激光表面強(qiáng)化及再制造加工技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域

1、激光表面強(qiáng)化及再制造加工技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域激光表面強(qiáng)化及再制造加工技術(shù)是一種集光、機(jī)、電、計算機(jī)、材料、物理、化學(xué)等多門學(xué)科的跨學(xué)科高新技術(shù)，因其特有的無污染、低能耗、易于自動控制等優(yōu)勢而迅速發(fā)展成為一種先進(jìn)的表面加工技術(shù)。該技術(shù)歷經(jīng)二十余年的進(jìn)步，伴隨著高功率激光器、裝備智能化控制和材料技術(shù)的不斷升級和改進(jìn)，已越來越多應(yīng)用到工業(yè)零部件的強(qiáng)化和再制造中。一、激光表面強(qiáng)化及再制造加工技術(shù)分類及簡介激光表面強(qiáng)化及再制造加工技術(shù)可以在不改變金屬零件表面金屬成分的條件下提高零件表面的機(jī)械性能，也可以對金屬零件磨損或者拉傷的部位進(jìn)行類同質(zhì)熔覆修復(fù)、恢復(fù)形貌尺寸和性能，還可以對一些金屬零件關(guān)鍵部位添加合金或者

2、陶瓷材料進(jìn)行表面改性，大大提高該部位防腐耐蝕、耐磨、高溫抗疲勞等性能。激光表面強(qiáng)化及再制造加工技術(shù)特點(diǎn)：無污染、可控性好、熱影響區(qū)小、組織缺陷少、處理效果好、便于實(shí)現(xiàn)自動化。國內(nèi)外廣泛使用的激光表面強(qiáng)化及再制造加工技術(shù)主要分三種：激光淬火、激光再制造（熔覆）、激光合金化。以下對這三類技術(shù)及特點(diǎn)簡單介紹：1.激光淬火技術(shù)采用高能量激光作為熱源，使金屬表面快熱快冷，瞬間完成淬火過程，得到高硬度、超細(xì)的馬氏體組織，提高表面的硬度及耐磨性，并且在表面形成壓應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度。圖2-4為幾種典型材料激光淬火層的組織和橫斷面硬度分布。圖1半導(dǎo)體激光淬火設(shè)備及淬火示意圖圖2GCr15激光淬火硬度及組織照片（

3、激光功率2.2kW，速度15mm/s）圖342CrMo激光淬火硬度及組織照片（激光功率2.2kW，速度10mm/s）圖47CrSiMnMoV激光淬火硬度及組織照片（激光功率2.2kW，速度10mm/s）激光淬火特點(diǎn)：變形小、形成殘余壓應(yīng)力、硬度高、淬火層深度硬度可控、環(huán)保（無需水、油等淬火液）、易于實(shí)現(xiàn)自動化控制，該工藝不需添加功能合金材料。2.激光合金化技術(shù)采用高能量激光作為熱源，照射通過噴涂在工件表面預(yù)制好的超細(xì)金屬或金屬陶瓷合金化材料，使之在高能密度激光束作用下快速滲透熔凝，從而改變工件表面成分，獲得組織細(xì)密、高耐磨合金層，大幅提高工件高溫腐蝕條件下的耐磨性能。圖5-7為幾種典型材料激光

4、合金化的組織和硬度分布。圖545鋼激光合金化表面形貌及硬度分布激光合金化表面Ra為2-4um合金層硬HV800-850，層深0.3mm，淬火層深0.5mm圖69CrSi鋼激光合金化表面形貌及硬度分布激光合金化表面Ra為3-4um，合金層硬度HV900-950，層深0.4mm，淬火層深0.7mm圖7球鐵激光合金化表面形貌及硬度分布激光合金化表面Ra為3-5um，合金層硬度HV1100-1200，層深0.5mm，淬火層深0.6mm激光合金化特點(diǎn)：性能提升明顯、無需后續(xù)加工、成本低、變形小、速度快、便于實(shí)現(xiàn)自動化控制，激光合金化層的材料和性能可根據(jù)使用需要進(jìn)行調(diào)整，工藝可塑性大，特別適合于鋼鐵行業(yè)熱

