齿面的激光熔覆修复工艺

杨 毅 曾庆生

（南华大学工程训练中心，湖南 衡阳 421001）

传统齿轮齿面的修复法有电镀法、热喷涂法和堆焊法。电镀法的镀层结合强度低且耐磨性差，热喷涂法变形大，而堆焊法工艺较复杂，都不太适合形状复杂齿面修复的工业应用。激光熔覆修复是以激光作为热源，通过在损坏齿面添加粉末材料，利用激光束的高能量密度使之与齿面薄层熔凝并形成冶金结合，从而恢复齿廓形貌。激光加工可进行局部及有选择性的修复处理，具有工艺性灵活、修复层与齿面结合牢固、热影响小、组织致密、稀释率低等优点，非常适合齿轮的齿面修复应用。

一、齿面激光熔覆

1.试验装置和材料

试验设备：TJ-HL-T5000型恒流电激励连续CO2激光器，PMAC五轴联动数控机床，JKF-6型激光宽带涂敷送粉器。

试验材料：45钢斜齿轮轴整体结构，齿数25，螺旋角15°28′34″，法面模数4mm，法面压力角20°；粉末材料为Ni60粉末，化学组分为：C0.6%～0.8%，Cr15.0%～16.5%，Si4.4%～5.0%，B2.5%～3.5%，Fe≤5.0%。

试验方案：采用侧向送粉方式，送粉喷嘴的位置在激光束的一侧，粉末和激光束相交于一点，单向送粉单向扫描，如图1所示。齿轮熔覆采用轴向分齿跳齿扫描法，光束不动，齿轮沿轴线方向作直线运动，齿轮同步旋转。

2.试验过程

本研究采用的齿面激光熔覆修复的工艺过程如下。

（1）采用无损探伤法对损坏齿轮进行检测，判断是否具有修复价值。

（2）根据失效齿轮的几何参数与变化规律，确定最佳扫描方法。

（3）在平面样块上实验，得到激光熔覆最佳工艺参数组合。

（4）根据损坏齿面情况设计激光扫描轨迹，编制相应计算机控制程序。

（5）清洗齿面，去除损坏处氧化膜和污垢，以便熔融金属粉末能润湿齿轮基体。

（6）在齿轮表面单道熔覆成形，使覆层与基体形成冶金结合。

（7）对面积较大损坏，在第一道的基础上熔覆第二道，使第二道与第一道搭接平整。

（8）对齿面损坏较深处，在第一层的基础上熔覆第二层，使第二层与第一层形成冶金结合。

（9）重复以上过程，直到将整个损坏齿轮修复完为止。

（10）对修复后齿面进行适当后续机加工，恢复原有渐开线齿廓形状，并进行质量检测。

3.熔覆工艺

（1）单道熔覆。

齿面轮廓复杂，为了获得理想的激光熔覆工艺参数，先在大量探索性实验基础上确定一个工艺参数范围。根据正交法原理，以激光功率P、送粉量G、扫描速度V为因子安排L9（34）正交实验，通过评价覆层外观、外形及稀释率，最后确定P=1.8kW、G=80r/min、V=3.8mm/s，试验结果为熔覆层表面光滑、外形规则并形成冶金结合，如图2所示。

图2 优化工艺参数下单道覆层形貌

（2）多层熔覆。

因单道熔覆层厚度有限，对损坏较严重齿面还需进行多层修复。因多层熔覆时基体已不再是平面而是弧形，通过多次试验，发现影响覆层高度的因素很复杂，没有实时闭环监测是无法精确控制的。最终将预先测得初始五层烧结高度的平均值作为分层基准，实践证明效果较好。在多层熔覆试样上用显微硬度计测量硬度值，发现宽度方向上硬度相差很小，深度方向上的硬度如图3所示，硬度分布比较均匀，且大大超过了粉末的硬度，能够强化修复齿面，提高其耐磨性。

图3 修复层深度方向上显微硬度分布曲线

（3）多道搭接。

在齿轮修复中，不仅有各个磨损部位个别修复的要求，有时还需要对一个齿面进行整体修复。但由于光斑尺寸小，单道烧结的宽度十分有限，对大模数齿面激光熔覆只能采用多道搭接。搭接率的大小将直接影响到齿面修复层的表面平整和修复效果。若搭接率太小，两道之间会有一条明显的凹陷区，若搭接率太大，整个涂层表面呈现一斜坡。根据搭接系数确定的理论依据和实验验证，当搭接系数为20%时修复层表面平整。

二、熔覆层缺陷控制

1.修复精度和表面质量

大面积的齿面修复层表面虽较平整，但很粗糙，精度较低，必须经过后续切削加工才能重新投入使用。究其原因，一是因为粉末输送的不均匀和激光功率等工艺参数的不稳定，造成单道厚度、宽度发生变化；二是采用侧向同步送粉沿齿面扫描时，渐开面上各点的粉末运动方向与激光束扫描速度方向的夹角不一致，导致各点的粉末堆积形状发生变化；三是熔池中凝固组织在高温状态下发生氧化，在修复层外表面形成了氧化皮外壳。通过实验发现，采用反复逐层机械修整的方法可以大大提高修复精度和表面质量。

2.裂纹和气孔

对齿面进行多道多层激光熔覆后，修复层表面会产生明显的裂纹和气孔。气孔主要是由于粉末熔化过程中产生的气体在快速凝固时来不及逃逸出表面所致。在实验前对Ni60粉末烘干，并适当调整工艺参数，减缓熔池冷却结晶速度有利于气体的逃逸。

激光熔覆过程修复层经受一个极为不均匀的快热快冷作用，熔池在快速凝固及随后的快速冷却中将产生内应力，这是导致齿面修复层开裂的主要原因。另外，Ni60粉末中B、Si元素的存在，使得熔覆层中会产生硅化物和硼化物等脆硬相，降低了修复层的延展性，增加了开裂倾向。轮齿修复前对齿面进行一定温度的预热、修复后再进行一定的后处理，可降低温度梯度从而降低开裂可能。

3.齿顶塌陷

齿轮传动时，主动齿轮齿顶将推动从动齿轮齿根运动。齿面激光熔覆时齿顶会发生塌陷现象，将影响传动平稳性。齿顶塌陷主要是由于激光照射时热量向齿面边缘扩散，位于边缘的齿顶横向剖面积小，热集聚效应明显。此外，齿轮齿廓曲线为渐开线，熔融液体从高处向低处流，齿顶熔池里的熔液向两侧流动造成齿顶材料的流失而塌陷。

在激光功率、光斑尺寸不变的情况下，通过增加送粉量或减小扫描速度，使齿顶基体尽量少熔化可减缓塌陷。另外，通过实验验证，齿顶采用预置粉末法，先用较低的激光功率扫描，使小部分粉末熔化或微熔，依靠这部分粉末使大量的粉末粘结成团附着在齿顶表面，再进行正式的激光熔覆，基本能解决齿顶塌陷问题。

三、结语

（1）利用激光熔覆技术对失效齿面进行了激光熔覆修复。通过优化工艺参数，得到了表面平整、稀释率低、具有良好冶金结合且硬度较高的修复层。

（2）通过采用反复逐层机械修整的方法提高了齿面修复精度和表面质量，对轮齿修复前的预热和修复后的后处理降低了开裂的可能，对熔覆粉末烘干并适当调整工艺参数解决了气孔问题，采用粉末预置二次扫描基本解决了齿顶塌陷问题。

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