基于煤矿设备修复的激光熔覆再制造技术应用思考

基于煤矿设备修复的激光熔覆再制造技
术应用思考
摘要：正式进行煤矿生产作业时，煤矿机械设备的应用大幅提升了生产效率。

但是煤矿生产环境较为恶劣，煤矿机械设备应用过程中经常会受到磨损，影响了
设备的生产效能，甚至为煤矿企业带来了经济损失。

激光熔覆再制造技术能够有
效修复受到磨损的机械设备，保障煤矿机械设备正常的生产，保障煤矿机械设备
的寿命，降低企业生产成本。

本文将对激光熔覆再制造技术进行分析，针对其在
煤矿设备修复中的应用进行深入思考。

关键词：煤矿设备修复；激光熔覆再制造技术；应用思考
前言：国家整体经济水平不断提升的同时，社会生产生活对于煤矿资源的需
求也在持续上升，供需变化推动了煤炭资源开采技术的发展，市场上涌现了多种
大型煤矿设备，这类设备承担了最主要的煤矿开采工作。

但是煤矿开采环境相对
较差，且对操作的要求较高，设备长期处于阴暗、潮湿、腐蚀性较强的环境下工作，多数设备存在高速、重载、摩擦等工况，且设备日以继夜的工作，休息时间
较少，因此煤矿机械设备的腐蚀与磨损问题非常严重，这同时也影响了煤矿机械
的生产效率，还存在一定的资源浪费现象，导致煤炭企业生产成本加大。

为缓解
这一问题，相关人员将激光熔覆再制造技术应用在了煤矿设备修复工作中，这项
技术的应用，对于煤矿机械设备而言体现出了显著的修复效果，能够明显提升机
械设备使用性能，并延长其使用寿命，大力推动了煤矿企业的进一步发展。

1.激光熔覆再制造技术
1.1激光熔覆再制造技术原理
激光熔覆再制造技术的原理即通过应用激光合金化、激光熔覆等基本技术，
在与现代化制造技术理念相结合，形成的一项修复技术。

激光熔覆再制造技术以
金属粉末为基础材料，应用CAD/CAM等计算机技术对激光头、送粉嘴与机床的操
作进行控制，同时输送光束与粉末，利用各部件合成的金属笔以激光熔覆的方式
修复机械设备受损部位，最终形成与原部件相同的三维实体部件，达到修复的作用。

激光技术随着社会的发展而不断创新，逐渐实现废旧零部件的循环再生，应
用激光技术修复废旧部件后继续投入设备中循环利用，可在源头处增强废旧部件
的使用性能，延长相关部件的使用寿命。

可见，激光熔覆再制造技术具有明显的
低碳、环保、绿色、节能等优势，符合新时期社会发展要求。

1.2激光熔覆再制造技术构成
第一，激光器。

当前应用在煤矿设备修复中的激光器一般是多模1-5kWCO2
激光器或是YAG激光器。

第二，光学系统。

激光熔覆再制造技术如今常用的光束有聚焦光束与宽带光
束两种类型，其中，应用宽带光束可增强修复部件表层的光滑性，还能降低激光
熔覆发生裂缝与孔洞等问题的几率，因此应用更加频繁。

第三，送粉器。

工作人员可自选载气式或是非载气式两种送分方式。

其中，
非载气式送粉利用率高达90%，另一种送粉方式的粉末利用率仅有30%-40%；其次，如需修复二维运动，应用非载气式送粉的方式，可降低一部分金属粉末用量，可帮助企业节省成本。

第四，红外温度监控系统。

工作人员应用激光熔覆再制造技术修复煤矿设备时，如需进行多层叠加操作，则激光熔覆的表层温度将会持续升高，尖角温度也
会随之增加，因此必须实时监测熔池温度，并将温度变化情况及时反馈至激光器
数控床，以便将激光器输出功率与机床运行速度控制在合理范围内，确保熔池温
度始终处于相对稳定的状态。

工作人员可应用EA=EP+ER+ET+EC的公式对温度进
行检测，其中，EA表示激光图层所吸收的能量，EP表示融化的金属粉末，ER表
示热辐射形式的散出，ET表示热传导情况，EC代表环境对流，四者总和即可得
出激光图层的总热量。

煤矿设备修复对于激光熔覆再制造技术的应用流程主要有设备升井运输、清洗、拆卸、分拣归类、寿命分类等过程。

1.3激光熔覆再制造技术体系
应用激光熔覆再制造技术首先要合理的选择激光器型号，保障设备修复效果。

其次，工作人员选择激光熔覆材料时，需要综合分析激光熔覆层与基材热膨胀系
数间的差异，选择涂层材料时还需要适当考虑基材的熔点；对于金属粉末的选择，必须要尽量接近基材性能，并符合激光熔覆件的性能；当前常选的激光熔覆材料
主要有Co-Cr基、Ni-Cr基、Fe-Cr基等，还需要提供相应的陶瓷材料，增强金
属陶瓷涂层的硬度。

