大功率光纖激光內(nèi)孔熔覆裝備開發(fā)及應(yīng)用

杜學(xué)蕓，田洪芳，董仕營(yíng)，澹臺(tái)凡亮，侯慶玲

（山東能源重裝集團(tuán)大族再制造有限公司,山東 新泰271200）

0 引言

在極為苛刻的工作環(huán)境影響下，礦山重型裝備普遍存在腐蝕、磨損等失效現(xiàn)象[1]，如液壓支架立柱缸體等內(nèi)孔部件，其內(nèi)壁腐蝕、磨損等損傷會(huì)造成重大的安全隱患和財(cái)產(chǎn)損失，尤其是在礦井內(nèi)部，礦渣、粉塵等雜質(zhì)隨著液壓支架的起降混入缸體和立柱之間，成為加快構(gòu)件磨損的磨粒。目前，激光熔覆不銹鋼立柱獲得了很好的推廣應(yīng)用[2-6]，但是對(duì)內(nèi)孔類零件內(nèi)壁的表面制造工藝，還局限于縮徑法、焊補(bǔ)法、噴涂金屬材料和鑲內(nèi)襯套法[7]，然而上述工序繁雜、費(fèi)用大，并且存在制造后涂層與基體之間結(jié)合力不足、涂層無(wú)法達(dá)到相應(yīng)的厚度要求、內(nèi)孔類零件經(jīng)制造后無(wú)法達(dá)到工程領(lǐng)域的應(yīng)用要求等缺點(diǎn)。

近年來，國(guó)內(nèi)激光技術(shù)發(fā)展迅猛，以液壓支架立柱的激光熔覆經(jīng)驗(yàn)為技術(shù)借鑒，利用激光熔覆技術(shù)在構(gòu)件的外表面形成熔覆層，既可以提高構(gòu)件的耐磨損、耐腐蝕性能，又可以對(duì)存在磨損、腐蝕的構(gòu)件進(jìn)行制造與再制造[8]。但是，缸體的內(nèi)部狹窄，現(xiàn)有的激光器和熔覆工藝不能實(shí)現(xiàn)對(duì)缸體內(nèi)壁熔覆，阻礙了激光技術(shù)在內(nèi)壁熔覆方面的工業(yè)化應(yīng)用。如何對(duì)缸體內(nèi)壁進(jìn)行激光熔覆，是一項(xiàng)值得研究的技術(shù)問題。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的種種不足，提出了一種有效地提高缸體內(nèi)壁的耐磨損性能，延長(zhǎng)立柱的使用壽命，提高對(duì)缸體內(nèi)壁進(jìn)行激光熔覆的可操作性，適應(yīng)企業(yè)高科技、自動(dòng)化發(fā)展需要的缸體內(nèi)壁的熔覆方法，包括開發(fā)設(shè)計(jì)內(nèi)壁熔覆裝備系統(tǒng)和技術(shù)工藝驗(yàn)證，以期對(duì)激光熔覆內(nèi)壁技術(shù)應(yīng)用提供一些實(shí)際參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

所用合金粉末為自主研發(fā)的鐵基合金粉末SN-135，粉末粒度為-100～+270目，成分配比如表1所示。所用基材為液壓支架用油缸，規(guī)格為Φ500×30×1500mm，母材為27SiMn，成分如表2所示。

表1 合金粉末的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)Table 1 Key chemical composition of iron-based alloy (mass fraction %)

表2 27SiMn的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）Table 2 Composition of 27SiMn (mass fraction %)

選用光纖激光加工系統(tǒng)，激光功率為4000-4200W，激光光斑為矩形，其尺寸為10mm×2mm，焦距為150mm，激光掃描線速度為500-750mm/min，步距為5mm/s，送粉速度為20-30g/min，所用激光飛濺防護(hù)氣體為氬氣，載流氣體量為8-15L/min，單邊熔覆厚度為1-2mm。

熔覆試樣經(jīng)機(jī)械加工后電火花線切割取環(huán)形試樣進(jìn)行中性鹽霧實(shí)驗(yàn)（試驗(yàn)溫度35±2℃，鹽霧沉降率1.2ml/80cm2?h，5%NaCl溶液）。沿垂直于掃描方向線切取10 mm×10 mm×10 mm試塊，經(jīng)砂紙打磨并拋光后，使用HVS-1000A數(shù)顯顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度梯度檢測(cè)；經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕，使用蔡司AxioLab.A1金相顯微鏡觀察熔覆層組織結(jié)構(gòu)。以50 mm×50 mm的平面規(guī)格從缸體上切取熔覆區(qū)域和未熔覆區(qū)域的弧形試樣，做表面壓平處理，制取圓形端面摩擦磨損試樣，規(guī)格為Φ43×8mm。

2 內(nèi)孔熔覆裝備設(shè)計(jì)

