激光熔覆技术修复液压支架立柱受损表面

王彦飞+曹海青

[摘 要]液压支架在综采工作面起支护、推移作用，其中支护主要的承载部件是立柱。在液压支架大项修工作中，立柱是主要的维修对象，无论是厚煤层、中厚煤层还是薄煤层液压支架，随着支架大修次数的增加，立柱的维修量也有上升的趋势。液压支架立柱维修技术越来越受到人们的关注。

[关键词]液压支架；立柱；维修

中图分类号：TD355.4；TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）39-0025-02

1 立柱的工况特点与损坏形式

1.1 立柱的结构及工况特点

神南矿区综采工作面液压支架选用两柱支撑掩护式，立柱工况特点是：①立柱数量少，加之生产效率高，开采强度大，立柱载荷加大，缸内径达到500 mm，工作阻力达到8400 k N及以上；②工作面走向长度达6000 m，液压支架在每个工作面循环次数多，立柱的可靠性要求高；③立柱倾斜布置与顶梁不垂直，载荷作用方向、作用位置与立柱理论受力方向、工作位置不同，立柱的工况不同于普通油缸。

1.2 立柱的损坏形式及原因

密封失效：立柱失效形式主要是密封失效导致的支撑力下降。①密封失效引起上下腔串液或上腔漏液，造成支撑力下降。密封失效的原因主要由缸体内壁磨损、腐蚀超差或外壁电镀层破坏，密封件磨损导致密封失效；②缸口静密封失效会造成缸体内腔污染，缩短液压元件、甚至整个液压系统的寿命。缸体内表面腐蚀：外缸、中缸材料通常采用27Si Mn，内表面加工制造工艺一般采用珩磨或刮削滚光工艺，表面不进行电镀处理，工作表面正常情况下浸泡在乳化液介质中，依靠乳化液自身防锈、防腐性能防腐蚀。实际上经过一个大修周期的使用，由于乳化油、乳化液品质、水质、乳化液浓度、杂质等因素影响，缸体内表面常发生腐蚀、拉伤等损坏现象，大修时缸体内表面一般都有不同程度腐蚀坑，腐蚀坑影响密封效果，腐蚀坑边缘也可能对密封造成划伤等破坏。缸口腐蚀：立柱缸口与导向套通过螺纹联接，有的厂家将螺纹布置在最外端，静密封布置在螺纹以里；有的厂家将静密封布置在最外端，螺纹在中部。实际使用中静密封不论是布置在中部还是端部都会发生缸口腐蚀。腐蚀位置就是静密封与缸口接触的位置。腐蚀机理比较复杂，静密封段工况特殊，没有介质的流动、也没有密封面之间的相对运动进行清洁、除锈，乳化液性质、钢材性质、环境污染等任何原因引起的腐蚀都会积累下来，日积月累的结果造成缸口普遍的严重锈蚀。缸口是装配密封时的通道，微小的腐蚀边会割伤密封，造成密封微观破口，使用初期不明显，使用一段时间后微观破口会引起泄漏，所以缸口腐蚀是影响装配质量的重要因素。

2 激光熔覆技术的作用

采用激光熔覆技术让报废液压支架立柱“起死回生”。激光熔覆技术就像变魔术一样让大量报废的液压支架立柱“起死回生”，继续服役，为实现“绿色矿山”开辟了一条捷径。激光熔覆技术在矿山综采设备液压支架立柱上的成功应用，将引领矿山设备技术升级、产业升级走进新时代。

激光熔覆技术就是利用大功率激光束聚集能量极高的特点，瞬间将被加工表面微熔，同时使零件表面预置或与激光束同步自动送置的合金粉完全熔化，获得与基体冶金结合的致密覆盖。该技术热影响区小，覆层性能可梯度功能控制，熔覆层与技术基体冶金结合，可靠地解决了镀铬层孔隙多和结合力差的问题。

3 激光熔覆修复技术

自60年代发明激光器后不久，人们就对利用激光技术进行材料加工产生了很大的兴趣。然而，當时激光束所产生的热效应只能应用于一些金属薄材的钻孔、切割和焊接等。70年代初，随着大功率CO2激光器的出现，激光熔覆修复技术的应用才成为可能。目前，应用于激光熔覆的激光器多为连续输出的激光器或忆铝石榴石（YAG）激光器。YAG激光器的输出功率为1KW左右，电光转换效率低于3%；而国外现已研制成功的100KW的CO2激光器的电光转换效率可达15%-20%，且1-20KW的激光器都已商品化。我国使用的激光器功率大多在2-5KW，用于激光熔覆的最大束斑直径约5-8mm，因而激光熔覆层的一次扫描速度和宽度均比国外低。对于连续激光的大面积熔覆，势必要采用多次搭接技术或大面积光斑技术，由此产生的搭接区会造成整个熔覆层的组织不均匀。近年来，我国已研制出10KW的宽带扫描转镜和自动喷粉机构，单道一次熔覆宽度在10-35mm并连续可调，已应用于冶金轧辊等工件的大面积激光熔覆修复。

4 激光熔搜修复加工方式及特点

激光熔覆修复就是以激光作为热源进行的修复，也就是用激光束扫描工件表面，其红外能量被件吸收而迅速达到极高的温度，使金属表层发生熔化、覆盖甚至溶入其它的金属、非金属元素，随后快速冷却下来，形成熔畏修复层。

