CN108161224A - 用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺，首次采用激光包覆焊技术来对液压支架立柱表面进行处理，用激光焊接代替激光熔覆，薄板带材代替合金粉末，成本低廉，加工简便，加工得到的液压支架立柱性能优越，可以称为第三代矿用液压支架立柱表面处理技术。

Description

用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺
技术领域
本发明涉及一种用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺，属于激光加工制造技术领域。
背景技术
煤炭行业是国家能源重要的支柱产业之一。液压支架处于煤矿综采工作面，起支护采场顶板、维护作业空间安全、推移工作面设备等作用。立柱是液压支架中核心部件之一，是液压支架实现支撑和承载的主要部件。据不完全统计，我国煤矿支护设备大约2000万余台(套)，其投资费用占整个采煤工作面成套设备总投资费用的60％以上。其中，目前在用的单体液压支架立柱1000多万根，是世界上单体液压支架使用最多的国家，年需量已达10万根以上。立柱是液压支架设备中的易损件，煤矿严重的腐蚀环境直接影响着立柱的使用寿命，使其在使用过程中出现磨损、腐蚀、变形等现象，从而导致液压系统失效，延误生产进度。因此，研发与制造性能优异、使用寿命长、成本低廉的高质量液压支架立柱成为煤炭生产的发展趋势与关键技术。
液压支架立柱的工况条件苛刻，主要是在重载、振动、冲击、摩擦和介质腐蚀等条件下工作。此外，整体设备处于粉尘、水汽及有害气体的包围中，润滑条件差。研究表明，液压支架立柱的主要失效形式是腐蚀与磨损，因此立柱的外表面处理技术是影响液压支架使用寿命的关键因素。
纵观立柱表面处理技术的发展历史，主流技术大致可以分为两代。第一代表面处理技术为电镀铬与化学镀技术，主要基于井下湿度大(湿度75％以上)，加上含S2-等腐蚀物质的粉尘及含有SO2、H2S、CO2等有毒有害气体形成的井下复杂特殊的酸、碱性(K+、Na+、Fe2+、Fe3+、Cl–、SO4 2–等)腐蚀介质等环境，采用乳白铬或锡青铜打底再镀硬铬技术，进而衍生出采用HEEF25(High Efficiency Etch Free)高效能无低电流区腐蚀电镀超硬铬技术，以及采用酸性溶液(ZnCl、HCl)和碱性溶液(ZnO、NiSO4、NaOH和光亮剂)的电镀镍合金技术。化学镀技术主要是在化学反应溶液中添加还原剂，经自催化电化学反应而沉积出合金镀层，其中具体包括化学镀Ni-P和化学镀Ni-P-B。研究表明，电镀铬与化学镀技术经热处理后显微硬度可达到1300HV左右。但是，第一代表面处理技术不仅会产生含重金属离子的电镀废水和各类酸雾废气，对操作工人的健康危害极大，环境污染十分严重，而且铬是一种战略性稀缺资源，不可再生。镀铬技术初期防腐性能较好，但镀层存在的致命弱点(孔隙和裂纹)容易造成腐蚀，影响立柱使用寿命，增加液压支架整体维护成本，严重则将危及液压支架产品的使用安全性。
第二代的表面处理技术为等离子喷涂与激光熔覆技术，其本质均为粉末加工技术，尤其是近年来兴起的激光熔覆技术均具有熔覆层与基材结合牢固、组织致密等优点，经此技术处理后的立柱性能远优于第一代的技术，目前受到广泛的关注。针对液压支架立柱基材27SiMn钢，学者经过长期研究陆续开发了Ni60、3580Ni基、Ni60+WC、Ni60+WC-Co、NiCrBSi+WC等合金粉末，利用CO2激光器、Nd:YAG激光器、Diode半导体激光器、及Fiber光纤激光器，通过同轴送粉或旁轴送粉装置，在基材表面熔覆合金涂层并实现冶金结合。但是，第二代表面处理技术采用合金粉末作为原材料，粉末制作存在成本高、周期长等一系列的缺点，且粉末加工容易出现气孔、裂纹等缺陷，热加工过程易产生残余应力，此外生产过程中，空气中会悬浮颗粒物增多，对操作工人的健康危害很大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉、加工方便的用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺，包括如下步骤：
