷却凝固 ,由于基体与熔覆层之间存 在相容性方面的差异 ,形成的温度梯度在熔覆层内 以及熔覆界面下一定深度的基体材料内形成性质为 拉力的内应力。当局部应力超过材料的强度极限 时 ,就会产生裂纹。由此可见 ,激光熔覆的特点决定 了在被处理材料表面的一定区域内必然存在一定的 内应力 ,因而在熔覆层和基体材料中都存在开裂的 倾向。目前抑制熔覆层开裂所采用的方法主要有以 下 3 种 : (1) 通过热处理调整基材的应力状态 ,尽可能 降低拉应力。 (2) 添加合金元素 ,提高熔覆层抗开裂能力。 (3) 优化工艺方法和参数 ,减小熔覆层开裂倾 向。 由于待修复齿轮的热处理工艺已有固定要求 , 不能随意添加热处理工艺 ,所以第一种方法不能使 用 ;在熔覆合金粉末中添加能提高熔覆层抗开裂能 力的合金元素会使熔覆后的熔覆层表面硬度降低 , 达不到表面硬度 45 HRC 的修复要求 ,因此第二种 —24— 《电加工与模具》2007 年第 6 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　设计·研究 方法也不能使用。单向送粉双向扫描工艺[5 ]是最 近提出的一种预防熔覆裂纹的激光熔覆工艺 ,其原 理是调整送粉区域 ,使其大于扫描光斑直径 ;在第一 次扫描结束后 ,由于送粉区域大于光斑直径 ,熔覆区 域仍有部分粉末堆积在熔覆区域 ;第二次扫描时不 送粉 ,其他熔覆参数不变 ,从而将剩余粉末完全熔覆 到原熔覆层上。经在样块上对比试验 ,单向送粉双 向扫描工艺能完全消除传统单向送粉单向扫描产生 的熔覆裂纹 ,保证了熔覆层的质量稳定。 3 . 2 　熔覆中的过烧问题 在样块上进行熔覆试验的时候 ,正如模拟温度 场计算所预计的那样 ,出现了在激光进出端端面基 体材料熔化塌陷的问题 ,在齿面上进行试熔覆时也 出现了齿顶熔化塌陷 ,这种现象通常称为熔覆过烧。 过烧现象产生的主要原因是激光的热流密度大 ,热 量集中 ,熔覆过程除了会在工件熔覆区形成熔池正 常工作外 ,还会在工件的局部非熔覆区引起剧烈相 变产生金属的“垮塌”现象。烧塌现象的实质就是由 于局部热量集中引起基体材料非正常熔化。烧塌现 象影响熔覆的质量 ,甚至会使工件发生严重变形而 造成工件报废 ,熔覆失败。 应对烧塌现象的常用方法有 :调整熔覆参数 ,减 小激光输入功率 ,提高扫描速度 ;预热工件减少热冲 击等。本研究通过大量的样块试验 ,提出了两种预 防过烧的熔覆工艺和方法 :端面搭接过渡 ;齿顶整体 包覆 ,变点熔覆线熔覆为面熔覆。端面搭接过渡即 在熔覆修复中 ,在齿轮被加工齿面边界处外接一段 5～10 mm 的材料 ,最理想的搭接材料是与被加工 齿轮同参数但齿宽较小的辅助齿轮 ,外接材料的上 表面基本与被加工齿面处于同一平面 ,熔覆时过烧 引起的烧塌部位转移到了搭接部分上 ,从而保证了 齿轮的修复质量。图 4 为在试验齿轮上未使用搭接 工艺和使用搭接工艺两种熔覆效果对比情况。在齿 顶的修复熔覆中 ,先采用单向送粉双向扫描进行齿 面多道搭接熔覆 ,然后采用单向或双向送粉双向扫 描完成齿顶单道熔覆或齿顶多道重叠熔覆 ,以使齿 顶具有足够的熔覆层厚度 ,确保修复余量。齿顶激 光熔覆修复效果如图 5 所示。 4 　修复结果 依照选定的修复方案 ,使用钴基熔覆合金粉末 和最佳熔覆参数 ,在待修复齿轮上进行激光熔覆以 恢复尺寸 ;采用单向送粉双向扫描工艺减少了熔覆 裂纹的发生 ;在齿轮进出端面采取搭接辅助齿圈熔 覆的方法消除了端面过烧塌陷 ,在齿顶采用包覆熔 覆的方法消除齿顶过烧塌陷。熔覆完成后 ,得到优 质的齿面熔覆层厚度约 1 mm ,实际后加工量约 0. 2 ～0. 3 mm ,齿顶处的熔覆层厚度约 0. 7 mm ,实际后 加工量约 0. 3 mm ,完全达到所需要的尺寸恢复要 求。装备再制造国防科技重点实验室对获得的熔覆 层顶部、中部和底部金相组织进行的金相分析显示 : 激光熔覆层底部为明显的柱状晶组织 ,呈放射状 ,而 顶部和中部的结晶体无明显的方向性 ,金相组织为化 合物、合金马氏体和残余奥氏体 ,顶部马氏体呈针状。 齿面硬度经测试大于 50 HRC ,满足修复要求。本激 光熔覆工艺也可用于其他类似零部件的修复工作。 图 4 　齿轮端面熔覆效果对比 图 5 　齿顶熔覆效果 参考文献 : [1 ] 　迟彩芬. 激光表面处理技术的现状及其工业应用[J ] . 中国科技 信息 ,2005 (24) :129. [ 2 ] 　谢沛霖 ,吴新跃. 用堆焊和激光淬火的方法修复精密齿轮轴 [J ] . 海军工程学院学报 ,1998 (2) :61 - 66. [3 ] 　武传松. 焊接热过程数值分析[ M ] . 哈尔滨 :哈尔滨工业大学 出版社 ,1990. [ 4 ] 　胡木林. 激光熔覆材料相容性的基础研究[ D ] . 武汉 :华中科技 大学 ,2001. [ 5 ] 　宋光明 ,吴钢 ,黄婉娟. 单向送粉双向扫描激光熔覆工艺防止裂 纹的试验研究[J ] . 金属热处理 ,2005 ,30 (5) :26 - 28. —34— 设计·研究 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《电加工与模具》2007 年第 6 期