针对小模数齿轮齿面进行激光熔覆修复时容易出现熔覆缺陷、影响修复质量的问题, 通过采用TRIZ理论中的冲突解决原理, 对小模数齿轮激光加工的设备及工艺制备流程进行归纳分析, 得到对应的创新工艺方法和优化路线。通过评估模型选择最佳的创新原理, 最终采用物理矛盾的解决思路, 将光束能量进行有效分配, 将原有的单道光束改为多道光束, 针对不同部位施加不同能量密度的光束, 有效改善高斯光源特性。通过单一变量法试验验证得到, 在双道直径1 mm光斑下的激光熔覆涂层中晶状奥氏体析出较少, 粒状渗碳体析出较多, 涂层的硬度和耐磨性比单道激光熔覆更高, 齿面具有更高的抗胶合、抗点蚀和抗磨损能力, 满足修复后齿轮齿面工艺强度要求。

采用连续光纤激光器在小模数齿轮齿面制备1 mm厚的Ni60合金涂层, 研究了激光工艺参数对熔覆层宏观形貌的影响以及齿面单道激光熔覆在不同激光功率密度下的熔覆层显微组织形貌以及元素成分。实验结果表明: 随着激光功率密度的增加, 熔覆层内部的柱状晶枝变多, 晶间组织的含量越少, 熔覆层与基材之间亮白色冶金结合带越发明显, 熔覆层表面的均匀性和连续性都有较大提高并且截面形貌发生改变。当激光功率密度为31.8 kW·s·cm-2时可以看出熔覆层冶金结合带区域与基材之间的孔隙基本消失, 熔覆层与基材之间的结合更加牢固, 过渡更加自然。通过调整激光工艺参数可以对小模数齿面镍基合金涂层的成形进行有效控制, 提高齿面镍基合金涂层的质量。

采用连续光纤激光器在小模数齿轮齿面制备1 mm厚的Ni60合金涂层,针对小模数齿顶较薄以及单道激光在齿轮中部能量过于集中易造成熔覆缺陷的原因进行分析,提出了采用双道激光在小模数齿面制备镍基合金涂层的方法,在保证激光总输入能量不变的条件下,将原有单束激光的能量按一定的能量配比方案分配到两个小光斑上,依次加工齿轮的齿顶和齿底。结果表明:采用双道1 mm 光斑按4∶6能量配比方案不仅减小了齿顶的烧蚀,还解决了齿轮中部能量过于集中的问题,涂层的稀释率显著降低,组织中含Fe、Ni的晶状奥氏体析出较少,富含Cr的粒状渗碳体析出较多,熔覆层组织整体的耐磨性和强度都优于单道激光熔覆层。双道激光熔覆工艺可显著提升小模数齿轮齿面镍基合金涂层的质量。

针对镍基合金在熔覆过程中成形质量难以控制的问题, 通过建立3因素、4水平的正交试验参数表, 在完成22组实验样本数据的基础上, 建立经遗传算法优化的误差反向传播的神经网络模型, 通过激光加工工艺参数预测熔覆层宏观形貌, 形成两者之间的高度映射关系。采用极差分析法找出工艺参数对熔覆层宏观质量影响的大小关系并确定最佳工艺参数, 为了适用于大面积熔覆的需要, 引入熔覆层搭接率作为新的工艺参数来优化模型算法, 并通过宏观质量分析确定适宜的扫描间距, 利用5组不同搭接率的样本对模型的精度进行检验。实验结果表明, 经过优化后GA-BP模型具有很高的预测精度, 预测结果与测试样本之间的平均相对误差为3.951%, 验证了该模型在理论与实际中的可行性, 对提高镍基合金熔覆涂层的产品质量具有重要义。