龍永祥，王 闖

（國(guó)家電投內(nèi)蒙古公司 霍林河北露天煤礦，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200）

霍林河北露天煤礦擁有2 大輸煤系統(tǒng)，主要承擔(dān)火力發(fā)電廠發(fā)電機(jī)組燃煤的破碎、儲(chǔ)存和輸運(yùn)任務(wù)。MMD 雙齒輥破碎機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：占用空間小，結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)基礎(chǔ)要求小，生產(chǎn)能力高，節(jié)能環(huán)保，能夠適應(yīng)各種物料的破碎，因此在輸煤系統(tǒng)中選用了MMD 625 型雙齒輥破碎機(jī)進(jìn)行煤炭破碎的任務(wù)。

齒板是MMD625 破碎機(jī)中的關(guān)鍵部件之一，也是最易磨損失效的部件，在齒板破損到一定程度之后就需要及時(shí)地更換齒板以保證破碎機(jī)工作效率。然而，齒板昂貴的更換費(fèi)用以及有限空間的惡劣工作環(huán)境使得企業(yè)的維修經(jīng)費(fèi)和人工成本大大增加。

MMD 625 雙齒輥破碎機(jī)一般采用齒板結(jié)構(gòu)形式的截齒，通過(guò)齒板間齒冠的相互嚙合剪切、擠壓對(duì)煤炭進(jìn)行破碎。通過(guò)大量的實(shí)踐證明，齒板磨損嚴(yán)重的主要因素有2 種：①齒板自身耐磨性和強(qiáng)度不夠，齒板在進(jìn)行連續(xù)破碎過(guò)程中由于與煤塊的沖擊和摩擦，會(huì)產(chǎn)生磨損，若齒板強(qiáng)度和耐磨性不足，則會(huì)加快齒板磨損速度；②煤炭中含有夾矸石和鐵結(jié)核，由于夾矸石和鐵結(jié)核抗壓強(qiáng)度高、硬度大，鐵結(jié)核和夾矸石不能被破碎機(jī)破碎，因此會(huì)長(zhǎng)期滯留在破碎機(jī)內(nèi)與齒板長(zhǎng)期沖擊，不但會(huì)使齒板磨損迅速，還容易導(dǎo)致齒冠崩斷，使得齒板失效。

齒板磨損到一定程度后，破碎機(jī)的破碎能力會(huì)迅速下降，進(jìn)料速度大于出料速度，從而發(fā)生返料故障，破碎后的煤料塊度也不能滿足電廠需要，這時(shí)就需要及時(shí)更換齒板。然而，由于MMD 破碎機(jī)為進(jìn)口破碎設(shè)備，包括齒板等大量零部件都依賴(lài)進(jìn)口，采購(gòu)和運(yùn)輸也比較困難，價(jià)格非常昂貴，因此每次更換齒板都會(huì)花費(fèi)巨大維修費(fèi)用；另外，由于MMD 破碎機(jī)齒板與齒輥之間采用螺栓固定聯(lián)接，在每次更換齒板時(shí)都要在狹小空間中采用氣動(dòng)扳手和氣鏟對(duì)螺栓孔中的煤粉和污泥進(jìn)行清理，才能完成齒板拆卸和更換工作，粉塵污染大，作業(yè)環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，齒板更換困難，同時(shí)也存在著物體打擊、擠傷等安全隱患。

1 齒板修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀

為了減緩齒板破損速度，盡可能減少齒板更換頻率，有效降低維修經(jīng)費(fèi)和人工成本，國(guó)內(nèi)諸多MMD 雙齒輥破碎機(jī)設(shè)備用戶采取措施來(lái)降低齒板磨損速度，其中胡友情等[1]總結(jié)出一套破碎機(jī)齒板磨損后的處理方法，采用多種不同材料的耐磨焊條分2 次對(duì)齒板齒尖進(jìn)行補(bǔ)焊，結(jié)果表明，通過(guò)此方法有效減緩了齒板磨損速度，延長(zhǎng)了齒板更換周期，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于磨損嚴(yán)重的齒板修復(fù)，徐昆鵬等[2]引進(jìn)耐磨堆焊新材料，采用堆焊方式對(duì)齒板進(jìn)行了修復(fù)，將齒冠堆焊至原有形狀，通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，修復(fù)效果顯著，齒板耐磨性得到顯著增強(qiáng)，大大延長(zhǎng)了齒板使用時(shí)間，有效保證了破碎機(jī)出料塊度，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

