CN105297007B - 一种立柱内孔的熔覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种立柱内孔的熔覆方法，属于激光熔覆方法技术领域，在待加工立柱的内孔熔覆合金粉末，得到熔覆层，本发明可以有效地提高立柱内孔的耐磨损性，延长管道的使用寿命，同时，熔覆层具有开裂敏感性低、韧性高、稳定性高的特点，适应企业高科技、自动化发展需要。

Description

一种立柱内孔的熔覆方法

技术领域

本发明属于激光熔覆方法技术领域，具体地说涉及一种立柱内孔的熔覆方法。

背景技术

在工作环境的影响作用下，矿山重型装备普遍存在腐蚀、磨损等失效现象，如液压支架立柱缸体等内孔部件，其内孔腐蚀、磨损等损伤会造成重大的安全隐患和财产损失。

目前，对内孔类零件的表面修复工艺，主要有缩径法、焊补法、喷涂金属材料和镶内衬套法，但上述工序繁杂、复费用大，并且存在修复后涂层与基体之间结合力不足、涂层无法达到相应的厚度要求、内孔类零件经修复后无法达到工程领域的应用要求等缺点。

国内激光技术发展迅猛，利用激光熔覆技术在构件的外表面形成熔覆层，既可以提高构件的耐磨损、耐腐蚀性能，又可以对存在磨损、腐蚀的构件进行修复。但是，立柱内孔的内部空间有限，现有的激光器和熔覆工艺不能实现对立柱内孔熔覆，阻碍了激光技术的工业化应用。如何对立柱内孔进行激光熔覆，是一项值得研究的技术问题。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种可以有效地提高立柱内孔的耐磨损性，延长管道的使用寿命，同时，熔覆层具有开裂敏感性低、韧性高、稳定性高的特点，适应企业高科技、自动化发展需要的立柱内孔的熔覆方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种立柱内孔的熔覆方法，在待加工立柱的内孔熔覆合金粉末，得到熔覆层。

进一步，所述熔覆层的熔覆方式为紧密螺旋熔覆或疏松螺旋熔覆。

进一步，所述熔覆层的熔覆方法为：

(1)将待加工立柱固定在工装上，所述工装匀速旋转带动所述待加工立柱，围绕待加工立柱的主轴匀速旋转，所述待加工立柱的横截面为圆形；

(2)将激光头置于所述待加工立柱内部，并且激光头在待加工立柱的主轴方向上进给运动，所述激光头上设置有除烟装置和送粉装置；

(3)采用同步送粉方式，在待加工立柱的内孔熔覆合金粉末，得到熔覆层。

进一步，在所述熔覆过程中，对所述待加工立柱的外表面，同步进行散热处理，所述散热处理的方法为：

在所述待加工立柱的外表面设置冷气源，所述冷气源与激光头同步进给，对激光头熔覆后的立柱进行降温，所述冷气源的压强为5-20bar，输出冷空气温度为0-8℃，进气量为0.7-1.2m³/min。

进一步，所述紧密螺旋熔覆采用多道搭接的方式进行，其熔覆方法为：

(1)在所述激光头沿待加工立柱的主轴方向的一个进给工步中，激光头逐步熔覆合金粉末，形成围绕待加工立柱内孔、首尾相搭接的第N道熔覆条；

(2)所述激光头沿待加工立柱的主轴方向运动一个进给工步，在第N道熔覆条的侧面，逐步搭接熔覆合金粉末，形成围绕待加工立柱内孔、首尾相搭接的第N+1道熔覆条，且第N、N+1道熔覆条的搭接率为30％-50％；

(3)重复进行步骤(2)，直至熔覆条将所述待加工立柱的内孔完全覆盖，得到熔覆层。

所述紧密螺旋熔覆方式可以一次成形，熔覆层表面平整、均匀，有效提高工作效率。

进一步，所述紧密螺旋熔覆方式中，激光器的线速度为600-750mm/min，步距为激光光斑直径的1/3-1/2，功率为6500-7000W，送粉速度为10-15g/min，载流气体量为5-8L/min，所述熔覆条的单边厚度为1-2mm，工装旋转速度为6-8mm/s。

进一步，所述疏松螺旋熔覆采用周期性搭接的方式进行，其熔覆方法为：

(1)在所述激光头沿待加工立柱的主轴方向的进给运动中，激光头自所述待加工立柱内孔的一端熔覆到另一端，得到第N道熔覆条；

(2)所述激光头复位并沿待加工立柱的主轴方向进给运动，在第N道熔覆条的侧面，激光头自所述待加工立柱的一端搭接熔覆到另一端，得到第N+1道熔覆条，且第N、N+1道熔覆条的搭接率为30％-50％；

