激光熔覆为刀座提供磨损保护
文/Ursula Herrling-Tusch
在木料加工厂，每天需要对无数根长达22m的原木进行去皮和测量，最终把它们加工成木材。“该加工过程中所使用的生产线设备和工具，会经受极大的工作负荷。”这一看法来自德国一家先进的锯木厂Egielshoven公司。当谈到如何修复重度磨损的圆形刀座时，该公司给出的解决方案是使用Pallas公司的激光熔覆工艺。这是专门针对高压零件的修复工艺。
Eigelshoven公司成立于1887年，其带锯的日生产量可达到1000立方米。目前，他们业务主体的80%是云杉，20%是道格拉斯冷杉。该锯木厂50%的客户来自德国，30%来自比利时、荷兰以及卢森堡，还有10%来自法国和英国，剩余的客户来自海外。该公司以“对尺寸公差要求严苛、对表面质量要求始终如一，以及较高的加工和处理质量”而在业内极富盛名。
从树干到结构性木材
原木被运离木场之前会进行切割处理，原木喇叭状的根部就会被锯掉。随后，对原木进行去皮，并检测其中是否含有金属碎片、钉子以及弹头。在激光测量好原木的长度、直径以及所有规定的特征参数（如翘曲或椭圆度）后，在下一个环节——横切环节中，这些测量数据会被分配到用户订单中。这个基于电脑的加工过程，将决定哪种长度的原木被横切，以满足哪位客户的要求。
原木来到锯木厂，在这里完整的客户订单数据将被下载到一台四线程的轧机中，它是由四把带有磁力引导系统的带锯构成的。在一个内联进程中，每根原木此后都会以28~105m/min的速度通过长80m、宽15m的带锯生产线。根据先前制定的最佳切割方案，原木会自动旋转到正确的方向。
在下一个阶段中，切削机将去除原木上两个相对弯曲的侧面。该加工过程中所使用的圆形刀具被固定在夹具上。采用电脑辅助的嵌套计划，带锯将根据客户订单将原木从中间切开，而带锯也会对剩余材料执行进一步的有效加工。
接下来，原木将旋转90°角，第二台切削机将会去除其余的两个曲面，从而形成一个矩形的块状木材。随后，块状木材会在具有一个水平轴和六个垂直轴的可调圆锯之下，被切割成木板。在分类单元中，无用的木板片会被剔除，合格的木板被堆叠并捆扎好后提供给顾客。最终，切割成形的木材要经过一系列环节：规划到毫米精确度的精准截断、全自动六轴加工（连接）、浸渍和干燥。
刀具决定速度
每天1000立方米的日生产量，将会对切削设备中的圆形刀具夹紧装置带来极大的工作负荷。木材上的残余树皮、不规则状物或是树枝导致的粗糙表面，将被磨成光滑表面。这些粗糙的表面往往事先被固定在一个直径750mm、厚300mm的铸铁转子圆盘上，通过附近4把15cm×28cm的刀具切除。另外4把仅7cm×7cm的较小刀具，用于木材的光滑平整作业。通过矩形刀具夹紧装置，将这些刀具固定在转子圆盘上（见图1）。
图 1：四个圆形刀座暴露在极端环境之中：需要去除残余的树皮以及不规则状物体，还需要把倒角磨成光滑的平面。
与轧机中的所有锯刀一样，转子圆盘上的这些刀具每天都需要更换，换下的刀具在Eigelshoven公司的研磨车间中被再次打磨削尖。对于切削质量和速度，转子圆盘的切割器中夹持小刀的刀座发挥着至关重要的作用。由于长期摩擦过程会导致刀具磨损，随着时间的推移，会在刀座左右两侧形成损坏点。木材进入到这些凹陷处，就会由于木材纤维的磨损碎片而导致无效切割。与此同时，切削设备的效能也将大幅降低，进而难以维系目标日产量。
在考虑到更换这样一个刀座产生的高额成本，Eigelshoven公司技术总监Rainer Oprei一直在寻求一种持久耐用的修复方案，因为在轧机中每天运行的此类旋转切削头共有4个。但是，由于前期的尝试效果并不好，这使他怀疑是否真的能找到所谓的持久耐用的修复方案。令人欣慰的是，之后他见证了Pallas公司在修复几个磨损轴承方面所取得的成功。这使他备受鼓舞，再次尝试寻找修复方案。
