Для решения проблемы сильного износа поверхности и сложности ремонта в процессе капитального ремонта была использована технология лазерной наплавки для восстановления изношенной поверхности вала редуктора. Было изучено влияние лазерной наплавки на металлографическую микроструктуру, твердость, износостойкость и коррозионную стойкость поверхности вала редуктора. Результаты показывают, что после восстановления изношенного вала редуктора с помощью лазерной наплавки слой поверхностной наплавки получается тонким и плотным, а эксплуатационные характеристики слоя наплавки значительно улучшаются. Износостойкость и коррозионная стойкость примерно в 2.5 и 2 раза выше, чем у подложки вала редуктора соответственно. Технология лазерной наплавки имеет широкие перспективы применения при восстановлении валов редукторов.

Редуктор в основном состоит из передаточных частей (шестерни или червяка), вала, подшипника, корпуса и его принадлежностей [1]. Производственная практика показывает, что при длительной эксплуатации редуктора поверхность вала редуктора подвержена износу. Когда вал редуктора изнашивается до определенной степени, это приводит к тому, что оборудование не может нормально работать. Как только это происходит, необходимо заменить вал редуктора или отремонтировать и восстановить его поверхность. Хотя замена вала редуктора может восстановить производительность редуктора, этот метод имеет ограничения. С одной стороны, при коротком периоде технического обслуживания вал редуктора для замены может не поступить вовремя; с другой стороны, стоимость замены вала редуктора высока. Поэтому в последние годы ремонт и восстановление поверхности вала редуктора широко изучались и применялись на практике. В настоящее время широко используемые технологии ремонта и восстановления поверхности вала редуктора включают щеточное покрытие, ремонтную сварку, термическое напыление и т. д. Хотя были достигнуты хорошие эффекты применения, все еще имеются некоторые недостатки. Например, на поверхности вала редуктора используется технология щеточного покрытия, а полученное щеточное покрытие имеет ограниченную толщину и легко отслаивается [2]; используется технология ремонтной сварки, а температура в процессе восстановления высокая, что создает термические напряжения и большую зону термического влияния, что легко приводит к появлению трещин или трещин на поверхности вала; используется технология термического напыления, а полученное термическое напыление механически связывается с основой вала редуктора, а прочность связи невысокая [3], а покрытие имеет поры и высокую пористость. Технология лазерной наплавки — это технология модификации поверхности, которая в последние годы все чаще применяется в промышленных приложениях. Она имеет такие преимущества, как малая зона термического влияния, малая деформация, низкий расход материала, низкая стоимость, чистота и отсутствие загрязнения [4-6]. Для вала редуктора с сильным износом целесообразно использовать технологию лазерной наплавки для восстановления его поверхности. Вал редуктора, ремонтируемый на определенном предприятии, был сильно изношен. Было сложно восстановить его размер традиционными техническими методами. Если бы вал был изготовлен на заказ у производителя, это заняло бы около 2 месяцев. Для того, чтобы соответствовать требованиям периода обслуживания, технология лазерной наплавки использовался для ремонта и восстановления изношенной поверхности вала редуктора с целью восстановления его эксплуатационных характеристик и продления срока службы вала редуктора.

1 Тестовые материалы и процесс
1.1 Испытательные материалы и оборудование
Испытуемые материалы - вал редуктора скребкового конвейера, отремонтированный определенным предприятием, и порошок лазерной наплавки. В связи с тем, что выход из строя вала редуктора в основном обусловлен износом поверхности, при выборе порошка лазерной наплавки для обеспечения эффекта ремонта и восстановления вала редуктора, в первую очередь, учитываются требования к износостойкости поверхности вала редуктора, а во вторую очередь - стоимость ремонта и восстановления лазерной наплавки. Кроме того, необходимо учитывать и условия эксплуатации вала редуктора. Учитывая все вышеперечисленные факторы, для испытания выбирается порошок лазерной наплавки на основе железа, состав которого приведен в таблице 1 ниже.
При выборе испытательного оборудования, исходя из эффективности лазерной наплавки, качества ремонта и восстановления лазерной наплавки, стоимости и других факторов, был выбран лазер полупроводникового типа с номинальной мощностью 4 кВт и моделью оборудования IGJR-4.

