煤矿液压支架内外壁激光熔覆装备研究与发展

杜祥星 金 硕 黄 腾

（山东镭研激光科技有限公司，济南 250000）

激光熔覆技术以高能激光束作为热源，将金属粉末材料熔覆于零部件表面，制备高性能防护涂层，提高零部件表面的硬度以及抗磨损、抗腐蚀、抗氧化、耐高温等性能，从而延长零部件的使用寿命[1]。

液压支架是煤矿综采过程的主要支撑设备。液压支架设备在矿井中运行时间长，承受载荷大，由于其工作环境复杂、恶劣，容易腐蚀、磨损设备，导致密封失效，缩短了设备的使用寿命[2-4]。传统的液压支架制造及再制造主要采用冷弧焊接工艺和电镀工艺。冷弧焊接存在生产效率低、稀释率高等问题，而电镀属于高污染工艺，将逐渐被取代。激光熔覆液压支架制造及再制造是一种先进、绿色、环保的新工艺技术，可以有效提高液压支架的生产效率及耐磨、耐腐蚀性能，延长其使用寿命，替代传统的冷弧焊接工艺和电镀工艺。因此，采用激光熔覆技术进行液压支架的制造及再制造市场前景广阔。

1 煤矿液压支架内外壁激光熔覆装备的发展现状

近年来，随着光纤激光技术的快速发展，激光熔覆技术已经广泛应用于煤矿液压支架的中缸和活柱外壁制造及再制造生产。目前，液压支架的外缸和中缸内壁制造及再制造的激光熔覆加工需求日益增加，设计满足液压支架内外壁激光熔覆的智能装备迫在眉睫[5]。

内外壁激光熔覆装备涉及多方面复合技术，由于涉及的技术跨学科、跨行业、难度大，发展较为缓慢。目前，国内在煤矿液压支架内外壁激光熔覆装备开发及应用方面尚处于起步阶段，已经进入市场的产品大多功率在6 kW 以下，内壁激光熔覆效率相较于外壁熔覆更低，因此迫切需要获得更高功率、更高效率的万瓦级内外壁激光熔覆装备。激光熔覆头在内壁熔覆加工时空间狭小，且长时间在高温、高浓度烟尘环境下工作，导致激光熔覆头在深孔、盲孔工件中连续工作难度大，使用、维护成本高，熔覆头稳定性差，熔覆效率低，粉末利用率低。这些技术问题阻碍了内外壁激光熔覆装备及技术在煤炭液压支架行业的工业化推广。

2 煤矿液压支架内外壁激光熔覆装备的组成

根据国内煤矿行业液压支架的规格种类，适合市场上90%以上煤矿液压支架激光熔覆加工需求的内外壁激光熔覆装备，应满足最小加工孔径不小于160 mm、深度不低于3 000 mm、机床承载不低于2 500 kg 的要求，而且需要满足液压支架的外缸内壁、中缸内壁及外壁、活柱外壁的激光熔覆加工要求，同时适合铁基粉末、铜合金粉末、不锈钢粉末等多种金属材料的熔覆工艺。结合用户熔覆效率要求，激光功率应不低于6 kW。适用煤矿液压支架内外壁激光熔覆的装备主要由激光熔覆机床、激光熔覆头、激光器、水冷机以及送粉器5 部分组成，如图1 所示。

图1 内外壁激光熔覆装备

2.1 激光熔覆机床

激光熔覆机床是内外壁激光熔覆装备的关键组成部分，可以使工件及激光熔覆头实现自动激光熔覆加工运动。液压支架内外壁激光熔覆机床包括床身、床头箱、控制系统、支撑机构、尾座、三轴运动机构以及激光头安装杆等部件，如图2 所示。其中：床身是各运动模块及零部件安装的支撑部件；床头箱一般固定在床身一端，用于驱动工件旋转；控制系统用于控制机床自动运动；加工内壁工件时，支撑机构用于支撑工件外壁，具备支撑直径范围可调的功能，便于满足不同直径工件的加工要求；加工外壁工件时，尾座用于支撑工件，具备十字滑动及快速定位功能，方便内壁和外壁工件切换及不同长度工件切换时移动尾座；三轴运动机构可带动激光熔覆头实现上下、前后、左右3 个方向的轴向运动；为降低激光头长度，将内孔激光熔覆头安装在激光头安装杆上，增加激光头强度，进而提升激光头内部光路的稳定性，使激光头能够实现3 000 mm 以上深孔内壁的加工。

