CN110587219A

CN110587219A - 一种应用于液压支架立柱的包覆焊方法

Info

Publication number: CN110587219A
Application number: CN201910996709.4A
Authority: CN
Inventors: 樊宇; 项武博; 张许阳; 孙强; 陈则阳; 张军; 陈正; 徐杰; 张平; 张金勇; 孙智
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2019-10-19
Filing date: 2019-10-19
Publication date: 2019-12-20
Anticipated expiration: 2039-10-19
Also published as: CN110587219B; WO2021073628A1

Abstract

本发明提供一种应用于液压支架立柱的包覆焊方法，包括以下步骤：制作：将合金管套在工件上，覆盖整个工件；镶熔：对合金管进行挤压，使合金管与工件贴合，进行缩径、熔合，直至合金管和工件之间产生熔合结界，完成镶熔；裁剪：去掉两端多余的合金管；封焊：对合金管两端进行封焊。本发明提供的包覆焊方法以合金管替代电镀液和合金粉末作为立柱表面耐磨耐蚀材料，通过冷挤压产生塑性变形使合金管与基层碳钢有机融合成一体。在生产全过程中由于没有使用任何化学制品，因此不会产生任何污染物，对人体完全无害，对环境也十分友好，且能耗极低，生产流程短，效率高，符合绿色生产的社会发展主题。

Description

一种应用于液压支架立柱的包覆焊方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，尤其是一种应用于液压支架立柱的包覆焊方法。

背景技术

液压支架立柱的表面修复工艺的主流技术大致可以分为两代。第一代为电镀铬技术，该技术得到的镀层可起到机械保护作用，但镀层较薄，易产生微裂纹和孔隙等缺陷。在使用过程中，这样的微裂纹或孔隙一旦穿透立柱表面的镀层，就会形成电化学腐蚀，造成镀层鼓泡、起皮甚至脱落，从而破坏整个密封圈，导致立柱失效。

第二代为激光熔覆技术，经此技术处理后的立柱性能要优于第一代的技术。但是，第二代表面修复技术的合金粉末制作的周期较长且成本较高，且在熔覆的过程中也会产生微裂纹、气孔以及残余应力等缺陷。生产过程中，粉末导致空气中的浮颗粒物增多，危害操作工人的身体健康。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种应用于液压支架立柱的包覆焊方法。

为了解决上述技术问题，本发明一种提供应用于液压支架立柱的包覆焊方法，包括以下步骤：

1）制作：将合金管套在工件上，覆盖整个工件；

2）镶熔：对合金管进行挤压，使合金管与工件贴合，进行缩径、熔合，直至合金管和工件之间产生熔合结界，完成镶熔；

3）裁剪：去掉两端多余的合金管；

4）封焊：对合金管两端进行封焊。

作为改进，在步骤1）中，先对工件车外圆，控制外圆的锥度0~0.03mm和尺寸公差0~0.05mm，然后再套入合金管中。

作为改进，在步骤2）中，熔合的步骤为：将合金管的整个外表面加热至400~500℃，然后从合金管的一端开始施加压力至40~45MPa，逐步施压直至合金管的另一端，完成熔合。

作为改进，在步骤2）中，熔合的步骤为：将合金管的一端的整个外表面开始加热至400~500℃、同时施加压力至40~45MPa，逐步向另一端实施上述操作，直至合金管的另一端，完成熔合。

作为改进，还包括步骤5）：修形：对两端封焊处进行修形，去掉焊接痕迹。

作为改进，还包括步骤6）：表面硬化：对工件表面进行氮化处理；参数为：温度为380~400℃，氮化3~4小时，保温5~6小时；

作为改进，还包括步骤7）：抛光：对工件外圆进行抛光，抛光时间为15~20min。

作为改进，在步骤5）中，去掉焊接痕迹并达到图纸尺寸要求外径偏差在0.065~0.185mm范围内。

作为改进，在步骤2）中，缩径的步骤为：用缩径模具挤压合金管，使合金管变细变长，壁厚减薄，使合金管厚度小于工件厚度0.2~0.3mm。

作为改进，在步骤6）中，采用辉光等离子氮化炉对工件表面进行氮化处理。

实践中合金管多采用不锈钢管。

本发明的有益效果在于：包覆焊技术以不锈钢管替代电镀液（电镀铬技术）和合金粉末（激光熔覆技术）作为立柱表面耐磨耐蚀材料，通过冷挤压产生塑性变形使不锈钢管与基层碳钢有机融合成一体。包覆焊工艺所用的包覆层为不锈钢，在生产全过程中由于没有使用任何化学制品，因此不会产生任何污染物（如电镀废水、酸雾废气、颗粒悬浮物等），对人体完全无害，对环境也十分友好，且能耗极低，生产流程短，效率高，符合绿色生产的社会发展主题。在全国同行业内具有超前性，提升立柱的制造技术水平同时降低制造成本，符合市场和行业需求，对矿用支架行业拥有长期的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为包覆焊工艺流程图；

