大功率光纖激光內(nèi)孔熔覆裝備開發(fā)及應用

近年來，國內(nèi)激光技術(shù)發(fā)展迅猛，以液壓支架立柱的激光熔覆經(jīng)驗為技術(shù)借鑒，利用激光熔覆技術(shù)在構(gòu)件的外表面形成熔覆層，既可以提高構(gòu)件的耐磨損、耐腐蝕性能，又可以對存在磨損、腐蝕的構(gòu)件進行制造與再制造。但是，缸體的內(nèi)部狹窄，現(xiàn)有的激光器和熔覆工藝不能實現(xiàn)對缸體內(nèi)壁熔覆，阻礙了激光技術(shù)在內(nèi)壁熔覆方面 的工業(yè)化應用。如何對缸體內(nèi)壁進行激光熔覆， 是一項值得研究的技術(shù)問題。

針對現(xiàn)有技術(shù)的種種不足，提出了一種有效地提高缸體內(nèi)壁的耐磨損性能，延長立柱的使用壽命，提高對缸體內(nèi)壁進行激光熔覆的可操作性，適應企業(yè)高科技、自動化發(fā)展需要的缸體內(nèi)壁的熔覆方法，包括開發(fā)設計內(nèi)壁熔覆裝備系統(tǒng)和技術(shù)工藝驗證，以期對激光熔覆內(nèi)壁技術(shù)應用提供一些實際參考。

1 實驗材料及方法

所用合金粉末為自主研發(fā)的鐵基合金粉末SN-135，粉末粒度為-100～+270 目，成分配比如表1所示。所用基材為液壓支架用油缸，規(guī)格為Φ500×30×1500mm，母材為 27SiMn，成分如表 2 所示。

選用光纖激光加工系統(tǒng)，激光功率為4000-4200W，激光光斑為矩形，其尺寸為10mm×2mm，焦距為150mm，激光掃描線速度為500-750mm/min，步距為5mm/s，送粉速度為20-30g/min，所用激光飛濺防護氣體為氬氣，載流氣體量為 8-15L/min，單邊熔覆厚度為 1-2mm。

熔覆試樣經(jīng)機械加工后電火花線切割取環(huán)形試樣進行中性鹽霧實驗（試驗溫度35±2℃，鹽霧沉降率 1.2ml/80cm2?h，5%NaCl 溶液）。沿垂 直于掃描方向線切取 10 mm×10 mm×10 mm 試 塊，經(jīng)砂紙打磨并拋光后，使用 HVS-1000A 數(shù)顯顯微硬度計進行硬度梯度檢測；經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕，使用蔡司AxioLab.A1 金相顯微鏡觀察 熔覆層組織結(jié)構(gòu)。以 50 mm×50 mm 的平面規(guī)格 從缸體上切取熔覆區(qū)域和未熔覆區(qū)域的弧形試樣，做表面壓平處理，制取圓形端面摩擦磨損試樣， 規(guī)格為 Φ43×8mm。

2 內(nèi)孔熔覆裝備設計

內(nèi)孔表面激光熔覆加工頭主體結(jié)構(gòu)集成了激光光路系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)等，由于使用空間限制，激光內(nèi)孔熔覆加工頭的設計相比于普通表面熔覆有其特殊性及難點。針對實際應用需要設計了內(nèi)孔熔覆頭、導光筒、氣體保護裝置、送粉嘴固定調(diào)節(jié)裝置，并重點設計制造 了短焦距積分鏡。

(1) 內(nèi)孔熔覆頭：分別設計了適用于大孔徑 和小孔徑內(nèi)孔熔覆用熔覆頭，熔覆頭適用波長≤1064nm，具備光纖接口QBH接口，可熔覆內(nèi)孔深度最大至1500mm，送粉形式為單路旁軸送粉。小孔徑內(nèi)孔熔覆頭的可承受功率≤3.0kW，可 實現(xiàn)熔覆的內(nèi)孔內(nèi)徑范圍為 100-300mm；大孔徑 內(nèi)孔熔覆頭的承受功率 ≤5kW，適用內(nèi)孔內(nèi)徑＞ 300mm。

(2) 積分鏡：設計了焦距 150mm，光斑尺寸 15×2.5mm 的積分鏡。

(3) 導光筒：本設計將導光筒模塊化，可適當增加或刪減中間筒的節(jié)數(shù)，能夠滿足不同長度內(nèi)孔零部件進行熔覆時的技術(shù)需求。

通過對設計的單元模塊進集成和調(diào)試，如圖1所示為完整的內(nèi)孔熔覆加工頭系統(tǒng)，該系統(tǒng)具 備以下幾個特點：1）導光筒長度可調(diào)。本設計將導光筒模塊化，可適當增加或刪減中間筒的節(jié)數(shù)，能夠滿足不同長度內(nèi)孔零部件進行熔覆時的技術(shù)需求；2）特置送粉嘴滑道裝置。在送粉嘴安裝處設計了滑道，能夠?qū)崿F(xiàn)送粉嘴的全方位調(diào)整，方便、 快捷，便于操作；3）熔覆頭部位設置保護氣功能。由于內(nèi)孔熔覆表面所處空間的限制，即使肉眼可見的缺陷也不容易檢測，更不容易修補，所以從工藝源頭上控制缺陷產(chǎn)生是關(guān)鍵。第一，需在熔覆頭部位設計了保護氣裝置，可以有效保護積分鏡，避免熔覆過程中飛起的煙塵與粉末對積分鏡污染；4）導光筒經(jīng)黑色陽極氧化處理；導光 筒采用黑色陽極氧化處理，能夠有效防止反光導 致的導光筒過熱現(xiàn)象。

