27SiMn液压支架立柱的激光熔覆多道搭接工艺研究

曹青 蔡志海 杜学芸 尤家玉 秦航

摘要：大面积激光熔覆是经由多道搭接成形的，且矿用液压支架立柱的激光熔覆加工规模较大。但是，激光熔覆产生的气孔、夹渣、开裂已经成为凸显的行业基础共性问题，为控制不锈钢立柱的熔覆性能，减少气孔、夹渣、开裂等熔覆缺陷，以27SiMn材质的液压支架立柱为基体，开展大面积激光熔覆工艺多道搭接控制研究，深入探讨多道搭接熔覆的搭接区及其对耐腐蚀性能的影响，并通过调整熔覆步距进行多道搭接工艺试验，分析了熔覆平整度、稀释率对立柱成品的影响，以及熔覆层金相组织结构。结果表明：搭接区存在组织结构差异，容易存在气孔、砂眼等缺陷，立柱表面经机械加工后显露的搭接线周围是防腐蚀薄弱区，应该严格执行标准化工艺以保障该区域性能;熔覆平整度需要控制在0.03 mm以内;稀释率控制在10%以内的熔覆层组织结构平整均匀、与基体之间是冶金结合。

关键词：液压支架立柱;激光熔覆;多道搭接熔覆;熔覆步距

中图分类号：TG457 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）07-0080-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.11

0 前言

在煤矿的开采进程中，液压支架不可或缺，它在井下支撑着开采工作面。近年来，在大量研究者的努力下，立柱的表面性能及使用性能得到显著提升[1-5]，可广泛适用于软、硬、大厚层、薄层各种煤炭的开采。针对煤矿安全来说，支架的支护作用必须安全有效，这就要求液压支架立柱有足够高的耐磨、耐蚀、抗冲击的综合使用性能。目前激光熔覆技术在液压支架不锈钢立柱再制造及强化方面获得了卓有成效的应用[1-6]。激光熔覆工艺过程短暂而复杂，是一个非平衡的骤冷骤热过程，涉及移动熔池、复杂的热传导及相变过程。目前研究工作的重点是熔覆设备优化升级、熔覆动力学、合金材料配比研究、熔覆缺陷控制、结合强度等[7-12]。

在液压支架立柱的实际生产中，一般需要通过稀释率、硬度、耐腐蚀性能综合评判激光熔覆层的性能并进一步筛选最佳工艺用于批量生产。文中仅以液压支架立柱的激光熔覆为研究对象，开展激光熔覆工艺多道搭接控制研究，分析了多道搭接熔覆及激光熔覆成形对耐腐蚀性能的影响，并通过调整熔覆步距对比分析了熔覆平整度对立柱成品生产工序的影响。

1 试验材料及方法

试验用基材为液压支架立柱母材27SiMn，其化学成分如表1所示。熔覆粉末为多组元铁基合金粉末，化学成分如表2所示，粒度为-100～+270目。

采用10 000 W半导体光纤耦合激光加工系统，光斑大小为28 mm×4 mm，对母材为27SiMn的液压支架立柱进行多道搭接激光熔覆，激光功率为8 000～8 500 W，扫描线速度为10～15 mm/s，调整步距控制搭接率，采用大容量重力送粉器送粉，调节送粉流量40～50 g/min，全程氩气保护，气流量50 mL/s，调节送粉量控制熔覆厚度均为1.0～1.5 mm。

熔覆表面經机械加工后截取弧面试样（尺寸φ140 mm×120 mm）进行标准中性盐雾试验（试验箱温度35±2 ℃，饱和箱温度50±2 ℃，盐雾沉降率1.2 mL/80 cm2·h）。沿垂直于扫描方向线切取10 mm×10 mm×10 mm试块，经4%硝酸酒精溶液腐蚀后，在Axio Lab.A 1金相显微镜下检测熔覆深度、观察熔覆层的显微组织结构。使用蔡司EVO-10MA电子显微镜及牛津能谱仪进行熔覆层微区成分分布检测。