(3)重复进行步骤(2)，直至熔覆条将所述待加工立柱的内孔完全覆盖，得到所述熔覆层。

所述疏松螺旋熔覆方式可以有效降低熔覆热量对待加工管道的影响，采用周期性搭接，最终实现多道搭接，保证熔覆成形的均匀性。

进一步，所述疏松螺旋熔覆方式中，激光器的线速度为550-620mm/min，功率为6800-7200W，送粉速度为25-35g/min，载流气体量为10-15L/min，且同一熔覆条的螺距应不小于激光光斑直径，所述熔覆条的单边厚度为1-2mm，工装旋转速度为8-10mm/s。

进一步，所述同一熔覆条的螺距为激光光斑直径的6-8倍。

进一步，所述合金粉末包括以下配方组份：

C：0.04-0.06份、Mo：6-8份、Ni：56.9-62.3份、Fe：1.4-1.8份、Mn：1.0-1.2份、Cr：24-26份、Si：0.8-1.0份、Nb：4.5-5.0份。

所述合金粉末具备不锈钢的特性，添加一定量的Ni、Cr，促使熔覆层具有较好的韧性，且成形质量优，Nb细化晶粒促使熔覆层细致，可以应对多样磨损，提高立柱内壁的耐磨性能。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用紧密螺旋熔覆和疏松螺旋熔覆方式，在待加工立柱内孔形成熔覆层，可以有效地提高立柱的耐磨损性，延长立柱的使用寿命。

2、本发明采用紧密螺旋熔覆方式，导致部分立柱温度急剧升高，立柱内极易集聚烟雾，同步进行散热和除烟操作，可以有效降低立柱表面的温度，及时吸附熔覆过程中产生的烟雾，有助于提高熔覆层的成形质量，防止熔覆层开裂和变形。

3、本发明采用疏松螺旋熔覆方式，可以有效避免部分立柱温度急剧升高，同时，同步进行散热和除烟操作，有助于提高成品率，后续加工余量小，工作效率高。

4、本发明对激光器和送粉器的各项参数进行优选设定，能够保证合金粉末与立柱内孔形成有效的冶金结合，节省生产成本。

5、本发明对合金粉末的配方和组份进行优选，促使合金粉末具有抗磨损性能，同时使得熔覆层具有开裂敏感性低、韧性高、稳定性高的特点。

6、本发明可以对工装旋转速度、激光头的进给频率进行编程，适应企业高科技、自动化发展需要。

附图说明

图1是本发明的紧密螺旋熔覆方式示意图；

图2是本发明的疏松螺旋熔覆方式示意图；

图3是本发明的试样一的硬度梯度曲线图；

图4是本发明的试样二的硬度梯度曲线图。

其中，在图3、图4中，横坐标代表检测点距熔覆层表面的距离，单位为mm，纵坐标代表显微硬度值。

附图中：待加工立柱1、第N道熔覆条2、第N+1道熔覆条3。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例一：

一种立柱内孔的熔覆方法，包括以下步骤：

(1)对待加工立柱1的内孔进行预处理，去除内孔表面的毛刺及锈迹，露出金属光泽；

(2)将待加工立柱1固定在工装上，并且工装以6mm/s的速度匀速旋转，带动所述待加工立柱1围绕其主轴匀速旋转；

(3)将激光头置于所述待加工立柱1内部，并且激光头在待加工立柱1的主轴方向上进给运动，所述激光头上设置有除烟装置和送粉装置，及时吸附熔覆过程中产生的烟雾；

(4)采用同步送粉、紧密螺旋熔覆方式，在待加工立柱1的内孔熔覆合金粉末，得到熔覆层。

本实施例中，所述合金粉末包括以下配方组份：

C：0.04份、Mo：6份、Ni：56.9份、Fe：1.4份、Mn：1.0份、Cr：24份、Si：0.8份、Nb：4.5份。

所述待加工立柱1横截面为圆形，其长度为3m，采用紧密螺旋熔覆方式，在其内孔熔覆合金粉末的具体方法为：

(1)在所述待加工立柱1的外表面设置冷气源，所述冷气源与激光头同步进给，对激光头熔覆后的立柱进行降温；

(2)在所述激光头沿待加工立柱1的主轴方向的一个进给工步中，所述激光头逐步熔覆合金粉末，形成围绕待加工立柱1内孔、首尾相搭接的第N道熔覆条2，其单边厚度为1mm；

