綠色激光再制造技術(shù)及其應(yīng)用

邵珠強(qiáng)，李娜，王曉成，張勇，胡增榮

（1.蘇州大學(xué)，江蘇蘇州215131；2.上海航空機(jī)械有限公司，上海201906）

綠色激光再制造技術(shù)及其應(yīng)用

邵珠強(qiáng)1，李娜1，王曉成2，張勇2，胡增榮1

（1.蘇州大學(xué)，江蘇蘇州215131；2.上海航空機(jī)械有限公司，上海201906）

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的綠色可持續(xù)發(fā)展越來(lái)越受到人們的重視。激光再制造技術(shù)作為綠色再制造的核心技術(shù)之一，是我國(guó)目前研究的主要方向。本文較為全面地介紹了激光綠色再制造技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)、發(fā)展意義以及國(guó)內(nèi)外研究概況，并且討論了其在不同領(lǐng)域的具體應(yīng)用和存在的問(wèn)題，指出了進(jìn)一步研究的主要方向。

激光；綠色再制造；應(yīng)用

隨著環(huán)境污染的日益加劇和資源稀缺情況的不斷加深，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)是我國(guó)社會(huì)發(fā)展必然道路，當(dāng)前再制造是循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最高形式。因此，實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)社會(huì)協(xié)調(diào)綠色發(fā)展的重要途徑就是發(fā)展再制造技術(shù)。再制造業(yè)屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，在極大節(jié)約成本的同時(shí)使產(chǎn)業(yè)資源得到二次使用，為我國(guó)就業(yè)難的解決開(kāi)辟了新路。激光材料處理技術(shù)作為激光再制造修復(fù)的一種重要手段，具有在損傷的金屬基材上制備出高性能的合金熔覆層而不改變基體的性質(zhì)，顯著節(jié)約再制造成本，減少稀有金屬的使用率，畸變小、涂層稀釋率低等優(yōu)點(diǎn)。因此，世界上各工業(yè)強(qiáng)國(guó)對(duì)激光再制造技術(shù)的研究及應(yīng)用都給予高度重視。為滿足經(jīng)濟(jì)綠色可持續(xù)發(fā)展的要求，我國(guó)也非常有必要深入研究激光再制造技術(shù)。

1 激光再制造的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成和技術(shù)特點(diǎn)

1.1 激光再制造的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成

激光再制造技術(shù)是運(yùn)用各種激光技術(shù)對(duì)即將報(bào)廢零部件進(jìn)行再制造處理手段的統(tǒng)稱，主要包括激光表面成型技術(shù)和激光表面改性技術(shù)。利用激光表面成型技術(shù)、激光燒結(jié)成形、激光表面處理、激光焊接、切割、打孔等多種激光加工工藝對(duì)損壞零件進(jìn)行修復(fù)和改造。激光再制造產(chǎn)品的質(zhì)量控制是激光再制造工程的核心，激光仿形熔敷技術(shù)和表面技術(shù)是激光再制造工程的關(guān)鍵技術(shù)[1]。激光再制造技術(shù)集先進(jìn)的高能束技術(shù)、先進(jìn)數(shù)控和計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAD／CAM技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)、光電檢測(cè)控制技術(shù)為一體[2]。如圖1所示。

圖.1同軸送粉激光熔敷再制造系統(tǒng)原理圖

1.2 激光再制造技術(shù)的特點(diǎn)

再制造作為一種再生修復(fù)手段，是運(yùn)用新型成熟技術(shù)對(duì)廢舊零件的產(chǎn)業(yè)化改造。激光再制造利用損傷或即將報(bào)廢的零部件作為再制造的基體，通過(guò)各種激光加工手段對(duì)損傷產(chǎn)品修復(fù)或改造，使再制造產(chǎn)品的性能、質(zhì)量都能和新品水平相媲美。激光熔覆最大的特色就是用先進(jìn)成形技術(shù)制造出的熔覆層組織性能和硬度都高于工件本身。例如利用激光表面硬化手段來(lái)提高工件的表面硬度或組織性能。通過(guò)激光熔覆的試件表面的涂層厚度大都在微米到毫米間，但卻承載著零件的主功能，與傳統(tǒng)的再制造工程相比，激光再制造可以使用原工作部件作為基體進(jìn)行再造。

