激光熔覆技术在液压支架立柱外表面修复中的研究与运用

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摘要：本文重点针对液压支架立柱外表面修复中激光熔覆技术的运用做出了深入研究，论述了立柱外表面失效原因、修复工艺流程、以及安全技术要求，结果证实采用激光熔覆技术能够将液压支架立柱有效修复，恢复其原有性能。

关键词：液压支架；立柱；

0 引言

液压支架是矿井综采工作面最重要的支护设备，主要针对工作面顶板进行支撑并保护综采设备和作业人员的安全，立柱是实现支撑和承载的主要部件，一旦立柱出现故障，支架的支护能力则受到影响，综采工作面的安全系数将大大降低，直接影响安全生产，甚至造成无法估计的后果。立柱在使用过程中，由于缸体外表面在井下复杂的工作环境下受腐蚀、磨损、冲击等引起镀层脱落导致密封损坏，从而使立柱漏液或泄液，进而影响支架整体使用性能，导致工作面不能正常生产。因此，如何提升立柱外表面的耐磨、耐腐蚀、抗冲击性能，延长立柱的使用寿命，具有重要的意义。

1 立柱外表面失效原因及常见修复工艺

1.1 立柱外表面失效原因分析

由于井下工作环境特殊，井下湿度大（相对湿度约75%以上）且含有硫等腐蚀物质的粉尘较多，加之井下空气中含有二氧化硫、硫化氢等有毒有害气体，形成了井下复杂特殊的酸性和碱性腐蚀介质工作环境，立柱长期在这种环境下工作，表面承受冲击和腐蚀，出现了不同程度的锈蚀、斑坑以及镀层脱落等表面缺陷，影响了立柱的密封性能，造成了立柱在使用过程中的失效；另外，立柱在使用过程中，因局部磕碰或煤渣颗粒冲击和频繁的动作也会导致外表面磨损划伤而失效。因此，腐蚀和磨损成为了矿用液压支架立柱失效的主要形式。

1.2 立柱外表面常见修复工艺

目前，液压支架立柱外表面修复主要采用电镀镀铬工艺。电镀铬是利用电解工艺，将铬沉积在基体表面，形成铬镀层的表面处理技术，镀层与基体之间为物理结合。电镀具有以下几方面不足：（1）镀铬层由于硬度高所以脆性较大，铬层受到冲击时易发生裂纹，易造成起泡、锈蚀、耐腐蚀性不稳定；（2）电镀对环境影响极大，电镀过程中会产生大量危害人体健康的含六价铬废水，另外，电镀前需要对工件进行酸洗，会产生大量酸洗废水和清洗废水，造成水源污染和环境的破坏；（3）电镀工艺不适合立柱外表面局部修复，如立柱镀层有局部损伤，则需将整根立柱镀层整体电镀，增加了维修成本；（4）由于受电镀层厚度的限制，一般立柱中缸、活柱在电镀2次后，因退镀后再机加造成壁厚变薄，强度下降无法，再恢复到原有性能，不能循环使用，需彻底报废。

2 激光熔覆技术性能及特点

2.1 激光熔覆技术是一种新的表面改性技术，利用高能密度的激光束将熔覆材料与基材表面薄层一起熔凝的方法，从而达到熔敷层与基体冶金结合的效果，快速凝固后与基体材料形成具有耐蚀、耐磨、耐热、抗氧化等特性的冶金表面涂层， 是改善基体特性的一种表面处理工艺，达到表面改性或修复的目的。

2.2 激光熔覆修复技术特点：

（1）基体材料在激光加工过程中表面微熔，微熔层仅为0.05-0.1mm。基体热影响区极小，一般为0.1-0.2mm。

（2）激光加工过程中基体温升不超过80℃，激光加工后热变形小。

（3）激光熔覆技术可控性好，易实现自动化控制，熔敷粉末可根据基体材料和使用要求自由配比，可满足不同的修复需求。

（4）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，晶体细小，无夹杂、裂纹等缺陷，且成分、硬度均匀，能提供更好的耐蚀性，从而延长这些支撑装置的使用寿命，这是电镀技术不可企及的。

