СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ПЛАКИРОВАНИЯ
METHOD FOR LASER CLADDING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу лазерного плакирования, которое принадлежит к области техники лазерной обработки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Гидравлические опорные стойки являются ключевыми компонентами в горно-шахтном оборудовании. В Китае гидравлические опорные стойки обычно имеют поверхность, обработанную способом хромирования таким образом, чтобы предотвратить ржавление поверхности и для предотвращения коррозии. Однако эксплуатационные показатели хромированного слоя по истираемости являются плохими, и обычно может происходить отслаивание или отшелушивание хромированного слоя после 1-1,5 лет. Следовательно, поверхность стойки может коррозировать эмульсией таким образом, что может оказываться влияние на эффект от использования гидравлической стойки.
В патенте Китая № CN101875128B раскрыт способ лазерного плакирования горно-шахтной гидравлической стойки, согласно которому три слоя металлургических материалов плакируют при определенных условиях способа лазерного плакирования таким образом, что решаются проблемы эксплуатационных показателей по истираемости и с антикоррозийными показателями поверхности горно-шахтной гидравлической стойки, и увеличивается ее срок службы. В подробностях техническое решение представляет собой: осуществление предварительного нагревания после того, как поверхность горно-шахтной гидравлической стойки будет обработана, затем плакирование нижнего слоя, среднего слоя и верхнего слоя последовательно, с порошковым материалом сплава для плакирования. Здесь выбранный порошковый материал сплава для плакирования для нижнего слоя включает в себя: 0,1% C, 3,2% Si, 0,5% Mn, 10,2% Cr, 8,8% Ni, 0,8% Nb, 0,1% B, 0,5% P и остаточное количество Fe.
В вышеуказанном способе лазерного плакирования используемый лазер представляет собой лазер на диоксиде углерода, т.е. лазер, функционирующий с диоксидом углерода в качестве активной среды. Однако когда для осуществления лазерного плакирования используют лазер на диоксиде углерода, лазерный луч, выходящий из лазера на диоксиде углерода, облучает стойку, и поглощение и эффективность использования энергии лазерного луча являются очень низкими. Также потребление электроэнергии в способе является относительно большим.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для решения вышеупомянутых технических проблем в настоящем изобретении создан способ лазерного плакирования, с которым увеличивается эффективность поглощения и использования энергии лазерного луча, увеличивается эффективность использования электроэнергии так, что снижается энергопотребление.
Ниже подробно описаны технические решения, обеспечиваемые настоящим изобретением:
РЕШЕНИЕ 1
Способ лазерного плакирования с использованием лазерного луча, испускаемого полупроводниковым лазером, для расплавления порошка сплава для лазерного плакирования на поверхности гидравлической стойки, таким образом, что образуется плакированный лазером слой.
РЕШЕНИЕ 2
2
Способ лазерного плакирования в соответствии с решением 1, измененный в том, что расстояние от выхода лазерного луча полупроводникового лазера до поверхности гидравлической стойки находится в диапазоне 150-250 мм, и интенсивность энергии лазерного луча, испускаемого полупроводниковым лазером, составляет более 109,38 Вт/мм.
РЕШЕНИЕ 3
2
Способ лазерного плакирования в соответствии с решением 1, измененный в том, что расстояние от выхода лазерного луча полупроводникового лазера до поверхности гидравлической стойки находится в диапазоне 190-220 мм, и интенсивность энергии лазерного луча, испускаемого полупроводниковым лазером, составляет более 112,63 Вт/мм.
РЕШЕНИЕ 4
Способ лазерного плакирования в соответствии с решением 1, измененный в том, что порошок сплава для лазерного плакирования подают со скоростью в 38-40 г/мин, и диаметр порошка сплава для лазерного плакирования находится в диапазоне 44-178 мкм;
Лазерный луч представляет собой прямоугольную область длиной в 16 мм и шириной в 2 мм, и скорость сканирования лазерного луча находится в диапазоне 540-780 мм/мин, при этом направление сканирования лазерного луча является перпендикулярным направлению длины прямоугольной области.
