隨著再制造理念逐漸被社會接受，我國再制造產(chǎn)業(yè)正取得積極進展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大。傳統(tǒng)再制造技術(shù)主要包括氬弧焊、噴涂、電鍍、刷鍍等。激光再制造技術(shù)是近年來新興的一種技術(shù)模式，激光熔覆為激光再制造技術(shù)的主要手段之一。激光再制造技術(shù)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)再制造技術(shù)在可修復(fù)材料及修復(fù)零件形狀等方面的限制，突破了再制造技術(shù)的局限性，采用激光再制造技術(shù)修復(fù)高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速渦輪動力機械零部件，已先后被石化、電力、冶金、汽車等十幾個行業(yè)認(rèn)可。2008年，徐濱士院士將激光加工技術(shù)納入再制造領(lǐng)域，稱為激光再制造。
激光再制造的技術(shù)具有優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保等優(yōu)勢，通常以損傷及廢舊的零部件作為再制造對象，但在實際生產(chǎn)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由激光再制造處理過的廢舊部件不僅僅恢復(fù)原有的性能參數(shù)，甚至優(yōu)于新件的性能指標(biāo)，所以近年來激光再制造技術(shù)也逐步成為新品提高性能的一種手段。
2 激光再制造設(shè)備
常用的激光再制造裝備為CO2激光再制造成套設(shè)備，此類裝備一般為五軸機床式結(jié)構(gòu)，應(yīng)用較廣泛，但CO2激光波長較長(10.6 μm)，金屬對該波長的吸收率較低，采用硬光路傳遞激光光束，系統(tǒng)的柔性較差。近兩年采用光纖傳導(dǎo)的光纖激光及半導(dǎo)體激光再制造裝備的出現(xiàn)掀起了再制造技術(shù)革新的新高潮，其高柔性、短波長(0.8～1.07 μm)的特性決定了光纖激光及半導(dǎo)體激光應(yīng)用的良好前景。下面以新松公司自有的6 kW 橫流CO2激光再制造平臺及10 kW光纖激光再制造平臺為例，介紹激光再制造裝備的特點。
2.1 6 kW 橫流CO2激光再制造平臺
6 kW橫流CO2激光再制造平臺主要包括6 kW橫流CO2激光器、冷水機、工作臺、送粉器、激光加工頭等，采用五軸龍門式機床結(jié)構(gòu)，適應(yīng)平面、曲面及回轉(zhuǎn)面等零部件的激光再制造應(yīng)用，如曲軸、齒輪軸、汽車模具、軸套的激光修復(fù)，其最大加工范圍為3.8 m×2 m×1.8 m，可修復(fù)工件最大載重為15 t。
其中送粉器及送粉頭是激光熔覆主要輔助裝置，根據(jù)工件的要求不同送粉頭又分為同軸式送粉頭和旁軸式送粉頭。新松公司自主研發(fā)了雙料倉負(fù)壓式送粉器(圖2a)、同軸送粉頭(圖2b)及旁軸送粉頭(圖2c)，經(jīng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用考核，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，加工效果良好。新松公司研發(fā)的XSL-PF-01B-2雙料倉負(fù)壓式送粉器采用載氣式送粉結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)長距離的粉末輸送，是實施激光熔覆的關(guān)鍵輔助設(shè)備，送粉粒度20～150 μm，粉末輸送量5～150 g/min，該送粉器能滿足各類金屬零部件激光熔覆工藝的送粉要求。送粉器的功能特點包括：
1) 可實現(xiàn)加工設(shè)備(如激光器)控制主機的集成控制;
2) 送粉量精確、穩(wěn)定，送粉量和載粉氣流量連續(xù)可調(diào);
3) 兩個料倉可單獨送粉，也可同時送粉;
4) 有機玻璃可視粉筒;
5) 單片機和觸摸屏控制，性能穩(wěn)定、安全可靠。
2.2 10 kW光纖激光再制造平臺
新松公司搭建的10 kW光纖激光再制造平臺基本結(jié)構(gòu)為10 kW光纖激光器+機器人激光加工頭+工件旋轉(zhuǎn)機構(gòu)+自動送粉系統(tǒng)，具體見圖3，輸出光纖芯徑為600～1000 μm，最大激光輸出功率為10 kW，是國內(nèi)首臺萬瓦級光纖激光再制造平臺，可實現(xiàn)三維曲面的激光再制造。其中光纖激光專用熔覆頭(圖4)為新松公司自主研發(fā)的產(chǎn)品，與自主研發(fā)的負(fù)壓式送粉器配合形成高效、穩(wěn)定的送粉系統(tǒng)，滿足生產(chǎn)技術(shù)要求。
10 kW光纖激光再制造平臺是針對不方便運輸、不易拆卸大型裝備及其零部件的現(xiàn)場激光加工需求搭建的，該平臺可實現(xiàn)因長期處于磨損或腐蝕等工況下而失效的裝備及其零部件的現(xiàn)場激光修復(fù)以及提高零件表面硬度與耐磨性的激光熱處理等，具有高精度、高柔性等特點。
3 激光再制造流程及方法
