激光熔覆技術在液壓支架立柱外表面修復中的研究與運用

李東東

摘要：本文重點針對液壓支架立柱外表面修復中激光熔覆技術的運用做出了深入研究，論述了立柱外表面失效原因、修復工藝流程、以及安全技術要求，結果證實采用激光熔覆技術能夠將液壓支架立柱有效修復，恢復其原有性能。

關鍵詞：液壓支架；立柱；

0 引言

液壓支架是礦井綜采工作面最重要的支護設備，主要針對工作面頂板進行支撐并保護綜采設備和作業(yè)人員的安全，立柱是實現(xiàn)支撐和承載的主要部件，一旦立柱出現(xiàn)故障，支架的支護能力則受到影響，綜采工作面的安全系數(shù)將大大降低，直接影響安全生產，甚至造成無法估計的后果。立柱在使用過程中，由于缸體外表面在井下復雜的工作環(huán)境下受腐蝕、磨損、沖擊等引起鍍層脫落導致密封損壞，從而使立柱漏液或泄液，進而影響支架整體使用性能，導致工作面不能正常生產。因此，如何提升立柱外表面的耐磨、耐腐蝕、抗沖擊性能，延長立柱的使用壽命，具有重要的意義。

1 立柱外表面失效原因及常見修復工藝

1.1 立柱外表面失效原因分析

由于井下工作環(huán)境特殊，井下濕度大（相對濕度約75%以上）且含有硫等腐蝕物質的粉塵較多，加之井下空氣中含有二氧化硫、硫化氫等有毒有害氣體，形成了井下復雜特殊的酸性和堿性腐蝕介質工作環(huán)境，立柱長期在這種環(huán)境下工作，表面承受沖擊和腐蝕，出現(xiàn)了不同程度的銹蝕、斑坑以及鍍層脫落等表面缺陷，影響了立柱的密封性能，造成了立柱在使用過程中的失效；另外，立柱在使用過程中，因局部磕碰或煤渣顆粒沖擊和頻繁的動作也會導致外表面磨損劃傷而失效。因此，腐蝕和磨損成為了礦用液壓支架立柱失效的主要形式。

1.2 立柱外表面常見修復工藝

目前，液壓支架立柱外表面修復主要采用電鍍鍍鉻工藝。電鍍鉻是利用電解工藝，將鉻沉積在基體表面，形成鉻鍍層的表面處理技術，鍍層與基體之間為物理結合。電鍍具有以下幾方面不足：（1）鍍鉻層由于硬度高所以脆性較大，鉻層受到沖擊時易發(fā)生裂紋，易造成起泡、銹蝕、耐腐蝕性不穩(wěn)定；（2）電鍍對環(huán)境影響極大，電鍍過程中會產生大量危害人體健康的含六價鉻廢水，另外，電鍍前需要對工件進行酸洗，會產生大量酸洗廢水和清洗廢水，造成水源污染和環(huán)境的破壞；（3）電鍍工藝不適合立柱外表面局部修復，如立柱鍍層有局部損傷，則需將整根立柱鍍層整體電鍍，增加了維修成本；（4）由于受電鍍層厚度的限制，一般立柱中缸、活柱在電鍍2次后，因退鍍后再機加造成壁厚變薄，強度下降無法，再恢復到原有性能，不能循環(huán)使用，需徹底報廢。

2 激光熔覆技術性能及特點

2.1 激光熔覆技術是一種新的表面改性技術，利用高能密度的激光束將熔覆材料與基材表面薄層一起熔凝的方法，從而達到熔敷層與基體冶金結合的效果，快速凝固后與基體材料形成具有耐蝕、耐磨、耐熱、抗氧化等特性的冶金表面涂層， 是改善基體特性的一種表面處理工藝，達到表面改性或修復的目的。

2.2 激光熔覆修復技術特點：

（1）基體材料在激光加工過程中表面微熔，微熔層僅為0.05-0.1mm。基體熱影響區(qū)極小，一般為0.1-0.2mm。

（2）激光加工過程中基體溫升不超過80℃，激光加工后熱變形小。

（3）激光熔覆技術可控性好，易實現(xiàn)自動化控制，熔敷粉末可根據基體材料和使用要求自由配比，可滿足不同的修復需求。

（4）熔覆層與基體均無粗大的鑄造組織，熔覆層及其界面組織致密，晶體細小，無夾雜、裂紋等缺陷，且成分、硬度均勻，能提供更好的耐蝕性，從而延長這些支撐裝置的使用壽命，這是電鍍技術不可企及的。

