激光再制造技術(shù)在鋼鐵冶金行業(yè)中的應(yīng)用

1、激光再制造技術(shù)在鋼鐵冶金行業(yè)中的應(yīng)用一、激光再制造技術(shù)提出的市場背景再制造工程是以產(chǎn)品全壽命周期理論為指導(dǎo)的工程實踐。裝備的論證、設(shè)計、制造、使用、維修、回收的全部費用稱作全壽命周期費用，傳統(tǒng)上只重視裝備的“前半生”，(這個周期僅占2040%的費用)，而往往忽略了“后半生”，即使用、維修和報廢階段的費用。 裝備的再制造工程是以裝備的“后半生”為對象，以提高利用率、節(jié)約資源、環(huán)境保護、堅持可持續(xù)發(fā)展的一門工程技術(shù)。再制造技術(shù)的發(fā)展必須融入高新技術(shù)、使得陳舊部件和裝備獲得重新獲得高品質(zhì)，高附加值的產(chǎn)品，所以再制造業(yè)是實現(xiàn)跨越式發(fā)展，完全符合國家政策的一項重要技術(shù)。美國的再制造業(yè)產(chǎn)值達53

2、0億美元，從業(yè)人員達48萬人，他們稱“再制造業(yè)是潛在的巨人”。 我國政府高度重視發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)。2005年，國務(wù)院發(fā)布了關(guān)于加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的若干意見和做好建設(shè)節(jié)約型社會近期重點工作的通知，明確提出要積極支持廢舊機電產(chǎn)品再制造。但從整體上看，我國再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，仍處于起步探索階段，與發(fā)達國家相比還有很大的差距。中國再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的主要問題：一是再制造作為一個新的理念還沒有被人們廣泛認識，各方面對發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)的重要意義缺乏足夠的認識；二是再制造還沒有形成產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，技術(shù)和管理水平還比較低；三是現(xiàn)行法規(guī)政策在某些方面制約了零部件再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。鋼鐵冶金行業(yè)是國家的基礎(chǔ)行業(yè)，同時屬于國家的

3、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)備的正常運轉(zhuǎn)，每年將消耗大量的備品備件。據(jù)統(tǒng)計，2003年濟南鋼鐵股份公司達到年產(chǎn)量334萬t鋼的規(guī)模，而公司每年用于設(shè)備修理的備品備件制造費用就高達1.2億元，備品備件修舊利廢數(shù)量達150t以上，創(chuàng)經(jīng)濟效益2000萬元左右。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)濟效益具有積極的促進作用，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?，F(xiàn)實的意義。二、激光再制造技術(shù)的可行性分析（一）激光再制造技術(shù)的主要特點 激光加工是無接觸加工，對

4、工件無直接沖擊，因此無機械變形； 激光加工過程中無"刀具"磨損，無"切削力"作用于工件； 激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光照射部位沒有或影響極小。因此，其熱影響的區(qū)域小，工件熱變形小后續(xù)加工最??； 由于激光束易于導(dǎo)向、聚焦、實現(xiàn)方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合及對復(fù)雜工件進行加工，因此它是一種極為靈活的加工方法； 生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效益和社會效益好；（二）激光加工的優(yōu)勢激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領(lǐng)域中存在的優(yōu)勢： 由于它是無接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動速度均可調(diào)，因此可以實現(xiàn)

5、多種加工的目的。 它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、及高熔點的材料。激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件。 激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光照射部位沒有影響或影響極小。因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小。 它可以通過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進行各種加工。 由于激光束易于導(dǎo)向、聚集實現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合和對復(fù)雜工件進行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。 使用激光加工生產(chǎn)效率高、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟效益好。三、激光再制造技術(shù)的主要種類 激光淬火與毛化激光淬火技術(shù)是利用聚焦后的激光束入射到鋼鐵材料

6、表面，使其溫度迅速升高到相變點以上，當激光移開后，由于仍處于低溫的內(nèi)層材料的快速導(dǎo)熱作用，使受熱表層快速冷卻到馬氏體相變點以下，進而實現(xiàn)工件的表面相變硬化。如大型軋輥表面激光熔凝淬火的最大淬硬層深度可以達到2毫米以上。 激光熔覆與合金化激光熔覆技術(shù)是采用激光束在選定工件表面熔覆一層特殊性能的材料, 以改善工件表面性能的工藝。對于冶金行業(yè)軋輥、導(dǎo)位、輸送輥、夾送輥、剪刃等大量易損件來說，激光熔覆與合金化技術(shù)的最大好處是將軋輥的整體合金化變成表面合金化或者熔覆，使軋輥等易損件的使用壽命大幅度提高的同時，生產(chǎn)成本增加有限。顯然，合金粉末的設(shè)計、選擇與使用正確與否是該項技術(shù)能否成功的關(guān)鍵。圖1

7、0;軸頭的激光堆焊修復(fù)激光焊接激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。其原理是將高強度的激光輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。由于其獨特的優(yōu)點，已成功地應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中。如目前我國鋼鐵行業(yè)處于主導(dǎo)地位的典型冷軋工藝路線是：轉(zhuǎn)爐冶煉爐外精煉初軋開坯熱連軋酸洗冷軋退火平整鍍鋅（錫）成產(chǎn)品。在此典型的冷軋工藝中，帶材焊接設(shè)備必不可少。在運行過程中，先行鋼帶與后行鋼帶必需進行焊接，才能保證生產(chǎn)線的連續(xù)作業(yè)。硅鋼板帶在線運行時，需經(jīng)多次“S”型彎曲變形和承受一定的運行張力，從而對焊縫的性能和質(zhì)量有很高要求。四、激光再制造技術(shù)在鋼鐵冶金行業(yè)中的應(yīng)用1、軋輥的