РЕШЕНИЕ 5
Способ лазерного плакирования в соответствии с решением 1, измененный в том, что порошок сплава для лазерного плакирования включает в себя:
0,01%-0,15% С,
0,5%-1,0% Si,
0,4-0,8% Mn,
17,5%-19,5% Cr,
21%-25% Ni,
остаточное количество Fe и неизбежные примеси;
причем содержание каждого элемента выше представляет собой содержание в весовых процентных долях.
РЕШЕНИЕ 6
Способ лазерного плакирования в соответствии с решением 1, измененный в том, что порошок сплава для лазерного плакирования включает в себя:
0,05%-0,20% С,
1,0%-1,5% Si,
0,4-0,8% Mn,
15,0%-15,8% Cr,
4,0%-4,5% Ni,
остаточное количество Fe и неизбежные примеси;
причем содержание каждого элемента выше представляет собой содержание в весовых процентных долях.
РЕШЕНИЕ 7
Способ лазерного плакирования в соответствии с любым из решений 1-6, измененный в том, что диаметр гидравлической стойки находится в диапазоне 200-400 мм.
РЕШЕНИЕ 8
Способ лазерного плакирования в соответствии с решением 7, измененный в том, что диаметр гидравлической стойки находится в диапазоне 350-400 мм.
В способе лазерного плакирования в соответствии с решением 1 эффективность поглощения и использования энергии лазерного луча является высокой, и из-за высокой эффективности перехода энергии полупроводникового лазера эффективность использования электроэнергии увеличивается, а потребление энергии снижается.
Кроме того, в решениях по настоящему изобретению время непрерывной работы может являться очень большим, так как используется полупроводниковый лазер. Например, в процессе реализации непрерывное время работы может превышать 15000 часов. Однако когда используют лазер на диоксиде углерода, время непрерывной работы является меньшим, поскольку обычно раз в 24 часа требуется проводить операцию вакуумной откачки.
Со способами лазерного плакирования в соответствии с решениями 2-3, улучшенными по отношению к решению 1, выбираются хорошие параметры способа, т.е. взаимосвязь между расстоянием от выхода лазерного луча полупроводникового лазера до поверхности гидравлической стойки, и плотность энергии лазерного луча, испускаемого полупроводниковым лазером, является оптимизированной таким образом, что лазерное плакирование осуществляется эффективно.
Решение 4 представляет собой подробный вариант осуществления, в котором многие параметры способа определены таким образом, что для специалистов в данной области техники приведены точные эксплуатационные параметры способа.
Касательно гидравлической стойки, полученной в соответствии с вышеприведенным решением 5, можно обеспечить хорошую твердость поверхности, долгий срок службы, высокую прочность сцепления между плакированным лазером слоем и металлическим телом и хорошую стойкость к действию солевого тумана из-за особого состава плакированного лазером слоя. Твердость плакированного слоя на поверхности гидравлической стойки может превышать 30 единиц твердости по Роквеллу (HRC), срок службы в шахтах составляет более 5 лет, прочность сцепления между плакированным слоем и металлическим телом может превышать 310 МПа, а стойкость к действию солевого тумана можно поддерживать в течение 96 часов.
Касательно гидравлической стойки, полученной в соответствии с вышеприведенным решением 6: с одной стороны, гидравлическая стойка обладает всеми рабочими характеристиками, полученными в соответствии с вышеприведенным решением 5. Например, срок службы в шахтах составляет более 5 лет, прочность сцепления между плакированным слоем и металлическим телом может превышать 310 МПа, а стойкость к действию солевого тумана можно поддерживать в течение 96 часов. Более того, твердость плакированного слоя может превышать 45 HRC. Также стоимость является низкой из-за низкого содержания Ni.
