Selama konstruksi terowongan, pemotong mesin bor terowongan (TBM) mengalami keausan yang parah. Membuang pemotong yang diganti secara langsung menyebabkan pemborosan sumber daya dan meningkatkan biaya konstruksi. Bertujuan pada masalah strategi perbaikan remanufaktur untuk keausan pemotong, makalah ini melakukan pelapis laser simulasi dan penelitian eksperimental tentang pelapisan laser pada lapisan baru, dan melakukan eksplorasi dan praktik yang relevan untuk meningkatkan kualitas keausan pemotong. Pertama, sumber panas ellipsoid ganda pelapis laser model simulasi dibuat melalui simulasi elemen hingga untuk mengeksplorasi pengaruh kelongsong laser terhadap tegangan sisa bahan dasar pemotong dan lapisan kelongsong, dan memberikan dasar untuk mengoptimalkan parameter proses untuk eksperimen kelongsong; atas dasar ini, teknologi pelapisan laser dikombinasikan dengan material graphene baru di bawah kondisi eksperimental yang relevan, dan eksperimen pelapisan laser pada pelapis baru untuk pemotong dilakukan. Kandungan graphene, kekuatan laser, kecepatan pemindaian dan kecepatan cakram pengumpanan bubuk digunakan sebagai faktor eksperimental dengan metode uji ortogonal, dan kekerasan permukaan serta ketahanan aus digunakan sebagai dasar evaluasi. Empat kelompok tingkat berbeda ditetapkan untuk perbandingan, untuk memilih rasio material dan parameter proses dengan ketahanan aus yang lebih tinggi. Hasilnya menunjukkan bahwa penambahan graphene memberikan peningkatan yang signifikan terhadap ketahanan aus lapisan. Dibandingkan dengan bahan dasar, pelapisan dengan graphene dapat mengurangi tingkat keausan hingga 91.32% dibandingkan dengan pelapis tradisional dan hingga 99.86% dibandingkan dengan bahan dasar. Makalah ini menggabungkan simulasi dan eksperimen untuk mempelajari teknologi pelapisan laser dan material graphene baru, serta memberikan panduan metodologis dan dukungan data untuk meningkatkan kualitas keausan pemotong TBM dan memilih strategi remanufakturnya.

