專利名稱：一種激光熔覆方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光熔覆方法，屬于激光加工制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
液壓支架立柱是礦山開采設(shè)備中的關(guān)鍵部件，在國內(nèi)，對于液壓支架立柱通常采用鍍鉻的方法進(jìn)行表面處理，從而來防止表面的生銹以及防腐蝕。然而鍍鉻層的耐磨性較差，一般經(jīng)過I I. 5年之后，鍍鉻層就會出現(xiàn)起皮以及脫皮等現(xiàn)象，因此，乳化液就會腐蝕立柱表面，從而會影響到液壓支架的使用效果。公告為CN101875128B的中國專利公開了一種礦用液壓支架立柱的激光熔覆方法，其通過特定的激光熔覆工藝條件來熔覆三層冶金材料，從而解決了礦用液壓支架立柱 表面的耐磨性、防腐蝕性的問題，提高了使用壽命。具體的技術(shù)方案是，在對礦用液壓支架立柱進(jìn)行表面處理之后，進(jìn)行預(yù)熱，然后在特定的工藝條件下，用熔覆用合金粉末材料依次鍍覆底層、中層和面層。其中，底層選用的熔覆用合金粉末材料的重量百分比為0. 1%的C、
3.2% 的 Si、0. 5% 的 Mn、10. 2% 的 Cr、8. 8% 的 Ni、0. 8% 的 Nb、0. 1% 的 B、0. 5% 的 P 和余量的Fe。在上述的激光熔覆方法中，使用的激光器是二氧化碳激光器，即以二氧化碳為工作物質(zhì)的激光器。然而利用二氧化碳激光器進(jìn)行激光熔覆時，從二氧化碳激光器出來的激光照射在液壓支架的立柱上，對激光束的能量吸收利用率很低。并且，在該工藝中電能消耗較大。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種激光熔覆方法，該激光熔覆方法，可以提高激光束能量的吸收利用率，并且電能利用率高，從而節(jié)省了耗電量。具體地，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案如下技術(shù)方案I.一種激光熔覆方法，在液壓支架的立柱的表面上，利用半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的激光束，熔化激光熔覆用合金粉末，來形成激光熔覆層。技術(shù)方案2. 根據(jù)技術(shù)方案I所述的激光熔覆方法，其改變之處在于，從半導(dǎo)體激光器的激光束出口到液壓支架的立柱的表面的距離為150 250mm，所述半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的激光束的能量密度為109. 38ff/mm2以上。技術(shù)方案3.根據(jù)技術(shù)方案2所述的激光熔覆方法，其改變之處在于，從半導(dǎo)體激光器的激光束出口到液壓支架的立柱的表面的距離為190 220mm，所述半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的激光束的能量密度為112. 63ff/mm2以上。技術(shù)方案4.
根據(jù)技術(shù)方案3所述的激光熔覆方法，其改變之處在于，所述激光熔覆用合金粉末的供給速度為38 40g/min，所述激光熔覆用合金粉末的直徑為44 178 y m ;所述激光束為矩形光斑，所述矩形光斑的長度為16mm，所述矩形光斑的寬度2mm，所述激光束的掃描線速度為540 780mm/min，所述激光束的掃描方向垂直于所述矩形光斑的長度方向。技術(shù)方案5.根據(jù)技術(shù)方案I所述的激光熔覆方法，其改變之處在于，所述激光熔覆用組合物粉末包括0. 01 0. 15% 的 C，0. 5% I. 0%的 Si，0. 4% 0. 8%的 Mn，17. 5% 19. 5%的 Cr， 21% 25%的 Ni，余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)；其中，以上各種元素的含量為重量百分比含量，技術(shù)方案6.根據(jù)技術(shù)方案I所述的激光熔覆方法，其改變之處在于，所述激光熔覆用組合物粉末包括0. 05 0. 20% 的 C，I. 0% I. 5%的 Si，0. 4% 0. 8%的 Mn，15. 0% 15. 8%的 Cr，4. 0% 4. 5%的 Ni，余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)；其中，以上各種元素的含量為重量百分比含量，技術(shù)方案7.