盡管采用上述方式可以減緩齒板磨損速度和重新修復(fù)齒板，但無(wú)論是對(duì)齒板齒冠進(jìn)行補(bǔ)焊還是通過(guò)堆焊形式對(duì)齒板進(jìn)行修復(fù)，基本都是采用手工電弧焊的作業(yè)方式，人的因素對(duì)手工電弧焊的焊接成形質(zhì)量有很大影響，不能保證齒板修復(fù)后的強(qiáng)度和精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，另外，手工電弧焊產(chǎn)生的熱影響區(qū)較大，還會(huì)使齒板基體材質(zhì)發(fā)生改變，強(qiáng)度及耐磨性下降，發(fā)生齒冠斷裂現(xiàn)象，齒板基體磨損加劇，進(jìn)而導(dǎo)致齒板失效[3-4]。針對(duì)現(xiàn)有齒板修復(fù)技術(shù)存在的問(wèn)題，為減小因補(bǔ)焊和堆焊修復(fù)齒冠對(duì)齒板產(chǎn)生的不良影響，提出了一種新的齒板修復(fù)方法——基于激光熔覆技術(shù)的激光增材再制造技術(shù)。

2 激光熔覆及激光增材再制造技術(shù)

激光熔覆技術(shù)早在20 世紀(jì)70 年代就開(kāi)始有人進(jìn)行研究，它是激光制造技術(shù)一個(gè)核心的應(yīng)用領(lǐng)域，在金屬材料表面性能改進(jìn)、摩擦學(xué)、應(yīng)用激光以及零件再制造方面有著廣泛的應(yīng)用，激光熔覆技術(shù)的優(yōu)異表現(xiàn)受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的追捧和研究[5-7]。激光熔覆的工作原理是將提前預(yù)置在加工位置的或以不同輸送方法輸運(yùn)過(guò)來(lái)的熔覆粉末流送入激光束高能量區(qū)域，與零件表面同時(shí)熔化，冷卻后形成極低稀釋率的熔層，能夠提高零件的表面抗腐蝕性、抗磨性、抗高溫等性能[8-10]。激光熔覆技術(shù)可以明顯提高零件表面性能，也可面向損傷部件實(shí)行再制造修復(fù)，它擁有節(jié)能、對(duì)環(huán)境污染小、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)正成為高附加值零件生產(chǎn)行業(yè)的熱門(mén)話題，它引入全新的制造理念，例如零件的激光直接制造、增材制造與激光再制造，它避免了傳統(tǒng)制造模式下存在的材料過(guò)多浪費(fèi)問(wèn)題。

再制造就是一個(gè)機(jī)械零件在到達(dá)本身的使用壽命后，通過(guò)一些專(zhuān)業(yè)技術(shù)手段與方法重新對(duì)零件損傷的部位進(jìn)行修復(fù)重造，它是基于零件本身的重新制造的過(guò)程。激光增材再制造技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)模式上的再制造過(guò)程，引入了全新再制造理念，它是基于金屬3D 打印技術(shù)，結(jié)合高柔性的智能控制系統(tǒng)，對(duì)零件的受損或失效部位進(jìn)行反向三維建模，通過(guò)分層切片、修復(fù)線路編程等規(guī)程，采用合適的送粉和修復(fù)工藝，使用逐點(diǎn)、線、面、層的方法對(duì)損傷部位修復(fù)成形再造，修復(fù)后的零件在強(qiáng)度、硬度、形狀等方面都能達(dá)到理想的要求[8-10]。激光增材再制造系統(tǒng)原理示意圖如圖1。