Со способом лазерного плакирования в соответствии с решениями 7 и 8 дан предпочтительный внешний диаметр гидравлической стойки. Также лучше, чтобы внешний диаметр гидравлической стойки являлся большим. Это из-за того, что когда внешний диаметр гидравлической стойки является большим, внешняя поверхность стойки будет ближе к плоскости, и тогда энергия лазерного луча, испускаемого полупроводниковым лазером, будет распределяться по поверхности гидравлической стойки более равномерно. Но, с другой стороны, внешний диаметр поверхности гидравлической стойки не должен быть слишком большим. Это вызвано тем, что если внешний диаметр гидравлической стойки является слишком большим, требуются большие устройства крепления и большие устройства переноса. Следовательно, внешний диаметр предпочтительной гидравлической стойки находится в диапазоне 200-400 мм, более предпочтительно 350-400 мм. Когда внешний диаметр находится в вышеуказанных диапазонах, можно добиться равномерного крепления, и нагрузки на другие устройства можно снизить.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Решения по настоящему изобретению будут подробно описаны по отношению к вариантам осуществления таким образом, что решения по настоящему изобретению будут являться более очевидными специалистам в данной области техники.
ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Вариант осуществления представляет собой способ лазерного плакирования гидравлической стойки. Гидравлическая стойка, используемая в варианте осуществления, представляет собой горно-шахтную гидравлическую стойку, используемую XINJULONG ENERGY CO., LTD, XINWEN MINING GROUP. Стойка представляет собой гидравлическую стойку с телом из 27SiMn и диаметром 300 мм.
Лазерное плакирование осуществляют следующим способом:
1. Осуществляют процесс удаления ржавчины и процесс текстурирования горно-шахтной гидравлической стойки.
2. Монтируют горно-шахтную гидравлическую стойку в машину лазерной обработки, которая представляет собой полупроводниковую машину лазерной обработки, т.е. машину лазерной обработки с полупроводниковым лазером.
3. При содействии вращательного движения основного вала С и движения подачи линейного вала головки лазера Х подача порошка и лазерное плакирование осуществляют одновременно в один этап. Выходная мощность полупроводникового лазера составляет 4000 Вт, расстояние от выхода лазерного луча полупроводникового лазера до поверхности гидравлической стойки составляет 200 мм, скорость сканирования лазерного луча составляет 540 мм/мин, и лазерный луч представляет собой прямоугольную область 16*2 (длиной 16 мм и шириной 2 мм). Проводят плакирование способом плакирования со сканированием.
Принятая композиция для лазерного плакирования находится в порошковой форме с размером частиц в диапазоне 44-178 мкм. Композиция включает в себя 0,05% С, 1,5% Si, 0,4% Mn, 15,8% Cr, 4,0% Ni, остаточное количество Fe и некоторые неизбежные примеси. Порошок сплава для лазерного плакирования подают со скоростью подачи порошка в 38-40 г/мин.
4. Проводят обработку.
Следует отметить, что в варианте осуществления общая установленная мощность полупроводникового лазера составляет 45 КВт (киловатт), непрерывная выходная мощность полупроводникового лазера составляет 4000 Вт, эффективность поглощения металлического материала (т.е. эффективность поглощения стойки) составляет 80%, размеры полупроводникового лазера составляют 260 мм×118 мм×450 мм, вес полупроводникового лазера составляет 27 кг, а время непрерывной работы может достигать 15000 часов.
В варианте осуществления теплота, поглощенная металлическим материалом, составляет 3200 КВт.
Далее приведены показатели эффективности, испытанные в экспериментах и испытаниях с полученной стойкой:
1. Отсутствие трещин.
2. Твердость плакированного слоя может превышать 45 HRC, срок службы в шахтах составляет более 5 лет, прочность сцепления между плакированным слоем и металлическим телом может превышать 310 МПа, а стойкость к действию солевого тумана можно поддерживать в течение 96 часов.
Касательно срока службы: стойку распространяли и использовали в XINJULONG ENERGY CO., LTD, XINWEN MINING GROUP с хорошими результатами. Стойку использовали в очистном забое в течение четырех лет без каких-либо проблем с качеством.
Касательно эксперимента на стойкость к действию солевого тумана: принят национальный китайский стандарт GB/T10125-1997, и реактив, используемый в эксперименте, представляет собой водный раствор хлорида натрия с концентрацией 50 г/л±5 г/л, значением рН в 6,5-7,2 и температурой в 35°С±2°С.
Стоимость является низкой из-за низкого содержания Ni в варианте осуществления.
ВТОРОЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Вариант осуществления представляет собой способ лазерного плакирования гидравлической стойки. Гидравлическая стойка, используемая в варианте осуществления, представляет собой горно-шахтную гидравлическую стойку, используемую XINJULONG ENERGY CO., LTD, XINWEN MINING GROUP. Стойка представляет собой гидравлическую стойку с телом из 27SiMn и диаметром 400 мм.
Лазерное плакирование осуществляют следующим способом:
1. Осуществляют процесс удаления ржавчины и процесс текстурирования горно-шахтной гидравлической стойки.
2. Монтируют горно-шахтную гидравлическую стойку в машину лазерной обработки, которая представляет собой полупроводниковую машину лазерной обработки.
3. При содействии вращательного движения основного вала С и движения подачи линейного вала головки лазера Х подача порошка и лазерное плакирование осуществляют одновременно в один этап. Выходная мощность полупроводникового лазера составляет 4000 Вт, расстояние от выхода лазерного луча полупроводникового лазера до поверхности гидравлической стойки составляет 250 мм, скорость линейного сканирования лазерного луча составляет 600 мм/мин, и лазерный луч представляет собой прямоугольную область 16*2 (длиной 16 мм и шириной 2 мм). Проводят плакирование способом плакирования со сканированием.
Принятая композиция для лазерного плакирования находится в порошковой форме с размером частиц в диапазоне 44-178 мкм. Композиция включает в себя 0,15% С, 1,0% Si, 0,8% Mn, 15,0% Cr, 4,5% Ni, остаточное количество Fe и некоторые неизбежные примеси. Порошок сплава для лазерного плакирования подают со скоростью подачи порошка в 38-40 г/мин.
4. Проводят обработку.
Следует отметить, что в варианте осуществления общая установленная мощность полупроводникового лазера составляет 45 КВт (киловатт), непрерывная выходная мощность полупроводникового лазера составляет 4000 Вт, эффективность поглощения металлического материала (т.е. эффективность поглощения стойки) составляет 80%, размеры полупроводникового лазера составляют 260 мм×118 мм×450 мм, вес полупроводникового лазера составляет 27 кг, а время непрерывной работы может достигать 15000 часов.
Далее приведены показатели эффективности, испытанные в экспериментах и испытаниях с полученной стойкой:
1. Отсутствие трещин.
2. Твердость плакированного слоя может превышать 45 HRC, срок службы в шахтах составляет более 5 лет, прочность сцепления между плакированным слоем и металлическим телом может превышать 310 МПа, а стойкость к действию солевого тумана можно поддерживать в течение 96 часов.
ТРЕТИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Вариант осуществления представляет собой способ лазерного плакирования гидравлической стойки. Гидравлическая стойка, используемая в варианте осуществления, представляет собой горно-шахтную гидравлическую стойку, используемую XINJULONG ENERGY CO., LTD, XINWEN MINING GROUP. Стойка представляет собой гидравлическую стойку с телом из 27SiMn и диаметром 300 мм.
Лазерное плакирование осуществляют следующим способом:
1. Осуществляют процесс удаления ржавчины и процесс текстурирования горно-шахтной гидравлической стойки.
2. Монтируют горно-шахтную гидравлическую стойку в машину лазерной обработки, которая представляет собой полупроводниковую машину лазерной обработки.
3. При содействии вращательного движения основного вала С и движения подачи линейного вала головки лазера Х подачу порошка и лазерное плакирование осуществляют одновременно в один этап. Выходная мощность полупроводникового лазера составляет 4000 Вт, расстояние от выхода лазерного луча полупроводникового лазера до поверхности гидравлической стойки составляет 250 мм, скорость линейного сканирования лазерного луча составляет 600 мм/мин, и лазерный луч представляет собой прямоугольную область 16*2 (длиной 16 мм и шириной 2 мм). Проводят плакирование способом плакирования со сканированием.
Принятая композиция для лазерного плакирования находится в порошковой форме с размером частиц в диапазоне 44-178 мкм. Композиция включает в себя 0,15% С, 1,0% Si, 0,8% Mn, 18,0% Cr, 22,0% Ni, остаточное количество Fe и некоторые неизбежные примеси. Порошок сплава для лазерного плакирования подают со скоростью подачи порошка в 38-40 г/мин.