a)将薄板包覆材料通过夹具固定在圆柱状工件上，使圆柱状工件与薄板包覆材料之间形成一个紧密贴合、无翘曲与凸凹点的环形包裹状态；在焊接过程中，需要移动夹具的位置以使得薄板表面均被激光处理；
b)将a步骤已经夹装了包覆材料的圆柱状工件固定在工作台上；
c)根据所用的薄板包覆材料与圆柱状工件的材质，选择激光功率0～6000W，激光移动速度0.5～5m/min，离焦量-3～4mm，保护气体压力0.1～0.5mPa；所述激光功率大于0；
d)根据c步骤所使用的激光焊接工艺参数，对包覆材料进行多道焊接，使包覆薄板材料与圆柱状工件达到冶金结合，获得表面光滑、质地均匀、力学性能满足要求的表面包覆层。
优选的，所述薄板包覆材料为与圆柱状工件长度相当的弧形金属板材，多块薄板包覆材料直边相互拼合恰好能够包裹圆柱状工件的表面。为了薄板包覆材料能够顺利的包裹圆柱状工件且后续能够顺利的进行焊接，发明人尝试了多种不同方案，最后发现上述方案能够取得最佳的效果。
进一步的，3～6片所述薄板包覆材料相互拼合恰好能够包裹圆柱状工件的表面；少于3片则薄板包覆材料加工难度较大，多于6片则焊缝过多，会影响成品质量。
优选的，所述步骤c中激光功率300～6000W；激光移动速度0.5～2m/min；虽然实施例中仅提供了相对较小的激光功率，但本领域技术人员熟知，激光功率的高低与待加工工件的规格密切相关，根据加工工件的规格不同，本领域技术人员可以在较大范围内自由的选择激光功率；进一步的，所述步骤c中激光功率300～400W；激光移动速度1.2～1.4m/min。
进一步的，所述薄板包覆材料的宽度(或者对应的弧心角角度)可以相同也可以不同，从加工便利性角度出发，薄板包覆材料的宽度相同更为优选。
优选的，所述步骤b)中的工作台由三爪卡盘、顶针、尾座、工作台与床头箱组成，所述三爪卡盘可以夹持圆柱状工件一端，工件另一端需要有中心孔，可以与顶针接触，达到固定的效果。通过改变三爪夹盘的夹持直径可以夹持不同粗细的圆柱状工件，改变尾座的位置可以夹持不同长短的工件。通过调整驱动电机可以控制圆柱状工件的旋转速度，与激光器激光焊接设备的焊接速度进行配合。
优选的，所述步骤d中工件旋转速度为0～50r/min；进一步的，所述步骤d中工件旋转速度为2.5～4r/min。
优选的，所述圆柱状工件可选择常用不锈钢及20号钢、45号钢、27SiMn钢等液压支柱常用材质；所述薄板包覆材料可选择304不锈钢、Inconel 718合金、SUS630不锈钢或3Cr17Mo模具钢等高硬度，耐腐蚀的材料。
优选的，所述夹具包括环状钢带和锁紧装置；进一步的，所述锁紧装置包括箍头和锁紧螺栓。
优选的，所述圆柱状工件的直径为30～100mm；进一步的，所述圆柱状工件的直径为40～50mm。
本发明首次采用激光包覆焊技术来对液压支架立柱表面进行处理，用激光焊接代替激光熔覆，薄板带材代替合金粉末，成本低廉，加工简便，加工得到的液压支架立柱性能优越，可以称为第三代矿用液压支架立柱表面处理技术。
附图说明
图1是本发明对液压支架立柱进行激光包覆焊的具体实施方式的流程示意图；
图2是本发明的固定液压支架立柱的工作台的具体实施方式的结构示意图；
图3是本发明用于固定薄板包覆材料的夹具的具体实施方式的结构示意图。
附图标记：1.薄板包覆材料；2.夹具；3.圆柱状工件；4.三爪卡盘；5.顶针；6.尾座；7.工作台；8.床头箱；9.箍头；10.锁紧螺栓；11.钢带。
具体实施方式
以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
A、一根直径为40mm的光洁平直的27SiMn钢棒与三块厚度为0.3mm的光洁的304不锈钢薄板上下包覆，40mm直径的27SiMn钢棒作为焊接工艺中的基材，0.3mm的304不锈钢薄板作为包覆材料，钢棒两端使用箍头固定使棒材与薄板包覆材料之间形成一个紧密贴合的状态，无明显突起及凹陷；
B、使用光纤激光对搭接板进行激光焊接，采用的激光功率为400W，速度为1.4m/min，离焦量为-3mm，保护气体压力0.15MPa,工件旋转速度为2.5r/min，对薄板包覆材料进行焊接；
C、为了保证覆盖率，需要改变箍头的位置，进行多道焊接，直到薄板包覆材料全部熔覆在棒材上。
上述方案中所制备的304不锈钢/27SiMn钢复合层的磨损性能，耐腐蚀性均优于基体27SiMn钢。