圖1 激光增材再制造技術(shù)原理示意圖

激光增材再制造技術(shù)是近幾年一種新興的零部件修復(fù)再造技術(shù)，由于其高精度、高智能化、熱損傷小、成本低等諸多特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)諸多領(lǐng)域有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，例如在航空領(lǐng)域飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的修復(fù)，航海輪船發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的修復(fù)再造，礦山刮板輸送機(jī)鏈輪、液壓支架液壓缸體的修復(fù)，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域農(nóng)耕刀具的修復(fù)、鍍層等。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所王茂才等[11]利用粉末冶金修復(fù)再制造技術(shù)成功解決了大空隙缺陷近強(qiáng)度修復(fù)以及難焊接鑄造高溫葉片焊接難題。王浩，王立文等[12]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù)困難與維修價(jià)格昂貴等問(wèn)題，采用了基于激光熔覆技術(shù)的再制造修復(fù)方法，葉片修復(fù)取得良好的效果。封慧，李劍鋒等[13]利用激光熔覆再制造技術(shù)對(duì)損傷曲軸進(jìn)行了修復(fù)，通過(guò)試驗(yàn)，熔層與基體冶金結(jié)合良好，熔層硬度顯著優(yōu)于基體硬度[14]。齊海波，徐全蓋等[15]利用激光增材再制造技術(shù)對(duì)鐵軌損傷部位進(jìn)行再制造修復(fù)，修復(fù)后的熔層表面強(qiáng)度和硬度均超過(guò)了原有基材力學(xué)性能。由于其優(yōu)秀的表現(xiàn)，激光增材再制造技術(shù)獲得了廣泛的認(rèn)可和肯定。

2.1 激光增材再制造熔覆試件細(xì)觀形貌

激光增材再制造熔覆試件截面在超景深顯微鏡下細(xì)觀形貌特征，熔覆試件上層為合金粉末熔融產(chǎn)生的熔覆層，中層為熔融金屬粉末與基材相融結(jié)合的冶金層，下方為試件基體，中部區(qū)域?yàn)榧す馊鄹埠螽a(chǎn)生的熱影響區(qū)。與手工電弧焊產(chǎn)生的熱影響區(qū)相比，采用此技術(shù)能夠大大減小熱影響區(qū)的范圍，對(duì)修復(fù)件基體材質(zhì)的影響能夠降到最低。

2.2 硬度測(cè)試

利用洛氏硬度檢測(cè)儀器對(duì)激光增材再制造熔覆試件進(jìn)行硬度測(cè)試，在試件截面熔覆層、熔池、熱影響區(qū)、基材4 個(gè)區(qū)域分別選取5 個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行硬度表1 測(cè)試。實(shí)際測(cè)量路開(kāi)硬度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)際測(cè)量洛氏硬度數(shù)據(jù)HRC

測(cè)試結(jié)果表明，從熔覆層到基體材料，硬度在逐漸下降，熱影響區(qū)和基體材料硬度基本無(wú)差別，由此可以看出，采用激光增材再制造技術(shù)對(duì)試件進(jìn)行熔覆，不但能夠強(qiáng)化試件表面強(qiáng)度和硬度，熔覆產(chǎn)生的熱影響對(duì)基體材料的材質(zhì)幾乎沒(méi)有影響。相信使用該技術(shù)對(duì)齒板進(jìn)行修復(fù)再制造，不但能夠獲得理想的形狀和尺寸精度，還能使齒板基體的熱損傷降到最低，達(dá)到甚至超過(guò)原有齒板強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)齒板磨損原因和更換過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行了分析，闡述了現(xiàn)有齒板修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)有齒板修復(fù)技術(shù)存在的一些問(wèn)題，引出了激光增材再制造技術(shù)，介紹了激光增材再制造技術(shù)的原理和研究現(xiàn)狀，觀察了激光增材再制造熔覆試件截面在超景深顯微鏡下細(xì)觀形貌特征，并對(duì)熔覆件進(jìn)行了硬度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)熔覆試件表面強(qiáng)度和硬度達(dá)到并超過(guò)了原基體強(qiáng)度和硬度，對(duì)基體材質(zhì)的熱損傷幾乎可以忽略不計(jì)。在MMD 625 雙齒輥破碎機(jī)齒板修復(fù)再制造方面，若是采用激光增材再制造技術(shù)修復(fù)齒板，能夠克服手工電弧焊所產(chǎn)生的不良影響，提高修復(fù)精度，極大降低齒板熱損傷，修復(fù)部位能夠達(dá)到甚至超過(guò)齒板基體強(qiáng)度和硬度，這將會(huì)為企業(yè)降低維修成本，提高破碎機(jī)工作效率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，因此激光增材再制造技術(shù)在齒板修復(fù)方面具有很高的應(yīng)用前景。