煤礦液壓支架內(nèi)外壁激光熔覆裝備研究與發(fā)展

杜祥星 金 碩 黃 騰

（山東鐳研激光科技有限公司，濟(jì)南 250000）

激光熔覆技術(shù)以高能激光束作為熱源，將金屬粉末材料熔覆于零部件表面，制備高性能防護(hù)涂層，提高零部件表面的硬度以及抗磨損、抗腐蝕、抗氧化、耐高溫等性能，從而延長零部件的使用壽命[1]。

液壓支架是煤礦綜采過程的主要支撐設(shè)備。液壓支架設(shè)備在礦井中運(yùn)行時(shí)間長，承受載荷大，由于其工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，容易腐蝕、磨損設(shè)備，導(dǎo)致密封失效，縮短了設(shè)備的使用壽命[2-4]。傳統(tǒng)的液壓支架制造及再制造主要采用冷弧焊接工藝和電鍍工藝。冷弧焊接存在生產(chǎn)效率低、稀釋率高等問題，而電鍍屬于高污染工藝，將逐漸被取代。激光熔覆液壓支架制造及再制造是一種先進(jìn)、綠色、環(huán)保的新工藝技術(shù)，可以有效提高液壓支架的生產(chǎn)效率及耐磨、耐腐蝕性能，延長其使用壽命，替代傳統(tǒng)的冷弧焊接工藝和電鍍工藝。因此，采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行液壓支架的制造及再制造市場前景廣闊。

1 煤礦液壓支架內(nèi)外壁激光熔覆裝備的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著光纖激光技術(shù)的快速發(fā)展，激光熔覆技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦液壓支架的中缸和活柱外壁制造及再制造生產(chǎn)。目前，液壓支架的外缸和中缸內(nèi)壁制造及再制造的激光熔覆加工需求日益增加，設(shè)計(jì)滿足液壓支架內(nèi)外壁激光熔覆的智能裝備迫在眉睫[5]。

內(nèi)外壁激光熔覆裝備涉及多方面復(fù)合技術(shù)，由于涉及的技術(shù)跨學(xué)科、跨行業(yè)、難度大，發(fā)展較為緩慢。目前，國內(nèi)在煤礦液壓支架內(nèi)外壁激光熔覆裝備開發(fā)及應(yīng)用方面尚處于起步階段，已經(jīng)進(jìn)入市場的產(chǎn)品大多功率在6 kW 以下，內(nèi)壁激光熔覆效率相較于外壁熔覆更低，因此迫切需要獲得更高功率、更高效率的萬瓦級內(nèi)外壁激光熔覆裝備。激光熔覆頭在內(nèi)壁熔覆加工時(shí)空間狹小，且長時(shí)間在高溫、高濃度煙塵環(huán)境下工作，導(dǎo)致激光熔覆頭在深孔、盲孔工件中連續(xù)工作難度大，使用、維護(hù)成本高，熔覆頭穩(wěn)定性差，熔覆效率低，粉末利用率低。這些技術(shù)問題阻礙了內(nèi)外壁激光熔覆裝備及技術(shù)在煤炭液壓支架行業(yè)的工業(yè)化推廣。

2 煤礦液壓支架內(nèi)外壁激光熔覆裝備的組成

根據(jù)國內(nèi)煤礦行業(yè)液壓支架的規(guī)格種類，適合市場上90%以上煤礦液壓支架激光熔覆加工需求的內(nèi)外壁激光熔覆裝備，應(yīng)滿足最小加工孔徑不小于160 mm、深度不低于3 000 mm、機(jī)床承載不低于2 500 kg 的要求，而且需要滿足液壓支架的外缸內(nèi)壁、中缸內(nèi)壁及外壁、活柱外壁的激光熔覆加工要求，同時(shí)適合鐵基粉末、銅合金粉末、不銹鋼粉末等多種金屬材料的熔覆工藝。結(jié)合用戶熔覆效率要求，激光功率應(yīng)不低于6 kW。適用煤礦液壓支架內(nèi)外壁激光熔覆的裝備主要由激光熔覆機(jī)床、激光熔覆頭、激光器、水冷機(jī)以及送粉器5 部分組成，如圖1 所示。

