液压支架再制造中激光熔覆技术的应用分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 08 日 作者简介：翟渊辉（1987），男，汉族，河南开封人，本科学历，机械工程师，研究方向为煤矿设备管理。-172-液压支架再制造中激光熔覆技术的应用分析 翟渊辉 陕西能源凉水井矿业有限责任公司，陕西 榆林 719319 摘要：摘要：在煤矿开采过程中，液压支架表面易发生锈蚀，严重影响支架使用效果及使用寿命。目前，大多数液压支架的表面处理都采用了激光熔覆层的方法，这种方法不仅可以解决传统的镀铬工艺带来的污染问题，还可以提高支架的耐腐蚀性能，并且可以使基体的缺陷得到修复。基于此，本文首先阐述了激光熔覆技术相关内容，其次，分析了液压支架再制造作业的流程及要点，最后重点探究液压支架再制造中激光熔覆技术的应用。关键词：关键词：液压支架；再制造；激光熔覆技术 中图分类号：中图分类号：V233.91 熔覆技术是将具有特殊性能的金属表面熔焊到金属表面，如耐磨、抗腐蚀等。对外形不良的金属零件和制品进行熔覆修补，也可生产双金属、多金属复合材料零件。利用熔覆工艺解决单种材料性能的缺陷，能够有效提高零件的使用寿命，进一步减少后期维护费用。因此，熔覆是一种高效、低成本的表面处理方法，是一种新的技术发展方向。当前常用的熔覆工艺有等离子熔覆、冷弧合金熔覆及激光熔覆。激光熔覆工艺是一种新兴的绿色表面修复技术，可将退镀基体出现锈蚀麻点或腐蚀凹坑恢复到原图纸尺寸，不仅结合效果较好，而且耐蚀性能远高于传统的镀铬工艺，因而近年来得到了极大关注。1 激光熔覆技术 激光熔覆是一种应用很广泛的表面改性或增材再制造技术，它是以激光束为能量源，将外部材料和基体熔焊在一起。目前主要有普通激光熔覆和高速激光熔覆两种，但不论是哪一种，其最重要的特点都是热量集中，加热快、冷却快，热影响区小，稀释率低。其熔覆材料可以是粉末、焊丝或板材，通常以粉末为主，按性能可分为钴基、镍基、铜合金基和铁基。耐腐蚀性方面，激光熔覆在经过了 10 余年的发展后，目前的熔覆质量也很稳定，尤其是传统激光熔覆上，唯一较大的不稳定因素是激光器的自然衰减可能会造成光栅边缘与中部的能量不均匀，从而导致光栅边缘部位的熔覆质量出现问题，这也是大多数激光熔覆产品出现螺旋带状锈蚀的主要原因。材料方面，激光熔覆采用的一般均是粉末材料，它的成分配比不受焊丝拉丝成形的要求影响，所以可以更加的灵活和有针对性，对其材料的耐腐蚀性不能做一个死的估计，我们只能用一组实验数据来进行一个对比，我们在铜加速盐雾试验箱中同时放入了电镀、430 不锈钢、合金熔覆和激光熔覆的样件，最终的试验结果是电镀样件在 240h 左右开始点蚀，430 不锈钢在125h 左右开始点蚀，合金熔覆样件在 400h 左右开始点蚀，激光熔覆在 365h 左右开始点蚀，需要说明的是，我们的激光熔覆样机是使用市面上中等价位粉末材料来加工的。硬度方面，激光熔覆根据粉末材料成分的不同，呈现出来的熔覆后硬度也不一样，通常为 HRC45-55 之间，若特殊工况需要，还可做到 HRC60-65，如啮合齿轮的齿面，由于是刚性接触工作，就要求表面硬度很高，来提高它的抗接触应力需求。热影响性方面，激光熔覆在热影响性上有着很大的优势，尤其是高速激光熔覆，因为激光熔覆能量集中的热源特性是别的方式无法比拟的，其熔覆过程中产生的熔池很小，过渡区域也很小，因此产生的收缩力也较小，工件就不容易产生弯曲、收缩等变形。2 液压支架的工作环境 液压支架是支撑液压支架顶梁与底座的构件，是承载顶板的承重构件。液压支架工作环境恶劣，大部分工作在高速、重载、振动、冲击、摩擦及介质侵蚀等环境中。大部分机械设备都是日夜不停地工作。其作业条件非常恶劣，经常被粉尘、水蒸气和有害气体所围绕。由于润滑状况不佳、工作环境较差、停工期中国科技期刊数据库 工业 A-173-较短等原因，导致各零件无法得到很好的润滑与保养。随着中厚薄煤层开采强度的提高，支架构件的磨蚀指标也在一定程度上增大，从而导致设备的磨蚀。