Dalam rekayasa terowongan, pemotong yang dipasang pada kepala pemotong bersentuhan langsung dengan massa batuan, dan lingkungan kerjanya keras serta keausannya serius. Waktu henti dan penggantian pemotong yang disebabkan oleh keausan pemotong merupakan faktor penting dalam mengurangi efisiensi konstruksi mesin bor terowongan (TBM). Penghapusan pemotong yang diganti mengakibatkan ditinggalkannya beberapa pemotong yang masih memiliki nilai remanufaktur, yang mengakibatkan pemborosan sumber daya dan peningkatan biaya konstruksi. Jika pemotong yang sudah aus dapat didaur ulang dan digunakan kembali melalui produksi ulang dan perbaikan, biaya konstruksi dapat dikurangi, sumber daya dapat dihemat, dan limbah dapat dikurangi sampai batas tertentu. Menurut statistik, kerugian ekonomi yang disebabkan oleh keausan perkakas menyumbang sekitar 30% dari total biaya pembangunan terowongan. Misalnya, pada jalur kanan seksi Tianwu Jalur Metro Guangzhou 3 pada lapisan komposit lunak dan keras, 43 alat diganti dalam konstruksi perisai satu setengah bulan, dan 85 rol diganti dalam 55 hari konstruksi penggalian [1]. Terlihat bahwa keausan perkakas berhubungan langsung dengan waktu dan biaya konstruksi. Pada penelitian saat ini, sebagian besar penelitian berfokus pada tata letak dan metode pemasangan roller untuk mengurangi beban yang ditanggung selama penggalian [2]. Beberapa ahli juga telah menetapkan umur inisiasi retakan pada titik-titik berbahaya di area lubang roller melalui analisis elemen hingga untuk menganalisis faktor-faktor yang mempengaruhi keausan roller dan manufaktur ulang [3]. Namun, hanya ada sedikit penelitian mengenai pengurangan keausan roller dengan modifikasi permukaan dan metode proses lainnya. Teknologi pelapisan laser adalah teknologi modifikasi permukaan yang canggih. Ia menggunakan sinar laser kepadatan energi tinggi untuk melelehkan bahan pelapis dan bahan substrat untuk membentuk lapisan pelapis dengan sifat mekanik tertentu pada permukaan substrat. Teknologi ini dapat menyiapkan lapisan khusus yang tahan aus, tahan korosi, tahan lelah, dan lainnya pada permukaan substrat. Zhao Jianfeng dkk. [4] menerapkan teknologi kelongsong laser pada rekondisi produk mekanis terkait, menjadikan kinerja produk tidak kalah dengan produk baru dan mencapai hasil yang diharapkan. Shen Jingyi dkk. [5] menggunakan teknologi pembentukan laser berdenyut untuk memproduksi ulang dan memperbaiki bilah TC4 dari kerusakan dan keausan akibat kelelahan, serta mengevaluasi dan mengoptimalkan struktur mikro dan sifat mekaniknya. Liu Hongxi dkk. [6] mengusulkan bubuk remanufaktur kelongsong laser berbasis titanium dengan sifat mekanik yang sangat baik. Chen Xiaoming dkk. [7] menggunakan teknologi kelongsong laser dan dikombinasikan dengan material baru graphene untuk mengusulkan pelapisan ulang berbasis nikel untuk peralatan kelautan dengan ketahanan korosi dan ketahanan aus yang baik. Yang Lijun dkk. [8] menggunakan lapisan kelongsong tungsten karbida untuk meningkatkan ketahanan aus dan ketahanan korosi bahan berbasis besi dalam produksi minyak lepas pantai. Ji Xiufang [9] dikombinasikan dengan material baru graphene dan menggunakan teknologi kelongsong laser untuk menyiapkan lapisan remanufaktur baja tahan karat 316L dengan ketahanan korosi dan ketahanan aus yang tinggi. Wang Zekai dkk. [10] menggabungkan graphene dengan teknologi kelongsong laser untuk menyiapkan pelapisan ulang alat dan memperoleh sifat mekanik yang sangat baik. Para sarjana di atas semuanya telah menggunakan teknologi modifikasi permukaan untuk mengeksplorasi teknologi remanufaktur produk mekanis, yang memiliki signifikansi referensi tertentu untuk remanufaktur perkakas kepala pemotong TBM. Saat ini, hanya ada sedikit penelitian tentang praktik teknologi remanufaktur dan penelitian teoritis terkait alat pemotong kepala mesin bor terowongan, dan tidak ada penerapan teknologi kelongsong laser dan material baru pada remanufaktur dan perbaikan pemotong rol. Oleh karena itu, mengingat masalah pembuatan ulang dan perbaikan pemotong rol dalam konstruksi mesin bor terowongan, makalah ini melakukan simulasi pelapisan laser pemotong rol dan studi eksperimental pelapisan laser lapisan baru, serta melakukan eksplorasi dan praktik terkait strategi pembuatan ulang pemotong rol, yang dapat memberikan panduan metode dan dukungan data untuk meningkatkan strategi pembuatan ulang pemotong rol.

1 Penelitian simulasi kelongsong laser pada lapisan pemotong rol

Timbulnya tegangan sisa tidak dapat dihindari dalam teknologi kelongsong laser. Tegangan sisa yang berlebihan akan menyebabkan deformasi pada benda kerja bahkan retakan pada bagian dalam benda kerja sehingga menurunkan kinerja benda kerja. Oleh karena itu, sangat penting untuk mengontrol timbulnya tegangan sisa selama proses pelapisan. Karena daya laser yang digunakan dalam kelongsong laser tinggi, kecepatan pemanasan dan pendinginan cepat, dan ukuran kolam cair kecil serta suhunya tinggi, sulit menggunakan metode eksperimental untuk mengukur distribusi suhu kolam cair dan kolam cair. substrat dan distribusi tegangan selanjutnya [11]. Oleh karena itu, perpindahan panas dan perilaku mekanis dari proses perbaikan termal permukaan material di bawah aksi laser kontinu dianalisis secara kualitatif dan kuantitatif melalui simulasi.

