液壓支架千斤頂激光熔覆再制造技術(shù)工藝實踐

王志凱,權(quán)學(xué)利

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司機電公司,陜西 延安 727307)

0 引言

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜,粉塵顆粒、有害氣體和潮濕等作業(yè)環(huán)境會對機械設(shè)備造成不同程度的腐蝕,有些設(shè)備還承受著重載、高速、振動及摩擦等高強度工作。大部分設(shè)備每天連續(xù)作業(yè)16 h以上,運行時間長,加速了設(shè)備的磨損。機電總廠主要負(fù)責(zé)黃陵礦業(yè)四礦綜采設(shè)備的大中修業(yè)務(wù),在維修過程中,發(fā)現(xiàn)液壓支架立柱和千斤頂每采完一個工作面,活塞桿鍍層修復(fù)量達(dá)40%以上。掘進(jìn)機油缸、帶式輸送機張緊油缸及卷帶裝置油缸活塞桿鍍層也存在不同程度的損壞,外委修理或者購買新件,不僅周期長,還增加了維修成本。傳統(tǒng)電鍍鉻技術(shù)易脫落、龜裂,且結(jié)合力弱,耐腐蝕性差。為了提高礦用設(shè)備使用壽命,黃陵礦業(yè)機電公司本著綠色示范發(fā)展理念,引進(jìn)了一套激光熔覆增材數(shù)控自動化設(shè)備,利用新技術(shù),提高維修再制造能力,做實降本增效。

1 傳統(tǒng)鍍層修復(fù)工藝

目前,千斤頂活塞桿外表面修復(fù)主要采用電鍍鉻工藝。電鍍鉻是利用電解工藝,將鉻沉積在基體表面,形成鉻鍍層的表面處理技術(shù),鍍層與基體之間為物理結(jié)合[1]。由于硬度高脆性較大,鉻層受到?jīng)_擊時易發(fā)生裂紋,造成起泡、銹蝕等狀況;同時電鍍前需要對工件進(jìn)行酸洗,這樣會產(chǎn)生大量酸洗廢水和清洗廢水,造成水源污染和環(huán)境破壞。立柱及千斤頂在使用過程中,經(jīng)常出現(xiàn)不同程度的銹蝕、脫落、劃傷等表面局部缺陷,但電鍍工藝不適合局部修復(fù),即使局部損傷或脫落,也需將整根活塞桿鍍層整體退鍍后再整體電鍍,增加了維修成本。由于受電鍍層厚度的限制,一般活塞桿在電鍍2次后,會因退鍍后再加工而造成壁厚變薄,影響使用。

2 激光熔覆技術(shù)工藝

黃陵礦業(yè)機電公司本著綠色示范發(fā)展理念,引進(jìn)了一套激光熔覆再制造技術(shù),該技術(shù)是一種新的表面改性技術(shù),屬于先進(jìn)環(huán)保的表面處理加工技術(shù)。它是利用高能激光束加熱材料表面,將涂覆材料和基體表面一起熔化后快速凝固形成新的表面涂層,顯著提高了基體材料表面的耐蝕、耐磨、耐熱、抗氧化等性能[2-3]。

2.1 激光熔覆設(shè)備

黃陵礦業(yè)機電公司采用的是南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高功率半導(dǎo)體激光熔覆設(shè)備,激光器為6 kW和10 kW輸出功率,波長為1 030 nm、900～1 080 nm。10 kW激光器熔覆系統(tǒng)配備德國KUKA生產(chǎn)的KR60機器人,工作范圍最大半徑2 033 mm,空間最大旋轉(zhuǎn)角度±185°,六軸運動,高精度電子零點標(biāo)定,重復(fù)精度±0.05 mm,軌跡精度±0.16 mm,是一款高重復(fù)定位精度、高絕對定位精度的機器人。配置德國LaserLine公司制造的OTS-5光學(xué)系統(tǒng),包括準(zhǔn)直模塊、聚焦模塊、環(huán)形同軸送風(fēng)模塊等,配置600 um和1 000 um的光纖,焦點光斑直徑2.8 mm、3.0 mm。配備德國LaserLine公司的10 kW光纖耦合半導(dǎo)體激光器,提供“智能光束”自由空間輸出,經(jīng)配置后可輸出多種光斑形狀,實現(xiàn)對熔覆寬度和厚度的高度控制,進(jìn)而實現(xiàn)對大面積區(qū)域的快速處理,該系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)50%,目前是一款技術(shù)較為先進(jìn)激光熔覆設(shè)備。

2.2 激光熔覆材料

根據(jù)黃陵礦業(yè)四對礦井有害氣體的含量及修復(fù)活塞桿材質(zhì)(27SiMn),選用熔覆材料為Fe基合金粉末,其化學(xué)成分見表1,粒徑為53～150 μm,球形度為95%,目數(shù)180,流動性良好。該合金粉末具有良好的潤濕性、耐蝕性、高溫自潤滑作用,同時熔層材料的熱膨脹系數(shù)略小于基體,熔覆空冷后具有良好的耐腐蝕、耐磨損及較好的抗裂紋性,其使用壽命是鍍鉻技術(shù)的6倍以上[4]。