根據(jù)技術(shù)方案I 6中任意一項所述的激光熔覆方法，其改變之處在于，所述液壓支架的立柱的外徑為200 400mm。技術(shù)方案8.根據(jù)技術(shù)方案7所述的激光熔覆方法，其改變之處在于，所述液壓支架的立柱的外徑為350 400mm。根據(jù)技術(shù)方案I的激光熔覆方法，對半導(dǎo)體激光器的激光束能量吸收利用率高，且由于半導(dǎo)體激光器的能量轉(zhuǎn)換效率高，所以還提高了電能利用率，節(jié)省耗電量。另外，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，由于使用了半導(dǎo)體激光器，所以連續(xù)工作時間可以很長，例如，在具體的實(shí)施例工藝中，連續(xù)工作時間可以達(dá)到15000小時以上，然而如果使用二氧化碳激光器，那么連續(xù)工作時間較短，因為通常每24小時就需要進(jìn)行一次抽真空操作。根據(jù)技術(shù)方案2 3的激光熔覆方法，其是對技術(shù)方案I的改進(jìn)，篩選出良好的工藝參數(shù)，即優(yōu)化了從半導(dǎo)體激光器的激光束出口到液壓支架的立柱的表面的距離和半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的激光束的能量密度之間的配合關(guān)系，從而能夠有效地進(jìn)行激光熔覆。技術(shù)方案4是一種具體的實(shí)施形態(tài)，其中限定了多種工藝參數(shù)，為本領(lǐng)域的技術(shù)人員提供一種明確的操作工藝參數(shù)。根據(jù)上述的技術(shù)方案5的方法所獲得的液壓支架的立柱，由于激光熔覆層的組成采用了特定的組成，所以能夠得到良好的表面硬度、使用壽命、熔覆層與金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度和耐鹽霧性能。該液壓支架的立柱的表面熔覆層硬度能夠達(dá)到30HRC以上，礦井中使用壽命為5年以上，熔覆層與立柱基體的結(jié)合強(qiáng)度能夠達(dá)到310MPa以上，耐鹽霧性能96小時以上無變化。根據(jù)上述的技術(shù)方案6的方法所獲得的液壓支架的立柱，一方面，其可以滿足根據(jù)技術(shù)方案5的方法所獲得的液壓支架的立柱的各種性能，例如，礦井中使用壽命為5年以上，熔覆層與立柱基體的結(jié)合強(qiáng)度能夠達(dá)到310MPa以上，耐鹽霧性能96小時以上無變化。除此之外，熔覆層硬度能夠達(dá)到45HRC以上。而且，由于Ni含量較低，所以成本較低。
根據(jù)技術(shù)方案7和8所述的激光熔覆方法，其給出了優(yōu)選地液壓支架的立柱的外徑。并且，液壓支架的立柱的外徑越大越好。這是因為，液壓支架的立柱的外徑越大，立柱的外表面越接近于平面，可以使得半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的激光束在液壓支架的立柱的表面的能量分布越均勻。但是另一方面，液壓支架的立柱的表面的外徑又不能夠太大，原因在于，如果需要加工的液壓支架的立柱的外徑過大，就需要更大的液壓支架的立柱的夾持和支撐裝置。因此，優(yōu)選的液壓支架的立柱的外徑為200 400mm，更優(yōu)選為350 400mm。在此范圍內(nèi)的話，既可以實(shí)現(xiàn)均勻的熔覆，又可以節(jié)省其他設(shè)備的負(fù)荷。
具體實(shí)施例方式為了使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠更加清楚地了解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例I本實(shí)施例是礦用液壓支架立梓的激光熔覆方法本實(shí)施例所使用的液壓支架立柱為新汶礦業(yè)集團(tuán)新巨龍能源有限公司使用的礦用液壓支架的立柱，該立柱是以27SiMn為基體的液壓支架的立柱，直徑為300mm。采用以下方法進(jìn)行激光熔覆(I)將礦用液壓支架立柱進(jìn)行除銹、毛化處理。(2)裝入激光加工機(jī)床,該激光加工機(jī)床為半導(dǎo)體激光加工機(jī)床(即，包含半導(dǎo)體激光器的加工機(jī)床)。