激光熔覆再制造技術(shù)在煤礦設(shè)備修復(fù)中的應(yīng)用

0 引言

機(jī)械設(shè)備作為煤礦開采中是重要的開采工具，其使用性能、使用壽命對煤礦開采企業(yè)的意義重大。在機(jī)械設(shè)備使用的過程中，要定期對設(shè)備進(jìn)行檢查和修復(fù)，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行，從而高效地進(jìn)行煤礦開采工作。早在2007年，就提出了煤礦機(jī)械再制造的修復(fù)概念，而發(fā)展至今，已初具規(guī)模。在煤礦企業(yè)進(jìn)行開采的過程中，工作環(huán)境和場地環(huán)境相對復(fù)雜，而機(jī)械設(shè)備進(jìn)行開采工作時，自身的損耗較大，因此相應(yīng)的維修周期也在縮短，而維修成本始終居高不下。在煤礦設(shè)備修復(fù)中，通過引入激光熔覆再制造技術(shù)，能夠從根本上提升機(jī)械設(shè)備各部件的使用性能，同時還能降低機(jī)械零部件的成本，實(shí)現(xiàn)了對廢舊機(jī)械設(shè)備的循環(huán)利用，降低了煤礦企業(yè)的修復(fù)成本，是一項(xiàng)性價比較高的修復(fù)技術(shù)。

1 激光熔覆再制造技術(shù)的特點(diǎn)

激光熔覆再制造技術(shù)，即是將已經(jīng)不具備使用價值的零件作為再制造的基礎(chǔ)零部件，通過激光熔覆技術(shù)對該部分零部件進(jìn)行修復(fù)和升級，而再制造后的產(chǎn)品在技術(shù)指標(biāo)、使用性能和質(zhì)量方面均能達(dá)到甚至超過新產(chǎn)品的水平。

其主要特點(diǎn)有：①激光熔覆層可根據(jù)具體工件的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)梯度功能熔覆材料的選擇。②激光熔覆技術(shù)具有較強(qiáng)的可控制性，自動化控制容易實(shí)現(xiàn)。③激光熔覆層與基體更容易結(jié)合，其具有較高的強(qiáng)度。④激光熔覆技術(shù)加工中，只在基體材料表面微熔，其熱影響區(qū)較小。⑤激光熔覆技術(shù)加工中的基體溫升穩(wěn)定，不存在熱變形問題。⑥激光熔覆層和基體材料的鑄造組織較為致密，不存在孔洞、夾雜、裂紋等相關(guān)缺陷。

2 激光熔覆再制造系統(tǒng)構(gòu)成及生產(chǎn)流程

激光熔覆再制造技術(shù)，即以激光熔覆作為修復(fù)技術(shù)平臺，以激光合金化、激光熔覆為基本技術(shù)，通過運(yùn)用現(xiàn)代化的制造技術(shù)理念，由此形成了激光熔覆再制造技術(shù)。

此技術(shù)的構(gòu)成如圖1所示，其中基礎(chǔ)材料是金屬粉末，通過CAD/CAM軟件來進(jìn)行支持，利用計算機(jī)技術(shù)來控制激光頭、送粉嘴和機(jī)床，并同時輸送光束與粉末，所形成的金屬筆對所需修復(fù)位置進(jìn)行激光熔覆，而最終生成原部件的三維實(shí)體。

圖1 激光再制造技術(shù)構(gòu)成

在激光技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展中，廢舊零部件的循環(huán)再生利用實(shí)現(xiàn)可能，通過利用激光技術(shù)對其進(jìn)行修復(fù)，使其能夠得到循環(huán)利用，從根本上提高廢舊零部件的使用性能，并延長零部件的使用年限。因此激光熔覆再制造技術(shù)是低碳、環(huán)保、綠色、節(jié)能的新型的修復(fù)技術(shù)。

2.1 激光熔覆再制造系統(tǒng)器件

①激光器：激光器可以采用多模的1-5kWCO2激光器或YAG激光器。

②光學(xué)系統(tǒng)：在光束的選擇上，可以選擇聚焦光束或?qū)拵Ч馐?，其中寬帶光束能夠確保激光熔覆面上的光滑，避免裂縫、孔洞的問題。

③送粉器：可選擇載氣式或非載氣式兩種輸送方式，其中采用非載氣式送粉方式，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)90%的粉末利用率，而載氣式送粉方式僅能實(shí)現(xiàn)30%-40%的粉末利用率。在進(jìn)行二維以下運(yùn)動修復(fù)時，非載氣式送粉方式還可以減少粉末用量，使用成本也相應(yīng)降低。圖2為激光修復(fù)示意圖，具體可分為一維修復(fù)（a）、二維修復(fù)（b）、三維修復(fù)（c）。