1.2 Процесс тестирования
Основной испытательный процесс восстановления поверхности вала редуктора с использованием технологии лазерной наплавки заключается в следующем.
(1) Предварительная обработка поверхности
Изношенная поверхность вала редуктора очищается, и масло, угольный шлак и другой мусор на поверхности тщательно удаляются. Усталостный слой на внешней поверхности вала редуктора обтачивается на токарном станке с ЧПУ, и усталостный слой обтачивается чисто до тех пор, пока не останется точек коррозии или царапин. Общая толщина обточки составляет 0.5-1.0 мм.
(2) Измерение размеров и формулировка параметров
Размеры вала редуктора после обточки измеряются штангенциркулем, а толщина слоя лазерной наплавки рассчитывается в соответствии с требованиями к монтажным размерам вала редуктора, а также формулируются параметры испытания лазерной наплавки, как показано в таблице 2.
(3) Лазерная наплавка
Перед лазерной наплавкой поверхность вала редуктора очищается безводным этанолом, а после сушки выполняется лазерная наплавка в соответствии с установленными параметрами лазерной наплавки. На рисунке 1 показан процесс лазерной наплавки вала редуктора. На рисунке 2 показана морфология поверхности вала редуктора после лазерной наплавки.
(4) Обработка
Для того чтобы соответствовать требованиям сборки вала редуктора, вал редуктора после лазерной наплавки должен быть обработан. Сначала для испытания используется токарный станок с ЧПУ CK61100 для его обточки. После обточки на поверхности нет царапин, ямок и других дефектов, и оставлен припуск на обработку 0.1 мм; затем поверхность вала редуктора полируется внешним цилиндрическим полировальным станком до тех пор, пока не будут выполнены требования к размеру и шероховатости поверхности вала редуктора. На рисунке 3 показана окончательная морфология поверхности вала редуктора после обработки.

(5) Проверка качества и эксплуатационные испытания
Обработанный вал редуктора проходит проверку качества, где размер проверяется штангенциркулем, шероховатость проверяется измерителем шероховатости, а дефекты, такие как поры и трещины, проверяются методом капиллярного контроля (PT). Эффект ремонта и восстановления лазерной наплавки вала редуктора в основном оценивается по анализу микроструктуры и испытанию производительности слоя наплавки.

Анализ эффекта ремонта и восстановления вала редуктора методом лазерной наплавки
2.1 Анализ микроструктуры
Микроструктура слоя лазерной наплавки вала редуктора после восстановления лазерной наплавки представлена ​​на рисунке 4.
Как показано на рисунке 4, морфология микроструктуры слоя лазерной наплавки (ярко-белая область) вала редуктора, очевидно, отличается от морфологии подложки (темная область справа). Слой лазерной наплавки и подложка тесно связаны, а интерфейс представляет собой плоский кристалл, что указывает на то, что они связаны металлургически. Независимо от верхней, средней или нижней части слоя лазерной наплавки, зерна в целом относительно малы. Основная причина заключается в том, что лазерная наплавка представляет собой процесс быстрого нагрева и охлаждения, а время воздействия относительно короткое, поэтому зерна не успевают вырасти [7-8]. Слой наплавки имеет тонкую и плотную структуру, что помогает улучшить комплексные механические свойства слоя наплавки. Кроме того, на рисунке 4 имеются определенные морфологические различия в микроструктуре различных положений слоя наплавки. Средняя часть слоя наплавки показывает очевидную морфологию дендритов. Это происходит в основном потому, что градиент температуры в средней части слоя оболочки уменьшается относительно нижней части слоя оболочки, а скорость затвердевания увеличивается, так что мелкие плоские кристаллы, образующиеся в нижней части слоя оболочки, постепенно вырастают в дендриты. Однако, согласно теории затвердевания, дендриты не могут расти все время. Чем ближе к верхней части слоя оболочки (самая левая сторона на рисунке 4), тем больше влияние воздуха, и морфология дендритов постепенно исчезает.

2.2 Анализ твердости
Испытание на твердость по Роквеллу проводилось пять раз на поверхности слоя лазерной наплавки вала редуктора с использованием твердомера Роквелла HR-150A. Справочный стандарт испытаний GB/T230.1-2018 «Испытание твердости металлических материалов по Роквеллу. Часть 1: Метод испытания». В таблице 3 показаны результаты испытаний на твердость слоя лазерной наплавки вала редуктора.

Как показано в таблице 3, значения твердости пяти контрольных точек слоя лазерной наплавки на поверхности вала редуктора скребкового конвейера не сильно отличаются, а средняя твердость достигает 50.02HRC. Высокая твердость полезна для прочности поверхности и износостойкости вала редуктора. Согласно соотношению между свойствами материала, слой лазерной наплавки обладает высокой твердостью и сильной способностью противостоять деформации и разрушению. В то же время значение твердости также является одним из важных показателей для измерения износостойкости [9-10]. После ремонта и восстановления вала редуктора с помощью технологии лазерной наплавки поверхностный слой лазерной наплавки имеет высокую твердость, что помогает улучшить эксплуатационные характеристики поверхности вала редуктора и повысить эффект применения восстановления лазерной наплавки.

