一、研究背景
目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱的失效故障占風(fēng)力發(fā)電機(jī)總失效故障的 40%，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要的停機(jī)故障。在齒輪箱失效故障中，齒輪失效導(dǎo)致齒輪箱失效的占比為 30%。齒輪箱承受載荷較大，而且工況復(fù)雜，在運行過程中，軸承內(nèi)圈硬度比花鍵軸配合面硬度高，沖擊變形會造成花鍵軸軸承檔產(chǎn)生不同程度的變形和磨損。對已使用 5～10 a 的風(fēng)電齒輪箱進(jìn)行拆解、檢測和分析，發(fā)現(xiàn)花鍵軸軸承檔都有不程度的磨損，而風(fēng)電齒輪箱其它部件的性能仍能滿足使用要求。對此，筆者提出對花鍵軸軸承檔磨損失效采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。激光熔覆噴涂熱輸入小，不僅可以修復(fù)磨損的尺寸，而且能夠使修復(fù)后的花鍵軸軸承檔具有優(yōu)異的耐磨性。在安全可靠運行的前提下，激光熔覆修復(fù)技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)修復(fù)工藝，可以最大程度降低花鍵軸的報廢率，并降低風(fēng)電齒輪箱的運維成本。
二、花鍵軸情況
1.5 MW 風(fēng)電齒輪箱花鍵軸如圖 1 所示，花鍵軸軸承檔磨損狀態(tài)如圖 2 所示。經(jīng)過取樣檢測可知，花鍵軸以調(diào)質(zhì)處理作為最終熱處理狀態(tài)，表面布氏硬度(HB) 為 280～320，材料為 42CrMo4 合金結(jié)構(gòu)鋼，成分分析見表 1。花鍵軸性能強(qiáng)度分析見表 2。
表 1 花鍵軸材料成分分析
表 2 花鍵軸性能強(qiáng)度分析
花鍵軸軸承檔設(shè)計尺寸參數(shù)見表 3。
表 3 花鍵軸軸承檔設(shè)計尺寸參數(shù) mm
三、激光熔覆工藝
概述：
激光熔覆是一種表面改性技術(shù)，以不同的添料方式在被熔覆基體表面上添加金屬或非金屬涂層材料，經(jīng)過激光輻照，使涂層材料與基體表面薄層同時熔化，并快速凝固形成稀釋度極低，與基體表面成冶金接合的表面涂層，可以顯著改善基體表面的耐磨、耐蝕、耐 熱、抗氧化及電氣特性。采用激光熔覆工藝，可以達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的。激光熔覆再制造技術(shù)原理如圖 3 所示。
對于試驗采用的自熔性合金粉末，參考目標(biāo)硬度、熱膨脹系數(shù)相近、熔點相近、潤濕性等方面，筆者選擇 Inconel-625 鎳基合金粉末。
前期準(zhǔn)備：
對花鍵軸軸承檔修復(fù)部位疲勞層進(jìn)行清理，然后對待修復(fù)部位進(jìn)行機(jī)械加工。花鍵軸軸承檔的設(shè)計尺寸見表 3，要求加工量為設(shè)計尺寸單邊加工小于0.5 mm，遵循最小去除量原則。車削磨損部位時要注意兩端與未車削軸頸交接處確保斜角約 60°過渡，以便激光熔覆和消除軸頸原始磨損部位應(yīng)力集中的問題。磨損部位初加工后，經(jīng)著色檢測確認(rèn)無潛在缺陷，然后檢測記錄磨損部位加工后尺寸。清理前，做好花鍵軸周邊部位防護(hù)工作，確保防護(hù)嚴(yán)密。
激光熔覆前進(jìn)行的相關(guān)工作包括三方面。
第一，對激光熔覆采用的粉末進(jìn)行烘干處理。
第二，確保高純氬氣、氧氣、乙炔的數(shù)量能夠滿足生產(chǎn)需要。
第三，承載 10 t 的精準(zhǔn)平臺、托輪架及伺服電機(jī)動力系統(tǒng)確保能夠承載，并確保在花鍵軸激光熔覆過程中勻速轉(zhuǎn)動，保證熔覆質(zhì)量。
在整個激光熔覆過程中，熔池通過數(shù)字化工業(yè)相機(jī)監(jiān)控，確保熔覆質(zhì)量。
測量和探傷：
花鍵軸軸頸熔覆區(qū)域部位為新的機(jī)加工面，需進(jìn)行尺寸檢測、無損檢測，拍照并存檔。
選用千分尺對花鍵軸軸頸熔覆區(qū)域進(jìn)行尺寸檢測。檢測尺寸時需進(jìn)行徑向與軸向多點檢測，客觀反映出原始段的圓度。
選用著色探傷對花鍵軸軸頸熔覆區(qū)域進(jìn)行無損檢測，檢測表面硬度，定量確認(rèn)最終熔覆內(nèi)容和尺寸，檢測結(jié)果作為原始記錄。
具體步驟：
(1) 對去除疲勞層后的待修復(fù)部位進(jìn)行徹底清理，采用酒精除油，并用清洗溶劑清洗，確定無任何油漬與殘留物。
