淺析液壓支架油缸激光熔敷工藝

摘 要：液壓支架是采煤機械中的主要支護設(shè)備，神東煤炭集團目前共有液壓支架69套可用，其中DBT液壓支架9套，TAGO液壓支架1套，鄭煤機液壓支架33套，北煤機液壓支架13套，平頂山液壓支架10套，四川神坤液壓支架3套。每套支架大修或項修后都有一部分立柱中缸、活柱外表面因鍍層起泡、脫落、銹蝕、磕碰而不能繼續(xù)使用，需要反復(fù)退鍍修復(fù)，造成極大浪費。文章介紹了利用激光熔敷修復(fù)立柱中缸、活柱工藝的方法，不僅簡單易行而且收到了良好的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：液壓支架；立柱中缸、活柱；激光熔敷修復(fù)

液壓支架立柱在綜采工作面生產(chǎn)過程中起到液壓支架升降的重要作用，起到了連接液壓支架頂梁及底座的作用，是不可缺少的重要承載部件。由于液壓支架長時間在條件惡劣、高速、重載、振動、介質(zhì)腐蝕、沖擊力大的環(huán)境下運行，多數(shù)的機械設(shè)備會連轉(zhuǎn)二十四小時不停歇，導(dǎo)致設(shè)備長時間處于粉塵、水汽及有害氣體中運行，導(dǎo)致機械零部件得不到有效的維護與保養(yǎng)。而且由于開采煤層所采用的力度越來越大，導(dǎo)致輸送無聊的研磨性指數(shù)的差異越來越大，最終會導(dǎo)致設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p壞。而立柱油缸經(jīng)過井下長期使用，中缸、活柱外表面因鍍層起泡、脫落、銹蝕、磕碰、拉傷嚴(yán)重等情況導(dǎo)致無法繼續(xù)使用。針對這種情況，經(jīng)過和外協(xié)單位合作試驗了激光熔覆修理工藝。

1 背景概況及必要性

長期以來，液壓支架立柱中缸、活柱采用電鍍工藝修理，由于電鍍件外委周期較長，質(zhì)量不可靠，影響設(shè)備檢修、配套，使用1-2年后又需要二次電鍍修復(fù)，此外，傳統(tǒng)的電度工藝運行中所使用的材料或給自然生態(tài)環(huán)境帶去嚴(yán)重的污染，根本不符合我國環(huán)保的理念，無法實現(xiàn)節(jié)能減排。同時，對設(shè)備進行升井維修或研發(fā)新品都需要大量能源，從而導(dǎo)致能源消耗嚴(yán)重。為了能夠達到縮短外委工期，提高檢修質(zhì)量，減少維修費用，實現(xiàn)節(jié)能降耗環(huán)保的目的，2014年我公司開始使用激光熔覆工藝替代傳統(tǒng)電鍍工藝修復(fù)立柱。通過激光熔覆技術(shù)的使用可以讓故障的液壓支架從新投入使用，此技術(shù)的運用實現(xiàn)了對礦山設(shè)備技術(shù)升級、產(chǎn)業(yè)升級的目標(biāo)，將其推向了一個全新的發(fā)展層面。實際上，激光熔覆技術(shù)是通過對大功率激光束進行利用，以此聚集能量完成對被加工表面的微熔，并將零件表面預(yù)設(shè)或激光束同步自動送置的合金粉進行融化，以此獲得與基體冶金結(jié)合的致密覆蓋。

2 采用激光熔覆的優(yōu)勢

激光熔覆：采用具有優(yōu)良耐磨抗蝕性能與基體具有良好冶金與力學(xué)相容的合金粉末，在高功率激光束輻照工作面同時，用自動送粉裝置同步向激光熔池內(nèi)送入合金粉末，在熔池內(nèi)發(fā)生快速熔化與凝固，形成均勻致密的合金涂層。

（1）采用激光熔覆，實現(xiàn)立柱檢修流水線作業(yè)，使1套支架立柱檢修周期縮短至30天內(nèi)，直接縮短支架檢修周期及提高檢修能力。（2）采用激光熔覆修復(fù)的鍍層可保證支架立柱5-10年以上壽命周期，降低壽命周期內(nèi)檢修成本，延長支架使用周期；電鍍層質(zhì)量不穩(wěn)定，脆性大，易受沖擊損壞，存在反復(fù)修復(fù)情形。（3）激光熔覆層與缸體結(jié)合強度高，組織細(xì)密，無裂紋缺陷，徹底阻隔了水分與基體的接觸，耐腐蝕性強；電鍍工藝與缸體結(jié)合強度較低，且易產(chǎn)生孔隙，造成底層起泡、銹蝕、耐腐蝕性差，1-2年左右需再次重新維修。（4）激光熔覆工藝在修復(fù)件表面微熔層僅為0.05-0.1mm，基體熱影響區(qū)極小，一般為0.1-0.2mm，不會造成修復(fù)件的變形。（5）激光熔覆環(huán)保性好，不產(chǎn)生任何廢氣、廢液，對環(huán)境無影響；電鍍對環(huán)境影響極大，含酸堿及重金屬成分的廢液，是污染水源的潛在危害。