8、修復(fù)與強化冶金行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備大部分是在高(交變)應(yīng)力、高熱應(yīng)力的惡劣環(huán)境下工作，如連鑄輥、校直輥、槽型輥、半鋼輥、鑄管模、熱(冷)軋工作輥、高爐溜槽、料鐘等。在這些設(shè)備中，各種軋輥無疑是其中最關(guān)鍵的設(shè)備零件，其消耗量大、價格昂貴、壽命長短不僅與產(chǎn)品成本密切相關(guān)，而且直接決定鋼鐵制品的質(zhì)量，尤其是表面質(zhì)量和板型。采用激光堆焊修復(fù)各種軋輥，其中以小型軋輥和局部修復(fù)更為擅長。性能如能新件。如圖1為在實際使用中，堆焊修復(fù)后的輥1次使用期均達到1年以上，比未堆焊的60SiMnMo鍛鋼輥平均使用期（3個月）提高3倍以上，在1次使用后，基材為受損傷的情況下（進行探傷檢測），仍可進行再次堆焊修復(fù)。多數(shù)情況都進行

9、34次修復(fù)。激光淬火技術(shù)可對各種導(dǎo)軌、大型齒輪、軸頸、汽缸內(nèi)壁、模具、減振器、摩擦輪、軋輥、滾輪零件進行表面強化。激光毛化汽車板由于涂漆后反射映像光澤度高，在國外被稱為“鏡面鋼板”，它是生產(chǎn)高級轎車面板的優(yōu)質(zhì)板材。因此，激光毛化冷軋薄板（帶）是汽車、家電、電子和輕工業(yè)生產(chǎn)需求的重要原材料。如圖2為中厚板軋輥激光強化工作狀態(tài)圖。圖2 中厚板軋輥激光強化2、各種軸類零件磨損、抱瓦、裂紋的修復(fù)各種軸類零件經(jīng)激光堆焊處理后堆焊層無粗大的鑄造組織，堆焊層及界面組織細密、晶粒細化、無孔、砂眼、夾雜、裂紋等缺陷，性能如同新件。圖3 軸磨損的激光修復(fù)3、冶金行業(yè)中的各種高附加值的大、中、小型齒輪類零件的修復(fù)與

10、強化激光堆焊技術(shù)可使各種高附加值的大、中、小型齒輪類零件性能得到恢復(fù)。驗收指標按仍原制造標準進行。圖4 沈陽金杯車門立柱內(nèi)接頭激光表面強化4、高壓高速風(fēng)機葉片的修復(fù)葉片因其工作環(huán)境較為惡劣，葉輪葉片進風(fēng)口部位易嚴重腐蝕與磨損，一般使用3 0004 000 h即因葉輪葉片腐蝕與磨損失去平衡而報廢。采用激光堆焊技術(shù)可以使修復(fù)層與原基材為冶金結(jié)合，硬度達到HRC55左右。服役性能如同新件。5、汽車板的激光拼焊 拼焊板是將幾塊不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材焊接成一塊整體板，以滿足零部件不同部位對材料不同性能的要求。激光拼焊板技術(shù)是基于成熟的激光焊接技術(shù)發(fā)展起來的現(xiàn)代加工工藝技術(shù)。采用激光

11、拼焊板可以給汽車制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益，如車身裝配中的大量點焊，把兩個焊頭夾在工件邊緣上進行焊接，凸緣寬度需要16mm，而激光拼焊板無需搭接，點焊改為激光拼焊技術(shù)可以節(jié)省鋼材，節(jié)省的用量視采用拼焊板的數(shù)量而定；用傳統(tǒng)點焊焊接兩片0.8mm的鋼板沖壓件，平均是20點/min，焊距是25mm，速度則為0.5m/min，這會耗費相當?shù)臅r間，采用激光拼焊板替代點焊工藝后所需要的時間可以得到大量節(jié)省、焊接質(zhì)量得到質(zhì)的提高。目前該技術(shù)在寶鋼、武鋼和鞍鋼均是采用引進國外技術(shù)的辦法進行開發(fā)的，投資非常巨大。該裝備的國產(chǎn)化和技術(shù)的本土化尚需要鋼鐵生產(chǎn)廠、激光制造商和高等院校與研究所通力合作，改變目前這一現(xiàn)狀。其中全自動激光拼焊成套裝備國內(nèi)市場需求巨大，如今國家對激光拼焊技術(shù)裝備已經(jīng)投入較大資金和扶持，力爭使具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套激光拼焊裝備早日投放市場，為國產(chǎn)激光拼焊板的應(yīng)用貢獻自己的力量。 圖5為某公司冶金軋輥軸頭的激光堆焊恢復(fù)尺寸的修復(fù)實驗結(jié)果。 圖6為汽車中可以使用激光進行拼焊的部件示意圖。從圖中可以看出，汽車拼焊板的應(yīng)用潛力是非常巨大的。 圖5 冶金軋輥軸頭的激光堆焊恢復(fù)尺寸的修復(fù) 圖6 汽車離合器激光焊接部件示意圖五、激光再制造技術(shù)的成本分析及展望激光加工最大的成本在于設(shè)備的一次性投資比較昂貴，一旦設(shè)備投入之后，在不考慮設(shè)備投入成本的前提下，運行成本比較低。由于鋼鐵