27SiMn液壓支架立柱的激光熔覆多道搭接工藝研究

曹青 蔡志海 杜學蕓 尤家玉 秦航

摘要：大面積激光熔覆是經由多道搭接成形的，且礦用液壓支架立柱的激光熔覆加工規模較大。但是，激光熔覆產生的氣孔、夾渣、開裂已經成為凸顯的行業基礎共性問題，為控制不銹鋼立柱的熔覆性能，減少氣孔、夾渣、開裂等熔覆缺陷，以27SiMn材質的液壓支架立柱為基體，開展大面積激光熔覆工藝多道搭接控制研究，深入探討多道搭接熔覆的搭接區及其對耐腐蝕性能的影響，并通過調整熔覆步距進行多道搭接工藝試驗，分析了熔覆平整度、稀釋率對立柱成品的影響，以及熔覆層金相組織結構。結果表明：搭接區存在組織結構差異，容易存在氣孔、砂眼等缺陷，立柱表面經機械加工后顯露的搭接線周圍是防腐蝕薄弱區，應該嚴格執行標準化工藝以保障該區域性能;熔覆平整度需要控制在0.03 mm以內;稀釋率控制在10%以內的熔覆層組織結構平整均勻、與基體之間是冶金結合。

關鍵詞：液壓支架立柱;激光熔覆;多道搭接熔覆;熔覆步距

中圖分類號：TG457 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）07-0080-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.11

0 前言

在煤礦的開采進程中，液壓支架不可或缺，它在井下支撐著開采工作面。近年來，在大量研究者的努力下，立柱的表面性能及使用性能得到顯著提升[1-5]，可廣泛適用于軟、硬、大厚層、薄層各種煤炭的開采。針對煤礦安全來說，支架的支護作用必須安全有效，這就要求液壓支架立柱有足夠高的耐磨、耐蝕、抗沖擊的綜合使用性能。目前激光熔覆技術在液壓支架不銹鋼立柱再制造及強化方面獲得了卓有成效的應用[1-6]。激光熔覆工藝過程短暫而復雜，是一個非平衡的驟冷驟熱過程，涉及移動熔池、復雜的熱傳導及相變過程。目前研究工作的重點是熔覆設備優化升級、熔覆動力學、合金材料配比研究、熔覆缺陷控制、結合強度等[7-12]。

在液壓支架立柱的實際生產中，一般需要通過稀釋率、硬度、耐腐蝕性能綜合評判激光熔覆層的性能并進一步篩選最佳工藝用于批量生產。文中僅以液壓支架立柱的激光熔覆為研究對象，開展激光熔覆工藝多道搭接控制研究，分析了多道搭接熔覆及激光熔覆成形對耐腐蝕性能的影響，并通過調整熔覆步距對比分析了熔覆平整度對立柱成品生產工序的影響。

1 試驗材料及方法

試驗用基材為液壓支架立柱母材27SiMn，其化學成分如表1所示。熔覆粉末為多組元鐵基合金粉末，化學成分如表2所示，粒度為-100～+270目。

采用10 000 W半導體光纖耦合激光加工系統，光斑大小為28 mm×4 mm，對母材為27SiMn的液壓支架立柱進行多道搭接激光熔覆，激光功率為8 000～8 500 W，掃描線速度為10～15 mm/s，調整步距控制搭接率，采用大容量重力送粉器送粉，調節送粉流量40～50 g/min，全程氬氣保護，氣流量50 mL/s，調節送粉量控制熔覆厚度均為1.0～1.5 mm。

熔覆表面經機械加工后截取弧面試樣（尺寸φ140 mm×120 mm）進行標準中性鹽霧試驗（試驗箱溫度35±2 ℃，飽和箱溫度50±2 ℃，鹽霧沉降率1.2 mL/80 cm2·h）。沿垂直于掃描方向線切取10 mm×10 mm×10 mm試塊，經4%硝酸酒精溶液腐蝕后，在Axio Lab.A 1金相顯微鏡下檢測熔覆深度、觀察熔覆層的顯微組織結構。使用蔡司EVO-10MA電子顯微鏡及牛津能譜儀進行熔覆層微區成分分布檢測。