图2 为不同工艺下的涂层的显微硬度对比图；

图3 为不同工艺下的涂层的磨损量和相对磨损速率对比图；

图4 为不同工艺下的涂层的腐蚀失重和腐蚀速率对比图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细说明。

本实施方法采用电镀铬、激光熔覆、包覆焊三种技术来形成立柱表面防护层（涂层），并对其的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等使用性能进行测验。

选择27SiMn钢作为实验基材。27SiMn具有较高的强度和耐磨性，淬透性高，冷变形塑性中等，切削加工性能良好，焊接性能尚可。

27SiMn钢的主要化学成分表

元素

C

Si

Mn

Cr

Ni

P

S

含量/%

0.27

1.20

1.25

≤0.309

≤0.30

≤0.035

对27SiMn钢板进行切割，分别截取 15mm×15mm×10 mm、19mm×10mm×10 mm、10mm×20mm×1 mm的方块作为基材，然后以铜锡合金作为打底层，镀层厚度为25 μm，再在表面镀硬铬，厚度为35 μm，镀层厚度达60 μm，从而制成镀铬试样（其中10mm×20mm×1 mm尺寸的方块进行所有面的镀铬处理）。15mm×15mm×10 mm 尺寸的方块用于制备硬度试样：依次使用 80 #、200 #、400 #、600 #、800 #、1000 #、1200 #、1500 #、2000 #金相砂纸磨制带镀层的一面，注意保证均匀用力，尽量减少损伤；然后使用金相抛光机抛光呈镜面，用无水乙醇清洗表面并吹干后立即使用4%硝酸酒精（体积分数）作为化学腐蚀剂腐蚀镜面，当观察到表面开始变暗后，再用无水乙醇冲洗掉表面腐蚀剂，吹干后制成硬度试样。将19mm×10 mm×10 mm尺寸的那一面使用砂纸（80 #、200 #、400 #、800 #、1000 #、1500 #）打磨平整，清洗干燥后，制成磨损试样；根据 JBT7901-2001，将10×20×1 mm尺寸的方块用于制备腐蚀试样，除锈，再将各表面打磨平整，用酒精清洗表面，晾干后制成腐蚀试样。

对27SiMn钢板进行激光熔覆处理。熔覆材料选用Ni25，熔覆厚度为2 mm。设备采用波长为 980 nm，光斑尺寸为12×3 mm的LASERTEL 4 kW大功率半导体激光器。然后采用线切割对钢板进行切割，切割尺寸与后续的制样方案同镀铬试样保持一致，从而获取激光熔覆工艺的硬度试样、磨损试样及腐蚀试样。

对外径为100 mm、内径为90 mm，高为195 mm的27SiMn圆柱筒进行包覆焊处理，包覆层选用厚度为1 mm的304不锈钢板，将不锈钢板制作成管状，使不锈钢管内径大于圆柱筒的外径。

304不锈钢主要化学成分表（wt.%）

元素

C

Si

Mn

Cr

Ni

P

S

含量/%

0.06

≤1.0

≤2.0

18.0

9.0

≤0.035

≤0.03

包覆焊方法包括以下步骤：

1)制作：对圆柱筒车外圆，控制外圆的锥度0~0.03mm和尺寸公差0~0.05mm，精准控制镶熔工序的变形量；然后再套入不锈钢管中；

2)镶熔：对不锈钢管进行挤压，使不锈钢管与圆柱筒贴合，进行缩径，用缩径模具挤压不锈钢管，使不锈钢管变细变长，壁厚减薄，使不锈钢管厚度小于圆柱筒厚度0.2～0.3mm；然后对不锈钢管的一端开始加热至400℃、同时施加压力至40MPa，逐步实施上述操作至不锈钢管的另一端，完成熔合直至不锈钢管和圆柱筒之间产生熔合结界，完成镶熔，镶熔后不锈钢管与工件产生20KN左右的包覆力，使两者间形成结界界面，并紧密结合成一体，整个过程10分钟左右；然后对工件表面进行防腐处理；