3 外圆熔覆问题与修复 立柱熔覆层出现了不同程度的锈蚀，具体锈蚀现象描述如下：现象一：熔覆层在半圆周范围内存在成片点状锈蚀，多集中在活柱中上半部。现象二：在前柱面向煤壁侧，且主要集中在放炮区域，活柱伸出部分的熔覆层上出现零星点状锈蚀，单处锈蚀点的面积相对较大。现象三：熔覆层表面有离散型点状锈蚀，锈蚀点分布比较分散，主要在焊道搭接线周边,棋盘井和峙峰山项目均有这种现象出现。3.1 原因分析 现象一原因分析：（1）活件较细且为空心结构，熔覆过程中有小弧度弯曲现象，或精加工时与粗车基准不重合，精加工后造成一侧熔覆层厚度不足，甚至露底现象。（2）根据锈蚀工件编号溯源时发现，车工对熔覆后的弯曲工件没有进行正确的处理，仅对未加工到的区域进行了局部补焊后再加工，忽略了对应侧车削量过大的情况。（3）技术上没有针对不合格工件处理的标准作业指导书，对于大部分车工而言，这是一处知识盲区。现象二原因分析：（1）放炮时产生的飞溅物体会造成熔覆层表面损伤，损伤后的熔覆层会出现露底现象，其防腐性能会大幅降低，最终出现锈蚀现象。（2）炮药的成分主要是硝酸盐、高氯酸盐、硫黄等，放炮后造成该区段的腐蚀性化学物浓度升高，加剧熔覆层锈蚀。现象三原因分析：（1）活件表面清洁度不达标，焊接时产生细微气孔。（2）设备存在问题，造成焊接成型差（如下图）。（3）粗车余量小，精车时熔覆层较薄，熔覆层稀释率高(尤其搭接位置稀释率最高)（4）之前焊接方式为摆动焊接，摆动焊接时焊丝在熔池里会有搅动熔池的现象产生，导致母材表层熔液上翻到焊肉当中，造成焊肉当中尤其搭接位置铁含量偏高防腐性能下降。3.2 解决措施 现象一解决措施：（1）梳理完善可满足外圆熔覆质量要求的产品规格对应表，防止长径比超标工件熔覆时弯曲问题的频发。（2）修订作业化指导书，对于熔覆时存在弯曲的活件做出对应的返修工艺文件。（3）进行车工在加工过程遇到异常问题的解决办法培训。现象二解决措施：（1）井下放炮时，调整支架姿态，或加挂防护帘，避免立柱镀层损伤。（2）建议放炮工作面立柱镀层外露部分抹防锈油，并安装立柱保护套。（3）适当加大熔覆层厚度。现象三解决措施：（1）严格控制外圆熔覆表面清洁度。（2）由于焊接设备长时间使用导致气路不畅（可能部分气路存在弯曲、挤压等问题），建议对所有设备气路进行梳理，排查，时刻关注供气压力不低于0.6mpa。（3）部分设备程序、机械结构及性能不稳定，造成焊肉成型较差，设备问题彻底整改。(郑州设备目前正在与厂家协商改造)（4）修正焊接参数，主要是摆动宽度和焊接速度，摆动宽度由 8mm 改为 6mm,焊接速度由 230mm/min 改为320mm/min。有效提高熔覆层厚度降低稀释率，原有粗车量的 1.5mm 改为 1.8mm 焊接参数不变，重新修订作业指导书，在粗车后工序增加抽检，确保粗车尺寸按工艺要求执行。4 液压支架再制造中激光熔覆技术的应用 4.1 激光熔覆技术的应用 针对熔覆效率低的难题，项目组在前期工作中不断完善，主要包括：改变熔覆设备，开发专用粉末，以满足新设备的要求。首先，将横向 CO2 激光器或半导体激光器替换成光纤激光器，并与冷水机组、机器人（机械手）、机床、快速熔覆头、自动送粉、中心控制等配套，构成新一代的激光熔覆装备。其次，为中国科技期刊数据库 工业 A-174-降低熔覆后裂纹发生的危险，开发出一种适合于快速熔覆装置的熔覆粉。结合先进的装备，解决熔覆过程中熔覆不完全、易开裂等难题，形成一种可大幅度提升产品品质与生产效率的新一代熔覆技术。对于直径320mm，长度 1200mm，表面积 1.206 平方米的液压支柱来说，这种新工艺可以获得 101 分钟的熔化时间，也就是 1.4 小时/平方米。新设备、新工艺与第一，二代设备及过程都是一次巨大的跨越，将原有的熔覆工艺统称为一般熔覆，而新一代的熔覆则是以快熔覆的方式加以区别。与常规熔覆法相比，激光快速熔覆的稀释度只有 5%15%，稀释速率仅为 1%。与 CO2、半导体相比，激光快速熔覆的单小时熔覆面积提高了5.5倍、2.6 倍，且熔覆效率有了很大的提高。(1)无固-液废物：在激光处理过程中不会产生固体和液体废物，达到了环境保护的要求。