合金熔覆技術在液壓支架油缸再制造中的應用

關生德 王虎 陳剛 鄧雪峰

摘 要：詳細介紹了液壓支架油缸再制造中合金熔覆技術的應用情況，并論述了合金熔覆技術在設備、工藝、材料選擇及特性、產品性能特點等方面的要求，最后證實了合金熔覆技術在液壓支架油缸再制造中的可行性和合理性。

關鍵詞：液壓支架;油缸;合金熔覆;再制造

中圖分類號：TG174.4 ? ?文獻標志碼：A? ?文章編號：1003-5168（2022）7-0054-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.012

Abstract： Introduced the application of alloy cladding technology in the remanufacturing of hydraulic support cylinder in detail， and discusses the requirements of alloy cladding technology in equipment， process， material selection and characteristics， product performance characteristics and so on. Finally， it proves the feasibility and rationality of alloy cladding technology in the remanufacturing of hydraulic support cylinder.

Keywords： hydraulic support; cylinder; alloy cladding; remanufacturing

0 引言

液壓支架是煤礦綜采工作面的主要支護設備，是安全生產的必要保證。大量統計數據結果顯示，70%以上的液壓支架失效是其自身各類油缸的功能性失效造成的。井下工況條件惡劣，油缸在使用過程中，由于腐蝕、拉傷、沖擊、磕碰等很容易引起缸筒內孔或活塞桿外表面鍍層的損壞，從而導致密封泄液，油缸支撐功能失效，進而影響支架整體使用性能，導致工作面不能正常生產。另一方面，我國新疆地區煤田礦井的各類自然條件差，支架回撤安裝周期長，地面工業廣場場地不足等因素造成液壓支架升井維修困難。液壓支架的維修工作一直困擾并嚴重制約著煤礦的生產進度及回采工作。針對井下綜采環境及液壓支架主要損傷形式，可通過合金熔覆技術的應用將液壓支架油缸進行維修再制造升級，以滿足液壓支架升井維修一次后，在保證各類技術指標不變的情況下，支架可連續使用3年不大修，5年不升井維修，從而大幅度提高企業社會經濟效益[1-3]。

1 工藝流程與試驗方案

1.1 工藝流程

詳細工藝流程為外圓檢測（尺寸、直線度等）—外圓預車（將原疲勞層及點蝕層全部車去）—外圓拋光（去除表面油污并降低刀紋影響）—表面探傷檢測（判定基體表面是否有殘留細微裂紋或裂紋趨勢）—外圓合金熔覆（合金材質的防腐性是原母材的3倍以上，硬度HRC50以上）—外圓精加工（按原圖尺寸對缸口進行再制造加工，保證所有尺寸、公差等與原設計完全一致）—磨削拋光（磨拋一體設備，減少裝夾次數保證質量精度）—包鹽水試驗（100%全檢）—包裝入庫。

1.2 工藝試驗方案

鹽霧試驗記錄如表1所示。

1.3 鹽霧試驗

1.3.1 鹽霧試驗方案。采用銅加速鹽霧試驗（CASS試驗），這是目前國外最常用的一種鹽霧試驗方法，試驗溫度為45～50 ℃，鹽溶液中加入了適量的氯化銅，其可以加速觸發工件的腐蝕，銅加速鹽霧試驗對工件的腐蝕速度約是中性鹽霧試驗（NSS試驗）的8倍。試驗時，將試件按規定暴露于鹽霧試驗箱中，樣件表面噴入霧化的試驗溶液，細霧在自重作用下均勻地沉降在試驗件表面。試件在鹽霧實驗箱內的位置應為試驗面與垂直面成30°角，試件間距離能保證霧液可自由沉降到所有樣件表面。樣件間不可互相接觸。

1.3.2 鹽霧試驗結果。如表2所示。通過上述試驗數據可以明顯看出，3號件的綜合性能最佳，雖然硬度比1號低，但考慮到液壓支架油缸的實際使用工況，HRC45的硬度已完全可以滿足使用要求，因此，初步建議將3號件的各項參數定為最后可取參數，包括材料成分、熔覆層厚度等。銅加速鹽霧試驗對比如圖1所示[4，5]。

2 技術原理與設備

2.1 技術原理

冷弧合金熔覆技術最早使用于汽車行業，是為了滿足汽車超薄鈑金件的焊接，最薄可做到0.3 mm厚度鋁板的焊接，目前德國和法國對此技術運用最為成熟，該次試驗參照的是德國技術，其核心技術是可以實現幾乎無電流狀態下的熔滴過渡。焊絲與工件短路時，電流變為小的短路電流，送絲由向前變為先后抽回焊絲，這樣就減少了電弧輸入熱量的時間，電弧熄滅，大幅降低熱輸入量，熔焊過程就在冷熱交替中循環往復。

2.2 設備特性

①為提高效率，試驗組在研發之初就制訂了雙槍同步熔覆的方案，熔覆電源采用德國全數字逆變雙脈沖電源，通過全數字控制，從小電流到大電流，都能對電流狀態進行極其精細的控制，獲得持續穩定的熔覆品質;負載持續率達到100%;由于采用逆變技術，所以可大幅度節省能源。