1.床身；2.床头箱；3.控制系统；4.支撑机构；5.激光熔覆头；6.尾座；7.三轴运动机构；8.送粉器；9.激光头安装杆。图2 激光熔覆机床

目前，市场上常用的激光熔覆激光器一般采用光纤激光器，属于四类激光产品。此类激光直射光束及镜式反射光束会严重损伤操作人员的眼睛和皮肤，因此内外壁激光熔覆机床应配备必要的激光防护罩。在激光熔覆过程中会产生大量的烟尘及粉尘，烟尘中含有有害物质，会造成环境污染，影响工作人员的身体健康，因此激光熔覆机床还应具备有效的吸烟、除尘装置。

2.2 激光熔覆头

激光熔覆头作为激光熔覆加工的核心关键零部件，性能直接影响熔覆质量、熔覆效率及粉末利用率。适用于内壁激光熔覆加工的内外壁激光熔覆头的设计，是煤矿液压支架内外壁激光熔覆装备开发的关键性技术难题。与外壁激光熔覆头不同，内外壁激光熔覆头需要在狭小的空间内工作，因此需要在有限的空间内高度集成设计激光束、粉末、冷却水以及保护气等。在内壁加工时，内壁激光熔覆头持续在高温、高浓度烟尘的恶劣环境下工作，容易出现保护镜片和光学镜片烧坏的问题，造成熔覆质量缺陷。由于此类缺陷不易被发现，内壁激光熔覆头需要具有高效的水冷及必要的异常监测和报警功能。目前，国内相关产品研发制造企业常用的监测技术手段为水流量、气流量、气压及温度异常监测报警。

内外壁激光熔覆头一般采用预置送粉宽带激光熔覆和同步送粉高速激光熔覆两种方式。预置送粉宽带激光熔覆头具有承受激光功率高、熔覆效率高、粉末利用率高等优点。同步送粉高速激光熔覆头热输出量小，从而对工件基材热影响小，熔覆层表面平整度高，熔覆后加工量小。液压支架外缸内壁加工时需达到近缸底位置，因此内外壁激光熔覆头应具备盲孔加工要求，激光熔覆头光路需采用前倾式光路设计。预置送粉宽带激光熔覆头前倾式光路一般采用准直透镜将激光束准直，再通过折射角度大于90°的积分镜折射激光束并进行整形，在工作位置得到需要的光斑形状，如图3 所示。同步送粉高速激光熔覆头前倾式光路一般有两种形式，一种是采用准直透镜将激光束准直，再通过折射角度大于90°的离轴抛物镜对激光束进行折射并汇聚，如图4 所示；另一种是采用准直透镜将激光束准直，再通过聚焦透镜对准直后的激光束汇聚，最后通过折射角度大于90°的平面镜折射激光束，如图5 所示。

图3 预置送粉宽带激光熔覆头光路图

图5 同步送粉高速熔覆头光路图2

2.3 送粉器

为缩短送粉管的输送距离，提高送粉精度，煤矿液压支架内外壁激光熔覆装备的送粉器一般固定在机床上，并与机床三轴运动机构随动。因为需要将金属粉末送至深孔工件内的激光头中，所以内外壁激光熔覆装备一般采用载气式送粉器。采用预置送粉宽带激光熔覆加工工艺时，需将粉末进入送粉嘴前，并卸掉运载粉末的气压，防止运载粉末的气体影响送粉嘴在工件上的铺粉质量。

3 煤矿液压支架内外壁激光熔覆装备的发展趋势

延长激光熔覆头的使用寿命需要优化激光熔覆头冷却水路及保护气路结构，优化工艺参数的同时开发适合内壁熔覆加工的金属材料，减少熔覆过程中产生的烟尘和飞溅物。在工件内壁熔覆加工时，激光熔覆头的工作状态和熔覆层表面质量不易观察，应向功能多样化方向发展，实时显示熔覆过程的粉末流及熔池信息，并通过控制系统自动判断熔覆过程的稳定性。同时，通过检测装置自动收集、显示熔覆层均匀度参数，并根据用户设定的参数自动判断工件是否合格。

生产效率关乎企业利润，通过研究适用更高功率的激光熔覆头、金属材料及工艺参数，可以提高激光熔覆的加工效率。随着自动化技术的快速发展、劳动力的紧缺及人们对良好工作环境的向往，未来激光熔覆机床应向自动上下料、无人生产线等自动化方向发展，减少劳动力的同时提高产品质量和生产效率。

4 结语

目前，内外壁激光熔覆装备已在煤矿液压支架制造及再制造行业推广应用，其基本功能初步满足工业化应用要求，但是在功能多样性与性能稳定性方面与国外技术尚存在较大差距。随着我国智能装备技术、激光技术、检测技术、控制系统、金属材料等的快速发展与融合，未来煤矿液压支架内外壁激光熔覆装备在功能与稳定性方面必将更加完善。