3)裁剪：两端工艺头20~30mm，去掉两端多余的100mm的不锈钢管，为下道封焊工序作准备工作；

4)封焊：使用精密环缝焊机对不锈钢管两端进行封焊，使圆柱筒结界具有密封性，保证圆柱筒处在高压液体介质中不会窜液；

5)修形：使用车床对两端封焊处进行修形，去掉焊接痕迹并达到图纸尺寸要求外径偏差在0.065~0.185mm范围内，以满足装配和外观需求；

6)表面硬化：使用氮化炉对圆柱筒表面进行氮化处理，氮化处理时的参数温度升至380~400℃，氮化3~4小时，保温5~6小时，提升表面硬度达到《油缸制造规程》中规定立柱活塞杆表面硬度必须达到600HV；

7)抛光：使用抛光中心对圆柱筒外圆进行抛光，抛光所需时间为15~20min，以提高工件表面光洁度。

采用线切割对钢板进行切割，切割尺寸及后的制样方案同镀铬样保持一致，从而获取包覆焊工艺的硬度试样、磨损试样及腐蚀试样。随后针对各工艺试样进行硬度测试、耐磨性测试及耐蚀性测试。将包覆焊技术的方法，与电镀铬和激光熔覆进行对比。

如图2所示，电镀铬涂层具有最高的显微硬度，达到676.3 HV，激光熔覆涂层显微硬度最低，而包覆焊涂层显微硬度介于二者之间。电镀铬涂层表面的显微硬度最高，这主要是由于在电镀铬工艺的生产过程中，镀层表面反应生成的含水氧化铬硬度极高，从而使涂层表现出较高的表面显微硬度。激光熔覆涂层的表面显微硬度极低，仅为292.9 HV，未达到电镀铬涂层硬度的一半。尽管激光熔覆工艺可以获得细小的熔覆层组织，有助于提高涂层的强度硬度，但是这种细晶强化效果有限，而Ni25合金粉末中含碳量较低，约为 0.1%，而基体材料27SiMn 的碳含量也较低，偏低的碳含量限制了碳化物的形成，而碳化物在材料中通常在作为硬质相而存在的，它对材料强度和硬度的影响比细小的熔覆层组织所带来的细晶强化效果要大得多，因而最终涂层的显微硬度呈现整体偏低的状况，然而在井下这种工况条件及其苛刻的地方，如此低硬度的涂层显然无法满足长时间的高压工作，容易出现失效的情况。而包覆焊涂层的表面显微硬度不高，为 498.9 HV，约为电镀铬涂层的0.74倍，但却是激光熔覆层的1.71倍，主要原因是304不锈钢含碳量约为0.06%，具有稳定的奥氏体组织，其强度和硬度受含碳量限制，均表现出不高的状态，但是相比起激光熔覆涂层中过少的碳化物硬质相，却又有所优势，因而其表面显微硬度不高，但是也不算过低，完全满足立柱在使用时对硬度的要求。

如图3所示，激光熔覆涂层的磨损量和相对磨损率分别为0.09207 g、0.00647，均为最高值，这意味着该种涂层的耐磨性能最差。而电镀铬涂层的磨损量和相对磨损率分别为 0.02873 g、0.00202，仅为激光熔覆涂层的0.31倍，表现出极高的耐磨性能，主要是因为电镀铬涂层的表面显微硬度为676.3 HV，涂层的高硬度在很大程度上保证了高耐磨性。包覆焊涂层磨损量和相对磨损率分别为 0.03862 g、0.00271，约为激光熔覆涂层的0.42倍，电镀铬涂层的1.34倍，表现出不俗的耐磨性能。激光熔覆涂层过低的硬度和耐磨性在面对井下各种磨损时，无法满足长时间的工作，而过早失效；电镀涂层在硬度和耐磨性方面的优异表现，完全可以满足液压支架立柱在工况条件极其恶劣的井下长时间工作的要求，但是立柱表面的硬度和耐磨性并不是越高越好，包覆焊涂层在该方面不俗的性能同样可以满足液压支架立柱的工作需求。