2.3 激光熔覆設備選擇

我中心（神東煤炭集團設備維修中心）目前采用的是高功率的直接半導體激光器系統(tǒng)熔覆設備，激光器可提供4kW至10kW的輸出功率范圍（波長均為975nm）。10kW激光器提供“智能光束”自由空間輸出，經配置后可輸出多種光斑形狀（寬度從1mm至12mm，長度從6mm至36mm），實現(xiàn)對熔覆寬度和厚度的高度控制，進而實現(xiàn)對大面積區(qū)域的快速處理。該系統(tǒng)的電光轉換效率高出任何其他激光器類型（包括CO2、固體和光纖激光器）許多倍。由于這種系統(tǒng)產生既定輸出功率所需的電流量較少，因此可以降低運營成本。此外，半導體激光器的尺寸更小，更易于集成到工作站中。并且，這也意味著它所生成的余熱集中在一個相對較小的物理區(qū)域里，從而僅需要少量的循環(huán)水和一臺冷卻器便可實現(xiàn)有效冷卻。最后，半導體激光器極高的可靠性和長壽命意味著低維護費用和極少的維護停機時間。

2.4 激光熔覆材料

立柱中缸、活柱外表面熔覆材料為一種鎳基合金粉末，該合金粉末具有良好的潤濕性、耐蝕性、高溫自潤滑作用，且價格適中。熔覆空冷后具有良好的耐腐蝕、耐磨損及較好的抗裂紋性，其使用壽命是鍍鉻技術的6倍。

3 立柱中缸及活柱外表面激光熔覆工藝

3.1 工藝流程

圖1 外表面立柱修復工藝流程圖

3.2 工藝技術要求

（1）退鍍車削

校正二端圓同心，車去電鍍層、鍍銅層表面單邊約0.8-1.2毫米（端面倒角不可大于2×45°）。

（2）激光熔覆

裝夾前檢查缸徑，去除熔覆區(qū)外表面電鍍層、鍍銅層及銹跡殘留，設置好熔覆厚度所需送粉量，熔覆單邊高度在1.4-1.6mm（特殊情況視車削尺寸調整），焊邊接口平整，表面無氣孔、裂痕等，量好尺寸，確認夠車削加工尺寸后拆卸。熔覆后，一般夏天需空冷6-8小時，冬天空冷4-6小時，空冷后方可進行下一步加工。

（3）熔覆層車削

校正二端同心圓，二端倒角平整美觀，檢查熔覆面有無焊接裂痕、氣孔以及焊接層是否夠余量加工至要求尺寸（按軸f9公差值留足0.03-0.05mm拋光量），如有異常應及時處理后再車削至要求尺寸。

（4）熔覆層拋光

按拋光輪粗細順序拋光工件表面，檢查加工面有無缺陷，打磨去除二端焊接痕跡、毛刺，清除缸筒螺紋內雜物；拋光后外徑滿足f9公差等級尺寸，洛氏硬度不小于50；表面粗糙度小于Ra0.4，孔隙率小于10點/dm？￠<0.02mm，經檢驗合格后外表面涂抹石蠟。

4 安全技術要求

4.1 作業(yè)前必須按照正確穿戴好勞動保護用品（戴好安全帽，穿防砸鞋，袖口、領口要扣好，女性頭發(fā)要放入帽內，佩戴專用的防護眼鏡）

4.2 認真檢查設備各部件和防護裝置是否完好，安全可靠。

4.3 開啟設備總電源開關，開啟機床操作面板電源，開啟激光器水冷電源；開啟激光器操作面板鑰匙，待激光器準備就緒；打開氮氣閥門，使激光器內通氣。

5 結語

本文通過對電鍍工藝和激光熔覆工藝的對比研究，充分證明了激光熔覆技術具有電鍍無法企及的優(yōu)越性。詳細的闡述了激光熔覆設備選擇、立柱中缸和活柱外表面激光熔覆修復工藝流程、工藝技術要求以及安全技術要求，在此基礎上明確了立柱中缸和活柱外表面修復技術指標，為立柱外表面修復提供了技術依據。隨著激光熔覆技術的日漸成熟和普及，其對液壓支架立柱外表面修復性能、經濟效益和環(huán)境保護等方面具有顯著優(yōu)勢，減少維修成本、延長立柱使用壽命及提高工作效率等方面，取得了較好的效果。相信在以后立柱制造和修復行業(yè)中，激光熔覆技術會取代電鍍修復技術。