合金熔覆技術(shù)在液壓支架油缸再制造中的應(yīng)用

關(guān)生德 王虎 陳剛 鄧雪峰

摘 要：詳細(xì)介紹了液壓支架油缸再制造中合金熔覆技術(shù)的應(yīng)用情況，并論述了合金熔覆技術(shù)在設(shè)備、工藝、材料選擇及特性、產(chǎn)品性能特點(diǎn)等方面的要求，最后證實(shí)了合金熔覆技術(shù)在液壓支架油缸再制造中的可行性和合理性。

關(guān)鍵詞：液壓支架;油缸;合金熔覆;再制造

中圖分類號(hào)：TG174.4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?文章編號(hào)：1003-5168（2022）7-0054-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.012

Abstract： Introduced the application of alloy cladding technology in the remanufacturing of hydraulic support cylinder in detail， and discusses the requirements of alloy cladding technology in equipment， process， material selection and characteristics， product performance characteristics and so on. Finally， it proves the feasibility and rationality of alloy cladding technology in the remanufacturing of hydraulic support cylinder.

Keywords： hydraulic support; cylinder; alloy cladding; remanufacturing

0 引言

液壓支架是煤礦綜采工作面的主要支護(hù)設(shè)備，是安全生產(chǎn)的必要保證。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，70%以上的液壓支架失效是其自身各類油缸的功能性失效造成的。井下工況條件惡劣，油缸在使用過程中，由于腐蝕、拉傷、沖擊、磕碰等很容易引起缸筒內(nèi)孔或活塞桿外表面鍍層的損壞，從而導(dǎo)致密封泄液，油缸支撐功能失效，進(jìn)而影響支架整體使用性能，導(dǎo)致工作面不能正常生產(chǎn)。另一方面，我國新疆地區(qū)煤田礦井的各類自然條件差，支架回撤安裝周期長，地面工業(yè)廣場場地不足等因素造成液壓支架升井維修困難。液壓支架的維修工作一直困擾并嚴(yán)重制約著煤礦的生產(chǎn)進(jìn)度及回采工作。針對(duì)井下綜采環(huán)境及液壓支架主要損傷形式，可通過合金熔覆技術(shù)的應(yīng)用將液壓支架油缸進(jìn)行維修再制造升級(jí)，以滿足液壓支架升井維修一次后，在保證各類技術(shù)指標(biāo)不變的情況下，支架可連續(xù)使用3年不大修，5年不升井維修，從而大幅度提高企業(yè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。

1 工藝流程與試驗(yàn)方案

1.1 工藝流程

詳細(xì)工藝流程為外圓檢測（尺寸、直線度等）—外圓預(yù)車（將原疲勞層及點(diǎn)蝕層全部車去）—外圓拋光（去除表面油污并降低刀紋影響）—表面探傷檢測（判定基體表面是否有殘留細(xì)微裂紋或裂紋趨勢）—外圓合金熔覆（合金材質(zhì)的防腐性是原母材的3倍以上，硬度HRC50以上）—外圓精加工（按原圖尺寸對(duì)缸口進(jìn)行再制造加工，保證所有尺寸、公差等與原設(shè)計(jì)完全一致）—磨削拋光（磨拋一體設(shè)備，減少裝夾次數(shù)保證質(zhì)量精度）—包鹽水試驗(yàn)（100%全檢）—包裝入庫。

1.2 工藝試驗(yàn)方案

鹽霧試驗(yàn)記錄如表1所示。

1.3 鹽霧試驗(yàn)

1.3.1 鹽霧試驗(yàn)方案。采用銅加速鹽霧試驗(yàn)（CASS試驗(yàn)），這是目前國外最常用的一種鹽霧試驗(yàn)方法，試驗(yàn)溫度為45～50 ℃，鹽溶液中加入了適量的氯化銅，其可以加速觸發(fā)工件的腐蝕，銅加速鹽霧試驗(yàn)對(duì)工件的腐蝕速度約是中性鹽霧試驗(yàn)（NSS試驗(yàn)）的8倍。試驗(yàn)時(shí)，將試件按規(guī)定暴露于鹽霧試驗(yàn)箱中，樣件表面噴入霧化的試驗(yàn)溶液，細(xì)霧在自重作用下均勻地沉降在試驗(yàn)件表面。試件在鹽霧實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的位置應(yīng)為試驗(yàn)面與垂直面成30°角，試件間距離能保證霧液可自由沉降到所有樣件表面。樣件間不可互相接觸。

