激光熔覆修復液壓缸活塞桿拉傷的可行性研究

伍林虎，李湉，張世貴，張晟偉

（1.成都成缸液壓設備制造有限公司，成都610500；2.中國航發航空科技股份有限公司，成都610000）

0 引 言

液壓油缸作為液壓傳動系統中的液壓執行元件，其結構簡單、工作可靠。液壓油缸主要由缸筒、活塞桿、活塞、導向套、密封元件等組成。作為液壓油缸的各大組成部件，其本身狀態決定了液壓缸的實際工作狀態。所以液壓油缸在后期的使用過程中最常見的失效模式有：1）密封元件老化、損壞；2）缸筒內孔拉傷；3）活塞桿表面拉傷。其中，活塞桿長期暴露在空氣中，運行最頻繁，表面有鍍鉻層，所以活塞桿拉傷是發生最頻繁、維修成本最高、維修時間最長，同時也是維修價值最高的一種失效模式。

目前針對活塞桿外圓拉傷的傳統維修方式為：活塞桿清洗→尺寸測量→退鉻處理→焊接修復拉傷缺陷→外圓磨削→表面鍍鉻→拋光處理。該修復方式的原理是基于活塞桿正常加工工藝，將活塞桿基體修復后再進行電鍍處理。該方式雖然操作簡單，但工序繁瑣，需要退鉻、再鍍鉻，工序周期長、成本高，且對環境污染嚴重。為了節約維修時間與成本，急需尋找一種新的維修方式來替代傳統維修方式。在這種情況下，激光熔覆走入了我們的視線。

激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料，經激光輻照，使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體形成冶金結合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達到表面改性或修復的目的[1]。既滿足了對材料表面特性的要求，又節約了大量的貴重金屬。激光熔覆這種獨特的成形方式及涂層性能非常契合液壓缸活塞桿局部修復的要求。

以激光熔覆方式修復活塞桿時，不需要對活塞桿其他未拉傷表面作處理，只需局部修復拉傷位置。同時激光熔覆的金屬粉末利用率可以達到80%，所以即使在單價成本較高的情況下，仍能很好地控制維修成本。激光熔覆以局部熔覆的方式對活塞桿拉傷部位進行修復，省略了傳統方式中成本最高的電鍍工序[2-4]。激光熔覆在成本控制上比傳統方式有優勢，尤其在針對尺寸較大的活塞桿修復時優勢明顯。

1 實 驗

如圖1 所示，以基體材質為45 鋼，外徑為φ150 mm，長3 m，拉傷5 mm×200 mm,深2 mm 活塞桿為例，進行對比、分析。

1.1 實驗參數

1.1.1 傳統維修方式

圖1 活塞桿拉傷示意圖

先將樣件送外退鉻后使用丙酮除去樣件拉傷處油污、灰塵等雜質，使用二氧化碳氣體保護焊對拉傷處進行焊接修復。焊絲為ER50-6，焊接參數如表1 所示。

表1 焊接修復主要工藝參數

焊后使用手工砂輪去除焊縫飛濺、焊渣。精加工采用5 m 砂輪外圓磨床，砂輪粒度為60，切削液為半合成（微乳），磨削參數如表2 所示。

表2 磨削參數

磨到尺寸一致以后，送外整體電鍍，鍍層厚度為0.04 mm。鍍后對鍍層表面使用拋光機進行拋光，選用600 目砂帶，拋光后鍍層表面粗糙度達到Ra0.2 μm。

1.1.2 激光熔覆方式

使用柴油對樣件進行表面清洗，晾干后使用手工砂輪打磨拉傷處基體，去除飛邊、毛刺，局部激光熔覆委托成都青石激光加工，如圖2 所示。

熔覆后處理使用5 m外圓磨床對熔覆處進行外圓精加工，砂輪粒度為60，切削液：半合成（微乳），磨削參數如表3 所示。

修復處磨削到尺寸一致后，使用拋光機局部拋光，表面粗糙度達到Ra0.2 μm。

圖2 局部熔覆修復拉傷

表3 磨削參數

將以上兩種方式修復的活塞桿使用HXD-1000TM顯微硬度儀檢測表面涂層硬度。按照GB/T 10125-2012標準，在NaCl 濃度5%、實驗溫度（35±1 ℃）、壓縮空氣壓力（0.1±0.01）MPa、pH 值為3.0～3.1、壓力桶溫度（47±1℃）的實驗條件下進行鹽霧實驗，觀察腐蝕點出現時間。

1.2 實驗結果及分析

1.2.1 硬度測試

實驗中分別對電鍍層、熔覆層表面的顯微硬度值進行了檢測，從檢測結果可以看出，電鍍層4 處的顯微硬度都達到了750 HV 以上，如圖3 所示。

激光熔覆層的顯微硬度要低于電鍍層，最高只有565 HV，如圖4 所示。

根據二者的對比實驗可以看出，電鍍層硬度較高，這是電鍍工藝自然形成的結果。電鍍時，鍍層金屬做陽極，待鍍的工件做陰極，鍍層金屬的陽離子在待鍍工件表面被還原，形成鍍鉻層，而金屬鉻本身的硬度極高。激光熔覆是通過激光加熱熔覆層使之與基體表面一起熔凝，形成的表面組織細膩，晶粒細小，所以熔覆層的表面硬度相對較低[5]。

1.2.2 鹽霧實驗

在相同實驗條件下，對兩種方式處理的活塞桿修復點進行鹽霧實驗，通過實驗得出，使用激光熔覆處理的活塞桿拉傷處在300 h 的時間才出現腐蝕點，而傳統的電鍍只在70 h 就出現腐蝕點，這是二者的成形原理所決定的。電鍍的鍍層與基體之間為物理結合，結合力弱，且電鍍層表面孔隙大、微裂紋多。所以在NaCl 的鹽霧環境下，含有Cl-的水膜會迅速滲入鍍層的裂紋和孔隙中，到達基體，出現電化學腐蝕并形成銹斑[6]。隨著時間的推移，斑點不斷擴大、增多，進而形成大面積腐蝕，造成設備失效。

而激光熔覆是通過高能量激光束使涂層材料與基體表面快速熔化，獲得致密結構的熔覆層[7]。該方式的結合方式為冶金結合，熔覆層結構致密，孔隙及微裂紋相對于電鍍來說要小得多，所以耐腐蝕能力要大于電鍍。

圖3 鍍鉻層顯微硬度

圖4 熔覆層顯微硬度

2 結 語

本文通過使用傳統電鍍方式及激光熔覆方式分別修復兩支尺寸相同的活塞桿，并對該兩支活塞桿修復處進行了顯微硬度測試及鹽霧耐腐蝕實驗。使用傳統電鍍方式修復的活塞桿修復處表面顯微硬度要優于激光熔覆，表面顯微硬度電鍍層可達750 HV 以上，而激光熔覆的表層則為520 HV 以上。在相同條件下的鹽霧腐蝕實驗中，使用激光熔覆修復的活塞桿拉傷處的修復層在NaCl 鹽霧環境下的耐腐蝕能力要遠遠優于傳統的電鍍。使用激光熔覆處理后的熔覆層在300 h 左右才出現腐蝕點，而電鍍層則在70 h 就出現了腐蝕點。其他方面，由于激光熔覆省略了傳統維修方式中耗時最長、費用最高的電鍍工序，所以在維修時間及維修成本上，激光熔覆也要優于傳統方式。同時，電鍍過程會產生大量危害人體健康的重金屬廢水，從環保上來說，激光熔覆更適用于當下環境。綜上可以看出激光熔覆在液壓缸活塞桿的修復中有很高的可行性。