表1 Fe基合金粉末的化學(xué)成分

2.3 激光熔覆技術(shù)加工原理

將激光器產(chǎn)生的激光通過光纖傳導(dǎo)到加工頭,加工頭對激光束進(jìn)行整形聚焦,使激光器能量集中到一點,送粉器通過氬氣將Fe基合金粉末運到加工頭,加工頭再將粉末匯聚到加工點,恰好與激光的聚焦點重合,如圖1所示。機器人帶動加工頭運動,進(jìn)而實現(xiàn)整個激光熔覆過程[5]。

圖1 激光熔覆加工原理

2.4 工藝流程

該條生產(chǎn)線主要由數(shù)控車床、普通車床、6 kW/10 kW激光熔覆設(shè)備、磨床、拋光機等組成。熔覆修復(fù)工藝流程為清洗→測量檢驗→修復(fù)中心孔→表面鍍層車削→熔覆前工件表面探傷→熔覆層制備→熔覆層車削→熔覆層拋光(熔覆層磨削)→檢驗。清洗即清洗擦拭活塞桿表面及清理中心孔異物。鍍層車削前在畫線平臺上利用百分表測量工件,沿基本軸線檢測工件形位公差,要求徑向圓跳動誤差≤0.8 mm,直線度≤0.7 mm。修復(fù)中心孔是在車床上鉆中心孔,中心孔標(biāo)準(zhǔn)采用GB/T 4459.5-A8/17。退鍍車削時在最小跳動量處單邊粗車0.3～0.4 mm;主軸轉(zhuǎn)速n=100～160 r/min,進(jìn)給速度F=0.3～0.4 mm/r;半精車背吃刀量為0.2 mm,主軸轉(zhuǎn)速n=160～200 r/min,進(jìn)給速度F=0.3 mm/r,具體根據(jù)刀具磨損程度輸出參數(shù)。對表面有深坑的工件,去除其表面雜質(zhì),使用氬弧焊修復(fù)并打磨平整,然后車削到合適尺寸。為保證熔覆層性能,在制備熔覆層前應(yīng)對待熔覆工件利用超聲波檢測基體是否有裂紋,無裂紋方可進(jìn)行激光熔覆工藝。裝夾好工件,設(shè)置熔覆厚度所需送粉量,使用10 kW熔覆機床時,出光功率為9 400 W,線速度為400～480 mm/min,進(jìn)給量23 mm/r,熔覆后直徑為基本尺寸+1.5～+1.8 mm,要求表面平整,無缺陷,如圖2所示。熔覆后,一般夏天需空冷6～8 h,冬天需空冷4～6 h,對于直徑/長度≤1/4的活塞桿,應(yīng)立掛存放,以免變形影響質(zhì)量,如圖3所示。熔覆層車削分粗車和精車兩道工藝,均由數(shù)控車床完成,粗車和精車使用的刀具相同,均為SNGN1204012,粗車采用精車磨損的刀具,粗精車分別進(jìn)刀一次。粗車時主軸轉(zhuǎn)速n=100 r/min,進(jìn)給速度F=0.3～0.4 mm/r,背吃刀量為0.35 mm,具體根據(jù)刀具磨損程度輸出參數(shù)。精車時主軸轉(zhuǎn)速n=200 r/min,進(jìn)給速度F=0.3 mm/r,背吃刀量為0.3 mm。拋光至基本尺寸,公差為f 9,表面粗糙度Ra≤0.05 μm。利用外徑千分尺、硬度儀及表面粗糙度對比儀等量具及儀器進(jìn)行測量檢驗,尺寸為基本尺寸+f 9,硬度HRC 45～50,表面粗糙度Ra≤0.05 μm,經(jīng)檢驗合格后運至組裝區(qū)進(jìn)行裝配。

圖2 熔覆后表面

圖3 細(xì)活塞桿立掛

2.5 工藝參數(shù)

激光熔覆工藝參數(shù)主要有激光功率、光斑直徑、熔覆速度、離焦量、送粉速度、掃描速度,預(yù)熱溫度等,這些參數(shù)對熔覆層的稀釋率、裂紋表面粗糙度以及熔覆零件的致密性等方面有很大影響[6]。各參數(shù)之間也相互影響,其中激光功率、光斑直徑、熔覆速度是最重要的3個參數(shù)。

