激光再制造技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展研究

王凱弘，劉曉英

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064）

綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)要想實(shí)現(xiàn)科學(xué)發(fā)展，再制造是必然條件之一。自人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，加強(qiáng)地球生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度，構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)是目前世界各國(guó)追逐的目標(biāo)。循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式這種目前被大力提倡的經(jīng)濟(jì)模式是一種追求更少資源消耗、更多勞動(dòng)就業(yè)、更低環(huán)境污染、更大經(jīng)濟(jì)效益的一種先進(jìn)經(jīng)濟(jì)模式。激光再制造技術(shù)以能源節(jié)省、資源節(jié)約、保護(hù)生態(tài)環(huán)境為主要特色，能夠?qū)U舊零部件剩余價(jià)值進(jìn)行開(kāi)發(fā)以及利用，減少了大量報(bào)廢、失效零部件對(duì)生態(tài)環(huán)境可能造成的危害，是廢舊零部件得以資源化利用的重要手段。加大對(duì)激光再制造技術(shù)的應(yīng)用力度，不僅契合了目前國(guó)家大力推行循環(huán)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略需要，同時(shí)，也是各個(gè)行業(yè)順利完成節(jié)能減排目標(biāo)的重要途徑。因此，研究分析激光再制造技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展具有尤為重要的意義和作用。

1 激光再制造技術(shù)介紹

1.1 激光再制造技術(shù)構(gòu)成

激光再制造技術(shù)是一種將各種先進(jìn)技術(shù)融為一體的技術(shù)，如激光技術(shù)、光電檢測(cè)控制技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)、CAD/CAM 技術(shù)等。在實(shí)際應(yīng)用中，激光再造技術(shù)的整個(gè)流程如圖1 所示。首先定位損壞的部件，然后，對(duì)其進(jìn)行失效分析以及檢測(cè)診斷，再結(jié)合分析診斷結(jié)果繼續(xù)進(jìn)行三維測(cè)量以及逆向建模，進(jìn)行切片處理和規(guī)劃加工路徑，然后，選擇合適的熔覆工藝和熔覆材料并進(jìn)行加工工藝設(shè)計(jì)，借助工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)將最佳工藝參數(shù)加以找到，激光再制造損壞部件，在進(jìn)行相關(guān)處理后，還需要進(jìn)行熔覆層性能實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)生成的熔覆層質(zhì)量，最終從安全、壽命、經(jīng)濟(jì)三個(gè)維度對(duì)再制造部件進(jìn)行評(píng)估，最后，分析整個(gè)系統(tǒng)的和諧性。

1.2 激光再制造技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及特點(diǎn)

1.2.1 激光再制造技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

激光再制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）激光束有著較高的能量密度，僅僅需要將少許的能量注入進(jìn)去，就可以實(shí)現(xiàn)激光熔覆的完成。零件由于熱影響區(qū)小，所以相應(yīng)的變形也較小，因而非常適合用來(lái)修復(fù)或是強(qiáng)化那些高精度零部件。比如，對(duì)精軋輥的表面運(yùn)用該技術(shù)加以強(qiáng)化處理。（2）激光熔覆層有著比較低的稀釋率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，熔覆材料的成分將決定熔覆層的成分以及性能。所以當(dāng)采用常規(guī)堆焊工藝難以實(shí)現(xiàn)修復(fù)的時(shí)候，就需要借助激光熔覆技術(shù)。（3）激光熔覆層微觀缺陷少，有著較為致密的組織，有著較高的強(qiáng)度。所以可以用來(lái)修復(fù)或強(qiáng)化一些重載條件下的零部件，比如，大型曲軸、大型齒輪以及大型軋輥等。（4）能夠精確控制熔覆層，通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的導(dǎo)光系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)盲孔、凹槽、內(nèi)孔等部位的激光處理。如果借助多道搭接甚至能夠?qū)崿F(xiàn)工件表面的大厚度、大面積激光熔覆，滿足不同尺寸、形狀的軋輥等典型容易發(fā)生損壞部件的表面修復(fù)要求或強(qiáng)化要求。

1.2.2 激光再制造技術(shù)特點(diǎn)

激光再制造技術(shù)是以失去了使用價(jià)值的損壞、報(bào)廢零部件作為毛坯進(jìn)行性能升級(jí)、修復(fù)，使強(qiáng)化和修復(fù)后的零部件能夠重新恢復(fù)原本狀態(tài)甚至超越，有著環(huán)保、節(jié)材、節(jié)能、高效、優(yōu)質(zhì)等基本特點(diǎn)。該技術(shù)最大的特點(diǎn)是能夠借助先進(jìn)的技術(shù)方法制備出比基體材料性能還要優(yōu)秀的熔覆層，從而使得被強(qiáng)化或修復(fù)的零部件自此獲得防輻射、抗疲勞、耐磨損、防腐蝕、耐高溫等性能。熔覆層的厚度僅十幾毫米甚至幾十微米，相比制作部件的整體材料而言，面積小、厚度薄，卻將該部件的主要功能承擔(dān)了，使該部件相比于本體材料而言，有著更高的耐高溫、抗腐蝕性、耐磨性等能力，能夠?qū)崿F(xiàn)一些貴重金屬材料的大大節(jié)約。通過(guò)應(yīng)用該技術(shù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)大量耗材浪費(fèi)和能源消耗的減少，可謂是一種低噪聲、無(wú)污染、非接觸、節(jié)省材料和能源的綠色技術(shù)。

