(完整word版)激光再制造綜述

1、激光再制造綜述摘要：激光再制造技術(shù)是重大機(jī)械裝備修復(fù)和性能提升的重要發(fā)展方向之一.本文介紹激光再制造國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及其技術(shù)體系的組成特點(diǎn)，并列舉激光再制造機(jī)械設(shè)備的典型案例，指出在我國(guó)發(fā)展激光再制造技術(shù)的廣闊市場(chǎng)前景。關(guān)鍵詞：激光再制造；激光熔覆；修復(fù)1、引言由于當(dāng)前資源、能源日趨緊張、生態(tài)環(huán)境壓力不斷增加,大力發(fā)展工程機(jī)械再制造產(chǎn)業(yè)，不僅可以有效降低資源能源消耗、減少?gòu)U棄物排放，有利于轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)“開(kāi)采冶煉制造廢棄的線性增長(zhǎng)模式,發(fā)展成“資源產(chǎn)品廢棄物再生資源”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，也是貫徹國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（20062020年）明確指出的“綠色制造”的具體體現(xiàn)。再制造主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：汽

2、車零部件再制造和工程機(jī)械再制造.2、激光再制造國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀再制造以廢舊產(chǎn)品的零部件為毛坯，主要以先進(jìn)的表面工程技術(shù)為修復(fù)手段（即在損傷的零件表面制備一薄層耐磨、耐蝕、抗疲勞的表面涂層），因此無(wú)論是毛坯來(lái)源還是再制造過(guò)程，對(duì)能源和資源的需求、對(duì)廢物廢氣的排放都是極少的，具有很高的綠色度.再制造具有如下重要特征：再制造產(chǎn)品的質(zhì)量和性能達(dá)到或超過(guò)原型新品,成本不超過(guò)原型新品的50，節(jié)能60、節(jié)材70，對(duì)環(huán)境的不良影響顯著降低，有力促進(jìn)了資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè).上述特征可概括為：“兩型社會(huì)、五六七”。20世紀(jì)90年代，美國(guó)從產(chǎn)業(yè)角度建立了3R體系（Reuse再利用、Recycle再循環(huán)、R

3、emanufacture再制造）；日本從環(huán)境保護(hù)的角度也建立了3R體系（Reduce減量化、Reuse再利用、Recycle再循環(huán)）。中國(guó)在總結(jié)世界各國(guó)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出具有中國(guó)特色的(完整word版)激光再制造綜述4R體系(Reduce減量化、Reuse再利用、Recycle再循環(huán)、Remanufacture再制造).美國(guó)再制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模是全球最大的，達(dá)750億美元，其中汽車和工程機(jī)械等領(lǐng)域占三分之二以上，約500億美元。美國(guó)再制造產(chǎn)品的范圍覆蓋汽車零部件、機(jī)床、工程機(jī)械、鐵路裝備醫(yī)療設(shè)備及電子類產(chǎn)品。美國(guó)再制造運(yùn)作模式:獨(dú)立的再制造公司.原制造商投資或授權(quán)生產(chǎn)的再制造企業(yè)。如GE、C

4、aterpillar小型再制造工廠.例如美國(guó)NAPA納帕)公司美國(guó)大型再制造協(xié)會(huì):APRA(automotivepartsremanufacturersassociation)汽車零部件再制造協(xié)會(huì)AERA(automotiveenginerebuildersassociation)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)修復(fù)協(xié)會(huì)TRI(theremanufacturinginstitute)國(guó)際再制造工業(yè)協(xié)會(huì)PERA(productiongengineremanufacturesassociation)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)再制造協(xié)會(huì)主要企業(yè)及其布局：1、美國(guó)汽車硏究理事會(huì)(USCAR)的支持下，通用、福特、戴克公司與美國(guó)能源部、阿貢