1.3 發(fā)展激光再制造技術(shù)的意義

從現(xiàn)實(shí)意義來(lái)說(shuō)，激光再制造讓資源得以高效循環(huán)利用，使零件的使用價(jià)值得到最大發(fā)揮。另外，激光再制造的生產(chǎn)模式是可持續(xù)的，它能最大程度地降低報(bào)廢率。如今社會(huì)積極倡導(dǎo)的就是可持續(xù)發(fā)展模式，而激光再制造技術(shù)正是這種重要的技術(shù)途徑轉(zhuǎn)變之一。激光再制造技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)方面除了減少對(duì)自然的污染和環(huán)境的破壞外，它還是在損傷或者即將報(bào)廢的零部件上進(jìn)行加工的，在創(chuàng)造社會(huì)效益的同時(shí)能創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。這項(xiàng)技術(shù)極大的滿足了我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，為我國(guó)就業(yè)增加了新型產(chǎn)業(yè)鏈。隨著我國(guó)再制造工程的壯大，將需要更多的勞動(dòng)力加入，這為我國(guó)解決就業(yè)難題開(kāi)辟了一條新道路。所以，激光再制造技術(shù)具有重大現(xiàn)實(shí)意義，將為我國(guó)創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。

2 激光再制造技術(shù)的發(fā)展

激光熔覆再制造是我國(guó)目前研究的主要方向，雖然它作為再制造的核心成型技術(shù)，但它的研究還局限于對(duì)基體表面磨損、腐蝕、疲勞損傷等微型損傷進(jìn)行在結(jié)構(gòu)和尺寸方面進(jìn)行恢復(fù)，并在一定程度上提升提高基體的組織性能。

目前，激光再制造領(lǐng)域的研究，主要是從工藝手段、激光設(shè)備、金屬材料、檢測(cè)監(jiān)控、再制造技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化等多方面進(jìn)行理論化系統(tǒng)化的研究，具有廣闊的發(fā)展前景。

2.1 國(guó)外激光再制造技術(shù)的進(jìn)展

20世紀(jì)80年代，美國(guó)MTS公司創(chuàng)建的子公司AeroMet與約翰霍普金斯大學(xué)、賓州州立大學(xué)合作研究開(kāi)發(fā)了激光加工成型技術(shù)，并使用這項(xiàng)技術(shù)對(duì)航空中的主要失效零部件的進(jìn)行修復(fù)再造，從而開(kāi)辟了激光再制造系統(tǒng)修復(fù)鈦合金產(chǎn)品的先河。

渥太華大學(xué)Ehsan Toyserkani的研究團(tuán)隊(duì)，他們研發(fā)出一項(xiàng)自由成型技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔覆厚度功能的激光再制造系統(tǒng)，而且可以對(duì)金屬零部件實(shí)現(xiàn)高精度激光熔覆和修復(fù)。首先，他們建立了數(shù)學(xué)仿真模型來(lái)預(yù)測(cè)激光熔覆過(guò)程中的厚度變化，然后設(shè)計(jì)出專(zhuān)業(yè)的工藝參數(shù)控制模型，利用CCD相機(jī)頻繁反復(fù)檢測(cè)熔敷厚度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)厚度變化實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋控制。

美國(guó)密歇根大學(xué)的Mazumder等人經(jīng)過(guò)幾年的不懈鉆研，編寫(xiě)出一套直接金屬沉積系統(tǒng)（DMD），此系統(tǒng)涵蓋了多項(xiàng)技術(shù)，如CNC操作平臺(tái)、無(wú)線傳感、多種激光器、加工編程軟件CAM等，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控熔覆層的厚度，可以實(shí)時(shí)反饋控制熔覆層高度。此外，國(guó)際著名大學(xué)和研究所，例如美國(guó)利哈伊大學(xué)、克萊姆森大學(xué)，密蘇里大學(xué)羅拉，俄亥俄州立大學(xué)和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，英國(guó)伯明翰大學(xué)和利物浦大學(xué)以及加拿大集成研究院等，也對(duì)激光再制造技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。

