王绥义，孙红海，田为军

1武汉高斯激光技术有限公司 湖北武汉 430064

2兖矿东华重工有限公司 山东济宁 273500

激光熔覆是将外部材料添加到基体表面，经激光辐照后，外加材料和基体表面快速凝固并形成熔覆层的工艺方法。激光熔覆所形成的熔覆层具有稀释度低、结合力强的特点，改善了基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化或电气特性，从而达到改善或修复表面的目的，满足材料表面特定性能要求的同时节约了成本。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有热影响区域小、稀释度低、组织致密、涂层与基体结合度好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。

1 激光熔覆技术与液压立柱修复现状

液压支架是综采工作面的关键支护设备，而立柱是液压支架的核心部件，其支撑力确保顶板不下沉、垮落。由于其工作环境恶劣，容易受到摩擦和煤矸冲击，因此立柱要具有良好的抗冲击和抗磨损能力。另外，工作面存在硫化氢等有害气体，容易腐蚀立柱表面，因此立柱要具有良好的抗腐蚀性能。目前使用的液压立柱采用表面镀铬的方法来提高其抗腐蚀性能，但该工艺方法的抗腐蚀性能一般。例如山东兖矿集团的赵楼矿，投入使用几个月就出现锈蚀和损坏。而液压支架的维修是一个复杂的工程，维修成本较高[1-2]。

煤机企业通过对各种工艺进行改进以提高液压立柱的使用寿命，激光熔覆技术就是其中的一种。该技术的特点是在立柱表面熔覆一层不锈钢防腐层，厚度为0.5 mm 左右，该熔覆层将液压立柱基体完全包覆，与有害气体完全隔离，提高了液压立柱的抗腐蚀性[3]。

研究小组对激光熔覆技术在立柱修复方面的作用进行了专门研究和试验，经历了2 代设备和工艺：第一代采用二氧化碳横流激光设备进行熔覆；第二代采用半导体激光设备进行熔覆，保护层厚度由0.06 mm增加到0.5 mm。第一、第二代激光熔覆液压立柱均有一个很大的“瓶颈”——生产效率低。例如，对一根直径为320 mm、长度为1 000 mm、表面积为1 m2的液压立柱来说，二氧化碳横流激光熔覆完成加工需要7～8 h，半导体激光熔覆效率有所提高，也要3～4 h。生产效率达不到工业化生产的要求，无法大面积推广应用。

2 激光快速熔覆技术的研究和应用

为了解决熔覆效率低的问题，研究小组对该项目进行了持续改进：一是对熔覆设备作出改变，二是研制一种与新设备相匹配的专用粉末。

首先把二氧化碳横流激光器或者半导体激光器改为光纤激光器，配以冷水机、机器人(机器手)、机床、快速熔覆头、自动送粉系统和中央控制系统，组成新一代激光熔覆设备；其次是研制一种与快速熔覆设备相匹配的金属熔覆粉末，以减少熔覆后开裂的风险。采用新型金属熔覆粉末配合新设备的新工艺，解决了熔覆不彻底和表面开裂问题，形成新一代熔覆技术，大大提高了质量和效率。以直径为320 mm、长度为1 200 mm、表面积为1.206 m2的液压立柱为例，新技术的熔覆时间为101 min，即每平方米熔覆时间为1.4 h。新设备和工艺与第一代、第二代设备和工艺相比已经有了质的飞跃，为了便于区分，原来的熔覆技术称为普通熔覆，新一代的熔覆技术称为快速熔覆。

快速熔覆和普通熔覆原理、工艺不同。在快速熔覆过程中，金属粉末在到达熔池之前充分吸收了激光能量。普通熔覆时基体和粉末对激光能量的吸收比例分别为80% 和20%；快速熔覆时基体和粉末对激光能量的吸收比例分别为20% 和80%。通过改变激光能量吸收比例，使得熔覆的线速度达到了每分钟几十米，提高了熔覆工作效率。激光快速熔覆的稀释率降低为1% 左右，而普通熔覆的稀释率为 5%～15%。普通熔覆和快速熔覆的效率对比如表1 所列。

表1 快速熔覆和普通熔覆的效率对比

从表1 可以看出，激光快速熔覆每小时的熔覆面积分别是二氧化碳激光熔覆和半导体激光熔覆的5.5倍和2.6 倍，熔覆效率大幅提高。激光快速熔覆技术具有以下特点。

(1)加工效率高 线速度达25 m/min，每小时熔覆0.7 m2，熔覆层厚度为0.6 mm。

(2)硬度高 配合与之配套的专用粉末，熔覆后表面硬度达到50-55HRC，不易开裂。

(3)表面粗糙度降低 只需加工0.15～0.2 mm就可以磨削出成品。

(4)变形量小 由于激光熔覆热输入量小，热变形量小。

(5)便于精确控制 工艺过程用数控实现了激光精准快速熔覆。

(6)无固液废弃物 激光加工不产生固液废弃物，符合环保要求。

3 结语

镀铬工艺技术因重金属污染和强酸性会破坏环境，国家工信部于 2012 年印发关于《机电产品再制造技术及装备目录》的通知(工信部联节[2012]198号)，鼓励有条件的煤机企业采用激光熔覆技术替代镀铬技术，激光快速熔覆技术的研究突破后，在煤炭液压立柱修复上可大面积推广应用。从技术革新的层面讲，减少了电镀造成的环境污染，符合国家提倡的发展战略，具有较好的推广前景。