液壓支架立柱激光熔覆再制造工藝研究

伍 科，劉 偉，張澤山，拓曉穎

（天地寧夏支護裝備有限公司，寧夏銀川 750021）

立柱是液壓支架重要的傳動部件。液壓支架在潮濕、易腐蝕環(huán)境中長期使用后，其立柱中缸筒、活柱鍍層表面會出現(xiàn)腐蝕、磨損、脫落、開裂等問題，從而導(dǎo)致立柱漏液，使得液壓支架無法正常使用[1-5]。

近年來，激光熔覆技術(shù)作為一種新型表面強化技術(shù)，受到國內(nèi)眾多煤礦企業(yè)和液壓支架制造廠家的青睞。與傳統(tǒng)電鍍Cr 工藝相比，激光熔覆技術(shù)具有成本低、綠色環(huán)保、修復(fù)層質(zhì)量優(yōu)異等優(yōu)點[6-7]。用于激光熔覆技術(shù)的粉末主要包括鎳基、鈷基和鐵基合金粉末[8-13]。本文以液壓支架立柱中缸筒、活柱基體為基材，以鎳基合金粉末為熔覆材料，進行激光熔覆試驗，分析激光器輸出功率（以下簡稱激光功率）、激光掃描速度對熔覆層質(zhì)量的影響，并尋找最優(yōu)工藝參數(shù)，以期提高熔覆效率與質(zhì)量。

1 激光熔覆試驗

1.1 激光熔覆材料

激光熔覆試驗選用鎳基合金粉末作為熔覆材料，粉末粒徑為100～300 目，其成分如表1 所示。本次試驗中，基體材料選用立柱中缸、活柱材質(zhì)27 SiMn，其硬度小于320 HV；采用線切割機制備試件，試件尺寸為200 mm×150 mm×20 mm。試驗前，需要打磨、清理試件表面，去除氧化層，并使用酒精擦拭試件，去除污漬。

表1 鎳基合金粉末成分

1.2 熔覆層制備

試驗設(shè)備主要包括：德國LASERLINE LDM 2000-60 型半導(dǎo)體激光器、中科四象ZKSX-3000 激光熔覆頭、CLOOS 機器人、DPSF-2 送粉器系統(tǒng)。激光功率為2 000～6 000 W，激光波長為976 nm，光斑直徑為3～8 mm。送粉方式選用氬氣旁送，氬氣純度大于99.99%。

激光熔覆試驗初始工藝參數(shù)：激光功率為3 000～6 000 W，激光掃描速度為6～ 8 mm/s；送粉速率為2 r/min；有效熔覆厚度為1.5 mm 左右。為了在27 SiMn材質(zhì)表面找到激光熔覆最優(yōu)激光功率與掃描速度，本文設(shè)計了3 組單道熔覆試驗，如表2 所示。試驗中，每組試件為5 件；A 組激光掃描速度為6 mm/s，B 組激光掃描速度為7 mm/s，C 組激光掃描速度為8 mm/s；試驗的激光功率以250 W 為間隔，從3 000 W 依次增加到4 000 W，其他參數(shù)值保持不變。得到熔覆試件后，要對試件進行外觀檢驗，并且使用超聲波探傷儀進行裂紋探傷，以保證熔覆層的外觀及內(nèi)部質(zhì)量。

表2 激光熔覆試驗分組

1.3 熔覆層測量

試驗中，首先需要銑、磨熔覆面，制備試樣，并在試樣上取樣，取樣尺寸為10 mm×10 mm×8 mm；然后利用鑲嵌粉將試樣固定于鑲嵌機上，細(xì)磨、拋光試樣；最后采用ZEISS EVO 18 型鎢燈絲掃描電鏡測量熔覆層寬度、高度以及合金化區(qū)的深度和寬度。

1.4 熔覆層硬度檢測

試驗采用401 SVA 數(shù)字式顯微硬度計檢測試樣硬度。試驗加載載荷大小為1.96 N，加載時間為10 s；沿層深方向每隔0.2 mm 測1 次顯微硬度；每個深度測試5 個不同的點，去除最大值和最小值，取剩余3 個數(shù)值的平均值作為該層深度的顯微硬度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 熔覆層宏觀分析