5、軋輥的需求。3.激光再制造（熔覆）技術(shù)采用高能量激光作為熱源，金屬合金粉末作為焊材，通過激光與合金粉末同步作用于金屬表面快速熔化形成熔池，再快速凝固形成致密、均勻并且厚度可控的冶金結(jié)合層。激光熔覆層的材料和硬度可根據(jù)需要進(jìn)行靈活調(diào)整，熔覆層材料通常分為鐵基、鎳基和鈷基三類。圖8-9為幾種典型材料激光熔覆層的硬度。圖8不同成分的鐵基合金熔覆層硬度曲線圖9不同成分的鈷基合金熔覆層硬度曲線激光再制造（熔覆）的特點(diǎn)：熔覆層與基材冶金結(jié)合，強(qiáng)度高、稀釋率低、組織致密無缺陷、變形小，可根據(jù)工件不同使用要求設(shè)計材料成分，并且厚度可控，以最少的代價獲得最佳的效果，充分體現(xiàn)"好鋼用在刀刃上"

6、的理念。以上三種技術(shù)均可用于金屬零部件的制造和再制造，在新件的制造過程中對關(guān)鍵工作部位進(jìn)行激光強(qiáng)化可取代傳統(tǒng)的加工工藝，并且性能優(yōu)于傳統(tǒng)工藝所達(dá)到的效果。例如：汽車排氣門座在新件密封區(qū)域先進(jìn)行減法車削，再進(jìn)行加法式的激光熔覆一層高溫耐磨材料，其壽命可以提高4-6倍。對于已經(jīng)磨損損壞的零件，對需要修復(fù)部位進(jìn)行清理以后直接采用加法式的激光熔覆一定厚度的合金材料，同樣可以恢復(fù)尺寸并周期性提高使用壽命。二、激光表面強(qiáng)化及再制造加工技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用目前，機(jī)器因關(guān)鍵零部件失效造成裝備故障損失較大，價值超過萬億元，而其中80%以上是因零件表面局部磨損、腐蝕等失效引起，而激光表面強(qiáng)化及再制造與制造新品相比

7、，可節(jié)能60，節(jié)材70，節(jié)約成本50，幾乎不產(chǎn)生固體廢物，大氣污染物排放量降低80以上。激光再制造有利于形成"資源產(chǎn)品廢舊產(chǎn)品再制造產(chǎn)品"的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，可以充分利用資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。根據(jù)不同裝備的使用工況環(huán)境，激光表面強(qiáng)化加工主要提高金屬零部件以下三方面性能：耐磨、防腐、耐高溫，涉及的領(lǐng)域有鋼鐵冶金、船舶、電力、石化、礦用機(jī)械、汽車等國民經(jīng)濟(jì)支柱行業(yè)。1.鋼鐵冶金領(lǐng)域鋼鐵冶金行業(yè)是國家的基礎(chǔ)行業(yè)，同時屬于國家的重工業(yè)，且其設(shè)備繁雜、種類多、噸位重。由于摩擦、磨損等各種原因的存在，要維持設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，每年將消耗大量的備品備件。據(jù)初步估算，全國鋼鐵行業(yè)每年僅各種軋鋼生產(chǎn)線

8、上的重要零部件消耗達(dá)100億元。傳統(tǒng)辦法主要是更換這些設(shè)備零部件，甚至因零部件無法使用報廢或者更換整機(jī)，必須儲備大量的備件，占用巨額的資金和資源。同時，損傷失效和報廢的零部件或者整機(jī)基本上作為廢品處理，如此連鎖疊加造成的資源和資金浪費(fèi)非常驚人。因此，減少備品備件的消耗和對已使用設(shè)備的再制造修復(fù)對降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有積極的促進(jìn)作用，且降低成本的空間很大。其中激光再制造技術(shù)對做好備品備件的修理、修復(fù)工作，對企業(yè)節(jié)能降耗具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。通過使用激光表面強(qiáng)化及再制造加工技術(shù)既可以使已經(jīng)磨損甚至報廢的零件恢復(fù)使用，并且又能使新產(chǎn)品延長壽命，甚至可以長壽命的周期性使用。如熱軋輥、軋機(jī)傳

