合金熔覆技术在液压支架油缸再制造中的应用

关生德 王虎 陈刚 邓雪峰

摘 要：详细介绍了液压支架油缸再制造中合金熔覆技术的应用情况，并论述了合金熔覆技术在设备、工艺、材料选择及特性、产品性能特点等方面的要求，最后证实了合金熔覆技术在液压支架油缸再制造中的可行性和合理性。

关键词：液压支架;油缸;合金熔覆;再制造

中图分类号：TG174.4    文献标志码：A   文章编号：1003-5168（2022）7-0054-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.012

Abstract： Introduced the application of alloy cladding technology in the remanufacturing of hydraulic support cylinder in detail， and discusses the requirements of alloy cladding technology in equipment， process， material selection and characteristics， product performance characteristics and so on. Finally， it proves the feasibility and rationality of alloy cladding technology in the remanufacturing of hydraulic support cylinder.

Keywords： hydraulic support; cylinder; alloy cladding; remanufacturing

0 引言

液压支架是煤矿综采工作面的主要支护设备，是安全生产的必要保证。大量统计数据结果显示，70%以上的液压支架失效是其自身各类油缸的功能性失效造成的。井下工况条件恶劣，油缸在使用过程中，由于腐蚀、拉伤、冲击、磕碰等很容易引起缸筒内孔或活塞杆外表面镀层的损坏，从而导致密封泄液，油缸支撑功能失效，进而影响支架整体使用性能，导致工作面不能正常生产。另一方面，我国新疆地区煤田矿井的各类自然条件差，支架回撤安装周期长，地面工业广场场地不足等因素造成液压支架升井维修困难。液压支架的维修工作一直困扰并严重制约着煤矿的生产进度及回采工作。针对井下综采环境及液压支架主要损伤形式，可通过合金熔覆技术的应用将液压支架油缸进行维修再制造升级，以满足液压支架升井维修一次后，在保证各类技术指标不变的情况下，支架可连续使用3年不大修，5年不升井维修，从而大幅度提高企业社会经济效益[1-3]。

1 工艺流程与试验方案

1.1 工艺流程

详细工艺流程为外圆检测（尺寸、直线度等）—外圆预车（将原疲劳层及点蚀层全部车去）—外圆抛光（去除表面油污并降低刀纹影响）—表面探伤检测（判定基体表面是否有残留细微裂纹或裂纹趋势）—外圆合金熔覆（合金材质的防腐性是原母材的3倍以上，硬度HRC50以上）—外圆精加工（按原图尺寸对缸口进行再制造加工，保证所有尺寸、公差等与原设计完全一致）—磨削抛光（磨抛一体设备，减少装夹次数保证质量精度）—包盐水试验（100%全检）—包装入库。

1.2 工艺试验方案

盐雾试验记录如表1所示。

1.3 盐雾试验

1.3.1 盐雾试验方案。采用铜加速盐雾试验（CASS试验），这是目前国外最常用的一种盐雾试验方法，试验温度为45～50 ℃，盐溶液中加入了适量的氯化铜，其可以加速触发工件的腐蚀，铜加速盐雾试验对工件的腐蚀速度约是中性盐雾试验（NSS试验）的8倍。试验时，将试件按规定暴露于盐雾试验箱中，样件表面喷入雾化的试验溶液，细雾在自重作用下均匀地沉降在试验件表面。试件在盐雾实验箱内的位置应为试验面与垂直面成30°角，试件间距离能保证雾液可自由沉降到所有样件表面。样件间不可互相接触。

1.3.2 盐雾试验结果。如表2所示。通过上述试验数据可以明显看出，3号件的综合性能最佳，虽然硬度比1号低，但考虑到液压支架油缸的实际使用工况，HRC45的硬度已完全可以满足使用要求，因此，初步建议将3号件的各项参数定为最后可取参数，包括材料成分、熔覆层厚度等。铜加速盐雾试验对比如图1所示[4，5]。

2 技术原理与设备

2.1 技术原理

冷弧合金熔覆技术最早使用于汽车行业，是为了满足汽车超薄钣金件的焊接，最薄可做到0.3 mm厚度铝板的焊接，目前德国和法国对此技术运用最为成熟，该次试验参照的是德国技术，其核心技术是可以实现几乎无电流状态下的熔滴过渡。焊丝与工件短路时，电流变为小的短路电流，送丝由向前变为先后抽回焊丝，这样就减少了电弧输入热量的时间，电弧熄灭，大幅降低热输入量，熔焊过程就在冷热交替中循环往复。

2.2 设备特性

①为提高效率，试验组在研发之初就制订了双枪同步熔覆的方案，熔覆电源采用德国全数字逆变双脉冲电源，通过全数字控制，从小电流到大电流，都能对电流状态进行极其精细的控制，获得持续稳定的熔覆品质;负载持续率达到100%;由于采用逆变技术，所以可大幅度节省能源。

②設备的控制系统以可编程控制器（PLC）为中心，实现控制系统的逻辑控制，完成熔覆机头移动、工件回转的一体控制。工件旋转无级调速，送丝速度无级调速。控制系统运行稳定可靠，抗干扰能力强。

