一、研究背景
目前，風力發電機齒輪箱的失效故障占風力發電機總失效故障的 40%，是風力發電機主要的停機故障。在齒輪箱失效故障中，齒輪失效導致齒輪箱失效的占比為 30%。齒輪箱承受載荷較大，而且工況復雜，在運行過程中，軸承內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生不同程度的變形和磨損。對已使用 5～10 a 的風電齒輪箱進行拆解、檢測和分析，發現花鍵軸軸承檔都有不程度的磨損，而風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進行修復。激光熔覆噴涂熱輸入小，不僅可以修復磨損的尺寸，而且能夠使修復后的花鍵軸軸承檔具有優異的耐磨性。在安全可靠運行的前提下，激光熔覆修復技術結合傳統修復工藝，可以最大程度降低花鍵軸的報廢率，并降低風電齒輪箱的運維成本。
二、花鍵軸情況
1.5 MW 風電齒輪箱花鍵軸如圖 1 所示，花鍵軸軸承檔磨損狀態如圖 2 所示。經過取樣檢測可知，花鍵軸以調質處理作為最終熱處理狀態，表面布氏硬度(HB) 為 280～320，材料為 42CrMo4 合金結構鋼，成分分析見表 1。花鍵軸性能強度分析見表 2。
表 1 花鍵軸材料成分分析
表 2 花鍵軸性能強度分析
花鍵軸軸承檔設計尺寸參數見表 3。
表 3 花鍵軸軸承檔設計尺寸參數 mm
三、激光熔覆工藝
概述：
激光熔覆是一種表面改性技術，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，可以達到表面改性或修復的目的。激光熔覆再制造技術原理如圖 3 所示。
對于試驗采用的自熔性合金粉末，參考目標硬度、熱膨脹系數相近、熔點相近、潤濕性等方面，筆者選擇 Inconel-625 鎳基合金粉末。
前期準備：
對花鍵軸軸承檔修復部位疲勞層進行清理，然后對待修復部位進行機械加工。花鍵軸軸承檔的設計尺寸見表 3，要求加工量為設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力集中的問題。磨損部位初加工后，經著色檢測確認無潛在缺陷，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工作，確保防護嚴密。
激光熔覆前進行的相關工作包括三方面。
第一，對激光熔覆采用的粉末進行烘干處理。
第二，確保高純氬氣、氧氣、乙炔的數量能夠滿足生產需要。
第三，承載 10 t 的精準平臺、托輪架及伺服電機動力系統確保能夠承載，并確保在花鍵軸激光熔覆過程中勻速轉動，保證熔覆質量。
在整個激光熔覆過程中，熔池通過數字化工業相機監控，確保熔覆質量。
測量和探傷：
花鍵軸軸頸熔覆區域部位為新的機加工面，需進行尺寸檢測、無損檢測，拍照并存檔。
選用千分尺對花鍵軸軸頸熔覆區域進行尺寸檢測。檢測尺寸時需進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域進行無損檢測，檢測表面硬度，定量確認最終熔覆內容和尺寸，檢測結果作為原始記錄。
具體步驟：
(1) 對去除疲勞層后的待修復部位進行徹底清理，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) 根據軸頸的實際尺寸進行機器人編程，校驗程序的可靠性，采用同步送粉的方法對軸頸進行熔覆。花鍵軸熔覆過程中，確保花鍵軸能夠低速、均勻、連續轉動，軸向不發生竄動。轉子轉速低于 10 r/min，旋轉時轉子軸徑向跳動小于 0.02 mm。為避免分段熔覆產生的熱輸入不均勻和形位差異造成熔覆厚度不均勻而產生的熔覆結構應力，采用沿圓周方向連續激光熔覆。控制轉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構應力。按照已確定的花鍵軸軸承檔激光熔覆工藝參數，實施激光熔覆。軸向單層熔覆區域一次性完成，避免軸向交接處接合強度不足的安全隱患。
(3) 激光熔覆單層后必須進行打磨清理，冷卻后進行著色探傷檢測，合格后方能繼續下一層熔覆。
(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) 熔覆結束后對表面的高點進行打磨處理，以便于精修加工。
(6) 進行熔覆尺寸、硬度檢測和探傷檢測，拍照并存檔。
整個熔覆過程實現激光器運行、機器人程序、旋轉動力驅動裝置運行的閉環聯動控制，確保熔覆工藝的穩定可靠性，使熔覆質量得到有效保障。熔池實現自動化監控，避免肉眼觀察熔池的視覺偏差導致誤判，控制花鍵軸表面溫度不高于室溫+50 K。
檢查驗收：
對花鍵軸軸承檔進行磁粉探傷，不允許有裂紋存在。對修復區域的關鍵尺寸進行檢測，確認合格后進入后續工序。
四、工藝檢測
對完成激光熔覆的花鍵軸性能進行對比分析，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行金相組織檢測，金相組織檢測結果如圖 5 所示。對焊縫區和熱影響區的顯微組織進行分析，發現熔覆層的晶粒均勻細小，多數晶粒呈現不規則形狀。過渡區組織沿厚度方向由粗大逐漸變細小。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行硬度檢測。對共三層熔覆層按照厚度進行四等分，另將基體表面區域分為兩層，第一層至第四層為熔覆層粉末區域，第五層至第六層為基體表面區域。采用 10 kg 載荷對試樣從左向右每間隔 10 mm 進行檢測，共檢測三次，硬度檢測結果見表 4。由表 4 可知，熔覆粉末區域硬度高于基體表面區域，滿足使用要求。
表 4 激光熔覆后花鍵軸硬度檢測結果
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，側彎能力優于未進行激光熔覆的花鍵軸。
表 5 彎曲試驗結果
剪切試驗：
剪切試驗在萬能材料試驗機上進行，試驗速率不大于 0.1 kN/s，材料 42CrMo4 合金結構鋼的抗剪切強度為 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 剪切試驗結果
五、結束語
筆者結合現場使用粉末對花鍵軸軸承檔磨損區域進行激光熔覆修復，對激光熔覆后的花鍵軸硬度、彎曲、剪切、金相特性進行分析，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，經過探傷，確認表面無裂紋等缺陷，滿足花鍵軸使用力學指標。激光熔覆工藝為后續花鍵軸軸承檔的修復提供了參考。