激光熔覆參數對液壓支架材料拉伸性能的影響分析

王首和

（晉能控股煤業集團朔州煤電機電裝備制造有限公司，山西 朔州 038300）

煤礦的綜合機械化開采是我國現階段主要的采煤方式，可提高煤炭的生產水平。在井下的綜采作業中，液壓支架作為主要的支護設備，對煤礦的生產安全具有直接的影響。由于井下的工作環境惡劣，液壓支架的立柱受到多種因素的作用，在長期的使用過程中常出現磨損、腐蝕等現象，容易造成立柱的失效及泄露[1]，引起液壓支架的失效，影響煤礦的安全支護。針對液壓支架的表面損傷，采用激光熔覆的形式對立柱表面進行修復再制造，可以極大地提高液壓支架立柱的表面強度、硬度及耐磨性等性能，增加立柱的使用壽命，以較小的成本保證液壓支架長期的使用安全[2]，具有較大的經濟效益。在對液壓支架的立柱進行激光熔覆的過程中，不同的工藝參數對熔覆形成的材料性能產生不同的影響，采用試驗分析的形式對激光熔覆的參數影響作用進行研究分析[3]，從而為激光熔覆的參數選擇提供依據，提高液壓支架立柱的使用性能。

1 液壓支架激光熔覆拉伸性能實驗方案

液壓支架在井下長期的使用過程中，由于井下的環境惡劣，伴隨著較強的水霧、酸性氣體及固體顆粒物的存在，對立柱的正常使用造成嚴重影響，容易使立柱缸體表面生銹、磨損劃傷或使立柱發生泄露[4]。采用激光熔覆的方式對立柱表面進行修復，必須選擇合理的熔覆材料、送粉方式及激光工藝參數，其中激光的工藝參數是影響熔覆質量的關鍵。

激光熔覆的材料可分為三類，包括自熔性的合金粉末、陶瓷粉末及金屬陶瓷復合粉末，液壓支架的立柱常采用27SiMn 鋼進行制作，選擇金屬粉末進行熔覆的效果最佳。在使用過程中，鐵基合金與鋼鐵的基體材料性能接近[5]，結合強度高，且成本相對較低，因此采用鐵基合金材料作為實驗分析的熔覆材料。依據熔覆材料送料方式的不同可以分為同步送粉及預制送粉兩種（見圖1），同步送粉即將激光的照射與粉末的輸送同步進行，可以實現自動化的送粉，對設備的自動化水平具有一定的要求。預制送粉即將粉末首先涂覆在立柱材料的表面，然后進行激光照射。此次實強采用27SiMn 板材進行激光熔覆，選擇預制粉末法進行送粉[6]。

圖1 激光熔覆的兩種送粉方式

激光的工藝參數對熔覆的質量具有直接影響，主要包括激光的功率、掃描速度及熔覆層厚度等，這些因素間相互影響，只有合適的工藝參數才能保證試樣獲得較好的質量。采用單軸拉伸的試驗方法對金屬材料的拉伸性能進行研究[7]，將激光熔覆后的材料制成標準的拉伸試樣，在室溫條件下對拉伸試樣采用WDW-100 萬能試驗機進行拉伸實驗，記錄不同試樣的抗拉強度及延伸率，從而分析激光工藝參數對拉伸性能的影響。

2 激光熔覆參數對試驗拉伸性能的實驗分析

2.1 激光功率對熔覆試樣的拉伸性能影響

對激光功率的影響作用進行分析，采用固定的掃描速度為16 mm/s，粉末厚度為2.5 mm，搭接率為1/2，選取三種不同的激光功率分別為2 000 W、2 500 W、3 000W，進行激光熔覆后制成標準試樣[8]，并將其分別標記為試樣1、試樣2 及試樣3，隨后進行拉伸性能測試，對試驗的抗拉強度及延伸率變化[9]進行記錄，具體結果如圖2 所示。