激光功率的大小決定激光束功率密度。激光功率增大,激光束的功率密度會增大,熔覆層的深度會增大,熔池溫度也會升高,這樣將會造成部分粉末產(chǎn)生“氣化”現(xiàn)象[7]。此外,功率過大還會造成基材受熱升溫,使其出現(xiàn)開裂等不良現(xiàn)象,影響質(zhì)量。功率過小,對材料可能造成熔化不徹底,導(dǎo)致出現(xiàn)空洞等不良結(jié)果,使其質(zhì)量下降,所以選擇合適的功率非常重要。激光束一般為圓形,熔覆層寬度主要取決于激光束的光斑直徑,光斑直徑增加,熔覆層變寬[8]。光斑尺寸不同會引起熔覆層表面能量分布變化,所獲得的熔覆層形貌和組織性能有較大差別。一般來說在小尺寸光斑下,熔覆層質(zhì)量較好,隨著光斑尺寸增大,熔覆層質(zhì)量下降。但光斑直徑過小,不利于獲得大面積的熔覆層。熔覆速度與激光功率有相似的影響,熔覆速度過高,合金粉末不能完全融化,未起到優(yōu)質(zhì)熔覆的效果;熔覆速度太低,熔池存在時間過長,粉末過燒,合金元素?fù)p失,同時基體的熱輸入量大,會增加變形量[9]。

3 激光熔覆修復(fù)技術(shù)的特點及應(yīng)用效果

3.1 熔覆技術(shù)的特點

與傳統(tǒng)的電鍍、熱噴涂等表面改性技術(shù)相比,激光熔覆技術(shù)適用的材料體系廣泛,尤其適用于低熔點金屬表面熔覆高熔點合金,獲得致密的冶金結(jié)合涂層[10]。激光加工過程中基體溫升不超過80 ℃,熱影響區(qū)域小,工件不易變形,熔覆率高;涂層表面性能穩(wěn)定,成分及厚度可控,工藝操作靈活;可對工件局部表面進(jìn)行修復(fù),對形狀復(fù)雜、非對稱形狀的零件及特殊部位亦可進(jìn)行表面強化處理,如盲孔底部及深孔內(nèi)壁等;表面強化層組織細(xì)、硬度高、表面光潔無氧化,具有較高的韌性、強度、耐磨性和耐腐蝕性[11-12];此技術(shù)屬于綠色再制造范疇,加工過程無污染,作業(yè)環(huán)境好。

3.2 熔覆應(yīng)用效果

通過對二號煤礦301工作面及雙龍煤業(yè)112工作面液壓支架活塞桿鍍層進(jìn)行激光熔覆修復(fù),效果良好。對使用一年后的303工作面(原301工作面)液壓支架熔覆后的活塞桿進(jìn)行跟蹤檢查,鍍層完好,沒有出現(xiàn)鼓包、起泡、銹蝕及碰傷等現(xiàn)象。利用激光熔覆技術(shù)修復(fù)礦用液壓支架活塞桿,熔覆層與基材界面冶金結(jié)合良好,不易脫落;熔覆層內(nèi)具有優(yōu)異的組織性能,晶粒尺寸細(xì)小,起到了細(xì)晶強化的作用。熔覆層內(nèi)微合金化元素Cr含量高于基材,能夠提高液壓支架活塞桿修復(fù)層的耐腐蝕性,滿足礦井需求。

隨著再制造技術(shù)的不斷發(fā)展,激光熔覆技術(shù)會在設(shè)備大修過程中得到越來越多的應(yīng)用,主要為具有修復(fù)件與新零件相同的性能和可靠性,并最大限度的減少了生產(chǎn)新零件所需的材料,在多個生命周期中循環(huán)利用不可再生的資源,減少了在新產(chǎn)品制造過程中的排放,降低了對環(huán)境的污染,做實了綠色低碳發(fā)展。

4 結(jié)語

機電總廠在一年多的激光熔覆修復(fù)再制造中,嚴(yán)格按照工藝標(biāo)準(zhǔn)作業(yè),對影響熔覆質(zhì)量的參數(shù)與因素嚴(yán)格控制,認(rèn)真選擇最佳熔覆材料,杜絕不合格原件進(jìn)入生產(chǎn)環(huán)節(jié)。同時執(zhí)行工序間驗收制度,防止不合格品進(jìn)入下一道工序,從而保證產(chǎn)品符合礦井使用要求,熔覆修復(fù)的產(chǎn)品在礦井使用半年后跟蹤檢查,沒有出現(xiàn)局部銹蝕、斑坑現(xiàn)象。通過一年多的實踐,認(rèn)為先進(jìn)的激光熔覆技術(shù),必須有高質(zhì)量的熔覆材料和嚴(yán)密的質(zhì)保體系為支撐,才能生產(chǎn)出高質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。激光熔覆技術(shù)是一種新型的增材修復(fù)技術(shù),目前主要應(yīng)用于千斤頂活塞桿的外表面處理,后期將激光熔覆技術(shù)結(jié)合千斤頂外缸內(nèi)孔機加工工藝對缸筒內(nèi)壁的修復(fù)工藝進(jìn)行試驗研究,以代替目前的熔銅修復(fù)工藝,這樣不僅能降低維修成本,還可以增強其耐磨性和耐腐性,使用壽命提高3～5倍。