(3)在主軸C的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動及激光頭X線性軸的進(jìn)給運(yùn)動配合下，在一個工步中送粉與激光熔覆同步進(jìn)行；半導(dǎo)體激光激光器的輸出功率為4000W，從半導(dǎo)體激光器的激光束出口到液壓支架的立柱的表面的距離為200mm，激光掃描線速度為540mm/min，激光束為16*2mm的矩形光斑(長為16mm,寬為2mm);進(jìn)行掃描熔覆的方式進(jìn)行熔覆；采用的激光熔覆用組合物為粉末狀，粒徑為44 178 U m。該組合物包含0. 05%的C，I. 5%的Si，0. 4%的Mn，15. 8%的Cr，4. 0%的Ni，余量的Fe和不可避免的極少量雜質(zhì)。該激光熔覆用合金粉末的送粉速度為38 40g/min。(4)進(jìn)行機(jī)械加工。
需要說明的是，在本實(shí)施例中，半導(dǎo)體激光器的總裝機(jī)功率為45KW(千瓦)，半導(dǎo)體激光器的連續(xù)輸出功率為4000W，金屬材料吸收率(立柱的吸收率)為80%，半導(dǎo)體激光器的尺寸為260mmX118mmX450mm，半導(dǎo)體激光器的重量為27kg，連續(xù)工作時間可以達(dá)到15000小時。在本實(shí)施例中，金屬 材料所吸收的熱量為3200KW。對于得到的立柱進(jìn)行試驗測試，各項性能指標(biāo)如下(I)無裂紋。(2)熔覆層硬度能夠達(dá)到45HRC以上，礦井中使用壽命為5年以上，熔覆層與立柱基體的結(jié)合強(qiáng)度能夠達(dá)到310MPa以上，耐鹽霧性能96小時以上無變化。關(guān)于使用壽命，該立柱已經(jīng)在新汶礦業(yè)集團(tuán)新巨龍能源有限公司的推廣使用，效果良好，目前已在采面使用4年，沒有出現(xiàn)任何質(zhì)量問題。關(guān)于耐鹽霧性能試驗，采用的是中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10125-1997，試驗所用的藥品為氯化鈉的水溶液，濃度為50g/L±5g/L，PH為6. 5 7. 2，溫度為35°C ±2°C。由于本實(shí)施例中的Ni含量不高，所以成本較低。實(shí)施例2
_4] 本實(shí)施例是礦用液壓支架立柱的激光熔覆方法本實(shí)施例所使用的液壓支架立柱為新汶礦業(yè)集團(tuán)新巨龍能源有限公司使用的礦用液壓支架的立柱，該立柱是以27SiMn為基體的液壓支架的立柱，直徑為400mm。采用以下方法進(jìn)行激光熔覆(I)將礦用液壓支架立柱進(jìn)行除銹、毛化處理。(2)裝入激光加工機(jī)床，該激光加工機(jī)床為半導(dǎo)體激光加工機(jī)床。(3)在主軸C的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動及激光頭X線性軸的進(jìn)給運(yùn)動配合下，在一個工步中送粉與激光熔覆同步進(jìn)行；半導(dǎo)體激光激光器的輸出功率為4000W，從半導(dǎo)體激光器的激光束出口到液壓支架的立柱的表面的距離為250mm，激光掃描線速度為600mm/min，激光束為16*2mm的矩形光斑(長為16mm,寬為2mm);進(jìn)行掃描熔覆的方式進(jìn)行熔覆；采用的激光熔覆用合金為粉末狀，粒徑為44 178 u m。該組合物包含0. 15%的C，I. 0%的Si，0. 8%的Mn，15. 0%的Cr，4. 5%的Ni，余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)。該激光熔覆用合金的送粉速度為38 40g/min。(4)進(jìn)行機(jī)械加工。需要說明的是，在本實(shí)施例中，半導(dǎo)體激光器的總裝機(jī)功率為45KW(千瓦)，連續(xù)輸出功率為4000W，金屬材料吸收率為80 %，半導(dǎo)體激光器的尺寸為260mmX118mmX450mm，半導(dǎo)體激光器的重量為27kg，半導(dǎo)體激光器的連續(xù)工作時間可以達(dá)到15000小時。對于得到的立柱進(jìn)行試驗測試，各項性能指標(biāo)如下(I)無裂紋。(2)熔覆層硬度能夠達(dá)到45HRC以上，礦井中使用壽命為5年以上，熔覆層與立柱基體的結(jié)合強(qiáng)度能夠達(dá)到310MPa以上，耐鹽霧性能96小時以上無變化。實(shí)施例3本實(shí)施例是礦用液壓支架立梓的激光熔覆方法