圖2 激光修復(fù)示意圖

④紅外溫度監(jiān)控系統(tǒng)：在進(jìn)行激光熔覆修復(fù)中，如果進(jìn)行多層的疊加，激光熔覆表面溫度也會不斷走高，而此時尖角處溫度也會隨著熔層溫度升高而不斷升高，所以實(shí)時監(jiān)測熔池的溫度是非常有必要的，對所監(jiān)測到的溫度結(jié)果傳輸反饋到激光器和數(shù)控床，以更好地控制激光器功率的輸出和機(jī)床運(yùn)行的速度，熔池的溫度也會更加趨于穩(wěn)定。其測溫原理可由公式來表示，即：EA=EP+ER+ET+EC。其中，EA為激光圖層所吸收的能量，EP為熔化粉末，ER為熱輻射形式的散出，ET為熱傳導(dǎo)，EC為環(huán)境對流，熔化粉末、熱輻射形式的散出、熱傳導(dǎo)以及環(huán)境對流四部分的總和，則為激光圖層的熱量。

2.2 生產(chǎn)工藝流程圖

煤炭設(shè)備應(yīng)用的激光再制造技術(shù)生產(chǎn)工藝流程包含：設(shè)備升井運(yùn)輸、清洗、拆卸、分揀歸類、壽命分類等等，具體的流程如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)工藝流程

3 激光再制造技術(shù)體系

激光再制造技術(shù)體系構(gòu)成如圖4所示。

圖4 激光再制造技術(shù)體系構(gòu)成

在激光熔覆再制造技術(shù)中，一般情況下所用的激光器為1-10kWCO2激光器或者YAG激光器兩種。

結(jié)合激光熔覆層與激光熔覆基材的熱膨脹系數(shù)的差異，來對激光熔覆材料進(jìn)行選擇，另外，在選擇涂層材料時，要對基體材料的熔點(diǎn)進(jìn)行考慮。合金粉末與基體材料的性能要能夠無限接近，同時也要與激光熔覆件的性能要求相符。在激光熔覆材料選擇的過程中，所選擇的合金粉末主要以Co-Cr基、Ni-Cr基、Fe-Cr基為主，同時也要有相應(yīng)的陶瓷材料，以確保金屬陶瓷涂層的硬度。在實(shí)踐的的具體操作時，選擇相應(yīng)的工藝參數(shù)，要結(jié)合激光熔覆基材、合金粉末材料以及激光熔覆零部件形狀來具體選擇參數(shù)。

4 工程應(yīng)用案例

在煤礦的機(jī)械設(shè)備中，液壓支架立柱作為關(guān)鍵的機(jī)械設(shè)備，由于其在酸堿性腐蝕介質(zhì)中的工作時間較長，液壓支架立柱的表面所受到的腐蝕和磨損較為嚴(yán)重。在現(xiàn)階段中所使用的再制造修復(fù)技術(shù)，其采用電鍍的工藝，立柱通過電鍍工藝進(jìn)行修復(fù)后，其使用壽命縮短，且隨之而來的還有環(huán)境污染問題，因此亟需一種新的修復(fù)工藝技術(shù)來替代電鍍的工藝，而激光熔覆工藝自身具有顯著的優(yōu)勢，即組織致密、可控性好、涂層與基體能夠牢固結(jié)合等，而采用激光熔覆再造技術(shù)的立柱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用電鍍修復(fù)工藝的立柱性能。

4.1 激光熔覆再制造立柱和電鍍修復(fù)立柱的性能比較

通過模擬實(shí)驗(yàn)以及實(shí)踐可以得出，將激光熔覆再制造立柱和電鍍修復(fù)立柱兩者的性能作比較，前者是優(yōu)于后者的。圖5中，即參照了中國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對液壓支架立柱的實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行模擬試驗(yàn)，對上述兩種修復(fù)立柱的技術(shù)進(jìn)行了對比測試，從修復(fù)后立柱的使用壽命來看，在模擬的試驗(yàn)環(huán)境下，激光熔覆再制造立柱的使用壽命是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電鍍修復(fù)立柱的使用壽命，其比例為6:1。

圖5 激光熔覆再制造立柱和電鍍修復(fù)立柱模擬對比試驗(yàn)

圖6中，在相同的工作環(huán)境下，將激光熔覆再制造立柱和電鍍修復(fù)立柱兩者的使用壽命進(jìn)行對比，前者的使用壽命在4.5年左右的時間，而后者的使用壽命僅僅為1-1.5年的時間，通過使用激光熔覆再制造技術(shù)的立柱其生銹和密封性下降情況尚未出現(xiàn)，所以從此試驗(yàn)對比中沒有得到激光熔覆再制造立柱的實(shí)際使用年限，但是在保守估算中，在相同工作條件下，激光熔覆再制造立柱要比電鍍修復(fù)立柱的使用壽命高出6倍。