2.2 我國(guó)激光再制造技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)90年代末，沈陽(yáng)激光技術(shù)有限公司正式創(chuàng)立，此公司主要是通過(guò)激光熔覆技術(shù)對(duì)損壞產(chǎn)品進(jìn)行再制造修復(fù)，并向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

1984年，我國(guó)在激光熔覆技術(shù)的設(shè)計(jì)研究上取得了突破性進(jìn)展。華中科技大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)熔覆合金粉末、熔覆工藝優(yōu)化和激光設(shè)備開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，對(duì)于以后激光工藝工程的開(kāi)展做出了卓越貢獻(xiàn)，并為激光熔覆參數(shù)化積累了經(jīng)驗(yàn)。

沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司聯(lián)合進(jìn)行了金屬粉末直接成型和激光再制造技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的內(nèi)外雙水冷同軸送粉頭、側(cè)向送粉頭和負(fù)壓式送粉箱和三維多功能激光再制造系統(tǒng)[3]。

3 激光再制造技術(shù)的應(yīng)用

目前激光再制造技術(shù)已經(jīng)在機(jī)車(chē)、交通運(yùn)輸、航天航空等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛認(rèn)可。

（1）冶金行業(yè)。激光再制造技術(shù)在冶金行業(yè)的典型應(yīng)用產(chǎn)品有軋輥表面激光毛化、激光拼焊汽車(chē)板等，由于鋼鐵冶金設(shè)備中的軋輥、軸類(lèi)零件等都具有很高的附加值，所以再制造費(fèi)用僅是原始加工費(fèi)的20%，并且激光加工效率高，極大縮短加工周期時(shí)間，推動(dòng)了再制造的產(chǎn)業(yè)化，同時(shí)再制造產(chǎn)品性能比之原件有所升級(jí)。

（2）航空行業(yè)。眾所周知，航空領(lǐng)域設(shè)備或者零件的制造材料大都是稀有高性能金屬，制造成本極高，若利用激光修復(fù)手段對(duì)失效產(chǎn)品進(jìn)行再制造，在降低成本提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)還能優(yōu)化設(shè)備性能。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳葉片表面上出現(xiàn)損傷時(shí)，由于成本問(wèn)題，必須采取手段對(duì)其進(jìn)行再制造修復(fù)，考慮到飛機(jī)部件嚴(yán)格的疲勞性和硬度要求，激光熔覆技術(shù)成了修復(fù)飛機(jī)零部件最佳的三維表面修復(fù)手段。

（3）汽車(chē)行業(yè)。一些工業(yè)先進(jìn)大國(guó)曾嘗試對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)座圈進(jìn)行表面激光熔覆，這個(gè)硬質(zhì)合金熔覆表面平整，且耐磨損、耐高溫，不易變形，最大的優(yōu)點(diǎn)就是無(wú)需校正。俄羅斯在汽車(chē)零件修復(fù)方面有著顯著的成效，主要有內(nèi)燃機(jī)曲軸、變速器、傳動(dòng)軸、氣門(mén)等易磨損零件，采用激光熔覆再制造工藝，利用陶瓷或鎳基合金粉末，使顯微組織得到細(xì)化，零件顯微硬度大幅提高。

（4）電力行業(yè)。電力行業(yè)激光再制造的典型有：轉(zhuǎn)子、葉片的激光處理；激光熱處理對(duì)軸的修復(fù)；柴油發(fā)電機(jī)的處理；端蓋、齒輪的激光再造。

（5）機(jī)車(chē)行業(yè)。我國(guó)是人口大國(guó)，機(jī)車(chē)帶來(lái)交通便利的同時(shí)也需要巨大的經(jīng)濟(jì)成本，所以機(jī)車(chē)行業(yè)的激光再制造市場(chǎng)前景很大，尤其是機(jī)車(chē)內(nèi)燃機(jī)曲軸在高溫高壓的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，加上其本身的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，軸頸部位會(huì)產(chǎn)生損傷問(wèn)題，通過(guò)激光再制造技術(shù)修復(fù)不僅能夠極大的節(jié)約資源和成本，而且可以提高零部件的組織性能。所以急需發(fā)展移動(dòng)式的激光再制造加工中心，以滿足相關(guān)需求。