②設備的控制系統以可編程控制器（PLC）為中心，實現控制系統的邏輯控制，完成熔覆機頭移動、工件回轉的一體控制。工件旋轉無級調速，送絲速度無級調速?？刂葡到y運行穩定可靠，抗干擾能力強。

③控制系統配以人機界面進行參數的輸入和顯示。待熔覆工件管徑、焊接速度等參數可在人機界面上分別輸入，工件旋轉機構與熔覆機頭行走機構經過運算自動生成軌跡，實現螺旋熔覆方式，熔覆層的搭接量（螺距）可在5～8 mm任意設定。2BD35E16-D12C-4B7C-B04A-359BBAA4404E

④工件旋轉驅動采用松下交流伺服系統，速度無級可調。實現閉環控制，通過數字編碼器提供的實際參數值作為反饋信號，閉環控制熔覆速度，在熔覆過程中自動修正因各種因素引起的速度變化。另外，在交流伺服電機上配置抱閘制動裝置，設備在突然斷電的情況下，可迅速制動，鎖定工作臺停止在斷電位置，確保操作人員人身安全。

⑤控制系統具備?；↑c記憶、恢復功能。當發生故障停止熔覆時，處理完成后，熔覆槍可自動恢復到停止位置，手動后退適當角度，即可繼續完成熔覆，避免出現熔覆缺陷。

3 材料特性

3.1 材料選擇及性能

研發使用的鎳鉻合金材料具有優異的耐應力腐蝕開裂、耐腐蝕疲勞、耐空腐蝕、耐沖蝕和抗污損等性能。在耐腐蝕疲勞方面遠遠超過不銹鋼和黃銅，比錳青銅還好;在耐沖蝕方面也遠遠高于常規不銹鋼，而且耐空腐蝕性能格外好。在船用螺旋槳、大型泵用葉片、緊固件、液壓支架、鋼鐵軋輥等部件制造上獲得了日趨廣泛的應用。

鎳鉻合金耐均勻腐蝕、空泡腐蝕和腐蝕疲勞的性能與超級雙相不銹鋼相當;不發生氧化物應力腐蝕開裂，其強度與奧氏體不銹鋼相當，經熱處理后，可與雙相不銹鋼媲美。其還具有優異的導熱、導電性能，良好的耐磨損性能和焊接性能。

該試驗還在材料中加入了鋯、鍶等稀土元素，以提高材料的力學性能，其抗拉強度提高4.06%，屈服強度提高4.07%，但是伸長率降低了15.1%。鋯和鍶的聯合加入細化了合金鑄態組織，起到細晶強化的作用。鋯、鍶復合微合金化新型鑄態鎳鉻合金熔敷金屬，其均勻腐蝕速率和電化學腐蝕速率分別降低了2.9%、49.6%，抗拉強度提高了4.06%。

3.2 材料分析

經美國標準ASTM A923中C法試驗后檢測，焊接熱影響區小，在熱影響區內晶體發生正火。焊接熔合線區結合緊密，晶粒變細。結合強度較高，滿足焊材強度要求。具體金相分析如圖2、圖3所示。

4 產品性能特點

4.1 基本參數

熔覆層材料為鎳鉻合金材料;熔覆層厚度為≥0.5 mm;活塞桿尺寸精度為精度等級達到f 9級，尺寸均勻;活塞桿表面粗糙度為≤Ra0.4;活塞桿直線度不得超過0.2/1 000（mm）;熔覆層表面硬度為45～50 HRC。

4.2 耐腐蝕性

能適應礦井下的高濕腐蝕環境;在酸性鹽霧腐蝕試驗96 h評價達到GB/T 6461—2002評級標準9級以上。

4.3 結合性能

熔覆層與活塞桿母材達到冶金結合，保證工件性能的可靠性，根據EN ISO 7438—2020標準做彎曲試驗熔覆層不會出現裂紋。

4.4 其他特點

熔覆層組織致密均勻，無縮孔、裂紋、起皮等缺陷，不使用封孔劑的條件下孔隙率不大于0.1%，稀釋率不大于5%;熔覆層制備后須按照JB/T 4730.4—2005或JB/T 4730.5—2005或等同標準進行NDT探傷檢測（PT或MT），檢測結果達到1級合格;生產過程綠色環保，無粉塵和噪聲污染。

5 結語

通過對合金熔覆工藝技術的展開研究，從多方面證明了合金熔覆技術在液壓支架油缸再制造中的可行性和優越性。詳細地闡述了合金熔覆技術的工藝方案、技術原理、設備特點、材料特性及試驗方案等技術方面的要求，在此基礎上細化了油缸活塞桿外表面熔覆再制造的技術要求，為油缸再制造提出了明確的標準。隨著綠色制造時代的新要求，傳統的活塞桿表面電鍍處理工藝的環保缺陷越來越明顯，在再制造過程中，通過對活塞桿的外表面均采用冷弧合金熔覆技術，不但解決了環保問題，同時也大幅提高了產品質量，耐磨性較電鍍可提高50%以上，耐腐蝕性可提高2倍以上，實際應用價值顯著。

參考文獻：

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