圖1 激光再造技術(shù)應(yīng)用流程圖

2 激光再制造技術(shù)應(yīng)用發(fā)展

2.1 礦山機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展

礦山機(jī)械主要應(yīng)用于建材、化工、有色金屬、煤炭等部門(mén)的礦山開(kāi)采中，以及為水電、公路、鐵路等大型工程提供高效、先進(jìn)的設(shè)備支持。在整個(gè)社會(huì)發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，礦山機(jī)械有著非常重要的地位和作用。礦山機(jī)械由于經(jīng)常在條件較為惡劣的地區(qū)使用，同時(shí)，使用強(qiáng)度也非常大，所以每年都會(huì)有大量的廢舊零部件產(chǎn)生。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020 年，我國(guó)礦山機(jī)械甚至將達(dá)到接近百萬(wàn)噸的平均報(bào)廢量，所以如何將這些報(bào)廢了的廢舊零部件有效利用是國(guó)家以及相關(guān)企業(yè)非常重視的問(wèn)題，而這對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展也有著非常重要的意義和作用。礦山機(jī)械的特點(diǎn)是體積龐大、裝卸困難、價(jià)格高昂，而且維修保養(yǎng)工作量大，一旦設(shè)備由于零部件表面磨蝕、磨損而導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備停止運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致非常大的經(jīng)濟(jì)損失。將激光再制造技術(shù)應(yīng)用的礦山機(jī)械行業(yè)中來(lái)，通過(guò)對(duì)廢舊零部件的再制造，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)重新利用，不但減少了能源和資源上的浪費(fèi)，就整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)是否得以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展也能夠起到非常積極的促進(jìn)作用。

2.2 鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展

目前，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)每年在輥材種類(lèi)上的消耗已達(dá)到了驚人的數(shù)量，是鋼鐵行業(yè)最主要的耗材。鋼鐵企業(yè)往往需要應(yīng)用較多的熱軋工藝，熱軋輥?lái)氂兄鴥?yōu)秀的抗磨性，組織緊密的材質(zhì)以及均勻分布的硬度，較高的散熱能力以及較低的熱膨脹系數(shù)，抗高溫蠕變、抗氧化性能以及高溫穩(wěn)定性能。軋輥質(zhì)量將對(duì)軋機(jī)效率以及生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響，所以，對(duì)于其修復(fù)往往有著非常高的技術(shù)要求。通常情況下，磨料磨損、疲勞磨損、剝落以及熱龜裂等都是導(dǎo)致軋輥失效的原因。如果借助激光再制造技術(shù)來(lái)對(duì)失效的軋輥加以修復(fù)，針對(duì)軋輥材質(zhì)、技術(shù)要求、工作環(huán)境，選擇相應(yīng)的熔覆工藝、熔覆合金粉末，能夠使基材與熔覆層兩者之間實(shí)現(xiàn)較好的冶金結(jié)合。熔覆層由于組織致密細(xì)小，可以使其表面達(dá)到50 ～60HRC 的硬度，相比傳統(tǒng)修復(fù)工藝來(lái)說(shuō)，在耐沖擊、耐磨等使用性能上能夠有數(shù)倍的提高，同時(shí)，其成本相當(dāng)于新軋輥價(jià)格的1/3。

2.3 航空行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展

在航空行業(yè)中，由于相關(guān)零部件往往有著非常高昂的價(jià)格，當(dāng)這些零部件出現(xiàn)損壞或者失效后，直接采購(gòu)新的零部件將大大增加企業(yè)的運(yùn)行成本，所以，自激光再制造技術(shù)誕生以來(lái)，常常需要運(yùn)用到該技術(shù)來(lái)對(duì)這些損壞或者失效的零部件進(jìn)行修復(fù)，使其與新品零部件達(dá)到一致的性能甚至超越。美國(guó)Optpmec Design 公司采用該技術(shù)對(duì)T700飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的磨損進(jìn)行修復(fù)；Huffman 公司也采用該技術(shù)對(duì)鎳基高溫合金及鈦合金航空葉片進(jìn)行了修復(fù)；中科院自動(dòng)化所也將該技術(shù)用于了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器及船舶葉片的修復(fù)。比如，包含鎳基合金以及鈦合金的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)進(jìn)行摩擦而導(dǎo)致粘著磨損出現(xiàn)的時(shí)候，如何對(duì)其進(jìn)行有效維修是一項(xiàng)極為突出的問(wèn)題。但是，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于惰性氣體環(huán)境中，借助激光再制造技術(shù)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，就能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)重新獲得有著較高質(zhì)量的涂層，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)重新恢復(fù)正常狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，激光再制造技術(shù)是一門(mén)符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的一門(mén)綠色技術(shù)，也是目前國(guó)家大力推廣應(yīng)用的一門(mén)高新技術(shù)。我國(guó)每年由于零部件腐蝕、磨損等諸多原因而導(dǎo)致設(shè)備報(bào)廢、停產(chǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生的相關(guān)損失高達(dá)千億元，由此可見(jiàn)激光再造技術(shù)在其中的重要地位和作用，不難預(yù)見(jiàn)激光再造技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用前景是何等廣闊。