煤礦液壓支架內外壁激光熔覆裝備研究與發展

杜祥星 金 碩 黃 騰

（山東鐳研激光科技有限公司，濟南 250000）

激光熔覆技術以高能激光束作為熱源，將金屬粉末材料熔覆于零部件表面，制備高性能防護涂層，提高零部件表面的硬度以及抗磨損、抗腐蝕、抗氧化、耐高溫等性能，從而延長零部件的使用壽命[1]。

液壓支架是煤礦綜采過程的主要支撐設備。液壓支架設備在礦井中運行時間長，承受載荷大，由于其工作環境復雜、惡劣，容易腐蝕、磨損設備，導致密封失效，縮短了設備的使用壽命[2-4]。傳統的液壓支架制造及再制造主要采用冷弧焊接工藝和電鍍工藝。冷弧焊接存在生產效率低、稀釋率高等問題，而電鍍屬于高污染工藝，將逐漸被取代。激光熔覆液壓支架制造及再制造是一種先進、綠色、環保的新工藝技術，可以有效提高液壓支架的生產效率及耐磨、耐腐蝕性能，延長其使用壽命，替代傳統的冷弧焊接工藝和電鍍工藝。因此，采用激光熔覆技術進行液壓支架的制造及再制造市場前景廣闊。

1 煤礦液壓支架內外壁激光熔覆裝備的發展現狀

近年來，隨著光纖激光技術的快速發展，激光熔覆技術已經廣泛應用于煤礦液壓支架的中缸和活柱外壁制造及再制造生產。目前，液壓支架的外缸和中缸內壁制造及再制造的激光熔覆加工需求日益增加，設計滿足液壓支架內外壁激光熔覆的智能裝備迫在眉睫[5]。

內外壁激光熔覆裝備涉及多方面復合技術，由于涉及的技術跨學科、跨行業、難度大，發展較為緩慢。目前，國內在煤礦液壓支架內外壁激光熔覆裝備開發及應用方面尚處于起步階段，已經進入市場的產品大多功率在6 kW 以下，內壁激光熔覆效率相較于外壁熔覆更低，因此迫切需要獲得更高功率、更高效率的萬瓦級內外壁激光熔覆裝備。激光熔覆頭在內壁熔覆加工時空間狹小，且長時間在高溫、高濃度煙塵環境下工作，導致激光熔覆頭在深孔、盲孔工件中連續工作難度大，使用、維護成本高，熔覆頭穩定性差，熔覆效率低，粉末利用率低。這些技術問題阻礙了內外壁激光熔覆裝備及技術在煤炭液壓支架行業的工業化推廣。

2 煤礦液壓支架內外壁激光熔覆裝備的組成

根據國內煤礦行業液壓支架的規格種類，適合市場上90%以上煤礦液壓支架激光熔覆加工需求的內外壁激光熔覆裝備，應滿足最小加工孔徑不小于160 mm、深度不低于3 000 mm、機床承載不低于2 500 kg 的要求，而且需要滿足液壓支架的外缸內壁、中缸內壁及外壁、活柱外壁的激光熔覆加工要求，同時適合鐵基粉末、銅合金粉末、不銹鋼粉末等多種金屬材料的熔覆工藝。結合用戶熔覆效率要求，激光功率應不低于6 kW。適用煤礦液壓支架內外壁激光熔覆的裝備主要由激光熔覆機床、激光熔覆頭、激光器、水冷機以及送粉器5 部分組成，如圖1 所示。

圖1 內外壁激光熔覆裝備

2.1 激光熔覆機床

激光熔覆機床是內外壁激光熔覆裝備的關鍵組成部分，可以使工件及激光熔覆頭實現自動激光熔覆加工運動。液壓支架內外壁激光熔覆機床包括床身、床頭箱、控制系統、支撐機構、尾座、三軸運動機構以及激光頭安裝桿等部件，如圖2 所示。其中：床身是各運動模塊及零部件安裝的支撐部件；床頭箱一般固定在床身一端，用于驅動工件旋轉；控制系統用于控制機床自動運動；加工內壁工件時，支撐機構用于支撐工件外壁，具備支撐直徑范圍可調的功能，便于滿足不同直徑工件的加工要求；加工外壁工件時，尾座用于支撐工件，具備十字滑動及快速定位功能，方便內壁和外壁工件切換及不同長度工件切換時移動尾座；三軸運動機構可帶動激光熔覆頭實現上下、前后、左右3 個方向的軸向運動；為降低激光頭長度，將內孔激光熔覆頭安裝在激光頭安裝桿上，增加激光頭強度，進而提升激光頭內部光路的穩定性，使激光頭能夠實現3 000 mm 以上深孔內壁的加工。