2 結果及討論

2.1 多道搭接熔覆分析

多道搭接熔覆的關鍵因素有激光功率、掃描速度、光斑大小、步距、送粉厚度等。其中為滿足工業化應用，在保障一定能量密度的前提下，激光器的光斑規格一般與功率大小匹配設計，光斑寬度及其能量分布均勻性決定了熔覆單道的寬度、平整度及組織均勻性，因此通過改變光斑尺寸引起熔覆層表面輻照的激光能量分布變化，所獲得的熔覆層形貌和組織性能都會有較大的差別。10 000 W激光器28×4規格的光斑能量分布如圖1所示，光斑能量分布較為均勻。

在實際生產中，光斑規格和送粉噴嘴規格一般是匹配的，這樣既可以最大化提升熔覆效率又可以有效保護熔覆基體及熔覆層。而在保障熔覆充分的前提下設定合理的步距，經多道搭接熔覆后即可獲得均勻平整的大面積熔覆層。

多道熔覆搭接示意如圖2所示。沿著步進方向，激光由第一道向前移動一個步距進行第二道熔覆，重疊區域即為搭接區，搭接區經歷了二次熔池，熔池存在時間更長，粉末過燒、合金元素損失，存在非均質形核而出現了不同于其他部位的組織結構。搭接處熔化粉末后剩余的光能量較強，此部分光對已有的前一道熔覆層產生負面作用，圖2中黑色痕跡線認為是受激光影響最為強烈處。由于前一道熔覆層的存在，送粉邊緣在激光的輻照下隨著熔池向當前熔覆道收縮，導致前一道表面受激光影響程度不同，進而引起顯著的結構差異。

典型的搭接區域金相組織結構如圖3所示，受后一道熔覆時的激光束影響，前一道熔覆層的表層晶粒明顯粗大，而且越靠近上部越明顯。加之前一道熔覆層表面氧化皮等雜質的存在，導致該區域出現了一些氣孔、夾渣等缺陷，如圖4所示。甚至由于熔覆過程中的驟熱驟冷使得熔覆層內部產生了極大的應力而誘發了裂紋，所以該區域會成為耐腐蝕防護的薄弱點，而且一旦出現腐蝕點多圍繞痕跡線分布。

激光熔覆不銹鋼立柱在經過車削、磨削、拋光后的成品表面均勻分布著肉眼可見的痕跡線，如圖5a、5b所示，線間距恰好等于步距。因為顯露的痕跡線正是機械加工去除一定熔覆層厚度后的搭接處，故后文統稱為搭接線。以搭接線為中心，其顏色以前一道方向為重，后一道方向稍淺，這可能是由于前一道熔覆層弧度的存在導致該處粉末量少、激光焦距更近，有效熔覆部分接受的激光輻照最為強烈，生成的碳化物等硬質相也更多[12]，硬度偏高，而后一道方向有粉末覆蓋且焦距稍遠，高溫作用較弱，在接受車削、磨削時熔覆表面各處粗糙度已經存在差異，在進行拋光時硬度高點難于實現拋光而硬度低點容易實現拋光，進而表征出來顏色變化，而隨著拋光時間的延長，表面粗糙度逐漸降低并逐漸趨向于均勻，表面色差變淡直至消失。

另外，經鹽霧試驗出現的銹蝕點沿著熔覆方向分布在搭接線的前方（見圖5a），有時搭接線左右出現多個（見圖5b）。這些銹蝕大部分出現在搭接區域，而出現這兩種情況的原因可能是機械加工去除量的不同導致了當前表面暴露的搭接范圍不同，分別對應圖5c所示線d、e兩處。經上述分析，搭接區域由于粉末較薄且前一道表面覆蓋有氧化皮，當光打在粉末較薄處時容易出現組織差異或者前一道遺留的氧化皮等作為夾渣形成缺陷，在腐蝕環境中更容易構成原電池。鑒于上述分析，實際生產工中應嚴格執行標準化生產工藝和工序，在采用合理的激光熔覆參數以控制適當激光能量輸入的前提下，適當延長熔池存在時間，使熔覆層獲得均勻的組織結構并讓氣孔、夾渣有效逸出。