9、動軸、高爐風(fēng)口噴嘴、夾送輥、輸送輥、張力輥、飛剪、大型圓盤鋸、行車輪、卷筒、助卷輥、剪刃、導(dǎo)衛(wèi)、鋸片、萬向節(jié)套筒、扁頭套、主傳動接軸、交叉頭、TRT葉片、齒輪軸、軋機(jī)牌坊、減速機(jī)齒輪箱和齒輪軸等。圖10鋼坯輥激光合金化加工現(xiàn)場圖11大齒輪軸激光熔覆加工現(xiàn)場另外，還可以對銅合金進(jìn)行激光熔覆，提高銅合金的高溫耐磨性，如高爐風(fēng)口、結(jié)晶器等產(chǎn)品，代替電鍍，使用壽命大幅度提高4倍以上，并且節(jié)能環(huán)保。圖12高爐風(fēng)口噴嘴激光再制造加工現(xiàn)場圖13結(jié)晶器銅板激光再制造加工現(xiàn)場2.汽車行業(yè)至今，國內(nèi)外各大汽車公司，如：通用、福特、克萊斯勒-奔馳、豐田、一汽、東風(fēng)、比亞迪、大眾、寶馬、菲亞特等，已全部擁有自己的激光

10、加工生產(chǎn)線，且激光器數(shù)量以每年20%的速度增長。應(yīng)用于汽車工業(yè)的激光加工技術(shù)主要有：激光切割和激光焊接（約占60%），激光打孔和打標(biāo)（約占19%），激光表面處理（約占15%）。激光加工技術(shù)既是新產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)保證，又是生產(chǎn)高質(zhì)量、低成本汽車的有效和不可缺少的技術(shù)手段。激光表面強(qiáng)化加工是所有激光加工技術(shù)中開發(fā)應(yīng)用最早的技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用的例子很多。如：Fiat公司發(fā)動機(jī)缸套及其他零部件的激光熱處理；日產(chǎn)公司發(fā)動機(jī)曲軸和渦輪增壓機(jī)電機(jī)軸的激光處理；美國GM公司Saginaw分公司動力轉(zhuǎn)向器殼體內(nèi)孔激光處理，俄羅斯哈喬夫汽車廠的排氣閥座采用激光熔覆耐熱合金，德國大眾、奔馳等汽車廠對汽車覆蓋件模具表面進(jìn)行

11、激光淬火等。在國內(nèi)，激光表面強(qiáng)化及再制造加工技術(shù)在汽車領(lǐng)域主要應(yīng)用于各種沖壓模具、拉延模具、注塑模具表面淬火強(qiáng)化，取代傳統(tǒng)的淬火，淬火區(qū)域可選，淬火質(zhì)量均勻可控。并且可以對刃口進(jìn)行恒溫?zé)崽幚?，提高刃口區(qū)域的硬度和壽命，而不會燒塌刃口。另外還可以對模具局部損壞部位進(jìn)行修復(fù)。圖14汽車模具激光淬火加工現(xiàn)場汽車發(fā)電機(jī)缸體內(nèi)壁激光熱處理，剎車摩擦盤激光淬火，傳導(dǎo)齒輪表面淬火，凸輪軸表面淬火，排氣門密封面激光熔覆強(qiáng)化。圖15油缸激光淬火加工現(xiàn)場圖16曲軸激光修復(fù)加工現(xiàn)場3.礦用機(jī)械領(lǐng)域礦井環(huán)境惡劣、設(shè)備長期重載復(fù)合作業(yè)，加上有些區(qū)域礦井潮濕并帶有腐蝕氣氛，礦用設(shè)備運(yùn)動部件到一定的維修周期都會出現(xiàn)不同程度

12、的磨損、劃傷、變形、裂紋、腐蝕等不同情況的失效，而這些機(jī)械零件體積龐大、裝卸困難，而且保養(yǎng)維護(hù)工作量大，因此維修量巨大，并且對這些零件的性能的可靠性和壽命要求更高。目前在該領(lǐng)域應(yīng)用激光表面強(qiáng)化及再制造加工技術(shù)的有各種傳導(dǎo)齒輪軸激光再制造、齒面激光淬火；液壓缸表面激光熔覆不銹鋼合金，取代鍍鉻；采煤機(jī)截齒表面無火花熔覆耐磨合金；輸送機(jī)刮板表面激光熔覆增強(qiáng)耐磨；搖臂磨損部位修復(fù)；齒輪箱磨損部位修復(fù)等。圖17采煤機(jī)截齒激光熔覆加工現(xiàn)場圖18液壓油缸激光熔覆圖19刮板槽激光熔覆4.石油、化工、電力領(lǐng)域這些行業(yè)特點(diǎn)，輸油管道、各種化工液體輸送管道泄漏導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子磨損導(dǎo)致全面停機(jī)檢