5、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室簽定一項(xiàng)為期5年協(xié)議,內(nèi)容為在最大程度上節(jié)約成本，對(duì)報(bào)廢汽車進(jìn)行回收。2、通用汽車公司的土星部與田納西大學(xué)合作，開(kāi)發(fā)一個(gè)汽車再制造軟件。3、Lucas和Jasper公司是美國(guó)專門(mén)從事汽車再制造工程最大的公司。4、美馳公司計(jì)劃將其加拿大米西索加再制造工廠的生產(chǎn)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移至美國(guó),并準(zhǔn)備投資140萬(wàn)美元對(duì)其印第安納州平原鎮(zhèn)工廠進(jìn)行升級(jí)。5、工程機(jī)械巨頭卡特彼勒在全國(guó)有9家再制造工廠，雇員2500多人，是全球最大的工程機(jī)械再制造商之一。在歐洲，德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)的再制造業(yè)發(fā)展最為成熟,其主要特點(diǎn)是再制造行業(yè)的發(fā)展基本（完整word版）激光再制造綜述上是在制造企業(yè)和零部件生產(chǎn)企業(yè)的控制下發(fā)展.如V

6、olvo、德國(guó)大眾、法國(guó)雪鐵龍等。主要企業(yè)及其布局：1、英國(guó)ListerPetter再制造公司，他們每年為英、美軍方再制造3000多臺(tái)廢舊發(fā)動(dòng)機(jī)。2、歐洲也通過(guò)了支持再制造的相關(guān)法律法規(guī)，并且正在德國(guó)建設(shè)歐洲再制造技術(shù)中心。3、法國(guó)的標(biāo)致雪鐵龍公司聯(lián)合法國(guó)廢鋼鐵公司和維卡水泥公司，在里昴附近建立一個(gè)汽車再生工廠，雷諾公司同法國(guó)廢鋼鐵公司在阿蒂蒙建立了汽車報(bào)廢回收中心。日本加強(qiáng)了對(duì)工程機(jī)械的再制造，至2008年,再制造的工程機(jī)械中，58由日本國(guó)內(nèi)用戶使用，34出口到國(guó)外,其余的8%拆解后作為配件出售。至2004年，德國(guó)大眾汽車公司已再制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)748萬(wàn)臺(tái)，變速器240萬(wàn)臺(tái)，公司銷售的再制造發(fā)

7、動(dòng)機(jī)及其配件和新機(jī)的比例達(dá)到9:1。主要企業(yè)布局：1、小松、日立建機(jī)等工程機(jī)械廠商，紛紛開(kāi)設(shè)專業(yè)的工程機(jī)械再制造廠，或與其它的專業(yè)再生廠、再生件經(jīng)銷商建立聯(lián)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)展工程機(jī)械再制造經(jīng)營(yíng)。2、日本JRC株式會(huì)社是日本最大的汽車零部件再制造企業(yè)，在東京和大阪地區(qū)有數(shù)家分支機(jī)構(gòu).2。2國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀與西方發(fā)達(dá)的汽車零部件再制造工業(yè)相比,中國(guó)的再制造產(chǎn)業(yè)則剛剛興起，尚處于萌芽期。但可以肯定的講,中國(guó)的再制造有著非常巨大的發(fā)展前景。截至2010年底,汽車保有量雖已超過(guò)8500萬(wàn)輛左右，未來(lái)幾年中國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展還將保持穩(wěn)健的發(fā)展。若保守地按年增長(zhǎng)率10計(jì)算，到2016年國(guó)內(nèi)民用汽車保有量將超過(guò)2億輛，202

8、0年后,預(yù)計(jì)可達(dá)到峰值約3。5億到4億輛的規(guī)模。截至2007年底，我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)共有生產(chǎn)企業(yè)及科研單位2000多家;固定資產(chǎn)凈值達(dá)到270億元;年銷售收入超過(guò)2200億元。由此，若按發(fā)達(dá)國(guó)家汽車保有量與再制造業(yè)的發(fā)展和比例來(lái)算，中國(guó)的再制造市場(chǎng)規(guī)模和（完整word版）激光再制造綜述前景將非常廣闊。2001年5月，總裝備部批準(zhǔn)立項(xiàng)建設(shè)我國(guó)首家再制造領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。2005年11月屆家發(fā)改委等6部委聯(lián)合頒布了“關(guān)于組織開(kāi)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)（第一批）工作的通知”，再制造被列為四個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域之一。2009年6月，工信部又批準(zhǔn)8個(gè)行業(yè)35家再制造試點(diǎn)企業(yè)。同時(shí)，相繼出

