激光熔覆修复某船用减速器齿轮箱磨损齿面的温度场分析

2026-09-27 13:47:55

　　

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　　在使用过程中，齿轮箱齿轮轴的齿面被磨损，咬合间隙变大，工作期间齿轮箱齿的齿面出现磨损和变形，从而在操作期间产生噪音和噪声。常用的解决办法是直接更换齿轮轴。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PG电子官网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。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。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。1激光磁体场值的模拟1.1温度场及热流场送粉激光熔覆原理如图1所示。模拟计算温度场控制方程如下:∂∂x(Kx∂θ∂x)+∂∂y(Ky∂θ∂y)+∂∂z(Kz∂θ∂z)=−qBθs=θsKS1(∂θ∂x)s1=qs1∂∂x(Κx∂θ∂x)+∂∂y(Κy∂θ∂y)+∂∂z(Κz∂θ∂z)=-qBθs=θsΚS1(∂θ∂x)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;S1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:θt=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))S1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热冲击试验结果模拟计算试样的尺寸为40mm×25mm×20mm,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15750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0.01s的时间内,局部温度会迅速上升到1600℃,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。2激光修复齿面的主要工艺参数2.1镍基粉末熔覆法修复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45HRC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45HRC,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。2.2激光功率对熔覆层几何形貌的影响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40mm×25mm×20mm的样块,使用表2所示的合金粉末,光斑直径3.5mm,在HJ-3型2kWCO2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。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。3激光焊接修复中的裂纹和燃烧问题的解决3.1熔覆层裂裂率的变化,主要有以下几种在激光熔覆过程中,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45HRC的修复要求,因此第二种方法也不能使用。单向送粉双向扫描工艺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齿顶熔覆工艺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5～10mm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齿顶过烧凹陷修复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1mm,实际后加工量约0.2～0.3mm,齿顶处的熔覆层厚度约0.7mm,实际后加工量约0.3mm,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50HRC,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。

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