內(nèi)孔表面激光熔覆加工頭主體結(jié)構(gòu)集成了激光光路系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)等，由于使用空間限制，激光內(nèi)孔熔覆加工頭的設(shè)計(jì)相比于普通表面熔覆有其特殊性及難點(diǎn)。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需要設(shè)計(jì)了內(nèi)孔熔覆頭、導(dǎo)光筒、氣體保護(hù)裝置、送粉嘴固定調(diào)節(jié)裝置，并重點(diǎn)設(shè)計(jì)制造了短焦距積分鏡。

(1)內(nèi)孔熔覆頭：分別設(shè)計(jì)了適用于大孔徑和小孔徑內(nèi)孔熔覆用熔覆頭，熔覆頭適用波長(zhǎng)≤1064nm，具備光纖接口QBH接口，可熔覆內(nèi)孔深度最大至1500mm，送粉形式為單路旁軸送粉。小孔徑內(nèi)孔熔覆頭的可承受功率≤3.0kW，可實(shí)現(xiàn)熔覆的內(nèi)孔內(nèi)徑范圍為100-300mm；大孔徑內(nèi)孔熔覆頭的承受功率≤5kW，適用內(nèi)孔內(nèi)徑＞300mm。

(2)積分鏡：設(shè)計(jì)了焦距150mm，光斑尺寸15×2.5mm的積分鏡。

(3)導(dǎo)光筒：本設(shè)計(jì)將導(dǎo)光筒模塊化，可適當(dāng)增加或刪減中間筒的節(jié)數(shù)，能夠滿足不同長(zhǎng)度內(nèi)孔零部件進(jìn)行熔覆時(shí)的技術(shù)需求。

圖1 內(nèi)孔熔覆加工頭Fig.1 Inner wall processing head

通過對(duì)設(shè)計(jì)的單元模塊進(jìn)集成和調(diào)試，如圖1所示為完整的內(nèi)孔熔覆加工頭系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）導(dǎo)光筒長(zhǎng)度可調(diào)。本設(shè)計(jì)將導(dǎo)光筒模塊化，可適當(dāng)增加或刪減中間筒的節(jié)數(shù)，能夠滿足不同長(zhǎng)度內(nèi)孔零部件進(jìn)行熔覆時(shí)的技術(shù)需求；2）特置送粉嘴滑道裝置。在送粉嘴安裝處設(shè)計(jì)了滑道，能夠?qū)崿F(xiàn)送粉嘴的全方位調(diào)整，方便、快捷，便于操作；3）熔覆頭部位設(shè)置保護(hù)氣功能。在熔覆頭部位設(shè)計(jì)了保護(hù)氣裝置，可以有效保護(hù)積分鏡，避免熔覆過程中飛起的煙塵與粉末對(duì)積分鏡污染；4）導(dǎo)光筒經(jīng)黑色陽(yáng)極氧化處理；導(dǎo)光筒采用黑色陽(yáng)極氧化處理，能夠有效防止反光導(dǎo)致的導(dǎo)光筒過熱現(xiàn)象。

(4)散熱裝置：由于內(nèi)孔熔覆的空間狹窄，熱量不容易散發(fā)，而熱量過量堆積將會(huì)導(dǎo)致熔覆層組織變化，甚至引起變形，在待加工管道的外表面設(shè)置冷氣源，冷氣源與激光頭同步進(jìn)給，對(duì)激光頭熔覆后的管道進(jìn)行降溫，冷氣源的壓強(qiáng)為6-10bar，輸出冷空氣溫度為-45℃至-40℃，進(jìn)氣量為0.7-1.2m3/min。

3 工藝驗(yàn)證及結(jié)果討論

3.1 熔覆工藝開發(fā)

通過大量熔覆工藝試驗(yàn)，調(diào)試和完善內(nèi)孔熔覆系統(tǒng)及熔覆參數(shù)，圖2(a)為研制的內(nèi)孔激光熔覆加工頭在27SiMn不銹鋼缸體內(nèi)壁表面進(jìn)行熔覆。圖2(b)為本試驗(yàn)件的熔覆成型效果，可見內(nèi)壁表面的熔覆層均勻、平整，未見砂眼、裂紋缺陷，成型良好。另外，散熱系統(tǒng)降低了熔覆熱量對(duì)加工管道的影響，有效降低了管件變形量，有利于降低管件內(nèi)壁熔覆表面的機(jī)械加工去除量，進(jìn)而顯著減少后續(xù)機(jī)加工工序，降低能耗。

圖2 熔覆過程示意及熔覆效果：(a)熔覆過程; (b)熔覆效果Fig.2 Laser cladding process and cladding effect： (a) cladding process, (b) cladding effect