4. Проводят обработку.
Следует отметить, что в варианте осуществления общая установленная мощность полупроводникового лазера составляет 45 КВт (киловатт), непрерывная выходная мощность полупроводникового лазера составляет 4000 Вт, эффективность поглощения металлического материала (т.е. эффективность поглощения стойки) составляет 80%, размеры полупроводникового лазера составляют 260 мм×118 мм×450 мм, вес полупроводникового лазера составляет 27 кг, а время непрерывной работы может достигать 15000 часов.
Далее приведены показатели эффективности, испытанные в экспериментах и испытаниях с полученной стойкой:
1. Отсутствие трещин.
2. Твердость плакированного слоя может превышать 30 HRC, срок службы в шахтах составляет более 5 лет, прочность сцепления между плакированным слоем и металлическим телом может превышать 310 МПа, а стойкость к действию солевого тумана можно поддерживать в течение 96 часов.
ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ДЛЯ СРАВНЕНИЯ
Вариант осуществления представляет собой способ лазерного плакирования гидравлической стойки. Гидравлическая стойка, используемая в варианте осуществления, представляет собой горно-шахтную гидравлическую стойку, используемую XINJULONG ENERGY CO., LTD, XINWEN MINING GROUP. Стойка представляет собой гидравлическую стойку с телом из 27SiMn и диаметром 300 мм.
Лазерное плакирование осуществляют следующим способом:
1. Осуществляют процесс удаления ржавчины и процесс текстурирования горно-шахтной гидравлической стойки.
2. Монтируют горно-шахтную гидравлическую стойку в машину лазерной обработки, которая представляет собой полупроводниковую машину лазерной обработки.
3. При содействии вращательного движения основного вала С и движения подачи линейного вала головки лазера Х подача порошка и лазерное плакирование осуществляют одновременно в один этап. Выходная мощность полупроводникового лазера составляет 8000 Вт, расстояние от выхода лазерного луча полупроводникового лазера до поверхности гидравлической стойки составляет 300 мм, скорость линейного сканирования лазерного луча составляет 480 мм/мин, и лазерный луч представляет собой прямоугольную область 15*2,5 (длиной 15 мм и шириной 2,5 мм). Проводят плакирование способом плакирования со сканированием.
Принятая композиция для лазерного плакирования находится в порошковой форме с размером частиц в диапазоне 44-178 мкм. Композиция включает в себя 0,02% С, 1,5% Si, 0,4% Mn, 15,8% Cr, 4,0% Ni, остаточное количество Fe и некоторые неизбежные примеси. Порошок сплава для лазерного плакирования подают со скоростью подачи порошка в 38-40 г/мин.
4. Проводят обработку.
Следует отметить, что указанный лазер на диоксиде углерода представляет собой лазер, функционирующий с диоксидом углерода в качестве рабочей среды и излучающий путем перехода диоксида углерода между энергетическими зонами. В варианте осуществления общая установленная мощность полупроводникового лазера составляет 175 КВт, непрерывная выходная мощность полупроводникового лазера составляет 8000 Вт, эффективность поглощения металлического материала (т.е. эффективность поглощения стойки) составляет 40%, размеры полупроводникового лазера составляют 2500 мм×1500 мм×2300 мм, вес полупроводникового лазера составляет 4000 кг, а время непрерывной работы составляет 24 часа, потому что обычно раз в 24 часа требуется проводить операцию вакуумной откачки.
В варианте осуществления теплота, поглощенная металлическим материалом, составляет 3200 КВт.
Можно видеть, что лазер на диоксиде углерода имеет большие размеры и является неудобным в эксплуатации. В дополнение, непрерывную выходную мощность лазера на диоксиде углерода нельзя снизить до 4000 Вт, так что энергопотребление нельзя значительно снизить.
Далее приведены показатели эффективности, проверенные в экспериментах и испытаниях с полученной стойкой:
1. Отсутствие трещин.
2. Твердость плакированного слоя может превышать 45 HRC, срок службы в шахтах составляет более 5 лет, прочность сцепления между плакированным слоем и металлическим телом может превышать 310 МПа, а стойкость к действию солевого тумана можно поддерживать в течение 96 часов.