本申请要求于 2012年 5月 22日提交的申请号为 201210159369.8，发明名 称为一种激光熔覆方法的中国专利申请的优先 权， 其全文引用在此供参考。 技术领域

本发明涉及一种激光熔覆方法， 属于激光加工制造领域。

背景技术

液压支架立柱是矿山开采设备中的关键部件， 在国内，对于液压支架立柱 通常采用镀铬的方法进行表面处理， 从而来防止表面的生锈以及防腐蚀。 然而 镀铬层的耐磨性较差， 一般经过 1〜1.5年之后， 镀铬层就会出现起皮以及脱皮 等现象， 因此，乳化液就会腐蚀立柱表面，从而会影响 到液压支架的使用效果。

公告为 CN101875128B 的中国专利公开了一种矿用液压支架立柱的激 光 熔覆方法， 其通过特定的激光熔覆工艺条件来熔覆三层冶 金材料，从而解决了 矿用液压支架立柱表面的耐磨性、 防腐蚀性的问题， 提高了使用寿命。 具体的 技术方案是， 在对矿用液压支架立柱进行表面处理之后， 进行预热， 然后在特 定的工艺条件下， 用熔覆用合金粉末材料依次镀覆底层、 中层和面层。 其中， 底层选用的熔覆用合金粉末材料的重量百分比 为 0.1%的 C、 3.2%的 Si、 0.5% 的 Mn、 10.2%的 Cr、 8.8%的 、 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 碳为工作物质的激光器。 然而利用二氧化碳激光器进行激光熔覆时，从 二氧化 碳激光器出来的激光照射在液压支架的立柱上 ，对激光束的能量吸收利用率很 低。 并且， 在该工艺中电能消耗较大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种激光 熔覆方法，该激光熔覆方法， 可以提高激光束能量的吸收利用率， 并且电能利用率高， 从而节省了耗电量。

具体地， 本发明所提供的技术方案如下： 技术方案 1.

一种激光熔覆方法， 在液压支架的立柱的表面上， 利用半导体激光器所发 出的激光束， 熔化激光熔覆用合金粉末， 来形成激光熔覆层。

技术方案 2.

根据技术方案 1所述的激光熔覆方法， 其改变之处在于，从半导体激光器 的激光束出口到液压支架的立柱的表面的距离 为 150~250mm, 所述半导体激 光器所发出的激光束的能量密度为 109.38W/mm ² 以上。

技术方案 3.

根据技术方案 2所述的激光熔覆方法， 其改变之处在于，从半导体激光器 的激光束出口到液压支架的立柱的表面的距离 为 190〜220mm, 所述半导体激 光器所发出的激光束的能量密度为 112.63 W/mm ² 以上。

技术方案 4.

根据技术方案 3所述的激光熔覆方法， 其改变之处在于， 所述激光熔覆用 合金粉末的供给速度为 38~40g/min， 所述激光熔覆用合金粉末的直径为 44~178μιη;

所述激光束为矩形光斑， 所述矩形光斑的长度为 16mm， 所述矩形光斑的 宽度 2mm， 所述激光束的扫描线速度为 540〜780mm/min， 所述激光束的扫描 方向垂直于所述矩形光斑的长度方向。

技术方案 5.

根据技术方案 1所述的激光熔覆方法， 其改变之处在于， 所述激光熔覆用 组合物粉末包括：

0.0卜 0.15%的 C,

0.5%〜1.0%的 Si,

0.4%〜0.8%的 Mn，

17.5%〜19.5%的 Cr,

21%〜25%的 Ni，

余量的 Fe和不可避免的杂质；

其中， 以上各种元素的含量为重量百分比含量，

技术方案 6. 根据技术方案 1所述的激光熔覆方法，其改变之处在于， 所述激光熔覆用 组合物粉末包括：

0.05〜0.20%的 C,

1.0%~1.5%的 Si，

0·4%~0.8%的 Mn,

15.0%~15·8%的 Cr，

4.0%~4.5%的 Ni,

余量的 Fe和不可避免的杂质；

其中， 以上各种元素的含量为重量百分比含量，

技术方案 7.

根据技术方案 1〜6中任意一项所述的激光熔覆方法，其改变� ��处在于，所 述液压支架的立柱的外径为 200~400mm。

技术方案 8.