9、臺(tái)汽車零部件再制造試點(diǎn)管理辦法、再制造產(chǎn)品認(rèn)定實(shí)施指南、再制造產(chǎn)品認(rèn)定治理暫行方法等。2011年，全國(guó)人大審議通過(guò)的“十二五規(guī)劃綱要明確把“再制造產(chǎn)業(yè)化”作為循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)工程之一。主要產(chǎn)業(yè)園區(qū)：1、湖南瀏陽(yáng)制造產(chǎn)業(yè)基地德國(guó)博世集團(tuán)正式簽約,制造產(chǎn)業(yè)基地計(jì)劃在“十二五”期間，打造一個(gè)12平方公里的再制造聚集區(qū)，通過(guò)建設(shè)再制造倉(cāng)儲(chǔ)物流中心、拆解清洗中心等十大核心公共平臺(tái)，全面打造全國(guó)示范性再制造產(chǎn)業(yè)基地。2、上海臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)建設(shè)國(guó)家機(jī)電產(chǎn)品再制造產(chǎn)業(yè)示范園.上海在“十二五規(guī)劃”期間,將繼續(xù)推進(jìn)再制造產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,2015年實(shí)現(xiàn)全市再制造產(chǎn)值50億元.3、張家港市新興產(chǎn)業(yè)培育的實(shí)施意見(jiàn)在張家港保稅港區(qū)

10、設(shè)立汽車零部件再制造產(chǎn)業(yè)園，規(guī)劃總面積約3。15平方公里，立足張家港,輻射華東地區(qū)，于2010年10月份開(kāi)工建設(shè)總投資10億元、占地280畝的汽車零部件產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目并建立院士工作站。4、武漢工程機(jī)械再制造產(chǎn)業(yè)基地在東西湖區(qū)新溝鎮(zhèn)街掛牌成立.該基地位于東西湖區(qū)新溝鎮(zhèn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)工業(yè)園內(nèi)、107國(guó)道兩側(cè),規(guī)劃總占地面積6000畝。目前，基地有千里馬、泰天、湘楚天下、華誠(chéng)等4家再制造企業(yè)開(kāi)工運(yùn)行。5、浙江龍游中北實(shí)業(yè)有限公司、杭州博華激光科技有限公司和浙江龍游恒盛熱力有限公司負(fù)責(zé)人在龍游工業(yè)園區(qū)簽訂了再制造項(xiàng)目投資合作協(xié)議書(shū)，打造具有一定輻射能力的激光再制造中心.主要企業(yè)：2003年，南京小松機(jī)械更新制造

11、有限公司成立,對(duì)收購(gòu)的二手車進(jìn)行整修,翻新制造出小松（完整word版）激光再制造綜述廠家認(rèn)定的二手工程機(jī)械，再進(jìn)行二手銷售。2004年，卡特彼勒全球最大的代理威斯特在天津成立威斯特機(jī)械設(shè)備有限公司，從事卡特彼勒機(jī)械設(shè)備及零配件的翻新、維修及銷售等項(xiàng)目.2008年，濰柴再制造有限公司成立濰柴主要對(duì)七大類機(jī)型和產(chǎn)品進(jìn)行再制造。東風(fēng)康明斯與美國(guó)康明斯就簽訂了再制造項(xiàng)目合作協(xié)議書(shū)，成立再制造基地等等。3、激光再制造技術(shù)研究1激光再制造技術(shù)體系激光再制造技術(shù)是裝備制造技術(shù)、材料科學(xué)技術(shù)、激光加工工藝技術(shù)等多種技術(shù)相結(jié)合而形成的有效的科學(xué)技術(shù)體系。具體構(gòu)成見(jiàn)圖1.圖1激光再制造技術(shù)體系構(gòu)激光再制造技術(shù)的核

12、心技術(shù)是激光熔覆技術(shù).它通過(guò)在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在材料表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層，以改善工件表面性能.激光熔覆技術(shù)是一種新的表面改性技術(shù)，與傳統(tǒng)的噴焊或堆焊工藝相比,激光熔覆技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)4。1、激光束的能量密度高，只要注入較少的能量就可以完成激光熔覆.零件熱影響區(qū)小，變形小。2、激光熔覆層稀釋率低，且可以精確控制，熔覆層的成分與性能主要取決于熔覆材料的成分。3、激光熔覆層組織致密，微觀缺陷少，熔覆層與基材為冶金結(jié)合，強(qiáng)度高。（完整word版）激光再制造綜述4激光熔覆層的尺寸大小和位置可以精確控制,設(shè)計(jì)專門(mén)的導(dǎo)光系統(tǒng)，可對(duì)深