本實(shí)施例所使用的液壓支架立柱為新汶礦業(yè)集團(tuán)新巨龍能源有限公司使用的礦用液壓支架的立柱，該立柱是以27SiMn為基體的液壓支架的立柱，直徑為350mm。采用以下方法進(jìn)行激光熔覆(I)將礦用液壓支架立柱進(jìn)行除銹、毛化處理。(2)裝入激光加工機(jī)床，該激光加工機(jī)床為半導(dǎo)體激光加工機(jī)床。(3)在主軸C的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動及激光頭X線性軸的進(jìn)給運(yùn)動配合下，在一個工步中送粉與激光熔覆同步進(jìn)行；半導(dǎo)體激光激光器的輸出功率為4000W，從半導(dǎo)體激光器的激光束出口到液壓支架的立柱的表面的距離為250mm，激光掃描線速度為600mm/min，激光束為16*2mm的矩形光斑(長為16mm,寬為2mm);進(jìn)行掃描熔覆的方式進(jìn)行熔覆；

采用的激光熔覆用組合物為粉末狀，粒徑為44 178 iim。該組合物包含0. 15%的C，I. 0 %的Si，0. 8 %的Mn，18. 0 %的Cr，22. 0 %的Ni，余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)。該激光熔覆用合金粉末的送粉速度為38 40g/min。(4)進(jìn)行機(jī)械加工。需要說明的是，在本實(shí)施例中，半導(dǎo)體激光器的總裝機(jī)功率為45KW，連續(xù)輸出功率為4000W，金屬材料吸收率為80%，半導(dǎo)體激光器的尺寸為260mmX118mmX450mm，半導(dǎo)體激光器的重量為27kg，半導(dǎo)體激光器的連續(xù)工作時間可以達(dá)到15000小時。對于得到的立柱進(jìn)行試驗測試，各項性能指標(biāo)如下(I)無裂紋。(2)熔覆層硬度能夠達(dá)到30HRC以上，礦井中使用壽命為5年以上，熔覆層與立柱基體的結(jié)合強(qiáng)度能夠達(dá)到310MPa以上，耐鹽霧性能96小時以上無變化。對比實(shí)施例I本實(shí)施例是礦用液壓支架立梓的激光熔覆方法本實(shí)施例所使用的液壓支架立柱為新汶礦業(yè)集團(tuán)新巨龍能源有限公司使用的礦用液壓支架的立柱，該立柱是以27SiMn為基體的液壓支架的立柱，直徑為300mm。采用以下方法進(jìn)行激光熔覆(I)將礦用液壓支架立柱進(jìn)行除銹、毛化處理。(2)裝入激光加工機(jī)床，該激光加工機(jī)床為二氧化碳激光加工機(jī)床(包含二氧化碳激光器的加工機(jī)床)。(3)在主軸C的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動及激光頭X線性軸的進(jìn)給運(yùn)動配合下，在一個工步中送粉與激光熔覆同步進(jìn)行；二氧化碳激光激光器的輸出功率為8000W，從激光器的激光束出口到液壓支架的立柱的表面的距離為300mm，激光掃描線速度為480mm/min，激光束為15*2. 5mm的矩形光斑(長為15mm,寬為2. 5mm);進(jìn)行掃描熔覆的方式進(jìn)行熔覆；采用的激光熔覆用合金粉末，粒徑為44 178 iim。該組合物包含0. 02 %的C，
I.5 %的Si，0. 4%的Mn，15. 8 %的Cr，4. 0 %的Ni，余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)。該激光熔覆用合金粉末的送粉速度為38 40g/min。(4)進(jìn)行機(jī)械加工。需要說明的是，所述二氧化碳激光器是指以二氧化碳為工作物質(zhì)，利用二氧化碳在能帶間躍遷而發(fā)光的激光器。在本實(shí)施例中，二氧化碳激光器的總裝機(jī)功率為175KW，二氧化碳激光器的連續(xù)輸出功率為8000W，金屬材料吸收率(立柱的吸收率)為40%，二氧化碳激光器的尺寸為2500mmX 1500mmX 2300mm, 二氧化碳激光器的重量為4000kg，連續(xù)工作時間為24小時，因為每隔24小時該種激光器需要進(jìn)行抽真空處理。在本實(shí)施例中，金屬材料所吸收的熱量為3200KW?？梢钥闯?，二氧化碳激光器體積大，操作非常不便。另外，二氧化碳激光器的連續(xù)輸出功率不能夠降低到4000W，也就不能夠大幅度降低耗電量。對于得到的立柱進(jìn)行試驗測試，各項性能指標(biāo)如下(I)無裂紋。(2)熔覆層硬度能夠達(dá)到45HRC以上，礦井中使用壽命為5年以上，熔覆層與立柱 基體的結(jié)合強(qiáng)度能夠達(dá)到310MPa以上，耐鹽霧性能96小時以上無變化。
