王志凱,權(quán)學(xué)利

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司機(jī)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(huì)對(duì)機(jī)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(dòng)及摩擦等高強(qiáng)度工作。大部分設(shè)備每天連續(xù)作業(yè)16 h以上,運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),加速了設(shè)備的磨損。機(jī)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(gè)工作面,活塞桿鍍層修復(fù)量達(dá)40%以上。掘進(jìn)機(jī)油缸、帶式輸送機(jī)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(gòu)買新件,不僅周期長(zhǎng),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(jī)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(dòng)化設(shè)備,利用新技術(shù),提高維修再制造能力,做實(shí)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(shí)易發(fā)生裂紋,造成起泡、銹蝕等狀況;同時(shí)電鍍前需要對(duì)工件進(jìn)行酸洗,這樣會(huì)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(huì)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(jī)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(jī)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(zhǎng)為1 030 nm、900～1 080 nm。10 kW激光器熔覆系統(tǒng)配備德國(guó)KUKA生產(chǎn)的KR60機(jī)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(yùn)動(dòng),高精度電子零點(diǎn)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(duì)定位精度的機(jī)器人。配置德國(guó)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(diǎn)光斑直徑2.8 mm、3.0 mm。配備德國(guó)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(shí)現(xiàn)對(duì)熔覆寬度和厚度的高度控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(dòng)性良好。該合金粉末具有良好的潤(rùn)濕性、耐蝕性、高溫自潤(rùn)滑作用,同時(shí)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(duì)激光束進(jìn)行整形聚焦,使激光器能量集中到一點(diǎn),送粉器通過氬氣將Fe基合金粉末運(yùn)到加工頭,加工頭再將粉末匯聚到加工點(diǎn),恰好與激光的聚焦點(diǎn)重合,如圖1所示。機(jī)器人帶動(dòng)加工頭運(yùn)動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(jī)等組成。熔覆修復(fù)工藝流程為清洗→測(cè)量檢驗(yàn)→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(yàn)。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(tái)上利用百分表測(cè)量工件,沿基本軸線檢測(cè)工件形位公差,要求徑向圓跳動(dòng)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(shí)在最小跳動(dòng)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(duì)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(duì)待熔覆工件利用超聲波檢測(cè)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(jī)床時(shí),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(duì)于直徑/長(zhǎng)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(shí)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(shí)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(duì)比儀等量具及儀器進(jìn)行測(cè)量檢驗(yàn),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(yàn)合格后運(yùn)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(duì)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(gè)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(huì)增大,熔覆層的深度會(huì)增大,熔池溫度也會(huì)升高,這樣將會(huì)造成部分粉末產(chǎn)生“氣化”現(xiàn)象[7]。此外,功率過大還會(huì)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(duì)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(huì)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(shí)間過長(zhǎng),粉末過燒,合金元素?fù)p失,同時(shí)基體的熱輸入量大,會(huì)增加變形量[9]。

3 激光熔覆修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用效果

3.1 熔覆技術(shù)的特點(diǎn)

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(diǎn)金屬表面熔覆高熔點(diǎn)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(duì)工件局部表面進(jìn)行修復(fù),對(duì)形狀復(fù)雜、非對(duì)稱形狀的零件及特殊部位亦可進(jìn)行表面強(qiáng)化處理,如盲孔底部及深孔內(nèi)壁等;表面強(qiáng)化層組織細(xì)、硬度高、表面光潔無氧化,具有較高的韌性、強(qiáng)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(duì)二號(hào)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(duì)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(qiáng)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(huì)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(gè)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(duì)環(huán)境的污染,做實(shí)了綠色低碳發(fā)展。

4 結(jié)語

機(jī)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(duì)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(shí)執(zhí)行工序間驗(yàn)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(shí)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(jī)加工工藝對(duì)缸筒內(nèi)壁的修復(fù)工藝進(jìn)行試驗(yàn)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(qiáng)其耐磨性和耐腐性,使用壽命提高3～5倍。