1.1 Model simulasi kelongsong laser

1.1.1 Model sumber panas kelongsong laser

Sebagai sumber panas kelongsong, sinar laser memiliki tiga karakteristik penting: energi tinggi, konsentrasi, dan seketika [12]. Model sumber panas yang umum mencakup model sumber panas permukaan Gaussian dan model sumber panas benda Gaussian. Dong Zhibo dkk. [13] dan Dong Kequan dkk. [14] membuktikan melalui pengukuran eksperimental bahwa hasil simulasi model sumber panas ellipsoid ganda lebih mendekati keadaan sebenarnya dibandingkan model sumber panas Gaussian. Untuk benar-benar mendapatkan perubahan medan suhu dan medan tegangan-regangan lapisan cladding dan permukaan substrat kompor selama proses cladding dan proses pendinginan selama proses laser cladding, makalah ini menggunakan sumber panas ellipsoid ganda sebagai sumber panas laser. model, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.

Pada Gambar 1: a adalah radius titik laser; b adalah kedalaman kolam cair laser; c adalah 1/2 radius titik; c2 adalah 2 kali radius titik. Rumus perhitungan rapat distribusi energi q1 pada ellipsoid depan dan rapat distribusi energi q2 pada ellipsoid belakang adalah sebagai berikut [13]: lihat rumus (1) dan (2) pada gambar. Dimana: P0 adalah kekuatan laser; η adalah tingkat penyerapan daya laser; 1f dan f2 masing-masing merupakan pecahan energi ellipsoid depan dan belakang, dan jumlah keduanya selalu sama dengan 2. Biasanya, f1 = 0.6, f2 = 1.4; x, y, z adalah parameter posisi sumber cahaya. Selama proses pelapisan laser, sumber cahaya berubah seiring waktu dan posisi; v adalah kecepatan pemindaian sumber panas laser; t adalah waktu pemindaian. Dalam makalah ini, subrutin pengguna ditulis dalam bahasa Fortran untuk menentukan beban perpindahan sumber panas, dan model sumber panas laser dibuat melalui subrutin DFLX, termasuk beban horizontal dan vertikal dari sumber panas serta lintasan gerak panas. sumber dan unit kelongsong. 1.1.2 Sifat material kompor dan lapisan kelongsong

Bahan cincin kompor adalah baja H13 (4Cr5MoSiV1), bahan dasarnya sama dengan bahan cincin kompor, dan bubuk paduan berbahan dasar nikel menyumbang proporsi terbesar pada bubuk pelapis. Untuk menyederhanakan model simulasi, material lapisan cladding adalah NI60. Massa jenis baja H13 sebesar 7690 kg/m3 dan tegangan luluh sebesar 1.469 GPa; kepadatan NI60 adalah 8544 kg/m3, dan tegangan luluh adalah 2.2 GPa. Sifat material dari kompor dan lapisan kelongsong diperoleh dengan berkonsultasi dengan literatur yang relevan [15]. Konduktivitas, elastisitas, koefisien muai, plastisitas, kapasitas panas spesifik, dan sifat material lainnya dari baja kompor H13 dan lapisan kelongsong NI60 ditentukan dalam Abaqus seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1 dan 2.

1.1.3 Model pelapis laser

Dengan menulis loop program, beberapa langkah analisis kopling perpindahan suhu ditetapkan, termasuk beberapa langkah analisis kelongsong laser dan langkah pendinginan. Proses pengumpanan bubuk koaksial pada kelongsong laser diwujudkan melalui fungsi perubahan model unit dalam modul interaksi di Abaqus, yaitu, unit mesh dari lapisan kelongsong secara bertahap dihasilkan pada permukaan lapisan dasar seiring dengan pergerakan sumber panas laser. Radiasi konveksi ditentukan melalui modul interaksi, dan sifat pertukaran panas permukaan diatur ke suhu sekitar 20 ℃, emisivitas NI60 0.25, dan emisivitas baja H13 0.55; koefisien pembuangan panas film NI60 adalah 80, dan koefisien pembuangan panas film H13 adalah 70.
Kondisi batas ditetapkan melalui beban untuk membatasi bagian bawah substrat baja H13. Langkah analisis ditetapkan melalui program loop, dan disesuaikan dengan perubahan model unit mesh, daya laser dan kecepatan pemindaian laser diubah, serta pengaruh daya laser dan kecepatan pemindaian laser terhadap tegangan sisa lapisan dasar dan lapisan cladding dieksplorasi. Model kelongsong laser ditunjukkan pada Gambar 2.