如图4所示，经过72h的盐酸溶液腐蚀后的各种涂层，其中电镀铬涂层的耐腐蚀性最差，腐蚀速率为3.69×10^-3 mm/a；而激光熔覆涂层的腐蚀速率为0.59×10^-3 mm/a，为电镀铬涂层的0.16倍；包覆焊涂层的腐蚀速率为0.45×10^-3 mm/a，仅为电镀铬涂层的0.12倍，包覆焊表现出非常优异的耐腐蚀性能。包覆焊工艺由于加工过程的特殊性，成型的外表面甚至完全没有孔隙和微裂纹等缺陷，因而这两种涂层在腐蚀试验中由于溶液中的Cl^-在短时间内无法通过渗入涂层的孔隙和微裂纹的方式到达基体，从而导致电化学腐蚀无法形成，只能依靠H⁺的腐蚀性对涂层表面进行腐蚀，因此腐蚀速率较低，表现出优异的耐腐蚀性。

同时，通过对比各工艺的投入及成本对比发现，电镀铬工艺的设备投入不高，原料费和成本也较低，经济效益良好；而激光熔覆工艺的设备价格高昂，是电镀铬工艺的3~4倍，原料费甚至超过电镀铬工艺的两倍，成本达到电镀铬工艺的十倍多，经济效益偏低；反观包覆焊工艺，设备投入最低，原料费和成本也极低，表现出极佳的经济效益。

各工艺设备投入及成本对比

电镀铬工艺经济效益较高，但会产生电镀废水以及各类酸雾废气，对环境的污染十分严重；激光熔覆工艺的设备投入及成本费均偏高，还会使空气中的悬浮颗粒物增多，造成严重的空气污染；而包覆焊工艺的设备投入较低，成本低廉，表现出极优的经济效益，而且生产过程中没有使用任何化学制品，无电镀废水、酸雾废气、颗粒悬浮物的产生，对人体完全无害，对环境也十分友好。符合绿色生产的社会发展主题，在提升立柱的制造技术水平的同时降低了制造成本，符合市场和行业需求，对矿用支架行业拥有长期的经济效益和社会效益，预测包覆焊工艺会逐渐取代电镀铬、激光熔覆工艺，成为未来液压支架立柱再制造技术的发展趋势。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种应用于液压支架立柱的包覆焊方法，其特征在于包括以下步骤：

1）制作：将合金管套在工件上；

3）裁剪：去掉两端多余的合金管；

4）封焊：对合金管两端进行封焊。

2.根据权利要求1所述的应用于液压支架立柱的包覆焊方法，其特征在于：在步骤1）中，先对工件车外圆，控制外圆的锥度0~0.03mm和尺寸公差0~0.05mm，然后再套入合金管中。

3.根据权利要求1所述的应用于液压支架立柱的包覆焊方法，其特征在于：在步骤2）中，熔合的步骤为：将整个合金管加热至400~500℃，然后从合金管的一端开始施加压力至40~45MPa直至合金管的另一端，完成熔合。

4.根据权利要求1所述的应用于液压支架立柱的包覆焊方法，其特征在于：在步骤2）中，熔合的步骤为：将合金管的一端加热至400~500℃、同时施加压力至40~45MPa，逐步实施上述操作至合金管的另一端，完成熔合。

5.根据权利要求1所述的应用于液压支架立柱的包覆焊方法，其特征在于：还包括步骤5）：修形：对两端封焊处进行修形，去掉焊接痕迹。

6.根据权利要求5所述的应用于液压支架立柱的包覆焊方法，其特征在于：还包括步骤6）：表面硬化：对工件表面进行氮化处理；参数为：温度为380~400℃，氮化3~4小时，保温5~6小时。

7.根据权利要求6所述的应用于液压支架立柱的包覆焊方法，其特征在于：还包括步骤7）：抛光：对工件外圆进行抛光，抛光时间为15~20min。

8.根据权利要5所述的应用于液压支架立柱的包覆焊方法，其特征在于：在步骤5）中，去掉焊接痕迹并达到图纸尺寸要求外径偏差在0.065~0.185mm范围内。

9.根据权利要求1所述的应用于液压支架立柱的包覆焊方法，其特征在于：在步骤2）中，缩径的方式为：用缩径模具挤压合金管，使合金管变细变长，壁厚减薄，使合金管厚度小于工件厚度0.2~0.3mm。

10.根据权利要求6所述的应用于液压支架立柱的包覆焊方法，其特征在于：在步骤6）中，采用辉光等离子氮化炉对工件表面进行氮化处理。