13、孔、內(nèi)孔、凹槽、盲孔等部位進(jìn)行激光處理。激光熔覆用的激光器一般為110kWCO2激光器，或0.52kWNd:YAG激光器。激光熔覆工藝包括：激光熔覆功率大小、光斑大小、掃描速度和搭接量等。在具體操作過(guò)程中，根據(jù)激光熔覆基材、激光熔覆合金粉末材料和激光熔覆零件的不同，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)募す馊鄹补に噮?shù)。具體工藝流程，如圖2所示。再制辭杵冊(cè)4寸SESSfatS1令一啣制適酗H啊古|慕統(tǒng)和曙性分折圖2機(jī)械設(shè)備激光再制造主要工藝流程圖3。2激光再制造工藝設(shè)計(jì)3.2。1光束模式激光光束模式對(duì)激光再制造裝備及零部件熔覆層的外觀和內(nèi)在質(zhì)量有明顯的影響。它可分為基模、低階模和多階模，如圖3所示。TEMojTEMmT

14、RIMmTE圖3不同的激光光束模式激光熔覆的內(nèi)在質(zhì)量主要體現(xiàn)在熔覆層內(nèi)合金成分的均勻性，它在光束能量分布均勻的前（完整word版）激光再制造綜述提下容易得到保證。實(shí)驗(yàn)證明:如果需要的激光能量密度不是很高，最好使用矩形光斑和寬帶送粉的方式，可以獲得均勻的光束能量;如果要求很高的激光能量密度，則需要采用多階模圓形光斑，這時(shí)就要考慮選擇合適的搭接率來(lái)彌補(bǔ)光束能量的不均勻?qū)Τ尚唾|(zhì)量的影響;如果采用固體Nd：YAG激光器，因?yàn)槠涔獠úㄩL(zhǎng)僅為C02激光器的1/10，在加工金屬材料時(shí)對(duì)光束的吸收率較高，所以可以采用較低的激光功率。32。2送粉方式激光再制造的送粉工藝可分成兩類：一類是激光加工前添加熔覆材料即

15、粉末預(yù)置法；另一類是在激光再制造過(guò)程中逐步添加熔覆材料即同步送粉法。預(yù)置粉末最好采用微細(xì)粉末，特別是納米級(jí)粉末，粉末粒度太大容易造成氣孔等缺陷。同步送粉法是在激光照射基體的同時(shí)進(jìn)行同軸或側(cè)向送粉。分別就直接粉末鋪粉、側(cè)向送粉和同軸送粉對(duì)激光熔覆層的影響進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖4所示。圖4不同送粉方式下激光熔覆合金粉末試驗(yàn)試驗(yàn)表明:同軸送粉方式激光熔覆樣件的表面質(zhì)量最好，且后處理相對(duì)容易側(cè)向送粉因?yàn)榧す馐c粉末束不同軸，激光熔覆開(kāi)始時(shí)的粉末利用率較低，隨著基材溫度的升高以及粉末的不斷堆積。3.2.3預(yù)熱處理預(yù)熱處理是指將基材整體或表面加熱到一定溫度,然后在熱的基材上進(jìn)行激光熔覆的一種處理工藝，其作

16、用就是防止基材的熱影響區(qū)發(fā)生馬氏體相變，從而導(dǎo)致的熔覆層裂紋的產(chǎn)生。圖5為沒(méi)有預(yù)熱情況下，采用工藝參數(shù)為激光功率P=4KW、掃描速度Vs二5mm/s、送（完整word版）激光再制造綜述粉速度V=9g/min、搭接率為50%、光斑直徑D=2.4mm時(shí)，制備的樣件截面照片和結(jié)合面顯微組織照片；圖6為預(yù)熱到480e時(shí)，采用工藝參數(shù)為激光功率P=1。8KW、掃描速度Vs=4mm/s、送粉速度Vp=9g/min、搭接率為46%、光斑直徑D=3mm時(shí)，制備的樣件截面照片和結(jié)合面顯微組織照片。對(duì)比兩圖可以看出，預(yù)熱后同一粉末的熔覆性能得到很大的提高。不僅生成熔覆層的功率密度得到較大幅度降低，而且熔覆層與基材

