张彬，杨帆，杜学芸
1.山东能源重装集团再制造分公司 山东新泰 271200
2.山东能源重装集团大族再制造有限公司 山东新泰 271200
3.山东能源重型装备制造集团有限责任公司 山东泰安 271000
油缸作为液压支架中的主要支撑部件，在乳化液中与立柱配合完成液压伸缩过程中，其内壁在反复承压与乳化液冲蚀环境中容易因腐蚀、磨损而发生失效。因此，采用先进的表面处理工艺来强化油缸内壁表面的耐蚀性和耐磨性，是提升液压支架综合性能的关键环节之一[1-6]。由于局限于内孔的狭窄空间，所以处理过程质量控制是一个难题。
近年来，针对油缸内壁的强化，常见的有镀铜、熔铜、堆焊碳素钢及不锈钢、激光熔覆等表面处理技术和方式，可在一定程度上提高油缸内壁表面的耐磨性和耐蚀性。随着实践应用的普及，各种加工方式均暴露了一定的技术弊端。因成形质量稳定、机加工性能优越，所以熔铜技术应用较为广泛。但在成本方面，油缸内孔熔铜目前所用原材料主要为锡青铜、铝青铜、高锰铝青铜等含铜材料，而近年来铜材的市场价格变动较大，相关数据显示全球范围内铜材料一直处于供不应求的状态，而铜产量的增长率基本趋近于零，内孔熔铜的原材料价格成为成本控制的凸显问题；
在性能方面，内孔堆焊常用铜材的成形硬度偏低，在提高油缸内壁的抗磨损方面表现一般，不能满足客户对油缸内壁高耐磨性的需求。内孔堆焊碳素钢的处理方式在原材料方面具备成本优势，但是获得的堆焊成形较差，且其耐蚀性达不到理想状态。耐磨性与耐蚀性兼备的不锈钢成为内孔堆焊中的主力材料，但机加工实践证明，不锈钢不易被切削，且加工硬化效果显著，尤其是内孔空间狭窄的不锈钢加工成为一项难题[7-10]。因此，开展液压支架油缸内孔堆焊不锈钢工艺实现及机加工特性的研究与应用，以替代传统油缸内孔熔铜技术，具有重大实际应用价值。
试验用基材为27SiMn钢液压支架油缸，其化学成分见表1。熔覆材料为优化成分的φ1.2mm、316L焊丝，化学成分见表2。
表1 27SiMn钢化学成分（质量分数） （%）
表2 316L焊丝化学成分（质量分数）（%）
采用内孔堆焊系统，对孔径230mm的27SiMn钢液压支架油缸进行内孔堆焊，焊接电流为230～260A，电弧电压为28～30V，堆焊时工件转速为32～38r/min，搭接率为50%，离焦量为11～15mm。采用3种气体保护方案，分别为纯A r，（95%～98%）Ar+（2%～5%）CO2，（95%～98%）Ar+（2%～5%）O2。在沿垂直于扫描方向线上切取10mm×10mm×10mm试块，经盐酸溶液腐蚀后，在Axio Lab.A 1金相显微镜下检测熔覆深度、观察熔覆层的显微组织结构、单道熔覆形态。采用HVS-1000A数显显微硬度计进行硬度梯度检测，采用便携式里氏硬度计对整件堆焊内孔机加工表面硬度进行检测。
3.1 工艺试验及显微结构
保护气体可在堆焊的电弧周围形成保护，避免有害气体对熔池的影响，并为电弧稳定燃烧提供条件。以宏观成形为唯一评判标准，在3种保护气体方案下调整焊接电流、电弧电压、电弧长度、焊丝干伸长等关键焊接参数，以实现电流稳定、飞溅少的堆焊过程，获得成形表面平整、缺陷少的液压支架油缸内孔堆焊表面。最终经筛选而获得的焊接参数见表3。由表3可知，在不同保护气体氛围下，以成形质量为标准筛选的工艺参数存在较大差异。采用纯Ar保护时堆焊电流不稳定，波动范围较大，上下偏差达到30A，堆焊声音时有低沉，宏观成形表面色泽较浅、均匀且较为平整，氧化皮及渣瘤较少，因而飞溅较少，但出现了肉眼可见的大型气孔、表面球化等缺陷（见图1中方框1区域）。采用Ar+CO2保护时，所用工艺参数与纯Ar保护一样，但其堆焊过程中的电流较稳定，波动最大范围＜10A，成形表面平整、色泽较暗（见图1中方框3区域）；
采用Ar+O2保护飞溅较少，成形表面较平整且暗，焊接电流稳定，波动最大范围＜10A，原始成形表面无肉眼可见缺陷（见图1中方框2区域）。