(3)所述激光头沿待加工立柱1的主轴方向运动一个进给工步，在第N道熔覆条2的侧面，逐步搭接熔覆合金粉末，形成围绕待加工立柱1内孔、首尾相搭接的第N+1道熔覆条3，其单边厚度为1mm；

(4)重复进行步骤(3)，直至熔覆条将所述待加工立柱1的内孔完全覆盖，在所述待加工立柱1的两端分别熔覆一个围绕待加工立柱1内孔、首尾相接、厚度为1mm的熔覆条，得到熔覆层；

(5)对熔覆层进行车削处理，车削单边厚度为0.6mm，保留在所述待加工立柱1内孔的熔覆层单层厚度为0.4mm。

本实施例中，选用二氧化碳激光器产生矩形激光光斑，激光光斑尺寸为15mm*2.5mm，第N、N+1道熔覆条的搭接率为30％，激光器的线速度为600mm/min，步距为5mm，功率为6500W，送粉速度为10g/min，载流气体量为5L/min，所述冷气源的压强为5bar，输出冷空气温度为8℃，进气量为1.2m³/min。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

所述合金粉末包括以下配方组份：C：0.05份、Mo：7份、Ni：60份、Fe：1.6份、Mn：1.1份、Cr：25份、Si：0.9份、Nb：4.7份。

选用半导体激光器，激光光斑为矩形，其尺寸为17mm*3mm，所述待加工立柱1的长度为2.5m，第N、N+1道熔覆条的搭接率为42％，激光器的线速度为700mm/min，步距为8.5mm，功率为6800W，送粉速度为12g/min，载流气体量为7L/min，工装旋转速度为7mm/s，所述冷气源的压强为12bar，输出冷空气温度为4℃，进气量为1.1m³/min。

所述熔覆条的单边厚度为1.5mm，车削单边厚度为1.0mm，保留在所述待加工立柱1内孔的熔覆层单层厚度为0.5mm。

本实施例制备的熔覆层一次成形，工作效率高，在熔覆过程中同步进行散热和除烟操作，可以有效降低立柱表面的温度，及时吸附熔覆过程中产生的烟雾，有助于提高熔覆层的质量，韧性高，稳定性高。

实施例三：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

所述合金粉末包括以下配方组份：C：0.06份、Mo：8份、Ni：62.3份、Fe：1.8份、Mn：1.2份、Cr：26份、Si：1.0份、Nb：5.0份。

所述待加工立柱1横截面为椭圆形，其长度为2m，选用光纤半导体激光器，激光光斑为矩形，其尺寸为9mm*1.6mm，第N、N+1道熔覆条的搭接率为50％，激光器的线速度为750mm/min，步距为4.5mm，功率为7000W，送粉速度为15g/min，载流气体量为8L/min，工装旋转速度为8mm/s，所述冷气源的压强为20bar，输出冷空气温度为0℃，进气量为1.0m³/min。

所述熔覆条的单边厚度为2mm，车削单边厚度为1.4mm，保留在所述待加工立柱1内孔的熔覆层单层厚度为0.6mm。

实施例四：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

所述待加工立柱1横截面为椭圆形，其长度为1.5m，采用疏松螺旋熔覆方式，在其内孔熔覆合金粉末，其具体方法：

(1)在所述待加工立柱1的外表面设置冷气源，所述冷气源与激光头同步进给，对激光头熔覆后的立柱进行降温；

(2)在所述激光头沿待加工立柱1的主轴方向的进给运动中，激光头自所述待加工立柱1内孔的一端熔覆到另一端，得到第N道熔覆条2，其单边厚度为1mm；

(3)所述激光头复位并沿待加工立柱1的主轴方向进给运动，在第N道熔覆条2的侧面，激光头自所述待加工立柱1的一端搭接熔覆到另一端，得到第N+1道熔覆条3，其单边厚度为1mm，且第N、N+1道熔覆条的搭接率为30％；

(4)重复进行步骤(3)，直至熔覆条将所述待加工立柱1的内孔完全覆盖，得到所述熔覆层；

(5)对熔覆层进行车削处理，车削单边厚度为0.45mm，保留在所述待加工立柱1内孔的熔覆层单层厚度为0.55mm。

本实施例中，采用实施例一所述的合金粉末，选用光纤半导体激光器，激光光斑为矩形，其尺寸为15mm*2.5mm，激光器的线速度为550mm/min，功率为6800W，送粉速度为25g/min，载流气体量为10L/min，且同一熔覆条的螺距为15mm，工装旋转速度为8mm/s，所述冷气源的压强为6bar，输出冷空气温度为7℃，进气量为0.7m³/min。