2.3 Анализ износостойкости
Испытание на износостойкость использует машину для испытания на абразивный износ MLG-130 для проведения трех групп испытаний на сравнительный анализ слоя покрытия вала редуктора и подложки. Испытание относится к стандарту JB/T7705-1995 «Метод испытания на износ резинового колеса свободным абразивом». На рисунке 5 показаны результаты испытаний на сравнительный анализ износостойкости между слоем лазерного покрытия и подложкой вала редуктора.

Как показано на рисунке 5, потеря массы износа слоя лазерной наплавки вала редуктора и подложки различна. Результаты сравнительных испытаний износостойкости слоя наплавки и подложки трех групп валов редукторов скребкового конвейера совпадают, а потеря износа подложки больше, чем потеря износа слоя наплавки. Этот результат не только показывает, что потеря износа подложки больше при тех же условиях испытаний, и технология лазерной наплавки может улучшить износостойкость поверхности вала редуктора, но также косвенно отражает, что различные микроструктуры слоя лазерной наплавки и подложки приводят к различиям в износостойкости. В трех группах сравнительных испытаний износостойкости средняя потеря износа подложки вала редуктора составила около 0.65 г, а средняя потеря износа слоя наплавки на поверхности вала редуктора после ремонта и восстановления лазерной наплавки составила около 0.28 г. При тех же стандартах испытаний на износ и условиях испытаний на износ потеря на износ слоя лазерной наплавки на поверхности вала редуктора составляет около 2/5 от подложки вала редуктора. Можно приблизительно считать, что износостойкость слоя лазерной наплавки на поверхности вала редуктора в 2.5 раза выше, чем у подложки вала редуктора.

2.4 Анализ коррозионной стойкости
Испытание на коррозионную стойкость использовало испытательный бокс для испытания на коррозию в соляном тумане LRHS-412-RY для проведения пяти групп испытаний на нейтральный солевой туман (испытания NSS) на подложке вала редуктора и слое оболочки. Справочный стандарт испытания GB/T10125-2012 «Испытание на коррозию в искусственной атмосфере в соляном тумане». Конкретные условия испытания: массовая концентрация раствора хлорида натрия составляет 50 г/л, pH распыляемого раствора составляет 6.5-7.2, давление распыления составляет 120 кПа, а время испытания составляет 48 часов. После испытания продукты коррозии полностью удаляются и промываются этанолом, а потеря массы измеряется после тщательной сушки. На рисунке 6 показаны результаты сравнительного испытания на коррозионную стойкость слоя лазерной наплавки вала редуктора и подложки.

Как видно из рисунка 6, потеря массы от коррозии слоя лазерной наплавки вала редуктора отличается от потери массы подложки. Результаты пяти групп сравнительных испытаний на коррозионную стойкость слоя наплавки и подложки вала редуктора совпадают, а потеря массы от коррозии подложки больше, чем потеря массы от коррозии слоя наплавки, что указывает на то, что при тех же условиях испытаний масса от коррозии подложки больше, а коррозионная стойкость слоя лазерной наплавки вала редуктора лучше. Причина различной потери массы от коррозии в основном в том, что микроструктура и морфология слоя лазерной наплавки вала редуктора отличаются от микроструктуры и морфологии подложки, а также способность противостоять коррозии различна. В пяти группах сравнительных испытаний на коррозионную стойкость средняя потеря массы от коррозии подложки вала редуктора составляет около 0.44 г. После ремонта и восстановления лазерной наплавки средняя потеря массы от коррозии слоя наплавки на поверхности вала редуктора составляет около 0.21 г. При тех же стандартах испытаний на коррозию и условиях испытаний коррозионная потеря массы слоя лазерной наплавки на поверхности вала редуктора составляет около 1/2 от подложки вала редуктора. Можно приблизительно считать, что коррозионная стойкость слоя лазерной наплавки на поверхности вала редуктора в два раза выше, чем у подложки вала редуктора.

3 Выводы
Технология лазерной наплавки достигла хороших результатов применения при ремонте и восстановлении поверхности вала редуктора. После ремонта и восстановления поверхности вала редуктора скребкового конвейера с помощью технологии лазерной наплавки зерна в середине слоя лазерной наплавки представляли собой дендриты, общие зерна были небольшими, а структура плотной, поверхностная твердость слоя наплавки достигла 50.02HRC, износостойкость слоя наплавки была примерно в 2.5 раза выше, чем у основного материала вала редуктора, а коррозионная стойкость была примерно в 2 раза выше, чем у основного материала. Видно, что технология лазерной наплавки может эффективно решать проблему износа поверхности вала редуктора, она не только может восстановить производительность вышедшего из строя вала и продлить срок службы вала редуктора, но также имеет низкие затраты на ремонт и восстановление, энергосбережение и сокращение выбросов, а также имеет широкие перспективы применения.