由于內(nèi)孔熔覆表面所處空間的限制，即使肉眼可見的缺陷也不容易檢測(cè)，更不容易修補(bǔ)，所以從工藝源頭上控制缺陷產(chǎn)生是關(guān)鍵。第一，需要嚴(yán)格篩選合金粉末。據(jù)悉，合金粉末制備的關(guān)鍵在于顆粒度的均勻性，如若顆粒度不均勻，大、小顆粒度之間即存在相互脫碳、應(yīng)力分布不均等情況，極易導(dǎo)致熔覆開裂等缺陷的形成，且嚴(yán)重影響送粉、熔凝過程。如圖3為本實(shí)驗(yàn)選用的合金粉末粒度情況，可見粉末顆粒呈圓形分布，球型顆粒度較為均勻光滑，球形度較高，粒度直徑約為 63.6μm ～139.6μm。粒度均勻且球形度高的合金粉末具備高流動(dòng)性，可以有效保障熔覆送粉的流暢均勻，有助于降低熔覆缺陷的產(chǎn)生機(jī)率。第二，需要控制熱量積累。激光熔覆是一個(gè)驟熱驟冷的過程，熔池存留時(shí)間短，生成的一些低熔點(diǎn)化合物如硼硅酸鹽等來不及上浮至熔覆層表面，留置在熔覆層內(nèi)即成為潛在缺陷源，故而，需要借助散熱系統(tǒng)合理調(diào)控狹窄空間內(nèi)的熱量輸入和發(fā)散，保障正常熔覆所需要的環(huán)境條件。

3.2 熔覆層顯微結(jié)構(gòu)

圖4 為熔覆層的組織結(jié)構(gòu)，由圖4(a)、(b)可見，熔覆層無(wú)裂紋、氣孔等缺陷，組織呈細(xì)小致密的枝晶狀。且結(jié)合界面清晰平滑，可見白亮窄帶，說明熔覆層與基體之間為冶金結(jié)合。在大激光功率下，基體和熔覆材料吸收的有效能量密度大，熔池停留時(shí)間短，驟熱驟冷，故激光熔覆層的組織較為細(xì)小、均勻，主要組織均為馬氏體和少量殘余奧氏體。如圖(c)所示，結(jié)合界面附近的基體組織的細(xì)晶區(qū)，該區(qū)域冷卻后形成較為粗大的回火馬氏體。

圖4 激光熔覆層組織結(jié)構(gòu)：(a)試樣剖面; (b)熔覆層; (c)結(jié)合界面及熱影響區(qū)Fig.4 Structure of laser cladding layer： (a) sample pro fi le, (b) cladding layer, (c) combined interface and thermal impact zone

3.3 熔覆層硬度檢測(cè)

對(duì)內(nèi)孔熔覆試樣進(jìn)行機(jī)械加工，保留有效熔覆層厚度為0.5mm，取樣進(jìn)行剖面硬度檢測(cè)，間隔0.25mm折線取檢測(cè)點(diǎn)，硬度梯度曲線如圖5所示。由圖可以看出：在熔覆層厚度范圍內(nèi)，平均硬度值為300-320HV1，結(jié)合界面周圍未現(xiàn)明顯起伏，基體平均硬度為230-300HV1，熔覆層和基體的硬度均較為穩(wěn)定，且熔覆層的硬度稍高于基體的硬度。這是因?yàn)镃r、Mo、Nb等元素為強(qiáng)碳化物形成元素，在熱量輸入足夠大的情況下有更多的碳化物得以生成[9]；結(jié)合界面附近的顯微硬度值略低于熔覆層的硬度，這可能是因?yàn)榛w對(duì)熔覆層具有一定的成分稀釋作用而且靠近基體的熔覆層會(huì)出現(xiàn)較為粗大的外延生長(zhǎng)樹枝晶所致[5]，有效地提高缸體內(nèi)壁的耐磨損性，同時(shí)，該硬度值有利于后續(xù)對(duì)缸體內(nèi)壁熔覆層進(jìn)行車削、磨削等機(jī)械加工操作。

圖5 熔覆試樣硬度梯度Fig.5 Hardness gradient of cladding sample

3.4 熔覆層耐磨性能

分別取基體和熔覆層試樣，經(jīng)清洗、干燥后分別稱取重量作為原始重量，使用MMU-10G微機(jī)控制機(jī)高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)耐磨性。與45鋼進(jìn)行對(duì)磨操作，對(duì)磨時(shí)間控制為1.5h，再次清洗、干燥后使用萬(wàn)分之一電子天平稱取重量，作為磨損后重量，計(jì)算磨損失重量，重復(fù)進(jìn)行三次，得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。在三次對(duì)磨過程中，熔覆層試樣的磨損失重量均明顯低于基體試樣的磨損失重量，說明采用本技術(shù)方法進(jìn)行熔覆的缸體內(nèi)壁，其耐磨性能優(yōu)于立柱基體的耐磨性能，約為基體的1.5倍。

表3 磨損失重量Table 3 Weight of abrasion loss

4 結(jié)論

大功率光纖內(nèi)孔熔覆裝備及技術(shù)工藝可有效地提高缸體內(nèi)壁的耐磨損性能，延長(zhǎng)立柱的使用壽命。開發(fā)的內(nèi)孔熔覆頭提高了對(duì)缸體內(nèi)壁進(jìn)行激光熔覆的可操作性，且合金粉末與缸體內(nèi)壁形成了有效的冶金結(jié)合，熔覆層硬度適中，賦予熔覆層良好的延展性及韌性，便于狹窄缸體內(nèi)壁熔覆表面的機(jī)械加工，符合油缸的工業(yè)化使用要求。