激光熔覆技术的工业化实验

陈学勇，母彩军，孙志鹏

《水泥技术》2020年第2期《激光熔覆技术的研究与应用》一文介绍了使用激光熔覆技术制作第四代冷却机的密封件（材质TRG-ZA-6）的实验，验证了激光熔覆技术制作结构密封件的可行性，并进行了少量的应用。

近期，我公司和武汉华工激光公司（HGTECH）共同进行了激光熔覆技术工业化实验，现将实验研究结果介绍给大家，供参考。

1 激光熔覆相关工艺参数

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3 000W的固体激光器焊机，见图1，未使用5 000W甚至10 000W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。

2 激光熔覆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2。

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3。

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

图1 3 000W功率的固体激光器焊机

图2 激光熔覆在密封件上的焊道走向

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4。

（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5。

3 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。

4 结语

（1）选用功率在3 000W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。

图3 矫形到位后间隔5d的二次变形量对比

图4 熔覆焊道的表面着色检测

图5 硬度测试值