激光快速熔覆技術(shù)在液壓支架的應(yīng)用研究

王綏義，孫紅海，田為軍

1武漢高斯激光技術(shù)有限公司 湖北武漢 430064

2兗礦東華重工有限公司 山東濟(jì)寧 273500

激光熔覆是將外部材料添加到基體表面，經(jīng)激光輻照后，外加材料和基體表面快速凝固并形成熔覆層的工藝方法。激光熔覆所形成的熔覆層具有稀釋度低、結(jié)合力強(qiáng)的特點(diǎn)，改善了基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化或電氣特性，從而達(dá)到改善或修復(fù)表面的目的，滿足材料表面特定性能要求的同時節(jié)約了成本。與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有熱影響區(qū)域小、稀釋度低、組織致密、涂層與基體結(jié)合度好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點(diǎn)。

1 激光熔覆技術(shù)與液壓立柱修復(fù)現(xiàn)狀

液壓支架是綜采工作面的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備，而立柱是液壓支架的核心部件，其支撐力確保頂板不下沉、垮落。由于其工作環(huán)境惡劣，容易受到摩擦和煤矸沖擊，因此立柱要具有良好的抗沖擊和抗磨損能力。另外，工作面存在硫化氫等有害氣體，容易腐蝕立柱表面，因此立柱要具有良好的抗腐蝕性能。目前使用的液壓立柱采用表面鍍鉻的方法來提高其抗腐蝕性能，但該工藝方法的抗腐蝕性能一般。例如山東兗礦集團(tuán)的趙樓礦，投入使用幾個月就出現(xiàn)銹蝕和損壞。而液壓支架的維修是一個復(fù)雜的工程，維修成本較高[1-2]。

煤機(jī)企業(yè)通過對各種工藝進(jìn)行改進(jìn)以提高液壓立柱的使用壽命，激光熔覆技術(shù)就是其中的一種。該技術(shù)的特點(diǎn)是在立柱表面熔覆一層不銹鋼防腐層，厚度為0.5 mm 左右，該熔覆層將液壓立柱基體完全包覆，與有害氣體完全隔離，提高了液壓立柱的抗腐蝕性[3]。

研究小組對激光熔覆技術(shù)在立柱修復(fù)方面的作用進(jìn)行了專門研究和試驗(yàn)，經(jīng)歷了2 代設(shè)備和工藝：第一代采用二氧化碳橫流激光設(shè)備進(jìn)行熔覆；第二代采用半導(dǎo)體激光設(shè)備進(jìn)行熔覆，保護(hù)層厚度由0.06 mm增加到0.5 mm。第一、第二代激光熔覆液壓立柱均有一個很大的“瓶頸”——生產(chǎn)效率低。例如，對一根直徑為320 mm、長度為1 000 mm、表面積為1 m2的液壓立柱來說，二氧化碳橫流激光熔覆完成加工需要7～8 h，半導(dǎo)體激光熔覆效率有所提高，也要3～4 h。生產(chǎn)效率達(dá)不到工業(yè)化生產(chǎn)的要求，無法大面積推廣應(yīng)用。

2 激光快速熔覆技術(shù)的研究和應(yīng)用

為了解決熔覆效率低的問題，研究小組對該項(xiàng)目進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)：一是對熔覆設(shè)備作出改變，二是研制一種與新設(shè)備相匹配的專用粉末。

首先把二氧化碳橫流激光器或者半導(dǎo)體激光器改為光纖激光器，配以冷水機(jī)、機(jī)器人(機(jī)器手)、機(jī)床、快速熔覆頭、自動送粉系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)，組成新一代激光熔覆設(shè)備；其次是研制一種與快速熔覆設(shè)備相匹配的金屬熔覆粉末，以減少熔覆后開裂的風(fēng)險(xiǎn)。采用新型金屬熔覆粉末配合新設(shè)備的新工藝，解決了熔覆不徹底和表面開裂問題，形成新一代熔覆技術(shù)，大大提高了質(zhì)量和效率。以直徑為320 mm、長度為1 200 mm、表面積為1.206 m2的液壓立柱為例，新技術(shù)的熔覆時間為101 min，即每平方米熔覆時間為1.4 h。新設(shè)備和工藝與第一代、第二代設(shè)備和工藝相比已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，為了便于區(qū)分，原來的熔覆技術(shù)稱為普通熔覆，新一代的熔覆技術(shù)稱為快速熔覆。

快速熔覆和普通熔覆原理、工藝不同。在快速熔覆過程中，金屬粉末在到達(dá)熔池之前充分吸收了激光能量。普通熔覆時基體和粉末對激光能量的吸收比例分別為80% 和20%；快速熔覆時基體和粉末對激光能量的吸收比例分別為20% 和80%。通過改變激光能量吸收比例，使得熔覆的線速度達(dá)到了每分鐘幾十米，提高了熔覆工作效率。激光快速熔覆的稀釋率降低為1% 左右，而普通熔覆的稀釋率為 5%～15%。普通熔覆和快速熔覆的效率對比如表1 所列。

表1 快速熔覆和普通熔覆的效率對比

從表1 可以看出，激光快速熔覆每小時的熔覆面積分別是二氧化碳激光熔覆和半導(dǎo)體激光熔覆的5.5倍和2.6 倍，熔覆效率大幅提高。激光快速熔覆技術(shù)具有以下特點(diǎn)。

(1)加工效率高 線速度達(dá)25 m/min，每小時熔覆0.7 m2，熔覆層厚度為0.6 mm。

(2)硬度高 配合與之配套的專用粉末，熔覆后表面硬度達(dá)到50-55HRC，不易開裂。

(3)表面粗糙度降低 只需加工0.15～0.2 mm就可以磨削出成品。

(4)變形量小 由于激光熔覆熱輸入量小，熱變形量小。

(5)便于精確控制 工藝過程用數(shù)控實(shí)現(xiàn)了激光精準(zhǔn)快速熔覆。

(6)無固液廢棄物 激光加工不產(chǎn)生固液廢棄物，符合環(huán)保要求。

3 結(jié)語

鍍鉻工藝技術(shù)因重金屬污染和強(qiáng)酸性會破壞環(huán)境，國家工信部于 2012 年印發(fā)關(guān)于《機(jī)電產(chǎn)品再制造技術(shù)及裝備目錄》的通知(工信部聯(lián)節(jié)[2012]198號)，鼓勵有條件的煤機(jī)企業(yè)采用激光熔覆技術(shù)替代鍍鉻技術(shù)，激光快速熔覆技術(shù)的研究突破后，在煤炭液壓立柱修復(fù)上可大面積推廣應(yīng)用。從技術(shù)革新的層面講，減少了電鍍造成的環(huán)境污染，符合國家提倡的發(fā)展戰(zhàn)略，具有較好的推廣前景。