正式操作期间，需要严格控制工艺参数，综合分析激光熔覆
材料、金属粉末与激光熔覆零件形状等因素，保障工艺参数的合理性，确保激光
熔覆再制造技术价值最大化发挥出来。

1.4激光熔覆再制造技术特征
激光熔覆再制造技术主要应用在已经不具备使用价值的零件，对这类基础零
件应用激光熔覆技术进行再制造，达到修复与升级的效果，提升零部件的技术指标、使用性能与质量等水平，以便继续投入应用。

激光熔覆再制造技术的特点主
要有：第一，可基于零件的技术要求合理选择熔覆材料的梯度功能；第二，激光
熔覆技术的可控性较强，可实现自动化控制的目的；第三，激光熔覆层与基层材
料的结合性较好，且整体强度较高；第四，激光熔覆技术实际操作期间，仅需在
基体表层进行微熔处理，热度对周边区域的影响相对较低；第五，激光熔覆技术
技工期间，基体材料的升温过程相对稳定，不会产生温度变形问题；第六，激光
熔覆层与集体材料之间形成的铸造组织相对紧密，出现孔洞、夹杂、裂缝等问题
的情况较少[1]。

2.煤矿设备修复类型
2.1采煤机截齿磨损
采煤机截齿主要是负责对煤炭资源的切割操作，实际开采过程中，截齿需要
切割的煤层坚硬程度非常高，一般处于HV900-1100左右，因此截齿在工作期间
受到的冲击荷载与切割产生的应力也非常大，采煤机长期处于这种工作情况下，
截齿部件损坏的频率较高。

除此之外，采煤机截齿实际工作期间，若待切割煤层
较硬，所产生的摩擦力也相对较大，工作面温度也会逐渐升高，这种工况下对截
齿的损耗作用更大，甚至有齿轮断裂的可能，为煤矿企业造成了直接性的经济损
失[2]。

2.2齿轮与轴类零部件磨损
煤矿设备长期进行煤炭资源的开采工作，主要位于井下环境中，设备运行时
间相对较长，所需承受的载荷力也相对较高，煤矿设备中的齿轮与轴类零部件长
期处于高速运转与高温工况下，若工作人员并未及时加入润滑油或是润滑不到位，非常容易产生零部件颗粒磨损或是胶合磨损等问题现象，这种情况下工作人员更
换部件需要花费的时间与精力相对较大，且会为企业造成严重的经济损失。

2.3刮板输送机溜槽磨损
刮板输送机溜槽的作用在于将开采出的煤炭资源运输出来，该部位经常出现
摩擦磨损或是腐蚀磨损等问题，且属于所有煤矿设备中磨损程度相对严重的程度，磨损问题主要体现在中部槽与链条等部位。

煤炭设备在运输煤炭时，通常会受到
煤矿硬度与地面平整度等条件的影响，导致刮板链、煤渣和运输槽溜槽之间产生
相对运动的情况，磨损运输槽溜槽。

其次，链条和运输溜槽在运输过程中，会与
煤炭发生摩擦，运输期间摩擦力不断增加，将会逐渐加剧链条磨损程度，不及时
维护的话有引发链条断裂问题的可能[3]。

2.4液压支护失效
液压支护设备主要是为煤炭资源的开采过程提供支撑防护作用，支护设备稳
定发挥作用能够有效保障现场作业人员的安全性，以及机械设备的安全运行。

液
压支护设备中，支架是其中主要发挥支护作用的结构，而其中的活塞杆主要处于
酸碱性都相对较高的环境下，因此被腐蚀的速度相对较快，活塞杆表层出现锈蚀
的现象非常频繁，导致活塞杆长期进行往复运行，划痕现象严重，甚至存在成片
剥落的问题，以至于密封套无法充分发挥作用。

对于液压支护失效的问题，工作
人员可将修复重点放在增强活塞杆抗腐蚀能力与耐磨性方面，如此即能切实增强
液压支护应用效果。

3.激光熔覆再制造技术在煤矿机械修复中的应用
3.1应用于采煤机截齿
煤矿设备磨损问题中，最常见的就是采煤机截齿磨损问题。

应用激光熔覆技
术对修复截齿表层，需要选用硬度、耐磨性能良好的激光熔覆材料，最好以铁、
钴等元素为主，使用这类材料修复采煤机的截齿可显著增强其耐磨性，提升截齿
使用寿命，较少部件更换频率，降低煤矿企业成本。

3.2应用于齿轮与轴类零部件
煤矿机械设备中，齿轮与轴类零件有着非常关键的地位，主要用于各类材料
的传输过程。

为降低这类零部件在设备运行期间的磨损情况，减少设备维修与更
换次数，工作人员可应用激光熔覆技术增强齿轮与轴类零部件的抗腐蚀、耐磨损
性能。

实际操作期间，为提升激光熔覆表层组织的细密与平滑程度，工作人员需
要将激光功率与送粉速度控制在合理的范围内，以免激光熔覆表层出现裂纹、夹
渣与气孔等缺陷情况，对零部件的实际应用效能产生不利影响[4]。

3.3应用于刮板输送机溜槽
工作人员在修复刮板输送机溜槽时，需要选用自熔性含碳与锰含量较高的金
属粉末进行激光熔覆再制造，并适当增加耐磨性与熔点都相对较高的碳化物颗粒，使激光熔覆表层的耐磨性能进一步提升。