实施例五：

本实施例与实施例四相同的部分不再赘述，不同的是：

所述待加工立柱1横截面为圆形，其长度为3m，所述第N、N+1道熔覆条的搭接率为41％，所述熔覆条的单边厚度为1.5mm，车削单边厚度为0.9mm，保留在所述待加工立柱1内孔的熔覆层单层厚度为0.6mm。

本实施例中，采用实施例二所述的合金粉末，选用半导体激光器，激光光斑为矩形，其尺寸为14mm*2mm，激光器的线速度为580mm/min，功率为7000W，送粉速度为30g/min，载流气体量为13L/min，工装旋转速度为9mm/s，且同一熔覆条的螺距为84mm，所述冷气源的压强为13bar，输出冷空气温度为3℃，进气量为0.8m³/min。

本实施例制备的熔覆层均匀度高，后续加工余量小，在一定程度上提高了工作效率，本实施例所述的熔覆方式可以有效避免部分立柱温度急剧升高，有助于提高成品率。

实施例六：

本实施例与实施例四相同的部分不再赘述，不同的是：

所述待加工立柱1的长度为1m，第N、N+1道熔覆条的搭接率为48％，所述熔覆条的单边厚度为1.9mm，车削单边厚度为1.2mm，保留在所述待加工立柱1内孔的熔覆层单层厚度为0.7mm。

本实施例中，采用实施例三所述的合金粉末，选用二氧化碳激光器，激光光斑为矩形，其尺寸为9mm*1.6mm，激光器的线速度为620mm/min，功率为7200W，送粉速度为35g/min，载流气体量为15L/min，工装旋转速度为10mm/s，且同一熔覆条的螺距为72mm，所述冷气源的压强为19bar，输出冷空气温度为1℃，进气量为0.9m³/min。

另外，在所述疏松螺旋熔覆方式中，第N道熔覆条2与第N+1道熔覆条3可以间隔熔覆，直至熔覆条将所述待加工立柱1的内孔完全覆盖，且相邻熔覆条的搭接率为30-50％，得到所述熔覆层。

对比实验一：

取两块磨损程度相近的立柱，长度均为2m，材质均为27SiMn无缝钢管，分别采用本发明实施例二、实施例五所述的熔覆方法对立柱内孔进行修复，在修复后的成品上，取60mm×60mm的试样，分别标记为试样一、试样二，所述试样一的熔覆层厚度为0.5mm，所述试样二的熔覆层厚度为0.6mm。

对所述试样一、试样二分别进行砂纸打磨并抛光，使用HVS-1000A数显显微硬度计分别进行硬度检测，间隔0.5mm取检测点，所述试样一的硬度梯度曲线如图3所示，所述试样二的硬度梯度曲线如图4所示。

由图3中可以看出：在所述熔覆层厚度范围内，熔覆层硬度为280-300HV，在所述熔覆层厚度范围外，基体硬度为240-280HV，所述熔覆层和基体的硬度均较为稳定，性能稳定，且所述熔覆层的硬度稍高于基体的硬度，可以有效地提高立柱内孔的耐磨损性，同时，便于对熔覆层进行车削等机械加工操作。

由图4中可以看出：在所述熔覆层厚度范围内，熔覆层硬度为280-300HV，在所述熔覆层厚度范围外，基体硬度为240-280HV，所述熔覆层和基体的硬度均较为稳定，性能稳定，且所述熔覆层的硬度稍高于基体的硬度，可以有效地提高立柱内孔的耐磨损性，同时，便于对熔覆层进行车削等机械加工操作。

对比实验二：

取对比实验一所得的试样一、试样二，在对比实验一中所述立柱基体上取60mm×60mm的试样三，将所述试样一、试样二和试样三，经清洗、干燥后分别称取重量作为实验前重量，将所述三者分别与45钢进行对磨操作，对磨时间控制为1.5h，再次清洗、干燥后称取重量，作为实验后重量，计算磨损失重量，重复进行三次，得出的实验数据如表1：

表1：

试样	一次磨损失重量/g	二次磨损失重量/g	三次磨损失重量/g
				试样一	0.0035	0.003	0.002
试样二	0.003	0.002	0.0025
				试样三	0.008	0.0085	0.007

上述实验在山东能源重装集团大族再制造有限公司化验室进行通过如上实验数据分析，每个试样的三次磨损失重量均较为接近，说明所述试样一、试样二和试样三均具有较高的稳定性。