2.2 調整步距的多道搭接工藝試驗

2.2.1 調整步距對熔覆平整度的影響

激光熔覆不銹鋼立柱是通過激光熔覆增材、機械加工減材獲得成品的。熔覆厚度和機械加工去除量要嚴格匹配，否則嚴重影響立柱成品質量，而激光熔覆層的平整度直接決定最小機械加工去除量，因而涉及合金粉末耗費量、熔覆及機械加工工時，對激光熔覆不銹鋼立柱成品加工效率和成本控制產生較大影響。在激光器選定的情況下，步距將直接決定多道熔覆的搭接率和熔覆平整度，因此，保證熔覆充分的其他工藝參數不變，設定步距如表3所示。因實際應用中的光斑規格和送粉嚴格匹配，所以光斑尺寸基本等于單道寬度，因此多道熔覆的搭接率可根據公式“（光斑尺寸-步距）/步距=搭接率”進行計算，應該注意的是，由于每臺激光器光斑質量不同，對應的最適宜的搭接率大小是不同的。采用自制小型精密深度測量工裝進行表面凹凸差值測量，用于評價熔覆表面粗糙度，結果統計如表3所示。

由表3可知，步距15 mm的表面平整度最佳，即其機械加工去除量最低，但搭接率最大意味著熔覆效率最低;步距20 mm的搭接率最低意味著熔覆效率最高，但表面平整度較低，導致該試樣在保留同等有效熔覆厚度的技術條件下，具備同等熔覆原始厚度卻無法實現標準機械加工。綜合考慮合金材料耗費和加工工時，應該將熔覆平整度控制在0.03 mm以下。

2.2.2 調整步距對稀釋率的影響

稀釋率過大，則基體成分對熔覆層成分過分稀釋，降低熔覆層固有功能;稀釋率過小，熔覆界面形不成良好的冶金結合，結合強度達不到使用要求。經相關研究發現，對不同的熔覆條件和材料體系，存在一個保證熔覆層與基體良好結合的臨界比能，根據比能公式El=P/v可見，激光功率和掃描線速度決定了線比能，而熔覆表面吸收的有效能量越大，熔池深度越大，熔覆層與基體之間的稀釋率越大。一般認為，稀釋率控制在5%～10%即可獲得良好的熔覆層性能和較強的結合強度[13]。對上述多道搭接熔覆試樣進行剖面金相尺寸測量，并按照公式“（熔覆深度-熔覆層高度）/熔覆深度=稀釋率”計算名義稀釋率，不同于單道熔深測量，多道搭接采用三次測算平均值，結果統計如表4所示，三種試樣的稀釋率均符合工藝要求，但是由于步距變化導致基體吸收激光能量有所變化，稀釋率大小稍有不同。

由于27SiMn基體中不含Cr元素，可通過觀察Cr元素沿著熔覆層縱深方向的含量變化對比分析稀釋程度。三組試樣的Cr含量線分布趨勢如圖6所示，可以看出，結合界面處的平整度存有差異，所選取的檢測區域Cr含量曲線由零增大到一定數值時的緩增范圍大小差異不明顯，符合表4結果。

選取步距15 mm的熔覆試樣觀察金相組織，如圖7所示，熔覆層上部組織均勻細致、無缺陷，結合界面清晰、平滑，表明基體與熔覆層之間為良好的冶金結合，靠近結合界面處的組織為一薄層較為短小的平面晶，隨后在中部沿著逆熱流方向形成較發達的枝晶組織，由于表層的散熱機制晶體長大受阻，所以頂部組織較中部稍顯細膩。

3 結論

（1）多道熔覆搭接區的組織結構有差異，容易存在氣孔、砂眼等缺陷，因此，立柱表面經機械加工后顯露的搭接線周圍是防腐蝕薄弱區，應嚴格執行標準化工藝以保障該區域性能。

（2）在激光工藝參數不變的情況下，步距是影響熔覆平整度的主要因素，為了便于機械加工，熔覆平整度需控制在0.03 mm以內;為了保障激光熔覆結合強度，稀釋率控制在10%以內，此時的熔覆層組織結構平整均勻、與基體之間為冶金結合。

（3）熔覆層靠近結合界面處的組織為一薄層較為短小的平面晶，隨后在中部沿著逆熱流方向形成較發達的枝晶組織，由于表層的散熱機制晶體長大受阻，頂部組織較中部稍顯細膩。

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