激光熔覆修复液压缸活塞杆拉伤的可行性研究

伍林虎，李湉，张世贵，张晟伟

（1.成都成缸液压设备制造有限公司，成都610500；2.中国航发航空科技股份有限公司，成都610000）

0 引 言

液压油缸作为液压传动系统中的液压执行元件，其结构简单、工作可靠。液压油缸主要由缸筒、活塞杆、活塞、导向套、密封元件等组成。作为液压油缸的各大组成部件，其本身状态决定了液压缸的实际工作状态。所以液压油缸在后期的使用过程中最常见的失效模式有：1）密封元件老化、损坏；2）缸筒内孔拉伤；3）活塞杆表面拉伤。其中，活塞杆长期暴露在空气中，运行最频繁，表面有镀铬层，所以活塞杆拉伤是发生最频繁、维修成本最高、维修时间最长，同时也是维修价值最高的一种失效模式。

目前针对活塞杆外圆拉伤的传统维修方式为：活塞杆清洗→尺寸测量→退铬处理→焊接修复拉伤缺陷→外圆磨削→表面镀铬→抛光处理。该修复方式的原理是基于活塞杆正常加工工艺，将活塞杆基体修复后再进行电镀处理。该方式虽然操作简单，但工序繁琐，需要退铬、再镀铬，工序周期长、成本高，且对环境污染严重。为了节约维修时间与成本，急需寻找一种新的维修方式来替代传统维修方式。在这种情况下，激光熔覆走入了我们的视线。

激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料，经激光辐照，使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体形成冶金结合的表面涂层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的[1]。既满足了对材料表面特性的要求，又节约了大量的贵重金属。激光熔覆这种独特的成形方式及涂层性能非常契合液压缸活塞杆局部修复的要求。

以激光熔覆方式修复活塞杆时，不需要对活塞杆其他未拉伤表面作处理，只需局部修复拉伤位置。同时激光熔覆的金属粉末利用率可以达到80%，所以即使在单价成本较高的情况下，仍能很好地控制维修成本。激光熔覆以局部熔覆的方式对活塞杆拉伤部位进行修复，省略了传统方式中成本最高的电镀工序[2-4]。激光熔覆在成本控制上比传统方式有优势，尤其在针对尺寸较大的活塞杆修复时优势明显。

1 实 验

如图1 所示，以基体材质为45 钢，外径为φ150 mm，长3 m，拉伤5 mm×200 mm,深2 mm 活塞杆为例，进行对比、分析。

1.1 实验参数

1.1.1 传统维修方式

图1 活塞杆拉伤示意图

先将样件送外退铬后使用丙酮除去样件拉伤处油污、灰尘等杂质，使用二氧化碳气体保护焊对拉伤处进行焊接修复。焊丝为ER50-6，焊接参数如表1 所示。

表1 焊接修复主要工艺参数

焊后使用手工砂轮去除焊缝飞溅、焊渣。精加工采用5 m 砂轮外圆磨床，砂轮粒度为60，切削液为半合成（微乳），磨削参数如表2 所示。

表2 磨削参数

磨到尺寸一致以后，送外整体电镀，镀层厚度为0.04 mm。镀后对镀层表面使用抛光机进行抛光，选用600 目砂带，抛光后镀层表面粗糙度达到Ra0.2 μm。

1.1.2 激光熔覆方式

使用柴油对样件进行表面清洗，晾干后使用手工砂轮打磨拉伤处基体，去除飞边、毛刺，局部激光熔覆委托成都青石激光加工，如图2 所示。

熔覆后处理使用5 m外圆磨床对熔覆处进行外圆精加工，砂轮粒度为60，切削液：半合成（微乳），磨削参数如表3 所示。

修复处磨削到尺寸一致后，使用抛光机局部抛光，表面粗糙度达到Ra0.2 μm。

图2 局部熔覆修复拉伤

表3 磨削参数

将以上两种方式修复的活塞杆使用HXD-1000TM显微硬度仪检测表面涂层硬度。按照GB/T 10125-2012标准，在NaCl 浓度5%、实验温度（35±1 ℃）、压缩空气压力（0.1±0.01）MPa、pH 值为3.0～3.1、压力桶温度（47±1℃）的实验条件下进行盐雾实验，观察腐蚀点出现时间。

1.2 实验结果及分析

1.2.1 硬度测试

实验中分别对电镀层、熔覆层表面的显微硬度值进行了检测，从检测结果可以看出，电镀层4 处的显微硬度都达到了750 HV 以上，如图3 所示。

激光熔覆层的显微硬度要低于电镀层，最高只有565 HV，如图4 所示。

根据二者的对比实验可以看出，电镀层硬度较高，这是电镀工艺自然形成的结果。电镀时，镀层金属做阳极，待镀的工件做阴极，镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原，形成镀铬层，而金属铬本身的硬度极高。激光熔覆是通过激光加热熔覆层使之与基体表面一起熔凝，形成的表面组织细腻，晶粒细小，所以熔覆层的表面硬度相对较低[5]。

1.2.2 盐雾实验

在相同实验条件下，对两种方式处理的活塞杆修复点进行盐雾实验，通过实验得出，使用激光熔覆处理的活塞杆拉伤处在300 h 的时间才出现腐蚀点，而传统的电镀只在70 h 就出现腐蚀点，这是二者的成形原理所决定的。电镀的镀层与基体之间为物理结合，结合力弱，且电镀层表面孔隙大、微裂纹多。所以在NaCl 的盐雾环境下，含有Cl-的水膜会迅速渗入镀层的裂纹和孔隙中，到达基体，出现电化学腐蚀并形成锈斑[6]。随着时间的推移，斑点不断扩大、增多，进而形成大面积腐蚀，造成设备失效。

而激光熔覆是通过高能量激光束使涂层材料与基体表面快速熔化，获得致密结构的熔覆层[7]。该方式的结合方式为冶金结合，熔覆层结构致密，孔隙及微裂纹相对于电镀来说要小得多，所以耐腐蚀能力要大于电镀。

图3 镀铬层显微硬度

图4 熔覆层显微硬度

2 结 语

本文通过使用传统电镀方式及激光熔覆方式分别修复两支尺寸相同的活塞杆，并对该两支活塞杆修复处进行了显微硬度测试及盐雾耐腐蚀实验。使用传统电镀方式修复的活塞杆修复处表面显微硬度要优于激光熔覆，表面显微硬度电镀层可达750 HV 以上，而激光熔覆的表层则为520 HV 以上。在相同条件下的盐雾腐蚀实验中，使用激光熔覆修复的活塞杆拉伤处的修复层在NaCl 盐雾环境下的耐腐蚀能力要远远优于传统的电镀。使用激光熔覆处理后的熔覆层在300 h 左右才出现腐蚀点，而电镀层则在70 h 就出现了腐蚀点。其他方面，由于激光熔覆省略了传统维修方式中耗时最长、费用最高的电镀工序，所以在维修时间及维修成本上，激光熔覆也要优于传统方式。同时，电镀过程会产生大量危害人体健康的重金属废水，从环保上来说，激光熔覆更适用于当下环境。综上可以看出激光熔覆在液压缸活塞杆的修复中有很高的可行性。