1.2 Analisis hasil simulasi

Kekuatan laser adalah 1100 W, 1400 W, 1700 W, 2000 W, kecepatan pemindaian 200 mm/menit, 400 mm/menit, 600 mm/menit, 800 mm/menit, dan waktu pendinginan pelapis laser adalah 800 detik . Subrutin sumber cahaya laser yang ditulis oleh modul operasi di Abaqus diimpor untuk menjalankan model simulasi kelongsong laser untuk penghitungan. Data tersebut diolah dengan matlab untuk mendapatkan rata-rata tegangan sisa dan regangan sisa lapisan cladding dan permukaan dasar kompor, seperti terlihat pada Gambar 3.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, tegangan sisa dari lapisan kelongsong dasar NI dan baja dasar H13 di bawah kelongsong laser lebih kecil dari tegangan luluh kedua bahan; menggunakan daya laser yang lebih rendah dan kecepatan pemindaian yang lebih cepat dapat secara efektif mengurangi tegangan sisa dan regangan sisa pada lapisan kelongsong dan permukaan dasar kompor. Oleh karena itu, dari perspektif pengurangan tegangan sisa lapisan kelongsong dan lapisan dasar, rentang proses daya laser yang optimal adalah 1 100-1 400 W, dan rentang proses kecepatan pemindaian laser yang optimal adalah 600-800 mm/mnt. .

2 Lapisan laser percobaan pelapisan roller baru

Studi simulasi kelongsong laser pada lapisan rol memberikan saran mengenai pemilihan dua parameter proses yaitu daya laser dan kecepatan pemindaian laser untuk teknologi kelongsong laser dari perspektif pengurangan tegangan sisa. Atas dasar ini, untuk mengeksplorasi lebih jauh pengaruh parameter proses dan rasio material terhadap kekerasan lapisan dan ketahanan aus, meningkatkan lapisan tahan aus industri yang ada, dan mengeksplorasi proses optimal dan rasio optimal bahan lapisan kelongsong, makalah ini menggabungkan laser teknologi pelapisan dengan bahan baru graphene untuk melakukan eksperimen pelapisan laser pada lapisan rol baru. Diantaranya, graphene adalah bahan nano karbon dua dimensi yang terdiri dari kisi sarang lebah heksagonal yang terdiri dari atom karbon dalam orbit hibrid sp2. Ia memiliki sifat optik, listrik dan mekanik yang sangat baik dan banyak digunakan dalam ilmu material, biomedis dan energi. Rute eksperimen keseluruhan ditunjukkan pada Gambar 4, termasuk pengambilan sampel material lapisan kelongsong, eksperimen kelongsong laser, uji kekerasan, uji ketahanan aus, analisis hasil, dan optimalisasi skema.

2.1 Bahan dan peralatan percobaan untuk pelapisan laser pada lapisan rol

Bahan substrat yang digunakan pada percobaan laser cladding ini sama dengan bahan simulasi diatas yaitu baja H13 (4Cr5MoSiV1), dengan ukuran substrat 30 mm×30 mm×10 mm. Bubuk pelapisnya adalah
(1) bubuk paduan berbahan dasar nikel (Nistelle 625), dengan ukuran partikel -80 hingga 270 mesh;
(2) bubuk tungsten karbida cor bulat, dengan ukuran partikel -100 hingga 270 mesh;
(3) graphene oksida industri, dengan diameter serpihan 10 hingga 50 μm. Peralatan yang digunakan dalam percobaan pelapisan laser ini terutama meliputi: (1) Peralatan pelapisan laser: laser fiber IPG4000 W dan peralatan pendukungnya;
(2) Peralatan pemrosesan dan pengujian: Mesin EDM CNC DK7745, mesin pemoles PG-1A, penguji kekerasan mikro Vickers HXD-1000TMC/LCD, timbangan analitik ZA220.R4 1/100,000, mesin uji gesekan dan keausan universal vertikal MVF-1A, dll. .

