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技术 | 激光熔覆技术的工业化实验
关键词:激光熔覆
2021-11-21

01 相关工艺参数

根据密封件使用工况的实际需要,要求熔覆层硬度达到hrc40以上、温度≮600℃、焊后应力小、变形量少以及熔覆质量好。为达到以上要求,采用了如下措施:

(1)选用功率为3000w的固体激光器焊机,未使用5000w甚至10000w的大功率激光器,可减少焊后变形量。

(2)熔覆材料选用中碳高合金粉料(前期实验时选用了高碳铬铁材料),其成分和母材相近,更易于和母材紧密融合。

(3)控制焊道行走速率在0.8~1.2m/min,保证熔覆材料和母材有足够的融合时间。

(4)熔覆单层焊道宽度为5mm,厚度为2~3mm,保证密封正常使用,与挡料板不发生干涉。


02 工业化实验结果分析

在熔覆材料和激光熔覆参数相同的条件下,我们进行了竖向和横向焊道两种密封件的制作实验,见图1。

图1  激光熔覆在密封件上的焊道走向


图1  激光熔覆在密封件上的焊道走向

除了保证密封耐磨、耐热性能外,控制熔覆后的变形量也是重点,一是控制熔覆后变形的矫形量,二是矫形平整后,待放置或运输一段时间,控制二次变形量。


(1)变形量

堆焊完成后,将密封件矫形到要求的1mm平整度以内。5d之后,横向焊道熔覆的密封件发生了二次变形,翘曲变形量在5mm左右,无法实施安装;竖向焊道熔覆的密封件保持了较好的平整度,能够顺利安装在段节梁上,见图2。

图2  矫形到位后间隔5d的二次变形量对比


图2  矫形到位后间隔5d的二次变形量对比


在熔覆材料、激光功率、熔覆速率等相同的条件下,激光熔覆堆焊二次变形的结果表明,竖向焊道的密封件焊后应力远小于横向焊道密封件的焊后应力。在矫形后,竖向焊道密封件的自身强度能够有效抵抗焊后残余应力,防止密封件的变形,而横向焊道密封件发生了二次变形。


(2)焊道质量

对激光熔覆堆焊密封件的表面做着色检测,评估焊道外观质量。通过检测,发现无论是横向焊道还是竖向焊道,焊道的致密度都非常高,基本无裂纹、无夹渣等缺陷,熔覆材料和母材在结合处融合的非常好,见图3。


图3  熔覆焊道的表面着色检测

图3  熔覆焊道的表面着色检测


(3)熔覆的表面硬度

对焊后的密封件表面进行硬度测试,测试的硬度值分别为hrc40.3、hrc41.6,满足了熔覆表面硬度值的要求,焊道表面未发生龟裂,见图4。

图4 硬度测试值

图4 硬度测试值


03后续需解决的问题

(1)成本问题

密封件制作数量少是成本较高的一个重要因素,另外,选用的中碳高合金粉料、激光器损耗、临时制作的卡套工装均是造成初期成本高的原因。

后续进行大批量工业生产时,对密封件耐磨性能和合金粉的成分应进行综合匹配,可适当降低成本。另外,对激光器损耗、配套矫形工装费用进行均摊后,成本也会有所下降。

(2)矫形工装

激光熔覆后,需进行密封矫形,后续进行大批量工业生产时,应配套制作矫形工装,以提高生产效率,确保生产进度。


04 结 语

(1)选用功率在3000w的固体激光器能够满足粉料的熔覆需求,焊后质量好,无裂纹、夹渣和未熔合等缺陷。

(2)熔覆材料选用中碳高合金粉,焊后表面不开裂,残余应力小,硬度值在hrc40~42。

(3)激光熔覆时,竖向焊道密封件的焊后残余应力明显小于横向焊道密封件,采用竖向焊道能够保证密封件在熔覆矫形后,不会产生二次变形,组装精度有保证。


作者:陈学勇,母彩军,孙志鹏 来源:《天津水泥工业设计研究院有限公司》




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