圖1 內(nèi)外壁激光熔覆裝備

2.1 激光熔覆機(jī)床

激光熔覆機(jī)床是內(nèi)外壁激光熔覆裝備的關(guān)鍵組成部分，可以使工件及激光熔覆頭實(shí)現(xiàn)自動激光熔覆加工運(yùn)動。液壓支架內(nèi)外壁激光熔覆機(jī)床包括床身、床頭箱、控制系統(tǒng)、支撐機(jī)構(gòu)、尾座、三軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)以及激光頭安裝桿等部件，如圖2 所示。其中：床身是各運(yùn)動模塊及零部件安裝的支撐部件；床頭箱一般固定在床身一端，用于驅(qū)動工件旋轉(zhuǎn)；控制系統(tǒng)用于控制機(jī)床自動運(yùn)動；加工內(nèi)壁工件時(shí)，支撐機(jī)構(gòu)用于支撐工件外壁，具備支撐直徑范圍可調(diào)的功能，便于滿足不同直徑工件的加工要求；加工外壁工件時(shí)，尾座用于支撐工件，具備十字滑動及快速定位功能，方便內(nèi)壁和外壁工件切換及不同長度工件切換時(shí)移動尾座；三軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)可帶動激光熔覆頭實(shí)現(xiàn)上下、前后、左右3 個(gè)方向的軸向運(yùn)動；為降低激光頭長度，將內(nèi)孔激光熔覆頭安裝在激光頭安裝桿上，增加激光頭強(qiáng)度，進(jìn)而提升激光頭內(nèi)部光路的穩(wěn)定性，使激光頭能夠?qū)崿F(xiàn)3 000 mm 以上深孔內(nèi)壁的加工。

1.床身；2.床頭箱；3.控制系統(tǒng)；4.支撐機(jī)構(gòu)；5.激光熔覆頭；6.尾座；7.三軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)；8.送粉器；9.激光頭安裝桿。圖2 激光熔覆機(jī)床

目前，市場上常用的激光熔覆激光器一般采用光纖激光器，屬于四類激光產(chǎn)品。此類激光直射光束及鏡式反射光束會嚴(yán)重?fù)p傷操作人員的眼睛和皮膚，因此內(nèi)外壁激光熔覆機(jī)床應(yīng)配備必要的激光防護(hù)罩。在激光熔覆過程中會產(chǎn)生大量的煙塵及粉塵，煙塵中含有有害物質(zhì)，會造成環(huán)境污染，影響工作人員的身體健康，因此激光熔覆機(jī)床還應(yīng)具備有效的吸煙、除塵裝置。

2.2 激光熔覆頭

激光熔覆頭作為激光熔覆加工的核心關(guān)鍵零部件，性能直接影響熔覆質(zhì)量、熔覆效率及粉末利用率。適用于內(nèi)壁激光熔覆加工的內(nèi)外壁激光熔覆頭的設(shè)計(jì)，是煤礦液壓支架內(nèi)外壁激光熔覆裝備開發(fā)的關(guān)鍵性技術(shù)難題。與外壁激光熔覆頭不同，內(nèi)外壁激光熔覆頭需要在狹小的空間內(nèi)工作，因此需要在有限的空間內(nèi)高度集成設(shè)計(jì)激光束、粉末、冷卻水以及保護(hù)氣等。在內(nèi)壁加工時(shí)，內(nèi)壁激光熔覆頭持續(xù)在高溫、高濃度煙塵的惡劣環(huán)境下工作，容易出現(xiàn)保護(hù)鏡片和光學(xué)鏡片燒壞的問題，造成熔覆質(zhì)量缺陷。由于此類缺陷不易被發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壁激光熔覆頭需要具有高效的水冷及必要的異常監(jiān)測和報(bào)警功能。目前，國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)制造企業(yè)常用的監(jiān)測技術(shù)手段為水流量、氣流量、氣壓及溫度異常監(jiān)測報(bào)警。