(2) 根據(jù)軸頸的實際尺寸進(jìn)行機(jī)器人編程，校驗程序的可靠性，采用同步送粉的方法對軸頸進(jìn)行熔覆。花鍵軸熔覆過程中，確保花鍵軸能夠低速、均勻、連續(xù)轉(zhuǎn)動，軸向不發(fā)生竄動。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于 10 r/min，旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子軸徑向跳動小于 0.02 mm。為避免分段熔覆產(chǎn)生的熱輸入不均勻和形位差異造成熔覆厚度不均勻而產(chǎn)生的熔覆結(jié)構(gòu)應(yīng)力，采用沿圓周方向連續(xù)激光熔覆。控制轉(zhuǎn)子表面溫度不高于室溫+50 K，確保最小熱影響程度及熔覆結(jié)構(gòu)應(yīng)力。按照已確定的花鍵軸軸承檔激光熔覆工藝參數(shù)，實施激光熔覆。軸向單層熔覆區(qū)域一次性完成，避免軸向交接處接合強(qiáng)度不足的安全隱患。
(3) 激光熔覆單層后必須進(jìn)行打磨清理，冷卻后進(jìn)行著色探傷檢測，合格后方能繼續(xù)下一層熔覆。
(4) 最后一層激光熔覆的厚度需要大于基體面 0.5～1 mm，確保加工余量。
(5) 熔覆結(jié)束后對表面的高點進(jìn)行打磨處理，以便于精修加工。
(6) 進(jìn)行熔覆尺寸、硬度檢測和探傷檢測，拍照并存檔。
整個熔覆過程實現(xiàn)激光器運行、機(jī)器人程序、旋轉(zhuǎn)動力驅(qū)動裝置運行的閉環(huán)聯(lián)動控制，確保熔覆工藝的穩(wěn)定可靠性，使熔覆質(zhì)量得到有效保障。熔池實現(xiàn)自動化監(jiān)控，避免肉眼觀察熔池的視覺偏差導(dǎo)致誤判，控制花鍵軸表面溫度不高于室溫+50 K。
檢查驗收：
對花鍵軸軸承檔進(jìn)行磁粉探傷，不允許有裂紋存在。對修復(fù)區(qū)域的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行檢測，確認(rèn)合格后進(jìn)入后續(xù)工序。
四、工藝檢測
對完成激光熔覆的花鍵軸性能進(jìn)行對比分析，激光熔覆后花鍵軸如圖 4 所示。
金相組織檢測：
對完成激光熔覆的花鍵軸進(jìn)行金相組織檢測，金相組織檢測結(jié)果如圖 5 所示。對焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的顯微組織進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)熔覆層的晶粒均勻細(xì)小，多數(shù)晶粒呈現(xiàn)不規(guī)則形狀。過渡區(qū)組織沿厚度方向由粗大逐漸變細(xì)小。激光熔覆后的組織為回火屈氏體、貝氏體和鐵素體。
硬度檢測：
激光熔覆單層厚度為 1.5 mm，共熔覆三層。對激光熔覆的花鍵軸進(jìn)行硬度檢測。對共三層熔覆層按照厚度進(jìn)行四等分，另將基體表面區(qū)域分為兩層，第一層至第四層為熔覆層粉末區(qū)域，第五層至第六層為基體表面區(qū)域。采用 10 kg 載荷對試樣從左向右每間隔 10 mm 進(jìn)行檢測，共檢測三次，硬度檢測結(jié)果見表 4。由表 4 可知，熔覆粉末區(qū)域硬度高于基體表面區(qū)域，滿足使用要求。
表 4 激光熔覆后花鍵軸硬度檢測結(jié)果
彎曲試驗：
彎曲直徑選取 2 倍花鍵軸厚度，彎曲心部直徑為 44 mm。1 號和 3 號試樣為激光熔覆后花鍵軸，2 號和 4 號試樣為未進(jìn)行激光熔覆的花鍵軸，彎曲至熔覆層斷裂試驗隨即停止。彎曲試驗結(jié)果見表 5，由表 5 可知，激光熔覆后的花鍵軸抗彎能力與實物相同，側(cè)彎能力優(yōu)于未進(jìn)行激光熔覆的花鍵軸。
表 5 彎曲試驗結(jié)果
剪切試驗：
剪切試驗在萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗速率不大于 0.1 kN/s，材料 42CrMo4 合金結(jié)構(gòu)鋼的抗剪切強(qiáng)度為 465 MPa～651 MPa。1 號和 2 號試樣為激光熔覆后花鍵軸，剪切試驗結(jié)果見表 6。由表 6 可知，熔覆材料與花鍵軸的接合力滿足使用要求，熔覆材料與母體的接合較好。
表 6 剪切試驗結(jié)果
五、結(jié)束語
筆者結(jié)合現(xiàn)場使用粉末對花鍵軸軸承檔磨損區(qū)域進(jìn)行激光熔覆修復(fù)，對激光熔覆后的花鍵軸硬度、彎曲、剪切、金相特性進(jìn)行分析，得到滿足使用要求的花鍵軸。熔覆層與花鍵軸基體接合良好，表面成形良好，經(jīng)過探傷，確認(rèn)表面無裂紋等缺陷，滿足花鍵軸使用力學(xué)指標(biāo)。激光熔覆工藝為后續(xù)花鍵軸軸承檔的修復(fù)提供了參考。