（6）船舶行業(yè)。船舶上主要零件大都是不銹鋼或者鑄鐵類(lèi)，最大的問(wèn)題是要耐腐蝕，而對(duì)于這些易磨損零件，再制造修復(fù)后的零件的整體性能會(huì)得到極大改善。

4 激光再制造技術(shù)當(dāng)前的難題

（1）激光再制造設(shè)備的升級(jí)。目前我國(guó)研發(fā)生產(chǎn)的激光再制造設(shè)備光束質(zhì)量有待提高，穩(wěn)定性差；送粉器存在噴嘴送粉不均勻、精度低、易堵塞等問(wèn)題；需要對(duì)組合式激光再制造設(shè)備進(jìn)行深入研究。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋控制系統(tǒng)的研究。激光再制造過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋系統(tǒng)控制是決定產(chǎn)品或者零件的材料性能好壞及成型精度的一個(gè)直接因素是，若想對(duì)激光工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔覆層或者涂層的厚度及熔池的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）熔覆粉末數(shù)據(jù)庫(kù)。目前國(guó)內(nèi)外許多著名學(xué)者對(duì)各類(lèi)工件或者設(shè)備進(jìn)行過(guò)失效原因分析，以及相關(guān)的激光修復(fù)研究，將研究成果進(jìn)行歸類(lèi)總匯，建立關(guān)于熔覆粉末的數(shù)據(jù)庫(kù)和確定符合基體性能要求的熔覆層類(lèi)別是至關(guān)重要的。

（4）研制再制造專(zhuān)用粉末。目前國(guó)內(nèi)再制造修復(fù)所采用的粉末大都是借用冶金的合金粉末或者熱噴涂使用粉末，所以激光再制造修復(fù)的重中之重就是應(yīng)根據(jù)試樣的激光熔覆的參數(shù)工藝研發(fā)出與之對(duì)應(yīng)的激光專(zhuān)用粉末。

5 結(jié)束語(yǔ)

激光再制造工程開(kāi)辟了產(chǎn)品修復(fù)的新紀(jì)元。激光再制造關(guān)鍵技術(shù)熔覆層成分和稀釋率可控，損傷零件修復(fù)后畸變小。同時(shí)，修復(fù)層與基體是經(jīng)激光束高溫結(jié)合，且凝固極快，易產(chǎn)生細(xì)晶組織，組織穩(wěn)定性能高，耐磨性好，耐腐蝕性強(qiáng)。通過(guò)合理選用粉末和采用適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，所得到的再制造產(chǎn)品的綜合性能較基體有大幅提升。上述激光再制造所特有的優(yōu)勢(shì)正引起各界學(xué)者的廣泛關(guān)注，所以激光再制造工程必將有力推動(dòng)再制造業(yè)的發(fā)展。

[1]陳江，劉玉蘭.激光再制造技術(shù)工程化應(yīng)用[J].中國(guó)表面工程，2006，19（S1）：50-55.

[2]Yang Xichen，Li Huishan，Liu Yunwu，et al.Laser remanufac turing technology and its industrial application[J].Surface En gineer of China 2003，16（4）：43-46.

[3]王致堅(jiān)，翟海波，劉宇，等.激光再制造技術(shù)及其應(yīng)用[J].激光雜志，2010（05）：35-37.

Green Laser Remanufacturing Technology and Its Application

SHAO Zhu-qiang1，LI Na1，WANG Xiao-cheng2，ZHANG Yong2，HU Zeng-rong1
（1.Soochow University，Suzhou Jiangsu 215131，China；2.Shanghai Aviation Machinery Co.，Ltd.，Shanghai 201906，China）

The green and sustainable development of social economy has been paid more and more attention.Laser remanufacturing technology，as one of the core technologies of green remanufacturing，is the main direction of research in our country at present.This paper comprehensively introduces the technical characteristics，development and research state of laser green remanufacturing technology.Its specific application and existing problems in different fields are discussed，and the main direction of further research was pointed out.

laser；green remanufacturing；application

TN248.1

B

1672-545X（2017）06-0075-03

2017-03-22

蘇州大學(xué)校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2016xj066）；蘇州大學(xué)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科研基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：KY2017716B）

邵珠強(qiáng)（1995-），男，江蘇連云港人，本科生，研究方向：激光材料處理。