激光再制造技術在鋼鐵行業(yè)應用

1、激光再制造技術在鋼鐵冶金行業(yè)中的應用一、激光再制造技術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的工程實踐。裝備的論證、設計、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。再制造技術的發(fā)展必須融入高新技術、使得陳舊部件和裝備獲得重新獲得高品質，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。美國的再制造業(yè)產(chǎn)值達530億美元，

2、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，國務院發(fā)布了關于加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的若干意見和做好建設節(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，技術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)是國家的基礎行業(yè)，同時屬于國家的重工業(yè)，且

3、其設備繁雜、種類多、噸位重。由于摩擦、磨損等各種原因的存在，要維持設備的正常運轉，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備的再制造修復對降低生產(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對做好備品備件的修理、修復工作，對企業(yè)節(jié)能降耗具有非常現(xiàn)實的意義。二、激光再制造技術的可行性分析（一）激光再制造技術的主要特點 激光加工是無接觸加工，對工件無直接

4、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)加工最小； 由于激光束易于導向、聚焦、實現(xiàn)方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合及對復雜工件進行加工，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，因此可以實現(xiàn)多種加工的目的。

5、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對密閉容器內(nèi)的工件進行各種加工。 由于激光束易于導向、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、質量可靠、經(jīng)濟效益好。三、激光再制造技術的主要種類 激光淬火與毛化激光淬火技術是利用聚焦后的激光束入射到鋼鐵材料表面，使其溫度迅速

6、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，合金粉末的設計、選擇與使用正確與否是該項技術能否成功的關鍵。圖1 軸頭的激光堆焊修復激光焊

7、接激光焊接是激光材料加工技術應用的重要方面之一。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)處于主導地位的典型冷軋工藝路線是：轉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量有很高要求。四、激光再制造技術在鋼鐵冶金行業(yè)中的應用1、軋輥的修復與強化冶金行業(yè)生產(chǎn)設備大

8、部分是在高(交變)應力、高熱應力的惡劣環(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。在這些設備中，各種軋輥無疑是其中最關鍵的設備零件，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，而且直接決定鋼鐵制品的質量，尤其是表面質量和板型。采用激光堆焊修復各種軋輥，其中以小型軋輥和局部修復更為擅長。性能如能新件。如圖1為在實際使用中，堆焊修復后的輥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。多數(shù)情況都進行34次修復。激光淬火技術可對

9、各種導軌、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與強化激光堆焊技術可使各種高附

10、加值的大、中、小型齒輪類零件性能得到恢復。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、高壓高速風機葉片的修復葉片因其工作環(huán)境較為惡劣，葉輪葉片進風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。采用激光堆焊技術可以使修復層與原基材為冶金結合，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、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。激光拼焊板技術是基于成熟的激光焊接技術發(fā)展起來的現(xiàn)代加工工藝技術。采用激光拼焊板可以給汽車制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益

11、，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、焊接質量得到質的提高。目前該技術在寶鋼、武鋼和鞍鋼均是采用引進國外技術的辦法進行開發(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尺寸的修復實驗結果。 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，汽車拼焊板的應用潛力是非常巨大的。圖5 冶金軋輥軸頭的激光堆焊恢復尺寸的修復圖6 汽車離合器激光焊接部件示意圖五、激光再制造技術的成本分析及展望激光加工最大的成本在于設備的一次性投資比較昂貴，一旦設備投入之后，在不考慮設備投入成本的前提下，運行成本比較