③控制系统配以人机界面进行参数的输入和显示。待熔覆工件管径、焊接速度等参数可在人机界面上分别输入，工件旋转机构与熔覆机头行走机构经过运算自动生成轨迹，实现螺旋熔覆方式，熔覆层的搭接量（螺距）可在5～8 mm任意设定。2BD35E16-D12C-4B7C-B04A-359BBAA4404E

④工件旋转驱动采用松下交流伺服系统，速度无级可调。实现闭环控制，通过数字编码器提供的实际参数值作为反馈信号，闭环控制熔覆速度，在熔覆过程中自动修正因各种因素引起的速度变化。另外，在交流伺服电机上配置抱闸制动装置，设备在突然断电的情况下，可迅速制动，锁定工作台停止在断电位置，确保操作人员人身安全。

⑤控制系统具备停弧点记忆、恢复功能。当发生故障停止熔覆时，处理完成后，熔覆枪可自动恢复到停止位置，手动后退适当角度，即可继续完成熔覆，避免出现熔覆缺陷。

3 材料特性

3.1 材料选择及性能

研发使用的镍铬合金材料具有优异的耐应力腐蚀开裂、耐腐蚀疲劳、耐空腐蚀、耐冲蚀和抗污损等性能。在耐腐蚀疲劳方面远远超过不锈钢和黄铜，比锰青铜还好;在耐冲蚀方面也远远高于常规不锈钢，而且耐空腐蚀性能格外好。在船用螺旋桨、大型泵用叶片、紧固件、液压支架、钢铁轧辊等部件制造上获得了日趋广泛的应用。

镍铬合金耐均匀腐蚀、空泡腐蚀和腐蚀疲劳的性能与超级双相不锈钢相当;不发生氧化物应力腐蚀开裂，其强度与奥氏体不锈钢相当，经热处理后，可与双相不锈钢媲美。其还具有优异的导热、导电性能，良好的耐磨损性能和焊接性能。

该试验还在材料中加入了锆、锶等稀土元素，以提高材料的力学性能，其抗拉强度提高4.06%，屈服强度提高4.07%，但是伸长率降低了15.1%。锆和锶的联合加入细化了合金铸态组织，起到细晶强化的作用。锆、锶复合微合金化新型铸态镍铬合金熔敷金属，其均匀腐蚀速率和电化学腐蚀速率分别降低了2.9%、49.6%，抗拉强度提高了4.06%。

3.2 材料分析

经美国标准ASTM A923中C法试验后检测，焊接热影响区小，在热影响区内晶体发生正火。焊接熔合线区结合紧密，晶粒变细。结合强度较高，满足焊材强度要求。具体金相分析如图2、图3所示。

4 产品性能特点

4.1 基本参数

熔覆层材料为镍铬合金材料;熔覆层厚度为≥0.5 mm;活塞杆尺寸精度为精度等级达到f 9级，尺寸均匀;活塞杆表面粗糙度为≤Ra0.4;活塞杆直线度不得超过0.2/1 000（mm）;熔覆层表面硬度为45～50 HRC。

4.2 耐腐蚀性

能适应矿井下的高湿腐蚀环境;在酸性盐雾腐蚀试验96 h评价达到GB/T 6461—2002评级标准9级以上。

4.3 结合性能

熔覆层与活塞杆母材达到冶金结合，保证工件性能的可靠性，根据EN ISO 7438—2020标准做弯曲试验熔覆层不会出现裂纹。

4.4 其他特点

熔覆层组织致密均匀，无缩孔、裂纹、起皮等缺陷，不使用封孔剂的条件下孔隙率不大于0.1%，稀释率不大于5%;熔覆层制备后须按照JB/T 4730.4—2005或JB/T 4730.5—2005或等同标准进行NDT探伤检测（PT或MT），检测结果达到1级合格;生产过程绿色环保，无粉尘和噪声污染。

5 结语

通过对合金熔覆工艺技术的展开研究，从多方面证明了合金熔覆技术在液压支架油缸再制造中的可行性和优越性。详细地阐述了合金熔覆技术的工艺方案、技术原理、设备特点、材料特性及试验方案等技术方面的要求，在此基础上细化了油缸活塞杆外表面熔覆再制造的技术要求，为油缸再制造提出了明确的标准。随着绿色制造时代的新要求，传统的活塞杆表面电镀处理工艺的环保缺陷越来越明显，在再制造过程中，通过对活塞杆的外表面均采用冷弧合金熔覆技术，不但解决了环保问题，同时也大幅提高了产品质量，耐磨性较电镀可提高50%以上，耐腐蚀性可提高2倍以上，实际应用价值显著。

参考文献：

[1] 星武，李刚，邱玲.激光熔覆技术发展现状及展望[J].稀有金属与硬质合金，2008（3）：54-57，66.

[2] 丁绍南.液压支架设计[M].北京：世界图书出版社，1992.

[3] 張永康，周建忠，叶会霞.激光加工技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

[4] 张光钧，吴培桂，许佳宁，等.激光熔覆的应用基础研究进展[J].金属热处理，2011.

[5] 张艺，马志凯，孙铂，等.激光熔覆材料的研究现状及发展[J].热加工工艺，2015.2BD35E16-D12C-4B7C-B04A-359BBAA4404E