(4) 散熱裝置：由于內(nèi)孔熔覆的空間狹窄， 熱量不容易散發(fā)，而熱量過量堆積將會導致熔覆層組織變化，甚至引起變形，在待加工管道的外表面設置冷氣源，冷氣源與激光頭同步進給，對激光頭熔覆后的管道進行降溫，冷氣源的壓強為6-10bar，輸出冷空氣溫度為 -45℃至 -40℃，進氣 量為 0.7-1.2m3/min。

3 工藝驗證及結(jié)果討論

3.1 熔覆工藝開發(fā)

通過大量熔覆工藝試驗，調(diào)試和完善內(nèi)孔熔 覆系統(tǒng)及熔覆參數(shù)，圖 2(a) 為研制的內(nèi)孔激光熔覆加工頭在 27SiMn 不銹鋼缸體內(nèi)壁表面進行熔覆。圖 2(b) 為本試驗件的熔覆成型效果，可見內(nèi)壁表面的熔覆層均勻、平整，未見砂眼、裂紋缺陷， 成型良好。另外，散熱系統(tǒng)降低了熔覆熱量對加工管道的影響，有效降低了管件變形量，有利于降低管件內(nèi)壁熔覆表面的機械加工去除量，進而顯著減少后續(xù)機加工工序，降低能耗。

要嚴格篩選合金粉末。據(jù)悉，合金粉末制備的關(guān)鍵在于顆粒度的均勻性，如若顆粒度不均勻，大、小顆粒度之間即存在相互脫碳、應力分布不均等情況，極易導致熔覆開裂等缺陷的形成，且嚴重 影響送粉、熔凝過程。如圖 3 為本實驗選用的合 金粉末粒度情況，可見粉末顆粒呈圓形分布，球型顆粒度較為均勻光滑，球形度較高，粒度直徑約為 63.6μm ～139.6μm。粒度均勻且球形度高的 合金粉末具備高流動性，可以有效保障熔覆送粉 的流暢均勻，有助于降低熔覆缺陷的產(chǎn)生機率。

第二，需要控制熱量積累。激光熔覆是一個驟熱驟冷的過程，熔池存留時間短，生成的一些低熔點化合物如硼硅酸鹽等來不及上浮至熔覆層表面，留置在熔覆層內(nèi)即成為潛在缺陷源，故而，需要借助散熱系統(tǒng)合理調(diào)控狹窄空間內(nèi)的熱量輸入和發(fā)散，保障正常熔覆所需要的環(huán)境條件。

3.2 熔覆層顯微結(jié)構(gòu)

圖 4 為熔覆層的組織結(jié)構(gòu)，由圖 4(a)、(b) 可見，熔覆層無裂紋、氣孔等缺陷，組織呈細小致密的枝晶狀。且結(jié)合界面清晰平滑，可見白亮窄帶，說明熔覆層與基體之間為冶金結(jié)合。在大激光功率下，基體和熔覆材料吸收的有效能量密度大，熔池停留時間短，驟熱驟冷，故激光熔覆層的組織較為細小、均勻，主要組織均為馬氏體和少量殘余奧氏體。如圖 (c) 所示，結(jié)合界面附近的基體組織的細晶區(qū)，該區(qū)域冷卻后形成較為粗大的回火馬氏體。

3.3 熔覆層硬度檢測

對內(nèi)孔熔覆試樣進行機械加工，保留有效熔覆層厚度為0.5mm，取樣進行剖面硬度檢測，間隔 0.25mm 折線取檢測點，硬度梯度曲線如圖 5 所示。由圖可以看出：在熔覆層厚度范圍內(nèi)，平均硬度值為300-320HV1，結(jié)合界面周圍未現(xiàn)明顯起伏，基體平均硬度為230-300HV1，熔覆層和基體的硬度均較為穩(wěn)定，且熔覆層的硬度稍高于基體的硬度。這是因為Cr、Mo、Nb等元素為強碳化物形成元素，在熱量輸入足夠大的情況下有更多的碳化物得以生成；結(jié)合界面附近的顯微硬 度值略低于熔覆層的硬度，這可能是因為基體對熔覆層具有一定的成分稀釋作用而且靠近基體的熔覆層會出現(xiàn)較為粗大的外延生長樹枝晶所致，有效地提高缸體內(nèi)壁的耐磨損性，同時，該硬度值有利于后續(xù)對缸體內(nèi)壁熔覆層進行車削、磨削等機械加工操作。

3.4 熔覆層耐磨性能

分別取基體和熔覆層試樣，經(jīng)清洗、干燥后分別稱取重量作為原始重量，使用 MMU-10G微機控制機高溫摩擦磨損試驗機檢測耐磨性。與45鋼進行對磨操作，對磨時間控制為1.5h，再次清洗、干燥后使用萬分之一電子天平稱取重量，作為磨損后重量，計算磨損失重量，重復進行三次，得出的實驗數(shù)據(jù)如表3。在三次對磨過程中，熔覆層試樣的磨損失重量均明顯低于基體試樣的磨損失重量，說明采用本技術(shù)方法進行熔覆的缸體內(nèi)壁，其耐磨性能優(yōu)于立柱基體的耐磨性能，約為基體的 1.5 倍。

4 結(jié)論

大功率光纖內(nèi)孔熔覆裝備及技術(shù)工藝可有效地提高缸體內(nèi)壁的耐磨損性能，延長立柱的使用壽命。開發(fā)的內(nèi)孔熔覆頭提高了對缸體內(nèi)壁進行激光熔覆的可操作性，且合金粉末與缸體內(nèi)壁形成了有效的冶金結(jié)合，熔覆層硬度適中，賦予熔覆層良好的延展性及韌性，便于狹窄缸體內(nèi)壁熔覆表面的機械加工，符合油缸的工業(yè)化使用要求。