根据技术方案 7所述的激光熔覆方法， 其改变之处在于， 所述液压支架的 立柱的外径为 350~400mm。

才艮据技术方案 1的激光熔覆方法，对半导体激光器的激光束� �量吸收利用 率高， 且由于半导体激光器的能量转换效率高， 所以还提高了电能利用率， 节 省耗电量。

另外， 在本发明的技术方案中， 由于使用了半导体激光器， 所以连续工作 时间可以 ί艮长， 例如， 在具体的实施例工艺中， 连续工作时间可以达到 15000 小时以上， 然而如果使用二氧化碳激光器， 那么连续工作时间较短， 因为通常 每 24小时就需要进行一次抽真空操作。

根据技术方案 2〜3的激光熔覆方法，其是对技术方案 1的改进， 筛选出良 好的工艺参数，即优化了从半导体激光器的激 光束出口到液压支架的立柱的表 面的距离和半导体激光器所发出的激光束的能 量密度之间的配合关系，从而能 够有效地进行激光熔覆。

技术方案 4是一种具体的实施形态， 其中限定了多种工艺 ¾， 为本领域 的技术人员提供一种明确的操作工艺参氣

根据上述的技术方案 5的方法所获得的液压支架的立柱，由于激光� �覆层 的组成采用了特定的组成， 所以能够得到良好的表面硬度、使用寿命、 熔覆层 与金属基体的结合强度和耐盐雾性能。该液压 支架的立柱的表面熔覆层硬度能 够达到 30 HRC以上， 矿井中使用寿命为 5年以上， 熔覆层与立柱基体的结合 强度能够达到 310MPa以上， 耐盐雾性能 96小时以上无变化。

根据上述的技术方案 6的方法所获得的液压支架的立柱，一方面， 其可以 满足根据技术方案 5的方法所获得的液压支架的立柱的各种性能� � 例如，矿井 中使用寿命为 5年以上，熔覆层与立柱基体的结合强度能够� �到 310MPa以上， 耐盐雾性能 96小时以上无变化。 除此之外， 熔覆层硬度能够达到 45 HRC以 上。 而且， 由于 Ni含量较低， 所以成本较低。

根据技术方案 7和 8所述的激光熔覆方法，其给出了优选地液压� �架的立 柱的外径。 并且， 液压支架的立柱的外径越大越好。 这是因为， 液压支架的立 柱的外径越大， 立柱的外表面越接近于平面， 可以使得半导体激光器所发出的 激光束在液压支架的立柱的表面的能量分布越 均勾。但是另一方面， 液压支架 的立柱的表面的外径又不能够太大， 原因在于， 如果需要加工的液压支架的立 柱的外径过大， 就需要更大的液压支架的立柱的夹持和支撑装 置。 因此， 优选 的液压支架的立柱的外径为 200〜400mm, 更优选为 350~400mm。 在此范围内 的话， 既可以实现均匀的熔覆， 又可以节省其他设备的负荷。 具体实施方式

为了使得本领域的技术人员能够更加清楚地了 解本发明的技术方 下面 结合实施例进行详细说明。

实施例 1

本实施例是矿用液压支架立柱的激光熔覆方法

本实施例所使用的液压支架立柱为新汶矿业集 团新巨龙能源有限公司使 用的矿用液压支架的立柱， 该立柱是以 27SiMn为基体的液压支架的立柱， 直 径为 300mm。

采用以下方法进行激光熔覆：

( 1 )将矿用液压支架立柱进行除锈、 毛化处理。

( 2 )装入激光加工机床， 该激光加工机床为半导体激光加工机床（即， 包含半导体激光器的加工机床)。

( 3 )在主轴 C的旋转运动及激光头 X线性轴的进给运动配合下， 在一个 工步中送粉与激光熔覆同步进^； 半导体激光激光器的输出功率为 4000W, 从半导体激光器的激光束出口到液压支架的立 柱的表面的距离为 200mm， 激 光扫描线速度为 540 mm/min, 激光束为 16*2 mm的矩形光斑（长为 16mm, 宽为 2mm ); 进行扫描熔覆的方式进行熔覆；