实施例2：
A、四块厚度为0.5mm的光洁的Inconel 718合金薄板与一根直径为50mm的光洁平直的27SiMn钢棒上下包覆，50mm直径的27SiMn钢棒作为焊接工艺中的基材，0.5mm的Inconel 718合金薄板作为包覆材料，两端使用箍头固定使棒材与薄板包覆材料之间形成一个紧密贴合的状态，无明显突起及凹陷；
B、使用光纤激光对搭接板进行激光焊接，激光功率为300W，速度为1.2m/min，采用负离焦-4mm，保护气体压力0.1MPa,工件旋转速度为4r/min，对薄板包覆材料进行包覆焊接；
C、为了保证覆盖率，需要改变箍头的位置，进行多道焊接，直到薄板包覆材料全部熔覆在棒材上。
对上述方案中所制备的Inconel 718合金/27SiMn钢复合层进行硬度和磨损测试，其表面硬度值是304不锈钢/27SiMn钢焊接复合层的1.7倍，磨损量仅为304不锈钢/27SiMn钢焊合层的65％，但耐腐蚀性能与304不锈钢/27SiMn钢复合层相当。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺，其特征在于包括如下步骤：
a)将薄板包覆材料通过夹具固定在圆柱状工件上，使圆柱状工件与薄板包覆材料之间形成一个紧密贴合、无翘曲与凸凹点的环形包裹状态；
b)将a步骤已经夹装了包覆材料的圆柱状工件固定在工作台上；
c)根据所用的薄板包覆材料与圆柱状工件的材质，选择激光功率0~6000 W，激光移动速度0.5~5 m/min，离焦量-3~4 mm，保护气体压力0.1~0.5 mPa；其中所述激光功率大于0；
d)根据c步骤所使用的激光焊接工艺参数，对包覆材料进行多道焊接，使包覆薄板材料与圆柱状工件达到冶金结合，获得表面光滑、质地均匀、力学性能满足要求的表面包覆层。
2.如权利要求1所述的用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺，其特征在于，所述薄板包覆材料为与圆柱状工件长度相当的弧形金属板材。
3.如权利要求2所述的用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺，其特征在于，所述弧形金属板材为3~6片相互拼合。
4.如权利要求1~3任一项所述的用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺，其特征在于，所述步骤c中激光功率300~6000 W；激光移动速度1.2~1.4mm/min。
5.如权利要求1~3任一项所述的用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺，其特征在于，所述步骤b)中的工作台由三爪卡盘、顶针、尾座、工作台与床头箱组成，所述三爪卡盘夹持圆柱状工件一端，所述顶针与工件另一端设有的中心孔相接触。
6.如权利要求1~3任一项所述的用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺，其特征在于，所述步骤d中工件旋转速度为0~50 r/min。
7.如权利要求1~3任一项所述的用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺，其特征在于，所述圆柱状工件材质为常用不锈钢及20号钢、45号钢或27SiMn钢；所述薄板包覆材料材质为304不锈钢、Inconel 718合金、SUS630不锈钢或3Cr17Mo模具钢。
8.如权利要求1~3任一项所述的用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺，其特征在于，所述夹具包括环状钢带和锁紧装置。
9.如权利要求8所述的用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺，其特征在于，所述锁紧装置包括包括箍头和锁紧螺栓。
10.如权利要求1~3任一项所述的用于矿用液压支架立柱的激光包覆焊工艺，其特征在于，所述圆柱状工件的直径为30~100mm。
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