激光熔覆再制造技术在煤矿设备修复中的应用

0 引言

机械设备作为煤矿开采中是重要的开采工具，其使用性能、使用寿命对煤矿开采企业的意义重大。在机械设备使用的过程中，要定期对设备进行检查和修复，以确保设备的正常运行，从而高效地进行煤矿开采工作。早在2007年，就提出了煤矿机械再制造的修复概念，而发展至今，已初具规模。在煤矿企业进行开采的过程中，工作环境和场地环境相对复杂，而机械设备进行开采工作时，自身的损耗较大，因此相应的维修周期也在缩短，而维修成本始终居高不下。在煤矿设备修复中，通过引入激光熔覆再制造技术，能够从根本上提升机械设备各部件的使用性能，同时还能降低机械零部件的成本，实现了对废旧机械设备的循环利用，降低了煤矿企业的修复成本，是一项性价比较高的修复技术。

1 激光熔覆再制造技术的特点

激光熔覆再制造技术，即是将已经不具备使用价值的零件作为再制造的基础零部件，通过激光熔覆技术对该部分零部件进行修复和升级，而再制造后的产品在技术指标、使用性能和质量方面均能达到甚至超过新产品的水平。

其主要特点有：①激光熔覆层可根据具体工件的技术要求，实现梯度功能熔覆材料的选择。②激光熔覆技术具有较强的可控制性，自动化控制容易实现。③激光熔覆层与基体更容易结合，其具有较高的强度。④激光熔覆技术加工中，只在基体材料表面微熔，其热影响区较小。⑤激光熔覆技术加工中的基体温升稳定，不存在热变形问题。⑥激光熔覆层和基体材料的铸造组织较为致密，不存在孔洞、夹杂、裂纹等相关缺陷。

2 激光熔覆再制造系统构成及生产流程

激光熔覆再制造技术，即以激光熔覆作为修复技术平台，以激光合金化、激光熔覆为基本技术，通过运用现代化的制造技术理念，由此形成了激光熔覆再制造技术。

此技术的构成如图1所示，其中基础材料是金属粉末，通过CAD/CAM软件来进行支持，利用计算机技术来控制激光头、送粉嘴和机床，并同时输送光束与粉末，所形成的金属笔对所需修复位置进行激光熔覆，而最终生成原部件的三维实体。

图1 激光再制造技术构成

在激光技术不断创新发展中，废旧零部件的循环再生利用实现可能，通过利用激光技术对其进行修复，使其能够得到循环利用，从根本上提高废旧零部件的使用性能，并延长零部件的使用年限。因此激光熔覆再制造技术是低碳、环保、绿色、节能的新型的修复技术。

2.1 激光熔覆再制造系统器件

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光学系统：在光束的选择上，可以选择聚焦光束或宽带光束，其中宽带光束能够确保激光熔覆面上的光滑，避免裂缝、孔洞的问题。

③送粉器：可选择载气式或非载气式两种输送方式，其中采用非载气式送粉方式，可实现高达90%的粉末利用率，而载气式送粉方式仅能实现30%-40%的粉末利用率。在进行二维以下运动修复时，非载气式送粉方式还可以减少粉末用量，使用成本也相应降低。图2为激光修复示意图，具体可分为一维修复（a）、二维修复（b）、三维修复（c）。

图2 激光修复示意图

④红外温度监控系统：在进行激光熔覆修复中，如果进行多层的叠加，激光熔覆表面温度也会不断走高，而此时尖角处温度也会随着熔层温度升高而不断升高，所以实时监测熔池的温度是非常有必要的，对所监测到的温度结果传输反馈到激光器和数控床，以更好地控制激光器功率的输出和机床运行的速度，熔池的温度也会更加趋于稳定。其测温原理可由公式来表示，即：EA=EP+ER+ET+EC。其中，EA为激光图层所吸收的能量，EP为熔化粉末，ER为热辐射形式的散出，ET为热传导，EC为环境对流，熔化粉末、热辐射形式的散出、热传导以及环境对流四部分的总和，则为激光图层的热量。

2.2 生产工艺流程图

煤炭设备应用的激光再制造技术生产工艺流程包含：设备升井运输、清洗、拆卸、分拣归类、寿命分类等等，具体的流程如图3所示。

图3 生产工艺流程

3 激光再制造技术体系

激光再制造技术体系构成如图4所示。

图4 激光再制造技术体系构成

在激光熔覆再制造技术中，一般情况下所用的激光器为1-10kWCO2激光器或者YAG激光器两种。

结合激光熔覆层与激光熔覆基材的热膨胀系数的差异，来对激光熔覆材料进行选择，另外，在选择涂层材料时，要对基体材料的熔点进行考虑。合金粉末与基体材料的性能要能够无限接近，同时也要与激光熔覆件的性能要求相符。在激光熔覆材料选择的过程中，所选择的合金粉末主要以Co-Cr基、Ni-Cr基、Fe-Cr基为主，同时也要有相应的陶瓷材料，以确保金属陶瓷涂层的硬度。在实践的的具体操作时，选择相应的工艺参数，要结合激光熔覆基材、合金粉末材料以及激光熔覆零部件形状来具体选择参数。