工作人员在实际应用激光熔覆再制造技
术时，需要合理应用多道搭接熔覆技术，以免出现裂缝、气孔等缺陷，影响技术
价值的充分发挥。

3.4应用与液压支护
煤矿企业在应用机械设备进行开采作业期间，对于液压支架与活塞杆等设备
的修复主要利用激光熔覆再制造技术进行。

以往液压支架若出现故障问题，其修
复处理一般会选用表面镀铬的方式，但是这种修复形式会产生大量有害化合物，
对周边环境产生严重的污染，且修复处理后贴合效果不佳，可能会出现鼓泡或是
龟裂等问题，经过一段时间的应用还有发生锈迹、脱落等问题的可能。

而采用激
光熔覆再制造技术则能有效缓解这类问题，修复形成的激光熔覆表层具有良好的
密度，且能够显著增强液压支架的耐磨性与耐腐蚀性，有效延长了液压支架的使
用寿命[5]。

4.激光熔覆再制造技术优化措施
4.1深入理论研究
研究人员继续深入探究激光熔覆再制造技术的理论，能够为其实际应用提供
更加有效的理论支撑，为各工艺参数对激光熔覆层的作用原理与缺陷机制提供理
论解释，以便工作人员从根本上解决技术缺陷问题，确保激光熔覆再制造技术的
应用效果能够达到预期目标，提升煤矿设备的应用效能，降低激光熔覆层发生裂纹、气孔等问题的可能。

4.2调整熔覆材料，优化激光熔覆工艺参数
实践调查发现，对激光熔覆层组织与使用性能产生影响最关键的因素在于其
施工工艺与熔覆材料的选择两方面，因此技术人员可加强对这项技术的优化研究。

激光熔覆技术最常见的缺陷形式表现为裂纹、气孔等，其中，导致激光熔覆层产
生裂缝问题最主要的原因就是热应力因素，对于热应力，可使用下述公式进行计算：
其中，表示熔覆层热膨胀系数，则表示基层材料热膨胀系数，表示熔
覆层熔点，指的是熔覆前的起始温度，代表熔覆层弹性模量，代表的是熔
覆层材料的泊松比。

可见，技术人员可适当调整熔覆层金属材料成分，降低熔覆层与基体间热膨
胀系数差异，减小熔覆层的热应力，从而达到控制裂缝现象的效果。

此外，技术
人员还能对工艺进行优化，并做好金属粉末的防潮处理，正式进行激光熔覆施工
之前对其进行干燥处理，从而达到减少气孔的效果。

技术人员还能在粉末中加入适量韧性合金元素，形成具有一定韧性的熔覆层组织，减小产生裂缝的几率[6]。

4.3超声振动辅助，提升激光熔覆层质量
激光熔覆再制造技术的原理是利用快速熔化与冷却的过程，因此其完全凝固后内部会产生相对较大的应力，且会受到熔池内部不同元素偏析的因素影响，有发生裂纹和气孔等问题的可能。

超声波装置原理即指在超声波声流效果与机械效应的作用下，使得熔池内部的液态金属不断翻滚，搅拌金属元素的同时将其中的气孔排出，减轻金属元素偏析作用，并尽量缓解应力集中的现象，从而有效减轻裂缝和气孔等问题；其次，超声装置还能有效缩短熔池的凝固时间，将其中初生与正在生长的晶粒打碎，形成更加细化的晶粒，可显著改善熔覆层的组织结构，与未使用超声装置的激光熔覆技术相比，熔覆表层的耐磨性能可显著提升。

结束语：激光熔覆再制造技术兴起于激光器的逐渐成熟，可显著增强失效圆轴类高精密的零件表层，对其受到腐蚀与磨损的表面进行在强化处理，切实达到了再利用待报废产品的目标，大量节约了国家的钢铁资源以及冶炼资源，还能减少对于周边生态环境的破坏，与我国推行的可持续发展理念相符，有着相对广阔的发展前景。

当前，我国已经积累了大量关于激光熔覆再制造技术的经验，但是仍然存在一定程度的理论不足，因此必须对其进行深入研究，才能制备出更高品质与性能的激光熔覆层，提升煤矿设备性能。

参考文献：[1]韩辉辉,黎文强,王腾飞,马宗彬.激光熔覆再制造技术影响因素的研究[J].能源与环保,2022,44(09):225-228.
[2]徐颖杰,刘云峰.激光熔覆再制造技术在煤矿设备修复中的应用[J].价值工程,2022,41(26):79-81.
[3]黎文强,王腾飞,王笑生,韩辉辉.矿用减速器轴激光熔覆再制造技术的研究[J].矿山机械,2021,49(05):52-53.
[4]杜学芸,许金宝,宋健.激光熔覆再制造技术研究现状及发展趋势[J].表面工程与再制造,2020,20(06):18-22.
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[6]董景隆,高红东,沈俊萍.激光再制造技术的发展及应用[J].矿山机
械,2019,47(01):1-6.。