2 结果及讨论

2.1 多道搭接熔覆分析

多道搭接熔覆的关键因素有激光功率、扫描速度、光斑大小、步距、送粉厚度等。其中为满足工业化应用，在保障一定能量密度的前提下，激光器的光斑规格一般与功率大小匹配设计，光斑宽度及其能量分布均匀性决定了熔覆单道的宽度、平整度及组织均匀性，因此通过改变光斑尺寸引起熔覆层表面辐照的激光能量分布变化，所获得的熔覆层形貌和组织性能都会有较大的差别。10 000 W激光器28×4规格的光斑能量分布如图1所示，光斑能量分布较为均匀。

在实际生产中，光斑规格和送粉喷嘴规格一般是匹配的，这样既可以最大化提升熔覆效率又可以有效保护熔覆基体及熔覆层。而在保障熔覆充分的前提下设定合理的步距，经多道搭接熔覆后即可获得均匀平整的大面积熔覆层。

多道熔覆搭接示意如图2所示。沿着步进方向，激光由第一道向前移动一个步距进行第二道熔覆，重叠区域即为搭接区，搭接区经历了二次熔池，熔池存在时间更长，粉末过烧、合金元素损失，存在非均质形核而出现了不同于其他部位的组织结构。搭接处熔化粉末后剩余的光能量较强，此部分光对已有的前一道熔覆层产生负面作用，图2中黑色痕迹线认为是受激光影响最为强烈处。由于前一道熔覆层的存在，送粉边缘在激光的辐照下随着熔池向当前熔覆道收缩，导致前一道表面受激光影响程度不同，进而引起显著的结构差异。

典型的搭接区域金相组织结构如图3所示，受后一道熔覆时的激光束影响，前一道熔覆层的表层晶粒明显粗大，而且越靠近上部越明显。加之前一道熔覆层表面氧化皮等杂质的存在，导致该区域出现了一些气孔、夹渣等缺陷，如图4所示。甚至由于熔覆过程中的骤热骤冷使得熔覆层内部产生了极大的应力而诱发了裂纹，所以该区域会成为耐腐蚀防护的薄弱点，而且一旦出现腐蚀点多围绕痕迹线分布。

激光熔覆不锈钢立柱在经过车削、磨削、抛光后的成品表面均匀分布着肉眼可见的痕迹线，如图5a、5b所示，线间距恰好等于步距。因为显露的痕迹线正是机械加工去除一定熔覆层厚度后的搭接处，故后文统称为搭接线。以搭接线为中心，其颜色以前一道方向为重，后一道方向稍浅，这可能是由于前一道熔覆层弧度的存在导致该处粉末量少、激光焦距更近，有效熔覆部分接受的激光辐照最为强烈，生成的碳化物等硬质相也更多[12]，硬度偏高，而后一道方向有粉末覆盖且焦距稍远，高温作用较弱，在接受车削、磨削时熔覆表面各处粗糙度已经存在差异，在进行抛光时硬度高点难于实现抛光而硬度低点容易实现抛光，进而表征出来颜色变化，而随着抛光时间的延长，表面粗糙度逐渐降低并逐渐趋向于均匀，表面色差变淡直至消失。

另外，经盐雾试验出现的锈蚀点沿着熔覆方向分布在搭接线的前方（见图5a），有时搭接线左右出现多个（见图5b）。这些锈蚀大部分出现在搭接区域，而出现这两种情况的原因可能是机械加工去除量的不同导致了当前表面暴露的搭接范围不同，分别对应图5c所示线d、e两处。经上述分析，搭接区域由于粉末较薄且前一道表面覆盖有氧化皮，当光打在粉末较薄处时容易出现组织差异或者前一道遗留的氧化皮等作为夹渣形成缺陷，在腐蚀环境中更容易构成原电池。鉴于上述分析，实际生产工中应严格执行标准化生产工艺和工序，在采用合理的激光熔覆参数以控制适当激光能量输入的前提下，适当延长熔池存在时间，使熔覆层获得均匀的组织结构并让气孔、夹渣有效逸出。

