大功率光纤激光内孔熔覆装备开发及应用

2019-08-22杜学芸田洪芳董仕营澹台凡亮侯庆玲

热喷涂技术 2019年2期

杜学芸，田洪芳，董仕营，澹台凡亮，侯庆玲

（山东能源重装集团大族再制造有限公司,山东新泰271200）

0 引言

在极为苛刻的工作环境影响下，矿山重型装备普遍存在腐蚀、磨损等失效现象[1]，如液压支架立柱缸体等内孔部件，其内壁腐蚀、磨损等损伤会造成重大的安全隐患和财产损失，尤其是在矿井内部，矿渣、粉尘等杂质随着液压支架的起降混入缸体和立柱之间，成为加快构件磨损的磨粒。目前，激光熔覆不锈钢立柱获得了很好的推广应用[2-6]，但是对内孔类零件内壁的表面制造工艺，还局限于缩径法、焊补法、喷涂金属材料和镶内衬套法[7]，然而上述工序繁杂、费用大，并且存在制造后涂层与基体之间结合力不足、涂层无法达到相应的厚度要求、内孔类零件经制造后无法达到工程领域的应用要求等缺点。

近年来，国内激光技术发展迅猛，以液压支架立柱的激光熔覆经验为技术借鉴，利用激光熔覆技术在构件的外表面形成熔覆层，既可以提高构件的耐磨损、耐腐蚀性能，又可以对存在磨损、腐蚀的构件进行制造与再制造[8]。但是，缸体的内部狭窄，现有的激光器和熔覆工艺不能实现对缸体内壁熔覆，阻碍了激光技术在内壁熔覆方面的工业化应用。如何对缸体内壁进行激光熔覆，是一项值得研究的技术问题。

针对现有技术的种种不足，提出了一种有效地提高缸体内壁的耐磨损性能，延长立柱的使用寿命，提高对缸体内壁进行激光熔覆的可操作性，适应企业高科技、自动化发展需要的缸体内壁的熔覆方法，包括开发设计内壁熔覆装备系统和技术工艺验证，以期对激光熔覆内壁技术应用提供一些实际参考。

1 实验材料及方法

所用合金粉末为自主研发的铁基合金粉末SN-135，粉末粒度为-100～+270目，成分配比如表1所示。所用基材为液压支架用油缸，规格为Φ500×30×1500mm，母材为27SiMn，成分如表2所示。

表1 合金粉末的主要化学成分(质量分数%)Table 1 Key chemical composition of iron-based alloy (mass fraction %)

表2 27SiMn的成分（质量分数%）Table 2 Composition of 27SiMn (mass fraction %)

选用光纤激光加工系统，激光功率为4000-4200W，激光光斑为矩形，其尺寸为10mm×2mm，焦距为150mm，激光扫描线速度为500-750mm/min，步距为5mm/s，送粉速度为20-30g/min，所用激光飞溅防护气体为氩气，载流气体量为8-15L/min，单边熔覆厚度为1-2mm。

熔覆试样经机械加工后电火花线切割取环形试样进行中性盐雾实验（试验温度35±2℃，盐雾沉降率1.2ml/80cm²•h，5%NaCl溶液）。沿垂直于扫描方向线切取10 mm×10 mm×10 mm试块，经砂纸打磨并抛光后，使用HVS-1000A数显显微硬度计进行硬度梯度检测；经4%硝酸酒精溶液腐蚀，使用蔡司AxioLab.A1金相显微镜观察熔覆层组织结构。以50 mm×50 mm的平面规格从缸体上切取熔覆区域和未熔覆区域的弧形试样，做表面压平处理，制取圆形端面摩擦磨损试样，规格为Φ43×8mm。

2 内孔熔覆装备设计

内孔表面激光熔覆加工头主体结构集成了激光光路系统、水冷系统、送粉系统、气路系统等，由于使用空间限制，激光内孔熔覆加工头的设计相比于普通表面熔覆有其特殊性及难点。针对实际应用需要设计了内孔熔覆头、导光筒、气体保护装置、送粉嘴固定调节装置，并重点设计制造了短焦距积分镜。

(1)内孔熔覆头：分别设计了适用于大孔径和小孔径内孔熔覆用熔覆头，熔覆头适用波长≤1064nm，具备光纤接口QBH接口，可熔覆内孔深度最大至1500mm，送粉形式为单路旁轴送粉。小孔径内孔熔覆头的可承受功率≤3.0kW，可实现熔覆的内孔内径范围为100-300mm；大孔径内孔熔覆头的承受功率≤5kW，适用内孔内径＞300mm。

(2)积分镜：设计了焦距150mm，光斑尺寸15×2.5mm的积分镜。

(3)导光筒：本设计将导光筒模块化，可适当增加或删减中间筒的节数，能够满足不同长度内孔零部件进行熔覆时的技术需求。

图1 内孔熔覆加工头Fig.1 Inner wall processing head

通过对设计的单元模块进集成和调试，如图1所示为完整的内孔熔覆加工头系统，该系统具备以下几个特点：1）导光筒长度可调。本设计将导光筒模块化，可适当增加或删减中间筒的节数，能够满足不同长度内孔零部件进行熔覆时的技术需求；2）特置送粉嘴滑道装置。在送粉嘴安装处设计了滑道，能够实现送粉嘴的全方位调整，方便、快捷，便于操作；3）熔覆头部位设置保护气功能。在熔覆头部位设计了保护气装置，可以有效保护积分镜，避免熔覆过程中飞起的烟尘与粉末对积分镜污染；4）导光筒经黑色阳极氧化处理；导光筒采用黑色阳极氧化处理，能够有效防止反光导致的导光筒过热现象。