1.床身；2.床頭箱；3.控制系統；4.支撐機構；5.激光熔覆頭；6.尾座；7.三軸運動機構；8.送粉器；9.激光頭安裝桿。圖2 激光熔覆機床

目前，市場上常用的激光熔覆激光器一般采用光纖激光器，屬于四類激光產品。此類激光直射光束及鏡式反射光束會嚴重損傷操作人員的眼睛和皮膚，因此內外壁激光熔覆機床應配備必要的激光防護罩。在激光熔覆過程中會產生大量的煙塵及粉塵，煙塵中含有有害物質，會造成環境污染，影響工作人員的身體健康，因此激光熔覆機床還應具備有效的吸煙、除塵裝置。

2.2 激光熔覆頭

激光熔覆頭作為激光熔覆加工的核心關鍵零部件，性能直接影響熔覆質量、熔覆效率及粉末利用率。適用于內壁激光熔覆加工的內外壁激光熔覆頭的設計，是煤礦液壓支架內外壁激光熔覆裝備開發的關鍵性技術難題。與外壁激光熔覆頭不同，內外壁激光熔覆頭需要在狹小的空間內工作，因此需要在有限的空間內高度集成設計激光束、粉末、冷卻水以及保護氣等。在內壁加工時，內壁激光熔覆頭持續在高溫、高濃度煙塵的惡劣環境下工作，容易出現保護鏡片和光學鏡片燒壞的問題，造成熔覆質量缺陷。由于此類缺陷不易被發現，內壁激光熔覆頭需要具有高效的水冷及必要的異常監測和報警功能。目前，國內相關產品研發制造企業常用的監測技術手段為水流量、氣流量、氣壓及溫度異常監測報警。

內外壁激光熔覆頭一般采用預置送粉寬帶激光熔覆和同步送粉高速激光熔覆兩種方式。預置送粉寬帶激光熔覆頭具有承受激光功率高、熔覆效率高、粉末利用率高等優點。同步送粉高速激光熔覆頭熱輸出量小，從而對工件基材熱影響小，熔覆層表面平整度高，熔覆后加工量小。液壓支架外缸內壁加工時需達到近缸底位置，因此內外壁激光熔覆頭應具備盲孔加工要求，激光熔覆頭光路需采用前傾式光路設計。預置送粉寬帶激光熔覆頭前傾式光路一般采用準直透鏡將激光束準直，再通過折射角度大于90°的積分鏡折射激光束并進行整形，在工作位置得到需要的光斑形狀，如圖3 所示。同步送粉高速激光熔覆頭前傾式光路一般有兩種形式，一種是采用準直透鏡將激光束準直，再通過折射角度大于90°的離軸拋物鏡對激光束進行折射并匯聚，如圖4 所示；另一種是采用準直透鏡將激光束準直，再通過聚焦透鏡對準直后的激光束匯聚，最后通過折射角度大于90°的平面鏡折射激光束，如圖5 所示。

圖3 預置送粉寬帶激光熔覆頭光路圖

圖5 同步送粉高速熔覆頭光路圖2

2.3 送粉器

為縮短送粉管的輸送距離，提高送粉精度，煤礦液壓支架內外壁激光熔覆裝備的送粉器一般固定在機床上，并與機床三軸運動機構隨動。因為需要將金屬粉末送至深孔工件內的激光頭中，所以內外壁激光熔覆裝備一般采用載氣式送粉器。采用預置送粉寬帶激光熔覆加工工藝時，需將粉末進入送粉嘴前，并卸掉運載粉末的氣壓，防止運載粉末的氣體影響送粉嘴在工件上的鋪粉質量。

3 煤礦液壓支架內外壁激光熔覆裝備的發展趨勢

延長激光熔覆頭的使用壽命需要優化激光熔覆頭冷卻水路及保護氣路結構，優化工藝參數的同時開發適合內壁熔覆加工的金屬材料，減少熔覆過程中產生的煙塵和飛濺物。在工件內壁熔覆加工時，激光熔覆頭的工作狀態和熔覆層表面質量不易觀察，應向功能多樣化方向發展，實時顯示熔覆過程的粉末流及熔池信息，并通過控制系統自動判斷熔覆過程的穩定性。同時，通過檢測裝置自動收集、顯示熔覆層均勻度參數，并根據用戶設定的參數自動判斷工件是否合格。

生產效率關乎企業利潤，通過研究適用更高功率的激光熔覆頭、金屬材料及工藝參數，可以提高激光熔覆的加工效率。隨著自動化技術的快速發展、勞動力的緊缺及人們對良好工作環境的向往，未來激光熔覆機床應向自動上下料、無人生產線等自動化方向發展，減少勞動力的同時提高產品質量和生產效率。

4 結語

目前，內外壁激光熔覆裝備已在煤礦液壓支架制造及再制造行業推廣應用，其基本功能初步滿足工業化應用要求，但是在功能多樣性與性能穩定性方面與國外技術尚存在較大差距。隨著我國智能裝備技術、激光技術、檢測技術、控制系統、金屬材料等的快速發展與融合，未來煤礦液壓支架內外壁激光熔覆裝備在功能與穩定性方面必將更加完善。