17、冶金結(jié)合較好，結(jié)合處沒(méi)有砂眼和裂紋的產(chǎn)生，熔覆層內(nèi)部也沒(méi)有明顯的缺陷。所以在實(shí)際激光再制造過(guò)程中，最好采取一定的預(yù)熱措施，以得到質(zhì)量和性能更好的熔覆層。圖5未預(yù)熱時(shí)XS130鎳基合金粉末熔覆銅基材截面形貌圖6預(yù)熱到480e時(shí)XS130鎳基合金粉末熔覆銅基材截面形貌3。2.4熔覆工藝設(shè)計(jì)在實(shí)際激光再制造過(guò)程中，由于熔覆基材熱導(dǎo)率和對(duì)激光反射率的不同，采用的激光熔覆工藝也不同.對(duì)于熱導(dǎo)率和激光反射率較高的基材，最好首先在經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基材表面預(yù)置一層與基材冶金結(jié)合性良好的金屬粉末，然后進(jìn)行預(yù)熱處理和激光重熔，再通過(guò)自動(dòng)送粉的方式或預(yù)置鋪粉和自動(dòng)熔覆相結(jié)合的方式進(jìn)行激光加工，最后進(jìn)行后處理加工，如圖7

18、所示。（完整word版）激光再制造綜述圖7高熱導(dǎo)率或者高反射率基材激光熔覆工藝流程對(duì)于一般熱導(dǎo)率較差且反射率較低的基材，可以首先在經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基材表面，預(yù)置-層能與基材冶金結(jié)合性良好的金屬粉末,然后進(jìn)行激光重熔，再通過(guò)自動(dòng)送粉的方式進(jìn)行激光熔覆加工；最后對(duì)成型件進(jìn)行后處理加工，如圖8所示.圖8低熱導(dǎo)率或者低反射率基材激光熔覆工藝流程3。25后處理（完整word版）激光再制造綜述激光熔覆的后處理包含緩冷處理和機(jī)械加工處理。激光熔覆后的緩冷是一種保溫處理,可以用于減少或消除熔覆層的殘余應(yīng)力,減少或消除熔覆層產(chǎn)生有害的熱影響。機(jī)械加工處理主要根據(jù)加工件熔覆層的材料,選擇合適的加工方式。4再制造的應(yīng)用

19、行業(yè)1、煙氣輪機(jī)是石化行業(yè)催化裂化裝置中重要的能量回收設(shè)備,煙氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸徑及推力盤(pán)、動(dòng)葉片及靜葉環(huán)、輪盤(pán)、氣封面和導(dǎo)流錐體都可實(shí)施激光再制造9。2、采用激光再制造技術(shù)對(duì)汽輪機(jī)的一些關(guān)鍵零部件，如主軸軸徑（現(xiàn)場(chǎng)可移動(dòng)式激光再制造）、動(dòng)葉片、汽封齒、推力盤(pán)、噴嘴、隔板、圍帶、缸體等進(jìn)行性能恢復(fù)和提升,可節(jié)約大量資金和原材料。3、鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，熱軋機(jī)械設(shè)備的工況十分惡劣。特別是軋機(jī)工作過(guò)程中，軋輥通過(guò)軸承座對(duì)機(jī)架牌坊的沖擊大，軋制冷卻水遇到紅灼的鋼坯迅速霧化,夾帶著從鋼坯表面脫落的氧化鐵粉末向四周噴射.可采用激光再制造對(duì)軋機(jī)牌坊表面的防腐耐磨處理。5、總結(jié)激光再制造技術(shù)是符合國(guó)家循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的綠色制造技術(shù)，也是國(guó)家重點(diǎn)支持的高新技術(shù)之一。隨著基礎(chǔ)研究工作的不斷深入，激光再制造技術(shù)的應(yīng)用范圍也將不斷擴(kuò)大。我國(guó)有幾萬(wàn)億元的設(shè)備資產(chǎn)，每年