圖1 為A，B，C 3 組試件的熔覆層外觀圖。由圖1可知，同組內(nèi)激光掃描速度不變時，激光功率越大，熔覆層表面越平滑，熔覆質(zhì)量越好。

當(dāng)激光掃描速度為6 mm/s 時，A 組試件熔覆結(jié)果如表3 所示。由圖1a 和表3 可知：試件A1 和A2的外觀不平整且裂紋密集；隨著激光功率的增加，試件熔覆層的外觀由扭曲逐漸變?yōu)槠秸?，裂紋明顯減少，且每道裂紋間隔增大；當(dāng)激光功率達(dá)到3 500 W時，試件A3 的熔覆層表面光滑平整，裂紋較少；當(dāng)激光功率達(dá)到3 750 W 時，試件A4 和A5 的熔覆層表面平滑且無裂紋。

表3 A 組試件熔覆結(jié)果

當(dāng)激光掃描速度為7 mm/s 時，B 組試件熔覆結(jié)果如表4所示。由圖1b和表4可知：試件B1和B2出現(xiàn)了大量的堆積瘤，且裂紋密集；隨著激光功率的增加，熔覆層表面裂紋開始減少；當(dāng)激光功率達(dá)到3 500 W時，試件B3 的熔覆層無裂紋，熔覆外觀光滑且平整。

表4 B 組試件熔覆結(jié)果

當(dāng)激光掃描速度增加至8 m/s 時，C 組試件熔覆結(jié)果如表5 所示。由圖1c 和表5 可知：激光掃描速度的加快會導(dǎo)致熔覆層前后寬度不一致；隨著激光功率的增加，熔覆層厚度逐漸降低并伴隨裂紋的生成；當(dāng)激光功率達(dá)到4 000 W 時，熔覆層趨于平整且無裂紋產(chǎn)生。

圖1 試件熔覆層外觀圖

表5 C 組試件熔覆結(jié)果

2.2 稀釋率分析

熔覆層的幾何形貌可以用熔覆層寬度L、厚度H、合金化區(qū)深度h、熔覆層橫截面積S1、基體熔化的熔池橫截面積S2等參數(shù)描述。幾何稀釋率β 的計算公式為

熔覆層的力學(xué)性能取決于稀釋率的大小，稀釋率過大，熔覆層容易開裂、變形；稀釋率過小，熔覆層與基體不能形成良好的冶金結(jié)合區(qū)，熔覆層容易脫落。一般來說，為了保證熔覆結(jié)合面的強度，控制熔覆層中的氣孔、裂紋等缺陷，激光熔覆稀釋率通常保持在20%左右為宜[9]。

本試驗對A，B，C 組所有試樣的熔覆層厚度、寬度以及合金化區(qū)深度和寬度進行了檢測，計算出所有試樣的稀釋率，并將試樣的熔覆層、合金化區(qū)區(qū)域測量值及稀釋率按編號繪制為折線圖，如圖2 所示。由圖2 可知：隨著激光掃描速度的增加，熔覆層寬度和厚度、合金化區(qū)深度及稀釋率均呈下降趨勢；在激光掃描速度和其他工藝參數(shù)一定的條件下，熔覆層寬度、熔池深度及稀釋率均隨著激光功率的增大而增大，但熔覆層厚度隨著激光功率的增大而逐漸減小。試驗發(fā)現(xiàn)，B3 組試樣的有效熔覆層厚度與稀釋率基本符合工藝選擇標(biāo)準(zhǔn)，同時其熔覆層外觀平整且無裂紋，即制備熔覆層的最優(yōu)激光功率為3 500 W，最優(yōu)激光掃描速度為7 mm/s。

