大功率光纤激光内孔熔覆装备开发及应用研究（大功率光纤激光内孔熔覆装备开发及应用）

近年来，国内激光技术发展迅速。以液压支撑柱激光熔覆的经验作为技术参考，采用激光熔覆技术在构件的外表面上形成熔覆层，不仅可以提高构件的耐磨性和耐腐蚀性，而且还可以提高构件的耐磨性和耐腐蚀性。它还可以制造和再制造具有磨损和腐蚀的部件。然而，圆柱体内部狭窄，现有的激光和熔覆工艺无法实现圆柱体内壁的熔覆，阻碍了激光内壁熔覆技术的工业化应用。如何对气缸内壁进行激光熔覆是一个值得研究的技术问题。

针对现有技术的各种缺点，提出一种有效提高气缸内壁耐磨性、延长立柱使用寿命、提高气缸内壁激光熔覆可操作性的方法，适应高新技术、自动化企业。制定所需的圆筒内壁熔覆方法，包括内壁熔覆设备系统的开发设计和技术工艺验证，以期为激光熔覆内壁技术的应用提供一些实际参考。

1 实验材料与方法

所用合金粉末为自主研发的铁基合金粉末SN-135。粉末粒径为-100~+270目，配料配比见表1。所用基材为液压支架用油缸，规格为500301500mm。母材为27SiMn，成分如表2所示。

选择光纤激光加工系统，激光功率为4000-4200W，激光光斑为矩形，尺寸为10mm2mm，焦距为150mm，激光扫描线速度为500-750mm/min，步距为5mm/s，送粉速度采用的激光溅射保护气体为氩气，载气量为8-15L/min，单边熔覆厚度为1-2mm。

熔覆样品机械加工后，采用线切割切割环形样品进行中性盐雾实验（试验温度352，盐雾沉降速率1.2ml/80cmh，5%NaCl溶液）。沿垂直于扫描方向的线切割10mm10mm10mm的试块。用砂纸打磨抛光后，采用HVS-1000A数显显微硬度计进行硬度梯度测试。经过4%硝酸酒精溶液腐蚀后，蔡司使用AxioLab.A1金相显微镜观察熔覆层的组织。平面规格为50 mm50 mm，从筒体上切下包覆区和非包覆区的弧形试件，并平整表面，制备规格为438的圆形端面摩擦磨损试件。毫米。

2 内孔熔覆设备设计

内孔表面激光熔覆加工头的主要结构集成了激光光路系统、水冷系统、送粉系统、气路系统等。由于空间限制，激光内孔熔覆加工头的设计有以下几种：与普通表面覆层相比的优点。其特殊性和难点。根据实际应用需求，设计了内孔熔覆头、导光管、气体保护装置、送粉喷嘴固定及调节装置，重点是短焦距积分镜的设计与制造。

(1)内孔熔覆头：我们设计了适合大孔径和小孔径内孔熔覆的熔覆头。熔覆头适用于波长1064nm。具有光纤接口QBH接口，可熔覆内孔最大深度1500mm，送粉方式为单通道侧轴送粉。小直径内孔熔覆头可承受功率3.0kW，可实现熔覆的内孔直径范围为100-300mm；大直径内孔熔覆头可承受功率5kW，内孔内径适合>300mm。

(2)积分镜：设计焦距为150mm、光斑尺寸为152.5mm的积分镜。

(3)导光管：该设计将导光管模块化，可适当增加或删减中间管的节数，可满足不同长度内孔包覆组件的技术需要。

通过对设计的单元模块的集成和调试，图1所示为完整的内孔熔覆加工头系统。该系统具有以下特点： 1）导光管长度可调。该设计将导光管模块化，可适当增加或删减中间管的节数，可满足不同长度内孔包覆件的技术需求； 2）特殊送粉喷嘴滑动装置。送粉嘴安装处设计有滑道，可实现送粉嘴的全方位调节，方便快捷，易于操作； 3）熔覆头具有保护气体功能。由于内孔熔覆表面的空间限制，即使是肉眼可见的缺陷也不容易被发现，更不用说修复了。因此，从工艺源头控制缺陷的发生是关键。首先，需要在熔覆头处设计保护气体装置，可以有效保护积分镜，避免熔覆过程中飞扬的灰尘和粉末对积分镜的污染； 4）导光管黑色阳极氧化；灯管采用黑色阳极氧化处理，可有效防止反射引起的导光管过热。