采用的激光熔覆用组合物为粉末状， 粒径为 44〜： 178 μηι。 该组合物包含 0.05%的 C, 1.5%的 Si， 0.4%的 Mn， 15.8%的 Cr, 4.0%的 Ni， 余量的 Fe和 不可避免的极少量杂质。 该激光熔覆用合金粉末的送粉速度为 38〜40g/min。

( 4 )进行机械力口工。

需要说明的是， 在本实施例中， 半导体激光器的总装机功率为 45KW (千 瓦）， 半导体激光器的连续输出功率为 4000W, 金属材料吸收率（立柱的吸收 率） 为 80%, 半导体激光器的尺寸为 260mmx l l8mmx450mm， 半导体激光器 的重量为 27kg， 连续工作时间可以达到 15000小时。

在本实施例中 , 金属材料所吸收的热量为 3200KW。

对于得到的立柱进行试验测试， 各项性能指标如下：

( 1 )无裂纹。

( 2 )熔覆层硬度能够达到 45 HRC以上， 矿井中使用寿命为 5年以上， 熔覆层与立柱基体的结合强度能够达到 310MPa以上， 耐盐雾性能 96小时以 上无变化。

关于使用寿命，该立柱已经在新汶矿业集团新 巨龙能源有限公司的推广使 用， 效果良好， 目前已在采面使用 4年， 没有出现任何质量问题。

关于耐盐雾性能试验， 采用的是中国国家标准 GB/T10125-1997, 试验所 用的药品为氯化钠的水溶液， 浓度为 50g/L士 5g/L, PH 为 6.5~7.2, 温度为 35°C±2。 (：。

由于本实施例中的 Ni含量不高， 所以成本较低。

实施例 2

本实施例是矿用液压支架立柱的激光熔覆方法

本实施例所使用的液压支架立柱为新汶矿业集 团新巨龙能源有限公司使 用的矿用液压支架的立柱， 该立柱是以 27SiMn为基体的液压支架的立柱， 直 径为 400mm。

采用以下方法进行激光熔覆：

( 1 )将矿用液压支架立柱进行除锈、 毛化处理。

( 2 )装入激光加工机床， 该激光加工机床为半导体激光加工机泉

( 3 )在主轴 C的旋转运动及激光头 X线性轴的进给运动配合下， 在一个 工步中送粉与激光熔覆同步进 半导体激光激光器的输出功率为 4000W, 从半导体激光器的激光束出口到液压支架的立 柱的表面的距离为 250mm， 激 光扫描线速度为 600mm/min， 激光束为 16*2mm的矩形光斑（长为 16mm， 宽 为 2mm )； 进行扫描熔覆的方式进行熔覆；

采用的激光熔覆用合金为粉末状，粒径为 44〜178 μηι。该组合物包含 0.15% 的 C, 1.0%的 Si, 0.8%的 Mn， 15.0%的 Cr, 4.5%的 Ni, 余量的 Fe和不可避 免的杂质。 该激光熔覆用合金的送粉速度为 38〜40g/min。

( 4 )进行机械力口工。

需要说明的是， 在本实施例中， 半导体激光器的总装机功率为 45KW (千 瓦）， 连续输出功率为 4000W, 金属材料吸收率为 80%, 半导体激光器的尺寸 为 260mmxl l 8mmx450mm, 半导体激光器的重量为 27kg， 半导体激光器的连 续工作时间可以达到 15000小时。

对于得到的立柱进行试验测试， 各项性能指标如下：

( 1 )无裂紋。

( 2 )熔覆层硬度能够达到 45 HRC以上， 矿井中使用寿命为 5年以上， 熔覆层与立柱基体的结合强度能够达到 310MPa以上， 耐盐雾性能 96小时以 上无变化。 实施例 3

本实施例是矿用液压支架立柱的激光熔覆方法

本实施例所使用的液压支架立柱为新汶矿业集 团新巨龙能源有限公司使 用的矿用液压支架的立柱， 该立柱是以 27SiMn为基体的液压支架的立柱， 直 径为 350mm。 釆用以下方法进 4于激光熔覆：