圖6 激光熔覆再制造立柱和電鍍修復(fù)立柱實(shí)際使用壽命對比

激光熔覆再制造立柱性能優(yōu)于電鍍修復(fù)立柱性能主要體現(xiàn)在以下三個方面：第一，激光熔覆層、立柱基體，兩者可以看作是牢固的冶金結(jié)合層；第二，激光熔覆不銹鋼涂層的組織較為致密，孔洞、裂紋、夾雜等現(xiàn)象幾乎不存在；第三，有著較厚的熔覆層，具有良好的韌性。由此可以看出，激光熔覆再制造立柱具有著良好的性能，而相比較電鍍修復(fù)立柱的多孔洞、微裂紋而言，其性能要更優(yōu)。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

4.2.1 激光熔覆再制造立柱和電鍍修復(fù)立柱兩者在各操作流程中的費(fèi)用及其價格比較

在表1中，將激光熔覆再制造立柱和電鍍修復(fù)立柱的各操作流程，即拆裝、運(yùn)輸、清洗等成本進(jìn)行對比，從對比結(jié)果中可以看出，兩種技術(shù)中的拆裝、運(yùn)輸、清洗、機(jī)械加工環(huán)節(jié)的成本數(shù)據(jù)沒有明顯的差別，而存在較大差別的有兩方面：其一，激光熔覆和電鍍修復(fù)，從表1中可以看出，前者的成本為電鍍修復(fù)環(huán)節(jié)成本的4倍之多；其二，凈利潤和市場售價，從上述分析中得知，激光熔覆再制造立柱是電鍍修復(fù)立柱的6倍，所以在表1中單位表面積立柱激光熔覆再制造的市場售價要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電鍍修復(fù)立柱。

表1 單位表面積立柱激光熔覆再制造和電鍍修復(fù)各環(huán)節(jié)成本比較 元/m2

4.2.2 激光熔覆及電鍍再制造立柱的經(jīng)濟(jì)效益發(fā)展趨勢

由于激光熔覆再制造技術(shù)為新的立柱修復(fù)技術(shù)，在其不斷發(fā)展的過程中，相應(yīng)的成本和利潤也會發(fā)生變化，從圖7中可以看出，從2008年發(fā)展至今，在單位表面積立柱的激光熔覆成本呈現(xiàn)逐年降低的變化趨勢，在2008年發(fā)展中，激光熔覆成本是最高值，無論是加工設(shè)備的成本還是研發(fā)成本都居高不下，但實(shí)際的加工數(shù)量不多，因此一直在高成本運(yùn)行中。但是伴隨著激光熔覆再制造技術(shù)的不斷發(fā)展，無論是生產(chǎn)技術(shù)還是設(shè)備都趨向成熟，因此各項(xiàng)投入成本也在逐年降低。

圖7 單位表面積立柱的激光熔覆成本變化趨勢

在激光熔覆修復(fù)技術(shù)中，主要用到的設(shè)備是激光器，激光器在近些年的發(fā)展中，相應(yīng)技術(shù)也在不斷成熟，即二氧化碳激光器逐步被大功率半導(dǎo)體激光器、光纖激光器等所替代，這些高性能的激光器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；纳a(chǎn)，其運(yùn)行成本將持續(xù)走低，另外在生產(chǎn)中的用電用氣成本也在逐年下降；與此同時，合金粉末行業(yè)的發(fā)展也是激光熔覆再制造成本下降的一個重要方面。然而，電鍍修復(fù)技術(shù)的發(fā)展較為平穩(wěn)，運(yùn)行成本也較為穩(wěn)定，所以激光熔覆再制造技術(shù)取代電鍍再制造是必然趨勢。

4.3 結(jié)論

通過上述對激光熔覆再制造與電鍍修復(fù)再制造的對比可以看出，激光熔覆再制造立柱具有較高的性價比，該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)，相比較電鍍修復(fù)立柱而言，其存在著技術(shù)和成本上的優(yōu)勢，且未來的發(fā)展空間是巨大的，因此激光熔覆再制造技術(shù)將會逐漸代替電鍍修復(fù)技術(shù)，是發(fā)展的必然趨勢。

5 結(jié)束語

①激光熔覆再制造技術(shù)，對于環(huán)境比較友好，是綠色加工修復(fù)技術(shù)，即可以對廢舊煤礦機(jī)械設(shè)備進(jìn)行循環(huán)的利用，同時沒有廢氣和廢液物質(zhì)的排除，不會對環(huán)境造成污染，因此激光熔覆再制造技術(shù)符合國家節(jié)能減排政策，是遵循綠色、循環(huán)、低碳的發(fā)展理念。

②在煤礦設(shè)備修復(fù)中，通過利用激光熔覆再制造技術(shù)，能夠從根本上提升零部件的各項(xiàng)性能，提高零部件使用價值，并保障了修復(fù)后的煤礦設(shè)備運(yùn)行過程的安全性。

③在煤礦設(shè)備修復(fù)中利用激光熔覆再制造技術(shù)，不單單是能夠降低修復(fù)成本，提升生產(chǎn)率，同時所產(chǎn)生的社會效益也是非常明顯的。