Резюме
В данной статье представлены основные принципы, характеристики процесса и конкретные области применения технологии лазерной наплавки при ремонте коленчатых валов дизельных двигателей. На примере ремонта износа шейки зубчатого вала морского дизельного двигателя G6190ZLLCZZ-3R подробно описан весь процесс, включая сбор данных, обнаружение дефектов, предварительный нагрев, лазерную наплавку, теплоизоляцию и охлаждение, последующую механическую обработку, полировку, очистку и контроль качества. Технология лазерной наплавки обладает такими преимуществами, как низкая степень разбавления, высокая прочность сцепления и минимальная термическая деформация, что делает ее подходящей для ремонта высокоточных компонентов, работающих под высокими нагрузками, таких как коленчатые валы, с отличным экономическим и рекламным потенциалом.

1. Введение
Дизельные двигатели, как эффективные силовые установки, широко используются в судовых силовых установках и системах выработки электроэнергии. Коленчатый вал является ключевым компонентом дизельного двигателя, отвечающим за преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение, передавая крутящий момент на вспомогательные устройства, такие как топливный и масляный насосы, через активную шестерню. При длительной эксплуатации коленчатые валы подвержены износу, особенно в области шейки вала активной шестерни, что требует высокой точности ремонта и влечет за собой высокие затраты. Лазерная наплавка — это метод модификации поверхности, при котором лазерный луч расплавляет наплавляемый материал и поверхность подложки, после чего происходит быстрое затвердевание для образования металлургической связи. Этот метод, благодаря плотному покрытию, сильной силе сцепления и широкой применимости материалов, открывает новые возможности для ремонта коленчатых валов.

2. Технология лазерной наплавки: процесс и особенности
Существует два типа процессов лазерной наплавки: предварительная и синхронная. При предварительной наплавке материал наносится на поверхность подложки до его расплавления лазером, тогда как при синхронной наплавке материал подается во время лазерного облучения, как правило, в виде порошка или проволоки. Технология имеет следующие характеристики:

Высокая скорость охлаждения (до 10⁶ К/с), способствующая формированию тонкой кристаллической структуры.

Низкая степень разбавления (<5%) и металлургическое сцепление с подложкой.

Минимальный подвод тепла, что позволяет контролировать деформацию заготовки.

Широкий выбор материалов для облицовки, позволяющий наносить высокотемпературные сплавы на низкотемпературные подложки.

Широкий диапазон толщины облицовки (0.2-2.0 мм), идеально подходит для локального ремонта.

Этот процесс легко автоматизировать.

3. Сбор и предварительная обработка исходных данных коленчатого вала.
Коленчатый вал, подлежащий ремонту, изготовлен из материала QT800-2A, при этом на шейке активного вала шестерни (сечение BC на рисунке 2) наблюдался износ. Измеренный наружный диаметр шейки вала показал отклонение от стандартного размера (Ø1100, 180, 200, 180, 20 мм) с неравномерным износом. Капиллярный и ультразвуковой контроль подтвердили отсутствие трещин и других дефектов на поверхности. Первоначальная твердость шейки вала составила HRC43. Затем шейка вала была обработана на токарном станке до диаметра Ø109.50 мм для устранения отклонений в округлости и цилиндричности, подготовив ее к наплавке.

4. Процесс лазерной наплавки

ПрогреваниеКоленчатый вал устанавливается на токарный станок и медленно вращается, при этом печь используется для равномерного нагрева зоны ремонта до 250°C.

Ремонт облицовкиДля синхронной подачи наплавленного слоя используется полупроводниковый лазер с проволокой из сплава на основе железа. В процессе строгий контроль температурного градиента обеспечивает металлургическое сцепление наплавленного слоя с подложкой без трещин и пористости.

ТеплоизоляцияПосле облицовки ремонтируемый участок покрывается теплоизоляционным хлопком и выдерживается в течение 30 минут, после чего охлаждается до комнатной температуры.

ИзмеренияРазмер шейки вала после наплавки составляет приблизительно Ø112.10 мм, толщина наплавленного слоя — около 1.3 мм, при этом 0.95 мм материала зарезервировано для механической обработки. Твердость ремонтной зоны повышена до HRC47.

5. Механическая обработка после лазерной наплавки

обработкаПоверхность облицовки сглаживается путем токарной обработки до диаметра Ø110.50 мм.

Дробление:Окончательный размер шлифуется до Ø110.20 мм для обеспечения посадки с натягом с шестерней.

Регулировка шпоночного пазаШирина шпоночного паза фрезеруется от 22.7 мм до 24 мм, а глубина — от 4.6 мм до 5 мм.

Расчет прочностиИсходя из номинальной мощности дизельного двигателя 440 кВт и частоты вращения 1300 об/мин, напряжение сдвига при кручении в зоне ремонта было рассчитано как 7.39 МПа, что ниже допустимого напряжения материала в 256 МПа и соответствует требованиям эксплуатации.

Полировка и очистка: Ремонтируемый участок полируется с использованием зеленой полировальной пасты и очищается моющим средством.

Инспекция: Область ремонта была проверена с помощью капиллярного и ультразвукового контроля, подтвердившего отсутствие дефектов.

6. Заключение
Технология лазерной наплавки, как эффективный и надежный метод ремонта поверхностей, демонстрирует значительные преимущества при ремонте ключевых компонентов, таких как коленчатые валы. В данной статье представлен конкретный случай ремонта, подтверждающий эффективность технологии в восстановлении размеров и улучшении свойств поверхности, а также ее экономическую целесообразность. С развитием лазерных технологий ожидается значительное расширение их применения в судостроении и производстве.