( 1 )将矿用液压支架立柱进行除锈、 毛化处理。

( 2 )装入激光加工机床， 该激光加工机床为半导体激光加工机束

( 3 )在主轴 C的旋转运动及激光头 X线性轴的进给运动配合下， 在一个 工步中送粉与激光熔覆同步进^; 半导体激光激光器的输出功率为 4000W, 从半导体激光器的激光束出口到液压支架的立 柱的表面的距离为 250mm， 激 光扫描线速度为 600mm/min, 激光束为 16*2mm的矩形光斑（长为 16mm， 宽 为 2mm ); 进行扫描熔覆的方式进行熔覆；

采用的激光熔覆用组合物为粉末状， 粒径为 44~178 μ!η。 该组合物包含 0.15%的 C, 1.0%的 Si, 0.8%的 Mn, 18.0%的 Cr， 22.0%的 Ni， 余量的 Fe和 不可避免的杂质。 该激光熔覆用合金粉末的送粉速度为 38~40g/min。

( 4 )进行机械力口工。

需要说明的是， 在本实施例中， 半导体激光器的总装机功率为 45KW, 连 续输出功率为 4000W , 金属材料吸收率为 80%， 半导体激光器的尺寸为 260mm l l 8mmx450mm, 半导体激光器的重量为 27kg, 半导体激光器的连续 工作时间可以达到 15000小时。

对于得到的立柱进行试验测试， 各项性能指标如下：

( 1 )无裂纹。

( 2 )熔覆层硬度能够达到 30 HRC以上， 矿井中使用寿命为 5年以上， 熔覆层与立柱基体的结合强度能够达到 310MPa以上， 耐盐雾性能 96小时以 上无变化。 对比实施例 1

本实施例是矿用液压支架立柱的激光熔覆方法

本实施例所使用的液压支架立柱为新汶矿业集 团新巨龙能源有限公司使 用的矿用液压支架的立柱， 该立柱是以 27SiMn为基体的液压支架的立柱， 直 径为 300mm。

采用以下方法进行激光熔覆：

( 1 )将矿用液压支架立柱进行除锈、 毛化处理。 ( 2 )装入激光加工机床， 该激光加工机床为二氧化碳激光加工机床 (包 含二氧化碳激光器的加工机床)。

( 3 )在主轴 C的旋转运动及激光头 X线性轴的进给运动配合下， 在一个 工步中送粉与激光熔覆同步进 ^"； 二氧化碳激光激光器的输出功率为 8000W, 从激光器的激光束出口到液压支架的立柱的表 面的距离为 300mm, 激光扫描 线速度为 480mm/min， 激光束为 15*2.5mm的矩形光斑（长为 15mm, 宽为 2.5mm ); 进行扫描熔覆的方式进 t熔覆；

采用的激光熔覆用合金粉末， 粒径为 44〜178 μιη。 该组合物包含 0.02%的 C, 1.5%的 Si, 0.4%的 Mn， 15.8%的 Cr， 4.0%的 Ni, 余量的 Fe和不可避免 的杂质。 该激光熔覆用合金粉末的送粉速度为 38〜40g/min。

( 4 )进行机械力口工。

需要说明的是， 所述二氧化碳激光器是指以二氧化碳为工作物 质， 利用二 氧化碳在能带间跃迁而发光的激光器。在本实 施例中， 二氧化碳激光器的总装 机功率为 175KW, 二氧化碳激光器的连续输出功率为 8000W, 金属材料吸收 率 （ 立柱 的 吸收率 ） 为 40%， 二氧化碳激光器 的 尺寸 为 2500mmx l 500mmx2300mm,二氧化碳激光器的重量为 4000kg,连续工作时间 为 24小时， 因为每隔 24小时该种激光器需要进行抽真空处理。

在本实施例中， 金属材料所吸收的热量为 3200KW。

可以看出， 二氧化碳激光器体积大， 操作非常不便。 另外， 二氧化碳激光 器的连续输出功率不能够降低到 4000W, 也就不能够大幅度降低耗电量。

对于得到的立柱进行试验测试， 各项性能指标如下：

( 1 )无裂纹。

( 2 )熔覆层硬度能够达到 45 HRC以上， 矿井中使用寿命为 5年以上， 熔覆层与立柱基体的结合强度能够达到 310MPa以上， 耐盐雾性能 96小时以 上无变化。