4 工程应用案例

在煤矿的机械设备中，液压支架立柱作为关键的机械设备，由于其在酸碱性腐蚀介质中的工作时间较长，液压支架立柱的表面所受到的腐蚀和磨损较为严重。在现阶段中所使用的再制造修复技术，其采用电镀的工艺，立柱通过电镀工艺进行修复后，其使用寿命缩短，且随之而来的还有环境污染问题，因此亟需一种新的修复工艺技术来替代电镀的工艺，而激光熔覆工艺自身具有显著的优势，即组织致密、可控性好、涂层与基体能够牢固结合等，而采用激光熔覆再造技术的立柱性能远远高于采用电镀修复工艺的立柱性能。

4.1 激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱的性能比较

通过模拟实验以及实践可以得出，将激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱两者的性能作比较，前者是优于后者的。图5中，即参照了中国煤炭行业标准，对液压支架立柱的实际工作环境进行模拟试验，对上述两种修复立柱的技术进行了对比测试，从修复后立柱的使用寿命来看，在模拟的试验环境下，激光熔覆再制造立柱的使用寿命是远远大于电镀修复立柱的使用寿命，其比例为6:1。

图5 激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱模拟对比试验

图6中，在相同的工作环境下，将激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱两者的使用寿命进行对比，前者的使用寿命在4.5年左右的时间，而后者的使用寿命仅仅为1-1.5年的时间，通过使用激光熔覆再制造技术的立柱其生锈和密封性下降情况尚未出现，所以从此试验对比中没有得到激光熔覆再制造立柱的实际使用年限，但是在保守估算中，在相同工作条件下，激光熔覆再制造立柱要比电镀修复立柱的使用寿命高出6倍。

图6 激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱实际使用寿命对比

激光熔覆再制造立柱性能优于电镀修复立柱性能主要体现在以下三个方面：第一，激光熔覆层、立柱基体，两者可以看作是牢固的冶金结合层；第二，激光熔覆不锈钢涂层的组织较为致密，孔洞、裂纹、夹杂等现象几乎不存在；第三，有着较厚的熔覆层，具有良好的韧性。由此可以看出，激光熔覆再制造立柱具有着良好的性能，而相比较电镀修复立柱的多孔洞、微裂纹而言，其性能要更优。

4.2 经济效益分析

4.2.1 激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱两者在各操作流程中的费用及其价格比较

在表1中，将激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱的各操作流程，即拆装、运输、清洗等成本进行对比，从对比结果中可以看出，两种技术中的拆装、运输、清洗、机械加工环节的成本数据没有明显的差别，而存在较大差别的有两方面：其一，激光熔覆和电镀修复，从表1中可以看出，前者的成本为电镀修复环节成本的4倍之多；其二，净利润和市场售价，从上述分析中得知，激光熔覆再制造立柱是电镀修复立柱的6倍，所以在表1中单位表面积立柱激光熔覆再制造的市场售价要远远高于电镀修复立柱。

表1 单位表面积立柱激光熔覆再制造和电镀修复各环节成本比较 元/m2

4.2.2 激光熔覆及电镀再制造立柱的经济效益发展趋势

由于激光熔覆再制造技术为新的立柱修复技术，在其不断发展的过程中，相应的成本和利润也会发生变化，从图7中可以看出，从2008年发展至今，在单位表面积立柱的激光熔覆成本呈现逐年降低的变化趋势，在2008年发展中，激光熔覆成本是最高值，无论是加工设备的成本还是研发成本都居高不下，但实际的加工数量不多，因此一直在高成本运行中。但是伴随着激光熔覆再制造技术的不断发展，无论是生产技术还是设备都趋向成熟，因此各项投入成本也在逐年降低。

图7 单位表面积立柱的激光熔覆成本变化趋势

在激光熔覆修复技术中，主要用到的设备是激光器，激光器在近些年的发展中，相应技术也在不断成熟，即二氧化碳激光器逐步被大功率半导体激光器、光纤激光器等所替代，这些高性能的激光器已经实现了规模化的生产，其运行成本将持续走低，另外在生产中的用电用气成本也在逐年下降；与此同时，合金粉末行业的发展也是激光熔覆再制造成本下降的一个重要方面。然而，电镀修复技术的发展较为平稳，运行成本也较为稳定，所以激光熔覆再制造技术取代电镀再制造是必然趋势。

4.3 结论

通过上述对激光熔覆再制造与电镀修复再制造的对比可以看出，激光熔覆再制造立柱具有较高的性价比，该技术的经济效益更优，相比较电镀修复立柱而言，其存在着技术和成本上的优势，且未来的发展空间是巨大的，因此激光熔覆再制造技术将会逐渐代替电镀修复技术，是发展的必然趋势。

5 结束语

①激光熔覆再制造技术，对于环境比较友好，是绿色加工修复技术，即可以对废旧煤矿机械设备进行循环的利用，同时没有废气和废液物质的排除，不会对环境造成污染，因此激光熔覆再制造技术符合国家节能减排政策，是遵循绿色、循环、低碳的发展理念。

②在煤矿设备修复中，通过利用激光熔覆再制造技术，能够从根本上提升零部件的各项性能，提高零部件使用价值，并保障了修复后的煤矿设备运行过程的安全性。

③在煤矿设备修复中利用激光熔覆再制造技术，不单单是能够降低修复成本，提升生产率，同时所产生的社会效益也是非常明显的。