利用光纤激光强化修复矿山机械表面的方法与流程

本发明属于机械再制造领域，具体涉及一种利用光纤激光强化修复矿山机械表面的方法。

背景技术：

我国仍面临资源约束强化，应对气候变化压力加大的形势，必须从源头减少资源消耗和废弃物排放，实现资源高效利用和循环利用，通过循环发展带动绿色发展、低碳发展。随着我国进入机械装备报废的高峰期，再制造产业在社会、资源、环境效益等方面的优势决定了发展再制造产业势在必行，再制造作为国家战略性新兴产业，深入开展再制造技术研究已日益迫切。大力开展再制造及相关技术的研究符合基本国策，利国利民。

矿山机械表面再制造先后发展了电弧堆焊、电镀、激光表面强化等方法。电弧堆焊通常采用手工焊条或者TIG焊，这种方法操作简单，灵活，比较适合现场局部损伤修复；但其生产效率低，并且电弧焊接热输入较大，对基体热影响较大，表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性能受到限制，矿山机械再制造寿命提高有限。复合电镀虽然通过一些措施提高镀层的性能，但是和金属镀铬层类似，镀层与基体仍为物理结合，使用过程中镀层出现“鼓包”以及整片脱离现象仍然存在，此外电镀过程中产生大量废气、废水，造成较大的环境污染，与当前大力提倡的绿色制造背道而驰。而采用先进高科技的激光制造技术则是行之有效的解决办法。

激光加工技术作为一项综合集成激光技术、新材料技术、计算机与数控技术的现代先进制造技术，一直得到世界各国重要研究机构、大学和企业的重视和广泛研究。

基于激光的表面强化处理是利用激光加热在材料表面形成一定厚度的处理层，改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能。激光表面处理技术主要包括激光硬化、激光熔覆、激光表面合金化、激光冲击硬化和激光非晶化等，具有以下优点：能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择的局部强化；能量作用集中，加工时间短，热影响区小，工件变形小；处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线；改性效果比普通方法更显著，速度快，效率高，成本低。目前，激光表面强化技术在钢铁冶金、汽车、机械等行业得到了较为广泛的应用。

目前，CO₂激光器和YAG激光器在各行业均已得到不同程度的应用，体现出了激光技术在加工制造及材料表面处理等领域所具有的无可比拟的优点。但CO₂激光器和YAG激光器本身存在的不足也严重限制了其在高精领域的应用，也无法满足现代制造业对高度集成、高度自动化、高效率的要求。光纤激光作为第三代激光技术的代表，具有其他激光器无可比拟的技术优越性，势必将会替代全球大部分高功率CO₂激光器和绝大部分YAG激光器。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供一种利用光纤激光强化修复矿山机械表面的方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种利用光纤激光强化修复矿山机械表面的方法，是在煤矿用废旧液压支架立柱的表面采用光纤激光器发射的激光束，熔化激光熔覆用合金粉末，来形成激光熔覆层进行表面修复，具体包括以下步骤：

⑴光纤激光多功能柔性加工系统工作站点构建

利用系统集成技术，结合机器人柔性系统、软件通信协调系统、安全遮光防护栏、质量检测设备和光纤激光器，建立激光多通道输出结构，设置多操作工作点，构建一套能够实现激光熔覆、激光毛化、激光表面处理、激光焊接和激光切割多项功能的安全系统工作站点，所述软件通信协调系统利用相应编程软件，根据材料表面性能，选定表面处理功能站点及制定工艺参数，实现激光器在不同功能之间的转换应用；利用密集波分复用和光时分复用技术增强多波长光纤激光输出，从而调制光纤激光输出波形，实现光纤激光的密集波分复用和光时分复用传输；所述光纤激光器功率为10kW，其工作光纤有2000μm、1800μm、1500μm、1200μm、1000μm、800μm、600μm、400μm芯径各1条，各长20米；

⑵光纤激光熔覆用合金粉末制备

先按重量百分比选取原料钕1-2％、钒0.05-0.15％、铬5-8％、镍3-6％、钼0.1-0.2％、硅0.1-0.3％、钛0.1-0.2％、铝0.1-0.3％、碳0.1-0.2％和余量铁，混合得到铁基合金粉末；然后按重量百分比选取占铁基合金粉末总重量百分比为0.3-0.5％的聚甲基氢硅氧烷、0.5-1％的硬脂酸；再在适量无水乙醇中加入选取的聚甲基氢硅氧烷和硬脂酸，然后搅拌溶解，得到有机液体；接着将铁基合金粉末加入有机液体中，搅拌得到混合浆料，加热制得的混合浆料至65℃使无水乙醇蒸干，将蒸干的物料进行55℃鼓风干燥箱，干燥结束后将得到的混合粉末物料放入球磨机中球磨破碎，过200目筛，得到光纤激光熔覆用合金粉末；

⑶表面强化处理

①预处理：废旧液压支架立柱使用高压水枪冲洗油污后，借助ZLC-2/300型立柱、千斤顶拆装机或CZ-1-45型单体支柱拆装机拆卸成零部件，零部件进行超声清洗处理，超声清洗处理时采用的清洗液是按重量份计的6#溶剂油30-40份、二甲基硅油8-12份、乙二醇35-45份、月桂酰胺基丙基甜菜碱5-10份、山药皮水提物3-5份、醋酸钠3-5份、去离子水50-60份组成的液体，之后用55-65℃温水清洗一遍，最后用热压缩空气吹干零部件，利用Q326EA型抛丸除锈机除锈；