3 激光熔覆工藝特點及工藝流程

3.1 激光熔覆工藝特點

（1）前期處理：激光熔覆一般只需將工件打磨干凈，除油，除銹，去疲勞層等，比較簡單。（2）送粉：CO2激光器功率較大，一般用氬氣送粉；YAG激光功率小，一般用自然落粉的方式。這兩種方式在熔覆時都基本在水平位置形成熔池，傾斜稍大粉末便不能正常送達，激光的使用范圍受到限制，特別是YAG激光器。（3）從熔池形成的狀態(tài)看：由于激光的控制精度高，輸出功率恒定，且沒有電弧接觸，所以熔池大小深度一致性好。（4）加熱快冷卻快：影響金屬相形成的均勻度，也對排氣浮渣不利，這也是造成激光熔覆形成氣孔，硬度不均的重要原因，特別是YAG激光傾向更嚴(yán)重。（5）材料選擇：由于不同材料對不同波長激光的吸收能力不同，造成激光熔覆材料選擇限制較大，激光更適于鎳基自熔性合金等一些材料，對碳化物，氧化物的熔覆更困難一些。

3.2 激光熔覆工藝流程

立柱中缸、活柱及活塞桿：（1）對彎曲變形的立柱活柱必須進行校正，校正后彎曲度小于2‰。（2）修復(fù)電鍍層、組合密封槽部位。（3）對立柱中缸、活柱外表面鍍鉻層車削后進行熔覆處理，達到無腐蝕點、無劃痕后進行打磨、拋光處理。（4）熔覆表面硬度HRC48-52（提供硬度檢測報告）。（5）熔覆加工后厚度單邊不低于0.3mm。（6）熔覆后的表面尺寸必須達到標(biāo)準(zhǔn)要求。（7）熔覆層表面硬度應(yīng)均勻，不允許有硬刺、氣泡、脫皮、燒焦及其它缺陷，成品立柱一級中缸外表面、立柱活柱表面不得存在凹坑、凸起、點蝕等現(xiàn)象，要求成品尺寸偏差為Φdf9mm，表面粗糙度Ra≤0.4。（8）立柱中缸內(nèi)表面及缸口與導(dǎo)向套配合密封面處銹蝕麻坑等，與導(dǎo)向套配合螺紋倒扣無法使用的進行修復(fù)，修復(fù)后保證在原圖紙缸口公差尺寸ΦdE8mm范圍內(nèi)，處理的缸口及螺紋與缸體內(nèi)徑必須保證同軸度，同軸度不超過0.05mm，修復(fù)后的缸體內(nèi)孔和缸口與導(dǎo)向套配合表面粗糙度不低于Ra≤0.4，其余修復(fù)面粗糙度不低于Ra≤0.8，硬度不低于HB220（附檢測報告）。（9）修復(fù)時不得損壞立柱中缸底閥安裝孔和底閥定位槽，若損壞必須修復(fù)，孔修復(fù)面粗糙度不低于Ra≤0.8；底閥安裝孔和底閥定位槽保證同軸度，同軸度不超過0.1mm。（10）立柱修復(fù)參照執(zhí)行《液壓支架立柱技術(shù)條件》MT313-92。（11）立柱維修質(zhì)量保證期兩年，保證動作不低于1萬次，熔覆層5年不得有脫落、氣泡、點蝕、凹坑。

3.3 立柱外缸及中缸內(nèi)孔熔銅修復(fù)工藝

立柱外缸、中缸內(nèi)表面修理工藝流程：

內(nèi)表面清洗檢查→附件移除→定位面加工及缸口螺紋車除→內(nèi)表面銹蝕層鏜削→內(nèi)表面熔敷→內(nèi)表面銅合金熔覆層機械加工→缸口螺紋加工→外表面附件安裝→探傷及包裝。

