激光熔覆技术在凸轮轴修复中的应用

张亚萍

摘 要：介绍了凸轮轴失效形式与原因，根据凸轮轴工作特点以及失效形式，选择激光熔覆技术对其进行修复，叙述了激光熔覆表面修复技术的特点，着重介绍了激光熔覆技术修复凸轮轴的工艺过程。修复后凸轮轴表面硬度、耐磨性、抗疲劳强度与其它表面修复技术相比有了很大的提高。

关键词：凸轮轴;失效分析;激光熔覆;修复;应用

中图分类号：TG455文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.023

凸轮轴是发动机配气机构中的关键传动部件之一，它控制气门的开启和闭合，承受周期性的冲击载荷作用，由于凸轮和挺柱之间的接触应力比较大，相对滑动速度高，从而导致凸轮轴工作表面磨损比较快，当磨损量达到极限数值时，就需要对凸轮轴进行尺寸恢复，否则，将影响配气机构的配气定时，影响发动机的动力性和运动特性，严重情况下发动机功率明显下降，凸轮轴将无法工作而报废。

1 凸轮轴失效原因分析

凸轮轴失效是由轴颈和凸轮磨损所导致的，极个别情况下是由于凸轮轴断裂或弯曲引起的。

1.1 凸轮轴轴颈磨损

凸轮轴是通过轴颈支撑在轴承孔内的，它处于发动机润滑系统的末端，在长期的运行过程中，由于机油压力低或油道堵塞，使得润滑油达不到轴承孔处，造成轴颈润滑不良而使轴颈产生摩擦磨损。

1.2 凸轮轴凸轮工作表面磨损

凸轮的工作表面磨损主要是粘着磨损和表面疲劳磨损，由于凸轮和挺柱摩擦副之间接触面的润滑是靠飞溅润滑和挺柱内流入的润滑油进行润滑，润滑条件比较差，再加之凸轮和挺柱接触面承受频繁的接触压力和循环的交变载荷作用，使得凸轮的型线产生磨损。

2 激光熔覆表面工程技術

激光熔覆技术是利用激光束聚集能量高的特点，能在瞬间将待修复表面微熔，同时能使与激光束同步自动送达的合金粉末或预置粉末完全熔化，获得与基体冶金结合的致密熔覆层。从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、抗疲劳等特性的工艺方法。

激光熔覆技术优点是熔覆层组织细密、性能优异、热应力小、变形小以及无污染等。它的特点是通过对熔覆层合金成分的设计以及对激光工艺参数的调整，能够获得低稀释率的良好熔覆层，并且熔覆层成分和稀释度可控;通过调整工艺参数，可以获得厚度范围比较宽的熔覆层，其厚度在0.2～2.0 mm;材料消耗少，性价比高;工艺过程易于实现自动化。

3 凸轮轴磨损表面修复技术选择

激光熔覆技术是根据修复件的工况要求，选择专用激光熔覆合金粉末，通过熔覆层成分设计，能够制备出耐热、耐磨、抗疲劳的表面熔覆层。它解决了气体保护焊、氩弧焊、等离子喷焊、氧乙炔喷焊等表面修复技术中，不可避免产生的热变形、热疲劳损伤等一系列技术难题，同时也解决了传统电镀、热喷涂等工艺中镀层或喷涂层与基体结合强度差的缺点。

对凸轮轴磨损表面的修复，在保证较高的几何尺寸精度、较小表面粗糙度和足够刚度外，凸轮工作表面还应有较高硬度和良好的耐磨性。所以，只有选择激光熔覆技术，通过合理的熔覆层成分设计以及选择合理的工艺参数进行修复，才能满足凸轮轴的设计要求和使用要求。修复后的凸轮轴，使用寿命比其它表面技术修复的凸轮轴能提高30%左右。

4 激光熔覆技术修复工艺过程

4.1 熔覆前待修复表面预处理

（1）将待修复表面清洗除油后进行技术检测，检测凸轮轴弯曲度和几何尺寸精度以及凸轮的轮廓尺寸，确定待修复部位和磨损量，制定激光熔覆技术方案。

（2）轴颈待修复表面的疲劳层进行机械加工处理，凸轮待修复表面的疲劳层进行打磨处理。

（3）将所选激光熔覆合金粉末，放入烤箱内，选取100～120 ℃进行烘烤，保温2 h后使用。

4.2 激光熔覆设备选择

采用C02激光器，型号：HANGS-TEL-H6000的激光熔覆设备。

4.3 激光熔覆层合金粉末成分设计

根据凸轮轴失效形式及实际工况，应选择硬度比较高、耐磨性比较好的镍基合金粉末。所以，选择Ni60A镍基自溶性合金粉末为工作层，硬度HRC58～63。合金粉末化学成份百分含量（含量见下表）。

4.4 熔覆工艺参数的选取：

激光功率范围：3600～3800 W;送粉方式：同步送粉;光斑直径为：3～6 mm; 扫描线速度：8 mm·s-1。

4.5 编制数控熔覆程序

根据所选设备、熔覆工艺参数、合金粉末成分进行数控程序编制。

4.6 激光熔覆

根据所选设备操作规程以及编制的数控程序启动设备，对修复表面实施激光熔覆。

4.7 熔覆后表面处理

对检测合格的熔覆表面进行室温冷却，然后在专用设备上进行机械磨削加工，经质量验收合格后包装入库。

激光熔覆技术是—种涉及多门学科的跨学科高新技术，由于它具有非常显著的优点，近年来，在材料表面改性或机械零部件磨损修复方面得到大量应用。通过凸轮轴的修复可以看到，在零部件整体性能满足工况的条件下仅是表面损伤的零部件，都可以选择激光熔覆技术进行修复，修复后零部件的使用性能和寿命都有明显的提高，而且实现了经济效益最大化。所以，作为表面工程技术之一的激光熔覆技术，适用于各类金属零部件的表面改性和磨损修复。