權(quán)利要求
1.一種激光熔覆方法，其特征在于，在液壓支架的立柱的表面上，利用半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的激光束，熔化激光熔覆用合金粉末，來形成激光熔覆層； 所述半導(dǎo)體激光器是指以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)，利用半導(dǎo)體材料在能帶間躍遷而發(fā)光的激光器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光熔覆方法，其特征在于，從半導(dǎo)體激光器的激光束出口到液壓支架的立柱的表面的距離為150 250mm，所述半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的激光束的能量密度為109. 38ff/mm2以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光熔覆方法，其特征在于，從半導(dǎo)體激光器的激光束出口到液壓支架的立柱的表面的距離為190 220mm，所述半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的激光束的能量密度為112. 63ff/mm2以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆用合金粉末的供給速度為38 40g/min，所述激光熔覆用合金粉末的直徑為44 178 y m ; 所述激光束為矩形光斑，所述矩形光斑的長度為16mm，所述矩形光斑的寬度2mm，所述激光束的掃描線速度為540 780mm/min，所述激光束的掃描方向垂直于所述矩形光斑的長度方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆用組合物粉末包括0.01 0. 15%的 C， 0.5% I. 0%的 Si， 0.4% 0. 8%的 Mn,17. 5%~ 19. 5%的 Cr, 21% 25%的 Ni， 余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)； 其中，以上各種元素的含量為重量百分比含量。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述激光熔覆用合金粉末包括0.05 0. 20%的 C， 1.0% I. 5%的 Si， 0.4% 0. 8%的 Mn,15. 0%~ 15. 8%的 Cr, 4.0% 4. 5%的 Ni， 余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)； 其中，以上各種元素的含量為重量百分比含量。
7.根據(jù)權(quán)利要求I 6中任意一項所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述液壓支架的立柱的外徑為200 400_。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光熔覆方法，其特征在于，所述液壓支架的立柱的外徑為.350 400mm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種激光熔覆方法，屬于激光加工制造領(lǐng)域。該激光熔覆方法的特征在于，在液壓支架的立柱的表面上，利用半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的激光束，熔化激光熔覆用合金粉末，來形成激光熔覆層；所述半導(dǎo)體激光器是指以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)，利用半導(dǎo)體材料在能帶間躍遷而發(fā)光的激光器；所述液壓支架的立柱主要是以27SiMn合金鋼材料為主。該激光熔覆方法，可以提高激光束的能量吸收效率高，并且，電能利用率高，從而節(jié)省了耗電量。
文檔編號C22C38/40GK102677045SQ201210159369
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月22日
發(fā)明者周峰, 李倫實(shí), 李希勇, 杜伯奇, 楊帆, 楊慶東, 蘇倫昌, 董春春 申請人:山東能源機(jī)械集團(tuán)大族再制造有限公司