圖2 熔覆層寬度、厚度，合金化區(qū)深度及稀釋率變化趨勢圖

2.3 熔覆層硬度分析

圖3 為B3 試樣熔覆層顯微硬度曲線圖。由圖3可知：熔覆層硬度最高達(dá)到480 HV 左右，明顯高于立柱中缸筒、活柱基體硬度；熔覆層厚度為1.6 mm 左右，熱影響區(qū)寬度為500 μm 左右。

圖3 鎳基合金熔覆層的顯微硬度曲線圖

3 立柱中缸筒修復(fù)

本文使用上述試驗得出的最優(yōu)工藝參數(shù)（激光功率3 500 W，激光掃描速度7 mm/s），對ZY 10000/25/55D 型大修液壓支架立柱中缸筒外表面進行修復(fù)，并編制修復(fù)工藝流程，其主要包括待修復(fù)缸筒的預(yù)檢，校形，粗車鍍層，激光熔覆缸筒表面，粗車，表面精加工等。

3.1 檢查

首先使用拆缸機和扳手拆解出立柱中缸筒并進行清洗，然后檢查缸筒外壁磨損、銹蝕等損壞狀況。對于需修復(fù)的缸筒，測量其直線度；若缸筒直線度不滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)進行校形。

3.2 粗車

立柱在多次使用后，中缸筒各個部位可能已經(jīng)發(fā)生形變，會影響中缸筒的定位找正，因此定位找正前，應(yīng)先檢修缸口及其中心孔。若內(nèi)孔有缺陷，可先墊銅皮，再進行找正。找正過程中，百分表顯示在0.05 mm內(nèi)時，方可進行車削。接下來，車削缸筒表面的原鍍層，車削后的缸筒外徑比原設(shè)計值小0.5 mm，車削后的表面粗糙度應(yīng)控制在Ra 12.5～Ra 25。粗車完畢后，對缸筒表面進行粗糙度和直徑檢測。

3.3 激光熔覆

熔覆前，將缸筒表面的鐵屑及油漬清理干凈；檢查熔覆頭保護鏡片，確保鏡片完好；調(diào)整好設(shè)備各項工藝參數(shù)，激光功率為3 500 W，激光掃描速度為7 mm/s，送粉速率為2 r/min。熔覆時，保證熔覆厚度不小于1.5 mm。熔覆完畢后，檢查熔覆層，保證熔覆層無夾渣、裂紋、氣孔、凹坑等缺陷。中缸筒外表面熔覆效果如圖4 所示。

圖4 中缸筒外表面熔覆效果

3.4 精加工

對熔覆層再次進行粗車，與上道粗車工序一致，車削至留出0.4 mm 以上的精車加工余量，同時保證粗車后表面粗糙度小于Ra 6.3。粗車完畢后，對熔覆層進行精車，保證表面粗糙度小于Ra 1.6。接下來，按照珩磨工藝規(guī)范，精車熔覆層外表面，保證表面粗糙度小于Ra 0.4。

3.5 交檢

修復(fù)后的中缸筒需要使用TR 200 型手持式粗糙度儀對立柱缸筒外表面進行粗糙度檢測，并且使用FISCHER 測厚儀對鍍層進行厚度檢測。檢測結(jié)果表明，所加工的熔覆層無裂紋、氣泡，加工精度符合原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

本試驗采用半導(dǎo)體激光器在液壓支架立柱中缸筒、活柱基體表面制備鎳基合金熔覆層。通過外觀檢測、熔覆層裂紋探傷、熔覆層和合金化區(qū)測量及稀釋率計算，得出制備熔覆層的最優(yōu)激光功率為3 500 W，最優(yōu)激光掃描速度為7 mm/s。熔覆層硬度最高達(dá)到480 HV，滿足立柱再制造工藝要求。

本文使用試驗得出的最優(yōu)工藝參數(shù)（激光功率3 500 W，激光掃描速度7 mm/s），對ZY 10000/25/55D型大修液壓支架立柱中缸筒外表面進行激光熔覆，熔覆層質(zhì)量符合原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，驗證了最優(yōu)工藝參數(shù)的可靠性。