2.2 调整步距的多道搭接工艺试验

2.2.1 调整步距对熔覆平整度的影响

激光熔覆不锈钢立柱是通过激光熔覆增材、机械加工减材获得成品的。熔覆厚度和机械加工去除量要严格匹配，否则严重影响立柱成品质量，而激光熔覆层的平整度直接决定最小机械加工去除量，因而涉及合金粉末耗费量、熔覆及机械加工工时，对激光熔覆不锈钢立柱成品加工效率和成本控制产生较大影响。在激光器选定的情况下，步距将直接决定多道熔覆的搭接率和熔覆平整度，因此，保证熔覆充分的其他工艺参数不变，设定步距如表3所示。因实际应用中的光斑规格和送粉严格匹配，所以光斑尺寸基本等于单道宽度，因此多道熔覆的搭接率可根据公式“（光斑尺寸-步距）/步距=搭接率”进行计算，应该注意的是，由于每台激光器光斑质量不同，对应的最适宜的搭接率大小是不同的。采用自制小型精密深度测量工装进行表面凹凸差值测量，用于评价熔覆表面粗糙度，结果统计如表3所示。

由表3可知，步距15 mm的表面平整度最佳，即其机械加工去除量最低，但搭接率最大意味着熔覆效率最低;步距20 mm的搭接率最低意味着熔覆效率最高，但表面平整度较低，导致该试样在保留同等有效熔覆厚度的技术条件下，具备同等熔覆原始厚度却无法实现标准机械加工。综合考虑合金材料耗费和加工工时，应该将熔覆平整度控制在0.03 mm以下。

2.2.2 调整步距对稀释率的影响

稀释率过大，则基体成分对熔覆层成分过分稀释，降低熔覆层固有功能;稀释率过小，熔覆界面形不成良好的冶金结合，结合强度达不到使用要求。经相关研究发现，对不同的熔覆条件和材料体系，存在一个保证熔覆层与基体良好结合的临界比能，根据比能公式El=P/v可见，激光功率和扫描线速度决定了线比能，而熔覆表面吸收的有效能量越大，熔池深度越大，熔覆层与基体之间的稀释率越大。一般认为，稀释率控制在5%～10%即可获得良好的熔覆层性能和较强的结合强度[13]。对上述多道搭接熔覆试样进行剖面金相尺寸测量，并按照公式“（熔覆深度-熔覆层高度）/熔覆深度=稀释率”计算名义稀释率，不同于单道熔深测量，多道搭接采用三次测算平均值，结果统计如表4所示，三种试样的稀释率均符合工艺要求，但是由于步距变化导致基体吸收激光能量有所变化，稀释率大小稍有不同。

由于27SiMn基体中不含Cr元素，可通过观察Cr元素沿着熔覆层纵深方向的含量变化对比分析稀释程度。三组试样的Cr含量线分布趋势如图6所示，可以看出，结合界面处的平整度存有差异，所选取的检测区域Cr含量曲线由零增大到一定数值时的缓增范围大小差异不明显，符合表4结果。

选取步距15 mm的熔覆试样观察金相组织，如图7所示，熔覆层上部组织均匀细致、无缺陷，结合界面清晰、平滑，表明基体与熔覆层之间为良好的冶金结合，靠近结合界面处的组织为一薄层较为短小的平面晶，随后在中部沿着逆热流方向形成较发达的枝晶組织，由于表层的散热机制晶体长大受阻，所以顶部组织较中部稍显细腻。

3 结论

（1）多道熔覆搭接区的组织结构有差异，容易存在气孔、砂眼等缺陷，因此，立柱表面经机械加工后显露的搭接线周围是防腐蚀薄弱区，应严格执行标准化工艺以保障该区域性能。

（2）在激光工艺参数不变的情况下，步距是影响熔覆平整度的主要因素，为了便于机械加工，熔覆平整度需控制在0.03 mm以内;为了保障激光熔覆结合强度，稀释率控制在10%以内，此时的熔覆层组织结构平整均匀、与基体之间为冶金结合。

（3）熔覆层靠近结合界面处的组织为一薄层较为短小的平面晶，随后在中部沿着逆热流方向形成较发达的枝晶组织，由于表层的散热机制晶体长大受阻，顶部组织较中部稍显细腻。

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