圖2 不同激光功率試樣拉伸性能

從圖2 中可以看出，不同的激光功率下制備的試樣與基體材料相比，抗拉強度有較大提高，隨激光功率的增加呈先增加后減小的趨勢，其中以2 500 W功率時的提高最大，相對基體材料的抗拉強度提高了16.2%；且不同的激光功率下制備的試樣的延伸率與基體材料的延伸率相比，均有一定的降低，降低程度相差不大，分別降低了15.7%，16.9%、16.2%。

2.2 激光掃描速度對熔覆試樣的拉伸性能影響

對激光掃描速度的影響作用進行分析，采用固定的激光功率為2 500 W，粉末厚度為2.5 mm，搭接率為1/2，選取三種不同的激光掃描速度分別為14 mm/s、16 mm/s、20 mm/s，隨后進行激光熔覆后制成標準試樣[10]，并將其標記為試樣4、試樣5 及試樣6，隨后進行拉伸性能測試，對試驗的抗拉強度及延伸率變化[11]進行記錄，具體結果如圖3 所示。

圖3 不同激光掃描速度試樣拉伸性能

從圖3 中可以看出，不同的激光掃描速度下制備的試樣與基體材料相比，抗拉強度具有較大的提高，隨激光掃描速度的增加呈先增加后減小的趨勢，其中以16 mm/s 掃描速度時的抗拉強度最大，相對基體材料的抗拉強度提高了16.5%；且不同的激光掃描速度下制備的試樣的延伸率與基體材料的延伸率相比，均有一定的降低，掃描速度越小，延伸率降低越多，三種掃描速度下分別降低了17%、16.8%、16.9%。

2.3 鋪粉厚度對熔覆試樣的拉伸性能影響

對鋪粉厚度的影響作用進行分析，采用固定的激光功率為2 500 W，掃描速度為16 mm/s，搭接率為1/2，選取兩種不同的鋪粉厚度分別為2.5 mm、3 mm，進行激光熔覆后制成標準試樣，并將其標記為試樣7、試樣8，隨后進行拉伸性能測試[12]，對試驗的抗拉強度及延伸率變化進行記錄，具體結果如圖4 所示。

圖4 不同鋪粉厚度試樣拉伸性能

從圖4 中可以看出，不同的鋪粉厚度下制備的試樣與基體材料相比，抗拉強度具有較大的提高，隨鋪粉厚度的增加呈減小的趨勢，鋪粉厚度為2.5 mm時的抗拉強度較大，相對基體材料的抗拉強度提高了16.1%；且不同的鋪粉厚度下制備的試樣的延伸率與基體材料的延伸率相比，均有一定的降低，鋪粉厚度越小，延伸率降低越多，兩種鋪粉厚度下分別降低了16.8%，11.5%。

2.4 最佳參數確定

通過以上實驗分析可知，不同的激光工藝參數對熔覆層材料的性能有著不同的影響，激光功率、掃描速度及鋪粉厚度三種工藝參數均可提高材料的抗拉強度，同時降低材料的延伸率。綜合對比上述的實驗參數可以得出，在本實驗的條件下，將液壓支架的立柱材料進行激光熔覆的最佳參數確定為：激光功率2 500 W、掃描速度16 mm/s、鋪粉厚度2.5 mm。

3 結論

1）隨著激光功率的增加，熔覆試樣的抗拉強度先增加后減小，延伸率有所降低，但幅度相差不大；

2）隨著掃描速度的增加，熔覆試樣的抗拉強度先增加后減小，降低幅度變小；

3）隨著鋪粉厚度的增加，熔覆試樣的抗拉強度逐漸降低，延伸率降低幅度變小；

4）經過實驗分析，確定最佳的激光熔覆參數為激光功率2500W、掃描速度16mm/s、鋪粉厚度2.5mm，該結果可以為液壓支架立柱的激光熔覆技術的使用提供參考，提高液壓支架立柱的材料性能，從而保證煤礦的安全開采。