(4)散热装置：由于内孔熔覆层空间狭小，热量不易散发，热量的过度积累会引起熔覆层结构的变化，甚至引起变形。在待加工管道的外表面上安装冷气源。与激光头同步送料，对激光头熔覆后的管材进行冷却。冷气源压力为6-10bar，输出冷风温度为-45至-40，进气量为0.7-1.2m3/min。

3 过程验证及结果讨论

3.1 熔覆工艺开发

通过大量熔覆工艺试验，对内孔熔覆系统和熔覆参数进行了调试和改进。图2(a)所示为所研制的内孔激光熔覆加工头对27SiMn不锈钢圆柱体内壁表面进行熔覆的情况。图2(b)显示了该试件的熔覆成型效果。可见内壁表面熔覆层均匀光滑，无砂眼、裂纹缺陷，成型良好。另外，该散热系统减少了熔覆热对加工管材的影响，有效减少了管件的变形，有利于减少管件内壁熔覆面的机械加工去除量，从而显着减少后续加工工序，降低能耗。

合金粉末必须经过严格筛选。据悉，合金粉末制备的关键在于颗粒尺寸的均匀性。如果粒度不均匀，大小粒度之间会相互脱碳，应力分布不均匀，很容易导致熔覆层裂纹等缺陷的形成。并且严重影响送粉和熔化过程。图3显示了本实验所选择的合金粉末的粒径。可以看出，粉末颗粒呈圆形分布，球形粒径较为均匀光滑，球形度较高，粒径直径约为63.6m139.6m。粒度均匀、球形度高的合金粉末流动性高，能有效保证熔覆粉末送粉顺畅、均匀，有利于降低熔覆缺陷发生的概率。

其次，需要控制热量积累。激光熔覆是一个突然加热和冷却的过程。熔池停留时间短，部分生成的硼硅酸盐等低熔点化合物来不及浮到熔覆层表面。它们保留在熔覆层中并成为潜在的缺陷源。因此，需要利用散热系统合理控制狭窄空间内的热量输入和散发，以保证正常包覆所需的环境条件。

3.2 熔覆层显微组织

图4显示了包层的组织结构。从图4(a)和(b)可以看出，熔覆层无裂纹、气孔等缺陷，组织呈细密的枝晶状。结合界面清晰、光滑，可见亮白色窄带，表明熔覆层与基体之间存在冶金结合。在高激光功率下，基体和熔覆材料吸收的有效能量密度大，熔池停留时间短，突然加热和冷却。因此，激光熔覆层的组织较为细小、均匀，主要组织为马氏体和少量残余奥氏体。如图（c）所示，结合界面附近基体组织的细晶区，该区域冷却后形成相对粗大的回火马氏体。

3.3熔覆层硬度检测

内孔熔覆样品经过机械加工，有效熔覆层厚度保留在0.5mm。取样进行断面硬度检测，在折线处以0.25mm间隔取检测点。硬度梯度曲线如图5所示。从图中可以看出，熔覆层厚度范围内，平均硬度值为300-320HV1，结合界面周围没有明显波动，平均硬度为基体为230-300HV1，熔覆层和基体的硬度比较稳定，且熔覆层的硬度略高于基体。这是因为Cr、Mo、Nb等元素是强碳化物形成元素，当热输入足够大时，可以生成较多的碳化物；结合界面附近的显微硬度值略低于熔覆层的硬度，这可能是因为基体对熔覆层有一定的稀释作用，靠近基体的熔覆层会出现比较粗大的外延生长枝晶，有效提高气缸内壁的耐磨性。同时，该硬度值有利于缸体内壁熔覆层的车削、磨削等后续加工操作。

3.4熔覆层耐磨性

分别取基体和熔覆层样品，清洗干燥后称重作为原重量，采用MMU-10G微机控制高温摩擦磨损试验机检测耐磨性能。用45 钢进行反磨削操作。反磨时间控制在1.5小时。再次清洗、干燥后，用万分之一电子天平称重，作为佩戴后的重量。计算因磨损而损失的重量。重复实验三次。数据如表3所示。在3次反磨过程中，熔覆样品的磨损重量明显低于基体样品，表明采用该技术方法熔覆的气缸内壁的耐磨性能比柱基好。耐磨性约为基体的1.5倍。

4。结论

高功率光纤内孔熔覆设备和技术工艺可以有效提高筒体内壁的耐磨性，延长立柱的使用寿命。所开发的内孔熔覆头提高了圆筒内壁激光熔覆的可操作性，合金粉末与圆筒内壁形成有效的冶金结合。熔覆层硬度适中，赋予熔覆层良好的延展性。且韧性好，有利于窄缸内壁熔覆面的加工，满足油缸的工业使用要求。