1.3.2 鹽霧試驗(yàn)結(jié)果。如表2所示。通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以明顯看出，3號(hào)件的綜合性能最佳，雖然硬度比1號(hào)低，但考慮到液壓支架油缸的實(shí)際使用工況，HRC45的硬度已完全可以滿足使用要求，因此，初步建議將3號(hào)件的各項(xiàng)參數(shù)定為最后可取參數(shù)，包括材料成分、熔覆層厚度等。銅加速鹽霧試驗(yàn)對(duì)比如圖1所示[4，5]。

2 技術(shù)原理與設(shè)備

2.1 技術(shù)原理

冷弧合金熔覆技術(shù)最早使用于汽車行業(yè)，是為了滿足汽車超薄鈑金件的焊接，最薄可做到0.3 mm厚度鋁板的焊接，目前德國和法國對(duì)此技術(shù)運(yùn)用最為成熟，該次試驗(yàn)參照的是德國技術(shù)，其核心技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)幾乎無電流狀態(tài)下的熔滴過渡。焊絲與工件短路時(shí)，電流變?yōu)樾〉亩搪冯娏?，送絲由向前變?yōu)橄群蟪榛睾附z，這樣就減少了電弧輸入熱量的時(shí)間，電弧熄滅，大幅降低熱輸入量，熔焊過程就在冷熱交替中循環(huán)往復(fù)。

2.2 設(shè)備特性

①為提高效率，試驗(yàn)組在研發(fā)之初就制訂了雙槍同步熔覆的方案，熔覆電源采用德國全數(shù)字逆變雙脈沖電源，通過全數(shù)字控制，從小電流到大電流，都能對(duì)電流狀態(tài)進(jìn)行極其精細(xì)的控制，獲得持續(xù)穩(wěn)定的熔覆品質(zhì);負(fù)載持續(xù)率達(dá)到100%;由于采用逆變技術(shù)，所以可大幅度節(jié)省能源。

②設(shè)備的控制系統(tǒng)以可編程控制器（PLC）為中心，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的邏輯控制，完成熔覆機(jī)頭移動(dòng)、工件回轉(zhuǎn)的一體控制。工件旋轉(zhuǎn)無級(jí)調(diào)速，送絲速度無級(jí)調(diào)速。控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)。

③控制系統(tǒng)配以人機(jī)界面進(jìn)行參數(shù)的輸入和顯示。待熔覆工件管徑、焊接速度等參數(shù)可在人機(jī)界面上分別輸入，工件旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與熔覆機(jī)頭行走機(jī)構(gòu)經(jīng)過運(yùn)算自動(dòng)生成軌跡，實(shí)現(xiàn)螺旋熔覆方式，熔覆層的搭接量（螺距）可在5～8 mm任意設(shè)定。2BD35E16-D12C-4B7C-B04A-359BBAA4404E

④工件旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)采用松下交流伺服系統(tǒng)，速度無級(jí)可調(diào)。實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，通過數(shù)字編碼器提供的實(shí)際參數(shù)值作為反饋信號(hào)，閉環(huán)控制熔覆速度，在熔覆過程中自動(dòng)修正因各種因素引起的速度變化。另外，在交流伺服電機(jī)上配置抱閘制動(dòng)裝置，設(shè)備在突然斷電的情況下，可迅速制動(dòng)，鎖定工作臺(tái)停止在斷電位置，確保操作人員人身安全。

⑤控制系統(tǒng)具備停弧點(diǎn)記憶、恢復(fù)功能。當(dāng)發(fā)生故障停止熔覆時(shí)，處理完成后，熔覆槍可自動(dòng)恢復(fù)到停止位置，手動(dòng)后退適當(dāng)角度，即可繼續(xù)完成熔覆，避免出現(xiàn)熔覆缺陷。

3 材料特性

3.1 材料選擇及性能

研發(fā)使用的鎳鉻合金材料具有優(yōu)異的耐應(yīng)力腐蝕開裂、耐腐蝕疲勞、耐空腐蝕、耐沖蝕和抗污損等性能。在耐腐蝕疲勞方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過不銹鋼和黃銅，比錳青銅還好;在耐沖蝕方面也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)不銹鋼，而且耐空腐蝕性能格外好。在船用螺旋槳、大型泵用葉片、緊固件、液壓支架、鋼鐵軋輥等部件制造上獲得了日趨廣泛的應(yīng)用。