②激光表面强化修复：将预处理后的废旧液压支架立柱运至光纤激光多功能柔性加工系统工作站点经质量检测，进行失效分析和评估，然后选定激光熔覆功能及相应激光熔覆参数，在激光熔覆工位合金粉末送料与激光束同步自动送置，进行光纤激光熔覆处理，废旧液压支架立柱基体与合金粉末在0.3s内完成凝固，熔覆层厚度为0.05-0.10mm，基体热影响区0.1-0.2mm；

③质检加工：对表面强化处理后的废旧液压支架立柱进行表面硬度、变形量检测以及修复表面机械加工和着色探伤和校验。

本发明的有益技术效果：采用本发明的光纤激光表面强化修复方法可以在废旧矿山机械基体表面形成均匀致密的熔覆层，并且韧性较好，避免了孔隙裂纹的产生，具有极高的耐磨性与耐腐蚀性能，熔覆层与基体为冶金结合状态，涂层阻隔了水分与基体的接触，从根本上杜绝了由于结合力不强而造成的剥落现象，即使局部划伤后也不会产生类似电镀铬层与基体间的电化学反应。不会产生任何废气、废液，对环境没有影响，修复加工成本降低50％，节能60％，节材70％，进一步提高能源、资源节约和高效利用水平，符合国家低碳、节能、降耗、环保循环经济发展的总要求，通过系统工程，高度集成，高度自动化的途径实现现代化企业总要求，达到企业降低成本，提高生产效率的目的，并形成企业新的竞争制高点和新的生产、制造模式,发展循环经济具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的光纤激光多功能柔性加工系统示意图。

图2为本发明的光纤激光多功能柔性加工系统激光熔覆工位示意图。

图3为本发明的光纤激光多功能柔性加工系统机器人工位示意图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步对本发明的技术方案作详细的阐述，但不都成对本发明的范围性限制。

实施例

一种利用光纤激光强化修复矿山机械表面的方法，是在煤矿用废旧液压支架立柱的表面采用光纤激光器发射的激光束，熔化激光熔覆用合金粉末，来形成激光熔覆层进行表面修复，具体包括以下步骤：

⑴光纤激光多功能柔性加工系统工作站点构建

利用系统集成技术，结合机器人柔性系统、软件通信协调系统、安全遮光防护栏、质量检测设备和光纤激光器，建立激光多通道输出结构，设置多操作工作点，构建一套能够实现激光熔覆、激光毛化、激光表面处理、激光焊接和激光切割多项功能的安全系统工作站点，所述软件通信协调系统利用相应编程软件，根据材料表面性能，选定表面处理功能站点及制定工艺参数，实现激光器在不同功能之间的转换应用；利用密集波分复用和光时分复用技术增强多波长光纤激光输出，从而调制光纤激光输出波形，实现光纤激光的密集波分复用和光时分复用传输；所述光纤激光器功率为10kW，其工作光纤有2000μm、1800μm、1500μm、1200μm、1000μm、800μm、600μm、400μm芯径各1条，各长20米；

⑵光纤激光熔覆用合金粉末制备

先按重量百分比选取原料钕1.7％、钒0.01％、铬6.5％、镍4.5％、钼0.15％、硅0.2％、钛0.15％、铝0.2％、碳0.15％和铁86.44％，混合得到铁基合金粉末；然后按重量百分比选取占铁基合金粉末总重量百分比为0.4％的聚甲基氢硅氧烷、0.75％的硬脂酸；再在适量无水乙醇中加入选取的聚甲基氢硅氧烷和硬脂酸，然后搅拌溶解，得到有机液体；接着将铁基合金粉末加入有机液体中，搅拌得到混合浆料，加热制得的混合浆料至65℃使无水乙醇蒸干，将蒸干的物料进行55℃鼓风干燥箱，干燥结束后将得到的混合粉末物料放入球磨机中球磨破碎，过200目筛，得到光纤激光熔覆用合金粉末；

⑶表面强化处理

①预处理：废旧液压支架立柱使用高压水枪冲洗油污后，借助ZLC-2/300型立柱、千斤顶拆装机或CZ-1-45型单体支柱拆装机拆卸成零部件，零部件进行超声清洗处理，超声清洗处理时采用的清洗液是按重量份计的6#溶剂油30-40份、二甲基硅油10份、乙二醇40份、月桂酰胺基丙基甜菜碱7.5份、山药皮水提物4份、醋酸钠4份、去离子水55份组成的液体，之后用60℃温水清洗一遍，最后用热压缩空气吹干零部件，利用Q326EA型抛丸除锈机除锈；

②激光表面强化修复：将预处理后的废旧液压支架立柱运至光纤激光多功能柔性加工系统工作站点经质量检测，进行失效分析和评估，然后选定激光熔覆功能及相应激光熔覆参数，在激光熔覆工位合金粉末送料与激光束同步自动送置，进行光纤激光熔覆处理，废旧液压支架立柱基体与合金粉末在0.3s内完成凝固，熔覆层厚度为0.05-0.10mm，基体热影响区0.1-0.2mm；

③质检加工：对表面强化处理后的废旧液压支架立柱进行表面硬度、变形量检测以及修复表面机械加工和着色探伤和校验。