在三次对磨过程中，所述试样一、试样二的磨损失重量均较为接近，说明采用本发明所述的紧密螺旋熔覆、疏松螺旋熔覆方法进行修复的立柱内孔，其耐磨性能相近。

在三次对磨过程中，所述试样一、试样二的磨损失重量均明显低于所述试样三的磨损失重量，说明采用本发明所述的紧密螺旋熔覆、疏松螺旋熔覆方法进行修复的立柱，其耐磨性能优于立柱基体的耐磨性能。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (6)

1.一种立柱内孔的熔覆方法，其特征在于：在待加工立柱的内孔熔覆合金粉末，得到熔覆层，所述熔覆层的熔覆方式为紧密螺旋熔覆或疏松螺旋熔覆；

所述紧密螺旋熔覆方式中，激光器的线速度为600-750mm/min，步距为激光光斑直径的1/3-1/2，功率为6500-7000W，送粉速度为10-15g/min，载流气体量为5-8L/min，所述熔覆条的单边厚度为1-2mm，工装旋转速度为6-8mm/s；

所述疏松螺旋熔覆方式中，激光器的线速度为550-620mm/min，功率为6800-7200W，送粉速度为25-35g/min，载流气体量为10-15L/min，且同一熔覆条的螺距应不小于激光光斑直径，所述熔覆条的单边厚度为1-2mm，工装旋转速度为8-10mm/s；

所述合金粉末包括以下配方组份：C：0.04-0.06份、Mo：6-8份、Ni：56.9-62.3份、Fe：1.4-1.8份、Mn：1.0-1.2份、Cr：24-26份、Si：0.8-1.0份、Nb：4.5-5.0份。

2.根据权利要求1所述的一种立柱内孔的熔覆方法，其特征在于：所述熔覆层的熔覆方法为：

(1)将待加工立柱固定在工装上，所述工装匀速旋转带动所述待加工立柱，围绕待加工立柱的主轴匀速旋转，所述待加工立柱的横截面为圆形；

(2)将激光头置于所述待加工立柱内部，并且激光头在待加工立柱的主轴方向上进给运动，所述激光头上设置有除烟装置和送粉装置；

(3)采用同步送粉方式，在待加工立柱的内孔熔覆合金粉末，得到熔覆层。

3.根据权利要求2所述的一种立柱内孔的熔覆方法，其特征在于：在所述熔覆过程中，对所述待加工立柱的外表面，同步进行散热处理，所述散热处理的方法为：

在所述待加工立柱的外表面设置冷气源，所述冷气源与激光头同步进给，对激光头熔覆后的立柱进行降温，所述冷气源的压强为5-20bar，输出冷空气温度为0-8℃，进气量为0.7-1.2m³/min。

4.根据权利要求2-3任意一项所述的一种立柱内孔的熔覆方法，其特征在于：所述紧密螺旋熔覆采用多道搭接的方式进行，其熔覆方法为：

(1)在所述激光头沿待加工立柱的主轴方向的一个进给工步中，激光头逐步熔覆合金粉末，形成围绕待加工立柱内孔、首尾相搭接的第N道熔覆条；

(2)所述激光头沿待加工立柱的主轴方向运动一个进给工步，在第N道熔覆条的侧面，逐步搭接熔覆合金粉末，形成围绕待加工立柱内孔、首尾相搭接的第N+1道熔覆条，且第N、N+1道熔覆条的搭接率为30％-50％；

(3)重复进行步骤(2)，直至熔覆条将所述待加工立柱的内孔完全覆盖，得到熔覆层。

5.根据权利要求2-3任意一项所述的一种立柱内孔的熔覆方法，其特征在于：所述疏松螺旋熔覆采用周期性搭接的方式进行，其熔覆方法为：

(1)在所述激光头沿待加工立柱的主轴方向的进给运动中，激光头自所述待加工立柱内孔的一端熔覆到另一端，得到第N道熔覆条；

(2)所述激光头复位并沿待加工立柱的主轴方向进给运动，在第N道熔覆条的侧面，激光头自所述待加工立柱的一端搭接熔覆到另一端，得到第N+1道熔覆条，且第N、N+1道熔覆条的搭接率为30％-50％；

(3)重复进行步骤(2)，直至熔覆条将所述待加工立柱的内孔完全覆盖，得到所述熔覆层。

6.根据权利要求5所述的一种立柱内孔的熔覆方法，其特征在于：所述同一熔覆条的螺距为激光光斑直径的6-8倍。