2.3 激光熔覆设备选择

我中心（神东煤炭集团设备维修中心）目前采用的是高功率的直接半导体激光器系统熔覆设备，激光器可提供4kW至10kW的输出功率范围（波长均为975nm）。10kW激光器提供“智能光束”自由空间输出，经配置后可输出多种光斑形状（宽度从1mm至12mm，长度从6mm至36mm），实现对熔覆宽度和厚度的高度控制，进而实现对大面积区域的快速处理。该系统的电光转换效率高出任何其他激光器类型（包括CO2、固体和光纤激光器）许多倍。由于这种系统产生既定输出功率所需的电流量较少，因此可以降低运营成本。此外，半导体激光器的尺寸更小，更易于集成到工作站中。并且，这也意味着它所生成的余热集中在一个相对较小的物理区域里，从而仅需要少量的循环水和一台冷却器便可实现有效冷却。最后，半导体激光器极高的可靠性和长寿命意味着低维护费用和极少的维护停机时间。

2.4 激光熔覆材料

立柱中缸、活柱外表面熔覆材料为一种镍基合金粉末，该合金粉末具有良好的润湿性、耐蚀性、高温自作用，且价格适中。熔覆空冷后具有良好的耐腐蚀、耐磨损及较好的抗裂纹性，其使用寿命是镀铬技术的6倍。

3 立柱中缸及活柱外表面激光熔覆工艺

3.1 工艺流程

图1 外表面立柱修复工艺流程图

3.2 工艺技术要求

（1）退镀车削

校正二端圆同心，车去电镀层、镀铜层表面单边约0.8-1.2毫米（端面倒角不可大于2×45°）。

（2）激光熔覆

装夹前检查缸径，去除熔覆区外表面电镀层、镀铜层及锈迹残留，设置好熔覆厚度所需送粉量，熔覆单边高度在1.4-1.6mm（特殊情况视车削尺寸调整），焊边接口平整，表面无气孔、裂痕等，量好尺寸，确认够车削加工尺寸后拆卸。熔覆后，一般夏天需空冷6-8小时，冬天空冷4-6小时，空冷后方可进行下一步加工。

（3）熔覆层车削

校正二端同心圆，二端倒角平整美观，检查熔覆面有无焊接裂痕、气孔以及焊接层是否够余量加工至要求尺寸（按轴f9公差值留足0.03-0.05mm抛光量），如有异常应及时处理后再车削至要求尺寸。

（4）熔覆层抛光

按抛光轮粗细顺序抛光工件表面，检查加工面有无缺陷，打磨去除二端焊接痕迹、毛刺，清除缸筒螺纹内杂物；抛光后外径满足f9公差等级尺寸，洛氏硬度不小于50；表面粗糙度小于Ra0.4，孔隙率小于10点/dm？￠

4 安全技术要求

4.1 作业前必须按照正确穿戴好劳动保护用品（戴好安全帽，穿防砸鞋，袖口、领口要扣好，女性头发要放入帽内，佩戴专用的防护眼镜）

4.2 认真检查设备各部件和防护装置是否完好，安全可靠。

4.3 开启设备总电源开关，开启机床操作面板电源，开启激光器水冷电源；开启激光器操作面板钥匙，待激光器准备就绪；打开氮气阀门，使激光器内通气。

5 结语

本文通过对电镀工艺和激光熔覆工艺的对比研究，充分证明了激光熔覆技术具有电镀无法企及的优越性。详细的阐述了激光熔覆设备选择、立柱中缸和活柱外表面激光熔覆修复工艺流程、工艺技术要求以及安全技术要求，在此基础上明确了立柱中缸和活柱外表面修复技术指标，为立柱外表面修复提供了技术依据。随着激光熔覆技术的日渐成熟和普及，其对液压支架立柱外表面修复性能、经济效益和环境保护等方面具有显著优势，减少维修成本、延长立柱使用寿命及提高工作效率等方面，取得了较好的效果。相信在以后立柱制造和修复行业中，激光熔覆技术会取代电镀修复技术。