13、修，石油鉆具腐蝕磨損導(dǎo)致各種檢測和更換亡羊補(bǔ)牢，不僅僅要補(bǔ)窟窿，更要鞏固，提高性能，延長周期壽命，降低檢修次數(shù)，最大限度的降低損失。采用激光表面強(qiáng)化及再制造加工技術(shù)，對已經(jīng)損壞的零件進(jìn)行修復(fù)/再制造，對新產(chǎn)品進(jìn)行局部激光熔覆添加超耐磨、耐蝕合金。好鋼用在刀刃上，零件修復(fù)了，更耐用了，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于購買新件。目前國內(nèi)激光表面強(qiáng)化及再制造加工技術(shù)主要用于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承位置再制造，汽輪機(jī)葉片、轉(zhuǎn)子再制造，煙機(jī)輪盤再制造，各種腐蝕行泵體表面激光耐蝕熔覆，石油輸送管道激光強(qiáng)化，石油開采平臺鉆井螺桿及扶正器、穩(wěn)定器等零部件表面進(jìn)行激光防腐、耐磨熔覆等。圖20發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子激光熔覆加工現(xiàn)場圖21化工耐酸泵體激光熔

14、覆加工現(xiàn)場圖22石油鉆桿激光淬火加工現(xiàn)場圖23鉆井零件激光熔覆5.船舶領(lǐng)域目前國內(nèi)很多廠家為降低成本，貨船多采用"重油"，其中雜質(zhì)較多，活塞在油缸內(nèi)運(yùn)動過程中，顆粒狀雜質(zhì)容易拉傷缸套內(nèi)壁的鍍鉻層，鉻層一旦破壞就會大面積剝落，影響油缸的密封性，另外活塞本體表面的鑄造缺陷也會影響該性能，現(xiàn)在采用激光熱處理技術(shù)對缸套內(nèi)壁進(jìn)行網(wǎng)狀淬火，提高了表面硬度和耐磨性能，又不會產(chǎn)生因?yàn)樘砑硬牧辖Y(jié)合強(qiáng)度低而剝落失效，大大提高壽命。另外，該技術(shù)也可對活塞表面鑄造缺陷進(jìn)行激光修復(fù)；曲軸磨損部位激光再制造；各種絲杠、螺桿、導(dǎo)軌、凸輪軸及傳動齒輪、齒圈等表面進(jìn)行局部淬火。圖24船用曲軸激光熔覆加工現(xiàn)場

15、圖25油缸激光淬火圖26齒輪軸激光熔覆加工現(xiàn)場三、激光表面強(qiáng)化及再制造加工技術(shù)應(yīng)用前景展望激光表面強(qiáng)化及再制造加工技術(shù)對現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展有著重要的填補(bǔ)空白和提升技術(shù)水平的作用，可以對磨損零部件的修復(fù)處理和表面改性，用于新件的制造和再制造以提高表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕和抗疲勞、耐高溫等性能，提高材料的使用壽命，其中激光再制造是制造與修復(fù)、回收與利用、生產(chǎn)與流通的有機(jī)結(jié)合。汽車零部件再制造產(chǎn)品主要用于維修，既能提高維修技術(shù)質(zhì)量，又能提高維修效率和效益。國外經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)再制造零部件占維修配件市場的65時，汽車維修速度將增加8倍。發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)還能使制造企業(yè)有能力投入更多精力進(jìn)行新產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計，形成良性循環(huán)，對推動我國制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)品更新?lián)Q代、技術(shù)進(jìn)步和人員素質(zhì)提高十分有利。我國鋼鐵冶金設(shè)備、汽車、工程機(jī)械、機(jī)床等社會保有量快速增長，再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆?014年我國粗鋼產(chǎn)量達(dá)82269.78萬噸，民用機(jī)動車保有量達(dá)2.64億輛，其中汽車1.54億輛，汽車數(shù)量僅此于美國居世界第二位，占世界總量的15%，機(jī)床保有量超過800萬臺，工程機(jī)械主要產(chǎn)品保有量達(dá)611-662萬臺。其中大量裝備在達(dá)到磨損周期或報廢要求后將被拆修或者淘汰，新增的退役裝備還在大量增加，這些工業(yè)條件給激光表面