2.2 Rencana percobaan

Percobaan ini menggunakan 70% paduan berbasis nikel, 30% lapisan kelongsong tungsten karbida (yaitu, lapisan tradisional kelongsong laser kompor saat ini [16]) dan substrat tidak dilapisi sebagai kelompok kontrol; paduan berbasis nikel ditetapkan pada 70%, dan proporsi bahan lain dalam kelompok eksperimen dirancang berdasarkan hal ini. Menurut parameter seperti kekerasan permukaan dan kualitas keausan spesimen, dipilih rasio lapisan optimal dengan ketahanan aus terbaik dan parameter proses optimal. Parameter proses utama adalah kekuatan laser, kecepatan pemindaian, kecepatan disk pengumpanan bubuk, dan konten graphene. Untuk mengetahui pengaruh keempat parameter di atas terhadap kinerja lapisan kelongsong, dirancang eksperimen ortogonal 4 faktor 4 tingkat. Faktor percobaan dan kadarnya ditunjukkan pada Tabel 3. A, B, C, dan D mewakili empat faktor yang dipilih dalam percobaan ini. Rencana percobaan ortogonal yang ditentukan dengan mengacu pada tabel ortogonal L16 (45) ditunjukkan pada Tabel 4.

Proses pelapisan laser adalah sebagai berikut: Pertama, bahan substrat diampelas dengan amplas, dan permukaan substrat dibersihkan dengan aseton untuk menghilangkan minyak permukaan, kemudian dikeringkan untuk digunakan. Kemudian bahan cladding dicampur secara merata sesuai dengan kandungan graphene yang dijelaskan pada Tabel 3 dan dikeringkan dalam oven pengering vakum pada suhu pengeringan 150 °C dan waktu pengeringan 3 jam. Sebelum pelapisan formal, bahan substrat dipanaskan terlebih dahulu pada suhu pemanasan awal 150-180 °C; setelah pemanasan awal, pelapisan laser dilakukan sesuai dengan parameter yang ditunjukkan pada Tabel 4 dan diberi nomor. Untuk memudahkan analisis, jumlah bahan pelapis tradisional dan bahan dasar masing-masing adalah 17 dan 18; untuk menghindari oksidasi bubuk tungsten karbida, gas argon dengan kemurnian tinggi digunakan untuk perlindungan gas selama pengumpanan bubuk koaksial. Proses pemanasan awal dan cladding ditunjukkan pada Gambar 5. Pemrosesan dan pengujian selanjutnya: ① ​​Sampel dipotong menggunakan mesin pemotong kawat; ② Sampel dipoles dengan amplas dan mesin pemoles, permukaan spesimen dibersihkan dengan etanol anhidrat, dan kekerasan permukaan setiap spesimen diukur menggunakan microhardness tester. Beban yang diterapkan adalah 9.807 N dan waktu pembebanan adalah 10 s. Ukur kekerasan pada 4 titik dan ambil nilai rata-ratanya, yang digunakan sebagai kekerasan permukaan pelapis sampel; ③ Giling dan poles kembali sampel, bersihkan permukaan sampel dengan etanol anhidrat, lalu keringkan; timbang massa masing-masing sampel dengan timbangan elektronik, ukur massa masing-masing sampel sebanyak 6 kali, hilangkan nilai ekstrimnya dan ambil nilai rata-ratanya sebagai massa sampel sebelum dipakai; Gunakan mesin uji gesekan dan keausan untuk melakukan uji keausan, atur suhu pengujian ke suhu kamar, kecepatan mesin uji gesekan dan keausan menjadi 400 putaran/menit, waktu gesekan menjadi 30 menit, dan beban menjadi 12 N [16]; Setelah uji keausan, timbang kembali massa masing-masing sampel, dan selisih massa sebelum dan sesudah pengujian adalah massa keausan; ④ Berdasarkan hasil pengujian di atas, analisis statistik dilakukan untuk mendapatkan rasio optimal dan proses optimal pelapisan baru pada kompor.

2.3 Analisis hasil eksperimen

Gambar 6 dan 7 masing-masing merupakan perbandingan kekerasan dan perbandingan ketahanan aus hasil percobaan. Dapat dilihat dari Gambar 6 dan 7 bahwa pelapisan setelah penambahan graphene telah mencapai peningkatan kekerasan tertentu dibandingkan dengan pelapis tradisional (No. 17) dan bahan dasar (No. 18). Pada 16 kelompok percobaan, sampel 1 memiliki kekerasan tertinggi, yaitu 147.68% lebih tinggi dari bahan dasar dan 48.47% lebih tinggi dari bahan pelapis tradisional; sampel 13 memiliki kekerasan paling rendah, yang pada dasarnya sama dengan pelapis tradisional, namun kekerasannya masih 64.53% lebih tinggi dari bahan dasar, dan efek peningkatan kekerasan paling signifikan.