內(nèi)外壁激光熔覆頭一般采用預(yù)置送粉寬帶激光熔覆和同步送粉高速激光熔覆兩種方式。預(yù)置送粉寬帶激光熔覆頭具有承受激光功率高、熔覆效率高、粉末利用率高等優(yōu)點(diǎn)。同步送粉高速激光熔覆頭熱輸出量小，從而對工件基材熱影響小，熔覆層表面平整度高，熔覆后加工量小。液壓支架外缸內(nèi)壁加工時(shí)需達(dá)到近缸底位置，因此內(nèi)外壁激光熔覆頭應(yīng)具備盲孔加工要求，激光熔覆頭光路需采用前傾式光路設(shè)計(jì)。預(yù)置送粉寬帶激光熔覆頭前傾式光路一般采用準(zhǔn)直透鏡將激光束準(zhǔn)直，再通過折射角度大于90°的積分鏡折射激光束并進(jìn)行整形，在工作位置得到需要的光斑形狀，如圖3 所示。同步送粉高速激光熔覆頭前傾式光路一般有兩種形式，一種是采用準(zhǔn)直透鏡將激光束準(zhǔn)直，再通過折射角度大于90°的離軸拋物鏡對激光束進(jìn)行折射并匯聚，如圖4 所示；另一種是采用準(zhǔn)直透鏡將激光束準(zhǔn)直，再通過聚焦透鏡對準(zhǔn)直后的激光束匯聚，最后通過折射角度大于90°的平面鏡折射激光束，如圖5 所示。

圖3 預(yù)置送粉寬帶激光熔覆頭光路圖

圖5 同步送粉高速熔覆頭光路圖2

2.3 送粉器

為縮短送粉管的輸送距離，提高送粉精度，煤礦液壓支架內(nèi)外壁激光熔覆裝備的送粉器一般固定在機(jī)床上，并與機(jī)床三軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)隨動。因?yàn)樾枰獙⒔饘俜勰┧椭辽羁坠ぜ?nèi)的激光頭中，所以內(nèi)外壁激光熔覆裝備一般采用載氣式送粉器。采用預(yù)置送粉寬帶激光熔覆加工工藝時(shí)，需將粉末進(jìn)入送粉嘴前，并卸掉運(yùn)載粉末的氣壓，防止運(yùn)載粉末的氣體影響送粉嘴在工件上的鋪粉質(zhì)量。

3 煤礦液壓支架內(nèi)外壁激光熔覆裝備的發(fā)展趨勢

延長激光熔覆頭的使用壽命需要優(yōu)化激光熔覆頭冷卻水路及保護(hù)氣路結(jié)構(gòu)，優(yōu)化工藝參數(shù)的同時(shí)開發(fā)適合內(nèi)壁熔覆加工的金屬材料，減少熔覆過程中產(chǎn)生的煙塵和飛濺物。在工件內(nèi)壁熔覆加工時(shí)，激光熔覆頭的工作狀態(tài)和熔覆層表面質(zhì)量不易觀察，應(yīng)向功能多樣化方向發(fā)展，實(shí)時(shí)顯示熔覆過程的粉末流及熔池信息，并通過控制系統(tǒng)自動判斷熔覆過程的穩(wěn)定性。同時(shí)，通過檢測裝置自動收集、顯示熔覆層均勻度參數(shù)，并根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)自動判斷工件是否合格。

生產(chǎn)效率關(guān)乎企業(yè)利潤，通過研究適用更高功率的激光熔覆頭、金屬材料及工藝參數(shù)，可以提高激光熔覆的加工效率。隨著自動化技術(shù)的快速發(fā)展、勞動力的緊缺及人們對良好工作環(huán)境的向往，未來激光熔覆機(jī)床應(yīng)向自動上下料、無人生產(chǎn)線等自動化方向發(fā)展，減少勞動力的同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語

目前，內(nèi)外壁激光熔覆裝備已在煤礦液壓支架制造及再制造行業(yè)推廣應(yīng)用，其基本功能初步滿足工業(yè)化應(yīng)用要求，但是在功能多樣性與性能穩(wěn)定性方面與國外技術(shù)尚存在較大差距。隨著我國智能裝備技術(shù)、激光技術(shù)、檢測技術(shù)、控制系統(tǒng)、金屬材料等的快速發(fā)展與融合，未來煤礦液壓支架內(nèi)外壁激光熔覆裝備在功能與穩(wěn)定性方面必將更加完善。