激光熔覆修复系统的工作过程是：

设计好待修复工件的扫描轨迹，编制好相应扫描轨迹的计算机控制程序；

根据要求的轨迹厚度控制预置粉末厚度，根据要求的轨迹宽度，通过调整离焦量来控制激光光斑大小；

调出熔覆层控制程序，在基体表面熔覆成型，使熔覆层和基体冶金结合在一起；

对于较大的熔覆厚度，在第一层的基础上熔覆第二层，并使第二层和第一层冶金结合在一起；

重复过程，直到将整个工件熔覆修复完为止。

对熔覆修复后的工件根据精度要求进行适当的后续加工如精磨、精铣等，即可投入使用。

按熔覆层材料的添加方式，激光熔覆修复的工艺方法主要有预置粉末法和同步送粉法两种。预置粉末法是将要熔覆的材料通过热喷涂、电镀、化学镀、等离子喷涂和粘接等方法预置于金属表面，然后经激光照射熔攫同步送粉法是将粉末直接喷在激光辐射所形成的移动熔池上，熔筱层一次性形成。前者工艺简单、操作灵活，但不易控制基体熔深，稀释度较大后者工艺参数易控制，熔顶层质量较好，生产效率高，但需配备计量精确的送粉装置，对粉末也有特殊要求。预置式激光熔覆修复的主要工艺流程为基材熔覆表面预处理一预置熔覆材料一预热一激光熔覆一后处理。同步式激光熔覆修复的主要工艺流程为基材熔覆表面预处理一送料激光熔覆一后处理。endprint

激光熔覆可将高熔点的材料熔覆在低熔点的基材表面，且材料的成分不受通常的冶金热力学条件限制，因此所采用的熔覆材料的范围相当广泛。熔覆层材料的状态一般有粉末状、丝状、膏状等，另外还可将金属板材、粉末冶金制品、钢带和焊条等作为熔覆材料，其中合金粉末在激光熔覆修复技术中应用最为广泛。合金粉末的种类有自熔性合金粉末和复合粉末。自熔性合金粉末是指合金中加入了具有强烈的脱氧作用和自熔剂作用的Si、B等元素的熔扭用合金材料，在熔覆过程中Si、B等优先与合金粉末中的氧和工件表面的氧化物作用，生成低熔点的硼硅酸盐覆盖在表面，防止液态金属氧化，改善对基体的润湿能力。复合粉末包括自粘结、硬质耐磨、耐蚀、耐高温复合粉末等。

5 激光熔理修复技术的优点

激光熔覆修复技术与常规修复技术堆焊，热喷涂等相比，具有下列一些优点：

加热和冷却速度极快，使熔覆修复区晶粒细化，性能提高。激光的功率密度很高，能在百分之儿秒到千分之几秒或者更短的时间内，使工件表面附近加热处的温度上升到1000℃以上。当激光束快速扫描金属表面时，激光束照射的金属表面因吸收光能而被加热或熔化周围冷的基体金属起到了超强冷却介质的作用，从而获得高的冷却速度，得到细化的晶粒。激光熔覆层与基体为冶金结合，结合强度不低于原基材的90%。

可进行局部及有选择性的表面处理。激光熔覆层组织为由底层、中间层及面层组成的各具特点的梯度功能材料，底层具有与基体浸润性好、结合强度高等特点中间层具有一定强度和硬度、抗裂性好的优点面层具有抗冲刷、耐磨损和耐腐蚀等性能，使修复后的设备在安全和使用性能上更加有保障。由于激光的可控性好，故激光可以精确地按照任何复杂的几何图形局部地、有选择性地对金属表面进行热处理，且处理深度和处理面积精密可控。采用激光熔覆修复工艺可以获得高的使用性能，降低生产成本。

具有良好的可达性和工艺灵活性。激光熔覆修复是一种无触点加工的方法，借助于适宜偏转的反射镜，可使激光束指向工件的任何位置。原则上，只要是光束可以达到的地方，特别是内表面的局部，都可以进行处理，如盲孔的内壁或底部、工件的拐角、复杂的沟槽、深孔或齿轮牙等，这是常规处理方法难以实现的。

热影响区小、变形小。基体材料在激光加工过程中表面微熔，微熔层为0.05-0.1mm，基体热影响区极小，一般为0.1-0.2mm，熔覆层与基体均无粗大的铸造组织，熔覆层及其界面组织致密，晶粒细小，没有孔洞、夹渣、裂纹等缺陷。激光加工过程中基体温度一般不超过80℃，激光熔覆修复的工件变形小，处理后能保持工件原有的表面粗糙度激光表面相变硬化，省去了处理后因变形而需要的校正或精加工工序，可直接进行装配。这是由于激光加热集中在工件表面，由于加热区温度上升极快，其热量来不及传导到加热区周围冷的金属上，且加热区域小，时间短，热注入量少，因此无大量余热扩散，所以应力及变形小，工件表面氧化及脱碳也很少。这一特点具有很高的经济实用性。

6 结束语

随着工作面加长，每个工作面支架数量多至近200架，立柱维修数量大、价格高。通过修复技术，延长了设备使用寿命，也是控制煤炭成本的重要措施。采用新技术、新材料和新工艺，延长立柱服役时间也是煤炭装备必然的发展方向。

参考文献

[1]谢锡纯，李晓豁.矿石机械与设备[M].江苏：中国矿业大学出版社，2000.

[2]范艳霞，于志宇，李凯.液压支架立柱缸筒静密封失效分析与修复[J].陕西煤炭，2009，28（6）：102-103.

[3]李进荣.WS1.7掩护式液压支架立柱缸筒特殊修理工藝[J].煤矿开采，2005，10（6）：77-78.

[4]杨庆东，高荣惠，董舂堂，杜学芸.激光熔覆和电镀再制造的液压支架立柱效益分析[J].中国煤炭，2015，41（1）：78-81.endprint