Dengan nilai horizontal setiap faktor sebagai sumbu horizontal dan rata-rata indeks yang sesuai sebagai sumbu vertikal, maka digambarkan grafik tren horizontal setiap faktor, seperti terlihat pada Gambar 8. Terlihat dari Gambar 8 bahwa:
(1) Bila kandungan graphene sekitar 2%, massa keausan sampel memiliki nilai minimum dan ketahanan aus relatif baik; ketika kandungan graphene lebih tinggi dari 4%, massa keausannya dapat semakin berkurang, namun seiring dengan peningkatan kandungan graphene, efek “aglomerasi” juga dapat berdampak buruk pada sifat mekanik sampel, yang perlu dipertimbangkan secara komprehensif;
(2) Dengan meningkatnya daya laser, massa keausan sampel meningkat dan ketahanan aus menurun, sehingga parameter daya laser yang lebih baik mungkin berada dalam kisaran kurang dari 1 100 W;
(3) Dengan meningkatnya kecepatan pemindaian, massa keausan spesimen berkurang dan ketahanan aus meningkat, sehingga kecepatan pemindaian yang lebih baik mungkin ada dalam kisaran lebih dari 800 mm/menit, tetapi ukuran makroskopis dan sifat mekanik dari spesimen tersebut pelapisan perlu dipertimbangkan secara komprehensif;
(4) Ketika kecepatan cakram pengumpanan bubuk sekitar 50 putaran/menit, massa keausan sampel mencapai nilai maksimum dan ketahanan ausnya buruk. Kecepatan cakram pemindaian yang lebih baik mungkin berada dalam kisaran kurang dari 30 putaran/menit dan lebih dari 90 putaran/menit, tetapi fluiditas bubuk dan rentang kinerja proses peralatan pelapis laser perlu dipertimbangkan secara komprehensif.
Ringkasnya, setelah analisis hasil pengujian ortogonal, solusi optimal yang dipilih terlebih dahulu berdasarkan data pengujian yang ada adalah kandungan graphene 1%, daya laser 1 700 W, kecepatan pemindaian 400 mm/mnt, dan kecepatan disk pengumpanan bubuk 90 r/mnt. .

3 Kesimpulan

(1) Model simulasi kelongsong laser sumber panas ellipsoid ganda dibuat dengan simulasi elemen hingga Abaqus, dan pengaruh mekanis dari proses perbaikan termal pada lapisan dasar dan lapisan kelongsong dieksplorasi. Hasil simulasi menunjukkan bahwa penggunaan daya laser yang lebih rendah dan kecepatan pemindaian yang lebih cepat dapat secara efektif mengurangi tegangan sisa dan regangan sisa lapisan kelongsong dan substrat kompor, yang memberikan ide dan dasar untuk mengoptimalkan parameter proses untuk memecahkan masalah tegangan sisa pada kelongsong. teknologi.

(2) Menggabungkan teknologi pelapisan laser dengan bahan graphene baru, percobaan pelapisan laser pada lapisan kompor baru dilakukan, dan parameter proses serta rasio bahan pelapis dioptimalkan dari perspektif ketahanan aus dan kekerasan. Melalui eksperimen kelompok, rasio material dan parameter proses yang dapat sangat meningkatkan ketahanan aus kompor dioptimalkan: kandungan graphene 1%, daya laser 1 W, kecepatan pemindaian 700 mm/mnt, kecepatan pelat pengumpan bubuk 400 r/mnt. Eksperimen pelapisan laser pada lapisan kompor baru memberikan metode eksperimental dan dukungan data untuk pembuatan lapisan dan peningkatan kinerja kompor. Pembuatan lapisan kompor dengan menggabungkan teknologi modifikasi permukaan dengan material baru memiliki landasan teori yang memadai dan prospek penerapan yang luas, serta memiliki nilai referensi dan signifikansi praktis untuk pemilihan strategi awal pembuatan dan remanufaktur kompor.