(4)散热装置：由于内孔熔覆的空间狭窄，热量不容易散发，而热量过量堆积将会导致熔覆层组织变化，甚至引起变形，在待加工管道的外表面设置冷气源，冷气源与激光头同步进给，对激光头熔覆后的管道进行降温，冷气源的压强为6-10bar，输出冷空气温度为-45℃至-40℃，进气量为0.7-1.2m3/min。

3 工艺验证及结果讨论

3.1 熔覆工艺开发

通过大量熔覆工艺试验，调试和完善内孔熔覆系统及熔覆参数，图2(a)为研制的内孔激光熔覆加工头在27SiMn不锈钢缸体内壁表面进行熔覆。图2(b)为本试验件的熔覆成型效果，可见内壁表面的熔覆层均匀、平整，未见砂眼、裂纹缺陷，成型良好。另外，散热系统降低了熔覆热量对加工管道的影响，有效降低了管件变形量，有利于降低管件内壁熔覆表面的机械加工去除量，进而显著减少后续机加工工序，降低能耗。

图2 熔覆过程示意及熔覆效果：(a)熔覆过程; (b)熔覆效果Fig.2 Laser cladding process and cladding effect： (a) cladding process, (b) cladding effect

由于内孔熔覆表面所处空间的限制，即使肉眼可见的缺陷也不容易检测，更不容易修补，所以从工艺源头上控制缺陷产生是关键。第一，需要严格筛选合金粉末。据悉，合金粉末制备的关键在于颗粒度的均匀性，如若颗粒度不均匀，大、小颗粒度之间即存在相互脱碳、应力分布不均等情况，极易导致熔覆开裂等缺陷的形成，且严重影响送粉、熔凝过程。如图3为本实验选用的合金粉末粒度情况，可见粉末颗粒呈圆形分布，球型颗粒度较为均匀光滑，球形度较高，粒度直径约为 63.6μm ～139.6μm。粒度均匀且球形度高的合金粉末具备高流动性，可以有效保障熔覆送粉的流畅均匀，有助于降低熔覆缺陷的产生机率。第二，需要控制热量积累。激光熔覆是一个骤热骤冷的过程，熔池存留时间短，生成的一些低熔点化合物如硼硅酸盐等来不及上浮至熔覆层表面，留置在熔覆层内即成为潜在缺陷源，故而，需要借助散热系统合理调控狭窄空间内的热量输入和发散，保障正常熔覆所需要的环境条件。

3.2 熔覆层显微结构

图4 为熔覆层的组织结构，由图4(a)、(b)可见，熔覆层无裂纹、气孔等缺陷，组织呈细小致密的枝晶状。且结合界面清晰平滑，可见白亮窄带，说明熔覆层与基体之间为冶金结合。在大激光功率下，基体和熔覆材料吸收的有效能量密度大，熔池停留时间短，骤热骤冷，故激光熔覆层的组织较为细小、均匀，主要组织均为马氏体和少量残余奥氏体。如图(c)所示，结合界面附近的基体组织的细晶区，该区域冷却后形成较为粗大的回火马氏体。

图4 激光熔覆层组织结构：(a)试样剖面; (b)熔覆层; (c)结合界面及热影响区Fig.4 Structure of laser cladding layer： (a) sample pro fi le, (b) cladding layer, (c) combined interface and thermal impact zone

3.3 熔覆层硬度检测

对内孔熔覆试样进行机械加工，保留有效熔覆层厚度为0.5mm，取样进行剖面硬度检测，间隔0.25mm折线取检测点，硬度梯度曲线如图5所示。由图可以看出：在熔覆层厚度范围内，平均硬度值为300-320HV1，结合界面周围未现明显起伏，基体平均硬度为230-300HV1，熔覆层和基体的硬度均较为稳定，且熔覆层的硬度稍高于基体的硬度。这是因为Cr、Mo、Nb等元素为强碳化物形成元素，在热量输入足够大的情况下有更多的碳化物得以生成[9]；结合界面附近的显微硬度值略低于熔覆层的硬度，这可能是因为基体对熔覆层具有一定的成分稀释作用而且靠近基体的熔覆层会出现较为粗大的外延生长树枝晶所致[5]，有效地提高缸体内壁的耐磨损性，同时，该硬度值有利于后续对缸体内壁熔覆层进行车削、磨削等机械加工操作。

图5 熔覆试样硬度梯度Fig.5 Hardness gradient of cladding sample

3.4 熔覆层耐磨性能

分别取基体和熔覆层试样，经清洗、干燥后分别称取重量作为原始重量，使用MMU-10G微机控制机高温摩擦磨损试验机检测耐磨性。与45钢进行对磨操作，对磨时间控制为1.5h，再次清洗、干燥后使用万分之一电子天平称取重量，作为磨损后重量，计算磨损失重量，重复进行三次，得出的实验数据如表3。在三次对磨过程中，熔覆层试样的磨损失重量均明显低于基体试样的磨损失重量，说明采用本技术方法进行熔覆的缸体内壁，其耐磨性能优于立柱基体的耐磨性能，约为基体的1.5倍。