(2)硬度高：配以特殊的粉末，可获得 5055HRC的表面，且不容易产生裂纹。(3)变形量少：因为激光焊接时输入的热量少，所以热变形量很小。(4)加工效率高：线速度达 25m/min，每小时熔覆0.7m2，熔覆层厚度为 0.6mm。(5)减少了表面的粗糙度：仅用 0.15-0.2mm 即可完成最终的抛光。(6)方便准确的控制：采用 CNC 加工技术，可以达到精密的激光熔覆。4.2 立柱中缸及活柱外表面激光熔覆工艺(1)修复电镀层和复合密封槽。(2)对柱筋的弯曲变形，首先要进行修正，确保弯曲度在 2%以上。(3)在进行熔覆处理之后，单侧的厚度不能小于0.3mm。(4)对柱中缸和活柱外表面的镀铬层进行车削和熔覆，去除全部锈斑和刮痕，然后再进行打磨抛光等工序。(5)焊接后的表面尺寸要符合有关规范的要求。(6)对涂敷表面的硬度（HRC）进行了严格的测试，以达到 48-58 的标准。(7)涂层表面应无硬刺、气泡、脱皮、烧焦等不良现象，且已完成的柱身、柱体柱外表面及柱体或柱表面不得有凹坑、凸起、点蚀等现象。(8)在柱内缸内表面及缸口与导套之间的连接处出现了锈斑，导致导套的配合螺钉很难反扣，需要及时修补，并且其精度不得超过原始图缸口的公差尺寸为De8mm。缸口、螺纹及缸筒内径经加工后，均须符合共轴度小于 0.05mm，缸孔、缸口及导套等部位的粗糙度不得大于 Ra0.4m，其他部位的粗糙度也要小于Ra0.8m，硬度小于 220。4.3 立柱外缸内表面修复工艺(1)对缸内表面进行清洁和检查。清理完毕后，要了解缸筒内部的腐蚀和缸筒的变形状况，才能做出最好的维修方案。如锈点深度大于 1mm，则需选用气保护焊进行修复。(2)如果外部附件对机械加工不利，则应尽可能快地将其拆卸。(3)内表面熔覆。选用 ZRF-7 内面堆焊装置，对外壁层进行铜合金的熔覆，确保涂层厚度为 2.5mm-3.5mm。为了保证涂层的厚度能够超出螺栓底部直径，还需要将 700MPa 的碳钢焊丝用于气缸内螺纹段的焊接。4.4 液压支架再制造中激光熔覆技术的改进措施 第一，对旧部件进行检验、鉴别、分类、“一件一策”，以保证维护的最佳技术经济效益。第二，由于种种原因，老零件的原始工艺基准，绝大部分都不能对准，应该在机床上对原来的中心基准孔进行精确检测，对超差处采用合理的方式进行调整，以防止由于基准不准而引起的二次修理和报废，从而消除无效劳动。第三，熔覆层材料的变形方式以热、内应力为主。内应力形变的主要原因是基体的热处理及服役时的残余应力，采用压力机的方法来控制。在不进行修正的情况下（弯曲量小于 0.5mm)，通过对基体进行多次车削，可以有效地解决功能层厚度不足的问题。控制热形变的方法：第一，在对工件进行磨削的时候，顶端不能太紧，在熔覆的时候，可以适当地放松顶尖，以便工件在受热膨胀的时候，可以自由地拉伸；其次，工件在熔覆后应垂直悬吊，以避免在冷却时因重力而造成的变形。5 结论 综上，将激光熔覆层技术应用于矿井液压支架的再制造中，其绿色、高效的特点，可以为其生产过程提供依据。经过对退镀层、精车处理、油污清除、激中国科技期刊数据库 工业 A-175-光熔覆、外圆打磨和抛光等工序的确定，进而实现液压支架的再制造。最后通过对材料性能、结构、耐蚀、耐磨等性能的认识，确保再制造后的液压支架具有优良的耐磨防腐性能，进一步满足矿山企业的发展需求。参考文献 1王志凯,权学利.液压支架千斤顶激光熔覆再制造技术工艺实践J.陕西煤炭,2023,42(6):192-195.2李斌.液压支架再制造中激光熔覆技术的应用分析J.矿业装备,2023(12):168-169.3田萌.激光熔覆技术在液压支架立柱再制造中的应用探讨J.机械管理开发,2022,37(2):317-318.4高宇.激光熔覆技术在液压支架立柱再制造中的应用J.煤矿现代化,2018(2):84-85.5白海明,凡乃峰,汤利利.激光熔覆技术在液压支架再制造中的应用研究J.煤矿机械,2022,43(6):138-141.6杨昊彬,杨阿盼.激光熔覆技术在液压支架销轴再制造中的应用J.设备管理与维修,2022(19):36-38.