3.3.1 熔敷材料

立柱內(nèi)表面熔敷材料為一種高硬度實心鎳鋁青銅焊絲，該焊絲性能良好，成型性優(yōu)異。使用該型焊絲所獲得的熔敷層，表層硬度HB190～230，且具有良好的耐腐蝕性能及耐磨損性能。

中缸外表面熔敷材料為一種馬氏體不銹鋼合金粉末，該合金粉末為水霧法生產(chǎn)的，其形狀以球型為主，表面光滑，化學(xué)成分均勻，熔點為1070～1090℃，流動性為50g/18s，松裝密度為4.5g/cm3。該粉末經(jīng)熔覆空冷后可直接得到馬氏體及少量奧氏體組織，硬度可達HRC 48～52，具有良好的耐腐蝕、耐磨損及較好的抗裂紋性。使用該合金粉末獲得的熔覆層硬度HRC 48～52，耐磨性約為基材的3.5倍，中性鹽霧試驗條件下開始生銹時間大于120h（27SiMn開始生銹時間0.5小時）。

3.3.2 設(shè)備介紹

內(nèi)表面冷金屬熔敷銅合金工藝所使用ZRF-7型熔敷設(shè)備為本公司自主研制的軸類工件內(nèi)、外表面熔敷專用設(shè)備。該設(shè)備配備了新型低熱輸入冷金屬熔敷電源，焊接無飛濺，熔覆層成型美觀，其熱輸入小于常規(guī)氣體保護焊熱輸入的1/3，可有效減小工件的焊接變形。ZRF-7熔敷設(shè)備采用數(shù)控操作系統(tǒng)，自動化程度高，生產(chǎn)效率高。該設(shè)備可滿足內(nèi)徑240～700mm，長度不大于3.1m工件的內(nèi)表面熔敷，可滿足外徑不超過800mm，長度0～3.2m工件的外表面熔敷。

主要配置：新型低熱輸入冷金屬熔敷電源；高精度伺服電機及數(shù)字控制系統(tǒng)；機械擺動器；專用水冷焊槍；水循環(huán)冷卻系統(tǒng)；大重量送絲系統(tǒng)。

中缸外表面熔敷所使用設(shè)備為本公司自主研發(fā)IGJR-4型半導(dǎo)體激光熔覆設(shè)備，能量轉(zhuǎn)換效率高，耗能小，對工件的熱影響小，所制備熔覆層與基體呈牢固的冶金結(jié)合并且稀釋率低。該設(shè)備采用西門子808數(shù)控系統(tǒng)，自動化程度高，可加工更加精密的工件。

該設(shè)備主要配置如下：4軸聯(lián)動精密機床；美國相干4kW半導(dǎo)體激光系統(tǒng)；精確送粉系統(tǒng)；雙回路液體冷卻系統(tǒng)。

4 激光熔覆與鍍鉻工藝之間的比較

因為不同的工藝選取的材料不同，所以激光熔覆與電鍍之間也存在一定的差異，前者主要具有以下優(yōu)勢：

第一是抗腐蝕性能的比較，一般情況下，鍍鉻具有較高的硬度，因此其比較耐磨，當(dāng)然要想達到最佳效果就應(yīng)保證鍍層之間沒有縫隙。實際上，鍍鉻層普遍存在孔隙問題，加之這種材料本身硬度較高，如果受到外界力量的猛烈沖擊就會導(dǎo)致鍍層的裂紋，空氣中的水分就會通過裂紋滲透到鋼鐵的表面，進而形成一個小型的鉻、鐵電池，由于鐵的電位比鉻負(fù)，因此容易導(dǎo)致陽極的腐蝕，鐵銹生成之后隨著時間的推移還會不斷擴大鐵銹的面積，最終將會造成整個材料的生銹。

相比之下，激光熔覆工藝形成的涂層更加緊密，很好的緩解了涂層表面的孔隙問題，這樣就能夠更好的保護涂層不受外界環(huán)境的破壞。

第二是結(jié)合力的比較，電鍍鉻的主要原理就是通過電解技術(shù)讓鉻沉積在最表層，出色完成鉻鍍層的表面工作，它們之間的結(jié)合是一種物理反應(yīng)，因此結(jié)合的力量較小，效果也較差，容易導(dǎo)致表層起泡甚至掉落。