当他遇到夹具因磨损而不得不进行更换的问题时，他选择求助于Pallas公司。Pallas公司给出的建议是采用激光熔覆实现受损结构的表面重构。凭借精准的热输入，这种制备工艺实现了具有最小翘曲的高精度表面涂敷层。可以通过同心布置的喷嘴，将涂层材料熔覆到待处理的表面区域，并且涂层材料与母材一起熔化。在熔池中两种材料之间通过冶金方式结合成为具有较低稀释的致密涂层。此外，该涂层所具有的近净轮廓质量，将意味着能将后续处理的成本控制在最低限度（见图2）。
图 2：由于精准的热输入，激光熔覆使得受损结构的表面重构成为可能。
一点一点修复
Pallas公司正面临一项特殊挑战，即夹具存在不同程度的磨损。磨损区域的硬度也呈现出极不均匀的分布，硬度上的差异高达40HRC。正因为如此，Pallas公司决定使用不同耐蚀能力、材料硬度等级为50~63HRC的不同材料，对全部4个夹具进行试验。然而，受损夹具表面的不均匀状态，使得无法采用任何高速连续钢涂层的加工方法，这意味着需要更多的人工介入（见图3）。
图 3：Pallas采用硬度等级为63HRC的高速钢作为磨损保护层，涂敷在圆形刀座上。
Pallas公司激光部门负责人RodionHonisch，为一项任务开发了一种模块化程序。该任务使用Laserline公司的一台6kW半导体激光器，波长位于900~1030±10nm的近红外波段，该激光器可以工作在连续波和脉冲模式。该激光器的输出脉冲能与受损区域的特定形态相适配。Pallas公司还开发了一种激光硬化工艺，并且安装了相应的激光设备。
采用这样的方法，Rodion Honisch能够选择从哪里开始重构——既可以从侧面开始，也可以从下沿开始。在极短的激光脉冲下（激光仅持续200ms），将激光能量选择性地应用到材料上，以便能一点一点地逐渐修复复杂的几何结构。鉴于近净轮廓质量的优点，具有涂层的刀座只需要极少的后续处理（见图4）。
图 4：涂层材料采用同心布置的喷嘴涂敷于待处理表面，并且涂层材料与母材一起熔化。
连续运转一年后无磨损
Oprei将这些已修复的圆形刀座安装回一台锯木厂的切削机中，以便测试激光熔覆在该机器日常运转的恶劣条件下的耐用性能。一年后，Oprei在检测磨损程度时惊讶地发现：在四把刀座中，经过激光熔覆修复的一把刀座竟丝毫没有磨损迹象，而其余三把有极小的磨损痕迹。一般说来，经过一年的运转后，圆形刀座将被完全磨损。Oprei委托Pallas公司修复一把磨损严重的圆形刀座，这次使用了特定的修复材料，该材料已经在第一次修复中充分显示出优越性。
对于Pallas公司而言，后续的订单也意味着必须寻求一种降低手工处理的新方法，以确保修复工作具有交稿的成本效益。这个问题涉及刀座的形状，因为它可能会阻碍到激光头的定位。考虑到磨损样式，Pallas公司激光部门负责人Rodion Honisch还进一步从磨损形貌着手，通过对磨损点的预铣削，来完成表面的均一化处理。他的方案是将大约深度为7mm的表面完全铣削掉，以便于所涂敷的重构涂层能够充分牢固地熔入母材之中。由于刀座被过度磨损，所以第一步是用奥氏体不锈钢1.4404（316L）构建出一个略微隆起的连接边缘，然后在其上完成已磨损部分的基本结构重构。在此基础上，还需要熔敷一层硬度为63HRC的高速钢作为磨损保护层。
经过表面处理的铸铁转子，在一个月前已经运回了Eigelshoven公司，目前正在应用中。Oprei信心满满，他表示现在转子已经满足了他对长期使用寿命的期望。修复处理能比购买一个新单元节约80%的成本，也也是该解决方案的一个可取之处。通过激光熔覆工艺，切削机上的刀具获得了更持久的磨损保护。
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