鎳鉻合金耐均勻腐蝕、空泡腐蝕和腐蝕疲勞的性能與超級(jí)雙相不銹鋼相當(dāng);不發(fā)生氧化物應(yīng)力腐蝕開裂，其強(qiáng)度與奧氏體不銹鋼相當(dāng)，經(jīng)熱處理后，可與雙相不銹鋼媲美。其還具有優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，良好的耐磨損性能和焊接性能。

該試驗(yàn)還在材料中加入了鋯、鍶等稀土元素，以提高材料的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度提高4.06%，屈服強(qiáng)度提高4.07%，但是伸長率降低了15.1%。鋯和鍶的聯(lián)合加入細(xì)化了合金鑄態(tài)組織，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用。鋯、鍶復(fù)合微合金化新型鑄態(tài)鎳鉻合金熔敷金屬，其均勻腐蝕速率和電化學(xué)腐蝕速率分別降低了2.9%、49.6%，抗拉強(qiáng)度提高了4.06%。

3.2 材料分析

經(jīng)美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM A923中C法試驗(yàn)后檢測，焊接熱影響區(qū)小，在熱影響區(qū)內(nèi)晶體發(fā)生正火。焊接熔合線區(qū)結(jié)合緊密，晶粒變細(xì)。結(jié)合強(qiáng)度較高，滿足焊材強(qiáng)度要求。具體金相分析如圖2、圖3所示。

4 產(chǎn)品性能特點(diǎn)

4.1 基本參數(shù)

熔覆層材料為鎳鉻合金材料;熔覆層厚度為≥0.5 mm;活塞桿尺寸精度為精度等級(jí)達(dá)到f 9級(jí)，尺寸均勻;活塞桿表面粗糙度為≤Ra0.4;活塞桿直線度不得超過0.2/1 000（mm）;熔覆層表面硬度為45～50 HRC。

4.2 耐腐蝕性

能適應(yīng)礦井下的高濕腐蝕環(huán)境;在酸性鹽霧腐蝕試驗(yàn)96 h評(píng)價(jià)達(dá)到GB/T 6461—2002評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)9級(jí)以上。

4.3 結(jié)合性能

熔覆層與活塞桿母材達(dá)到冶金結(jié)合，保證工件性能的可靠性，根據(jù)EN ISO 7438—2020標(biāo)準(zhǔn)做彎曲試驗(yàn)熔覆層不會(huì)出現(xiàn)裂紋。

4.4 其他特點(diǎn)

熔覆層組織致密均勻，無縮孔、裂紋、起皮等缺陷，不使用封孔劑的條件下孔隙率不大于0.1%，稀釋率不大于5%;熔覆層制備后須按照J(rèn)B/T 4730.4—2005或JB/T 4730.5—2005或等同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行NDT探傷檢測（PT或MT），檢測結(jié)果達(dá)到1級(jí)合格;生產(chǎn)過程綠色環(huán)保，無粉塵和噪聲污染。

5 結(jié)語

通過對(duì)合金熔覆工藝技術(shù)的展開研究，從多方面證明了合金熔覆技術(shù)在液壓支架油缸再制造中的可行性和優(yōu)越性。詳細(xì)地闡述了合金熔覆技術(shù)的工藝方案、技術(shù)原理、設(shè)備特點(diǎn)、材料特性及試驗(yàn)方案等技術(shù)方面的要求，在此基礎(chǔ)上細(xì)化了油缸活塞桿外表面熔覆再制造的技術(shù)要求，為油缸再制造提出了明確的標(biāo)準(zhǔn)。隨著綠色制造時(shí)代的新要求，傳統(tǒng)的活塞桿表面電鍍處理工藝的環(huán)保缺陷越來越明顯，在再制造過程中，通過對(duì)活塞桿的外表面均采用冷弧合金熔覆技術(shù)，不但解決了環(huán)保問題，同時(shí)也大幅提高了產(chǎn)品質(zhì)量，耐磨性較電鍍可提高50%以上，耐腐蝕性可提高2倍以上，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值顯著。

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