激光熔覆技術(shù)的工作原理則是通過大功率的激光束匯聚較高的能量，然后在最短的時間內(nèi)熔化材料的表層，并且還能同時熔化原材料的表面預(yù)置及合金粉，最終形成一種無孔隙、緊密的表層。基體的熱影響區(qū)域較小，因此在進行激光加工時需要把基體溫度控制在80攝氏度以內(nèi)，這樣才能確保材料不受溫度影響而變形?；w與合金粉之間的微熔、凝固操作時間是0.3秒，這種結(jié)合就是冶金結(jié)合，這種結(jié)合操作的效果遠遠高于電鍍，減少了表層的脫落問題。

第三是操作的便利性能比較，影響電鍍工作質(zhì)量的主要因素有很多，不僅受到電鍍液和操作環(huán)境的影響，還受到基體表面形態(tài)的影響?；w表面上的凹陷也可能引發(fā)針孔問題，針孔通常被錯誤的看成是電鍍失誤造成。要想減少針孔的出現(xiàn)率，提升鉻鍍層的表面光滑度，我們就需要重點關(guān)注基體的質(zhì)量，通常情況下我們會在鉻鍍施工前進行相應(yīng)的研磨和拋光。

與電鍍施工相比，激光熔覆的施工要求更低，一般只要保證施工前所有零件表面的除銹、除油就可以了，即使存在一些細(xì)微的凹面也不會影響最終效果，熔覆還能夠彌補一些細(xì)小的缺陷，這樣就能夠進一步降低施工難度與資金了?？偠灾?，激光熔覆的施工標(biāo)準(zhǔn)相對較低，但是經(jīng)過激光處理后的材料性能卻遠遠高于電鍍處理的材料性能。

第四，環(huán)保性。電鍍對環(huán)境影響極大，因為在采用電鍍方法維修時會受到一定的厚度約束，在經(jīng)過反復(fù)多次維修后立柱厚度與原來的有很大的差異，從而無法繼續(xù)使用。而對于無法使用的立柱進行回爐冶煉肯定會浪費大量的能源，同時還會存在大量的有害氣體，使自然生態(tài)環(huán)境受到污染，尤其是電鍍后所產(chǎn)生的廢液，會給自然水資源帶去嚴(yán)重的污染，雖然之后可以利用相應(yīng)的技術(shù)進行處理，但是避免不了會投入大量的成本費用，造成成本浪費嚴(yán)重。

而激光熔覆技術(shù)與之不同，不需要進行反復(fù)多次的維修，也不需要對修復(fù)的厚度進行考慮，從而不會出現(xiàn)上述的立柱回爐冶煉的現(xiàn)象，不會產(chǎn)生有毒氣體對環(huán)境造成傷害。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示發(fā)現(xiàn)，通過利用電鍍修復(fù)每年所浪費的液壓支架立柱在四十五萬噸左右，而采用激光熔覆技術(shù)則優(yōu)先減少液壓支架報廢情況，還降低了有毒氣體的排放量。因為激光加工完全在標(biāo)準(zhǔn)廠房里的數(shù)控機床上進行，除需要較大的電力容量外，不會產(chǎn)生任何廢氣、廢液，對環(huán)境無任何影響。

第五，設(shè)備投入。相對于電鍍工藝的成熟（20世紀(jì)20年代國外開始廣泛應(yīng)用，30年代引入我國），激光加工產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生還只是近二、三十年的事情，目前國內(nèi)外的企業(yè)也還在不斷探索、創(chuàng)新之中，相應(yīng)的激光設(shè)備價格仍然較高，初期投入遠高于電鍍工藝，且隨著電子及光學(xué)行業(yè)的發(fā)展，未來激光加工設(shè)備的價格降低是可以預(yù)見的事情，但電鍍因?qū)Νh(huán)境影響極大，會隨著國家的嚴(yán)格要求來進一步加大對后續(xù)廢物處理設(shè)備的投資，綜合看來，在總的投資上，激光加工仍有一定的優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

通過分析激光熔覆的施工特征不難發(fā)現(xiàn)，這種工藝的流程較為簡單、易操作，并且施工標(biāo)準(zhǔn)較低，完工后的涂層性能比普通的電鍍層性能更高，而且通過科學(xué)控制涂層厚度能夠有效提升其自身的耐磨性能，針對那些磨損較為嚴(yán)重但還能繼續(xù)使用的材料進行熔覆操作，完成材料的二次利用，還能節(jié)省投資成本?？偟膩碚f，激光熔覆技術(shù)具有很高的性價比，加之其自身的節(jié)能環(huán)保特征，具有良好的未來發(fā)展前景。

作者簡介：郭子光（1982，05-），男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，助理工程師，中國神華神東煤炭分公司設(shè)備管理中心項目部工作。