图1 3种保护气体下的宏观成形
表3 3种气体保护方案的焊接参数及堆焊效果
在调试焊接参数过程中，先确定焊接电流大小，然后将与该焊接电流匹配的电弧电压调整至合适值，进而控制单道焊缝宽度和高度，通过焊接电流与电弧电压的匹配获得合适的成形宽高比，将宽高比控制在4～6。而焊接电流大小决定堆焊熔深及稀释率，观察3种保护气体用的不同焊接参数，焊接电流较大的2#试样熔深呈现为较深的锯牙状，而1#和3#试样的熔深稍显平整，如图2所示。由图2可知，1#试样的熔深形态整体缺陷较多，熔池边缘不圆滑，区域内可见夹渣掉落后的不规则坑点；
2#试样的组织结构为长条状枝晶，因散热机制导致的晶粒取向明显且规整，组织均匀性好，缺陷少；
3#试样的熔深形态、枝晶形态较2#试样细小，但因组织均匀性较差，腐蚀过程中的电化学反应不均匀，导致组织内出现显色差异。经过单道成形峰的宽高比测算发现，2#试样所用参数获得的宽高比最小，其稀释率也最大，因此需要通过进一步调整焊接电流大小及电弧电压匹配来控制稀释率的大小，以提升工艺稳定性。但综合来讲，所用混合气体保护下的不锈钢焊丝内孔堆焊不锈钢工艺稳定性更高，成形缺陷数量更少。
图2 不同工艺下的熔深形态及组织结构
以3#试样为例，不锈钢组织结构为发达的枝晶，以铁素体作为骨架。熔深方向树枝骨架较细
窄、晶粒长且粗大，局部区域的枝晶间出现了部分二次枝晶，明显减小了晶粒尺寸，使得组织结构更为细小致密；
不同部位的铁素体分布形态与散热机制有很大关系，在熔深处的散热面积因基体的传热机制而出现垂直于熔池边线的枝晶形态，并向内交织延伸。同样地，在近表面处出现了垂直于表面的枝晶形态。经过机加工时的近表面处，晶界在挤压下遭到破坏，整体晶粒形态出现了“镦粗”现象，树枝骨架更为粗大，二次枝晶数量更多，且晶界内显示出较为清晰的变形形态，显著减小了晶粒尺寸，提升了组织致密性。
3.2 硬度及机加工性能分析
对2#、3#试样剖面进行硬度检测，由表层至基体的显微硬度梯度如图3所示。由图3可知，由表至里硬度平均值约为380HV，硬度梯度较平缓。由于硬化层范围较小，图3b所示第一个硬度检测点（427.5HV）处于硬化区域，硬度曲线凸起，显著高出平均值，图3a的检测点则未取到机加工硬化层区域。
图3 由表层至基体的显微硬度梯度
不锈钢的可加工性相对较差，由于其在切削热的影响下仍然具备稳定的高温强度及硬度，不易切离且会加剧刀具磨损，而且奥氏体不锈钢在加工过程中会发生马氏体转变，硬度进一步提升，致使加工难度不断加大[8]。但不锈钢材料的延展性好，切屑易黏连、卷曲变形，阻碍切削进程。切削过程中的大量做功转变为热量堆积，而不锈钢的导热性较差，热量更多地传向刀具，加大了刀具的磨损程度。另外，由于不锈钢易与其他材料亲和，所以大量吸附于刀具表面[9]，不仅使刀头钝感加强，还容易在不锈钢的切削表面形成挤压瘤。这不但加大了切削时的摩擦阻力，还容易造成表面沟壑，如图4所示。随着加工进程的发展，刀具表面钝感不断加强，对不锈钢表面的冲击硬化效果也更为明显。油缸内孔整件堆焊不锈钢的机加工表面硬度检测结果见表4，分布曲线如图5所示。从加工初始位置沿着轴向一直检测至油缸缸头，间隔30mm取检测点，共5点各6组数据，检测值分布趋势基本与分析吻合。
图5 油缸内孔堆焊机加工表面硬度分布曲线
表4 油缸内孔堆焊机加工表面硬度 （HBW）
图4 加工表面挤压沟壑
针对上述内孔堆焊不锈钢成形的加工特点，可通过提升涂层切削性能[10]，以及在此基础上优选刀具及切削参数来改善可加工性能。
通过采用3种气体保护方案，在大面积成品油缸内孔堆焊不锈钢，验证工艺的稳定性及工业化应用的可行性。结果发现，混合气体保护可获得比纯Ar保护更稳定的工艺过程。机加工硬化及费刀问题可通过堆焊不锈钢焊丝的优化以及机加工车削工艺的控制得到有效解决。
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