激光再制造的工藝流程見圖5。首先，需要修復(fù)的工件均應(yīng)經(jīng)常規(guī)處理(回火、退火)，待加工表面需機械加工至粗糙度Ra6.3以上，并保持清潔，根據(jù)修復(fù)工件的特點進行開坡口及打磨等前期工作;根據(jù)基材材料、基材熱處理狀態(tài)和需要熔覆材料的硬度要求，確定是否進行預(yù)熱或后熱工序。一般情況下，首先利用激光熔覆工藝熱輸入少、變形小的特點，對適用工件或裝備進行局部或薄層修復(fù)，應(yīng)力不大，不需要進行預(yù)熱處理;之后進行激光再制造加工，根據(jù)材料特點選擇適當(dāng)?shù)募す夤に噮?shù)，注意防止氣孔、裂紋、夾雜等缺陷出現(xiàn);機加是激光再制造的后續(xù)步驟，主要應(yīng)用于激光熔覆的后期處理，最后進行激光再制造檢測，包括硬度檢測、抗裂性能檢測、X射線檢測、超聲波檢測等，通過一系列的檢測項目確定激光再制造的效果，最終形成激光再制造最佳工藝。
3.2 激光再制造主要方法
激光再制造的主要方法包括激光熔覆、激光淬火、激光表面合金化等，根據(jù)修復(fù)零部件的受損情況采用不同的修復(fù)方式。
1) 激光熔覆利用高能激光束作為熱源，通過金屬及焊材的迅速熔化、擴展和冷卻，形成一種具有特殊性能的表層，這種表層通常具有耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化等性能，激光熔覆的優(yōu)勢在于熔覆層與基體是冶金結(jié)合，基體熱影響區(qū)極小，加工和熱變形小，對孔洞、夾雜、裂紋等缺陷控制較好;
2) 激光淬火是利用聚焦后(或經(jīng)過光束整形)的激光束加熱于金屬表面使其發(fā)生馬氏體相變形成馬氏體淬硬層的過程，經(jīng)過激光淬火加工后工件表面粗糙度基本不變，不需要后續(xù)機械加工就可以滿足實際工況的需求;
3) 激光合金化則通過激光加入將合金粉末與基體材料相作用形成一種新相的表面處理方式。
4 激光再制造應(yīng)用領(lǐng)域
4.1 激光熔覆
1) 高反射高熱導(dǎo)率材料的激光熔覆
利用激光熔覆技術(shù)熔覆熱導(dǎo)率低的材料研究開始得較早，而高熱導(dǎo)率基材的激光熔覆是最近幾年才發(fā)展起來的。熱導(dǎo)率高的材料因其導(dǎo)熱快、加工表面很難熔融，致使加工表面很難與熔覆粉末形成緊密結(jié)合的冶金涂層，目前國內(nèi)一些研究機構(gòu)對高反射率高熱導(dǎo)率的典型材料——銅基體進行了激光熔覆工藝的研究。銅基體對激光的吸收率很低，但與CO2激光熔覆工藝相比較，光纖激光(波長為1060～1090 nm)熔覆時，基材對激光的吸收率更高，激光的利用率也更高，從而使熔覆表面更易與熔覆粉末形成冶金結(jié)合。
在國外，新型的光纖激光器已正式登上激光加工的舞臺，由于其光電轉(zhuǎn)換效率高、柔性好，一經(jīng)推出便得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)也逐步引進了光纖激光應(yīng)用于激光熔覆，目前新松公司開發(fā)的光纖激光再制造平臺最大功率已達到10 kW(圖3)，是國內(nèi)首臺萬瓦級光纖激光應(yīng)用平臺，利用此平臺進行了對連鑄機的核心部件結(jié)晶器做出了一系列技術(shù)研究工作。結(jié)晶器是連鑄機非常重要的部件，是一個強制水冷的無底鋼錠模，稱為連鑄設(shè)備的“心臟”。新松公司通過開發(fā)預(yù)熱裝備、激光熔覆送粉裝置、熔覆噴嘴及合金粉末成分的優(yōu)化，成功地將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于銅結(jié)晶器的修復(fù)(圖7、8)，該技術(shù)為國內(nèi)首創(chuàng)。由于熱疲勞及磨損，每個銅結(jié)晶器的使用壽命僅為一周，而受基體材料及結(jié)晶器形狀的影響，傳統(tǒng)的再制造技術(shù)對銅基材損傷較大，使用壽命較低，浪費了資源且影響了生產(chǎn)效率。新松公司采用自有技術(shù)，通過建立一套均勻預(yù)熱的恒溫控制系統(tǒng)，采用智能PID溫度控制技術(shù)，提供一種能有效減緩高反射高熱導(dǎo)率基體在激光熔覆過程中迅速傳導(dǎo)激光能量的方法，在結(jié)晶器表層熔覆合金粉末或?qū)p傷部位進行激光修復(fù)，極大地提高了表層的耐蝕性能，使其壽命由1周延長至3周，且實現(xiàn)結(jié)晶器局部修復(fù)和多次修復(fù)而不損傷基本尺寸，解決了銅結(jié)晶器再制造的技術(shù)難題，達到提高生產(chǎn)效率、節(jié)能降耗的目的。
2) 普通材料的激光熔覆
激光熔覆技術(shù)自誕生以來，作為一種有效的再制造方法廣泛應(yīng)用于熱導(dǎo)率低的材料的修復(fù)，如英國的PR航空發(fā)動機將它用于渦輪發(fā)動機葉片的修復(fù)，美國海軍實驗室用于修復(fù)艦船螺旋葉。近年來國內(nèi)對此項技術(shù)應(yīng)用也取得很大進展，新松公司采用6 kW橫流CO2激光再制造平臺和10 kW光纖激光再制造平臺，配合自主研發(fā)的激光自動送粉系統(tǒng)，能滿足各種金屬材料、斜面及立面的三維激光熔覆工藝，加工效果優(yōu)良，廣泛用于葉片、曲軸、模具、轉(zhuǎn)子、軋輥、齒輪、導(dǎo)軌等再制造。
特別是轉(zhuǎn)動設(shè)備在使用的過程中，由于工況、使用年限、機組故障等各種原因，都會出現(xiàn)不同程度的局部損壞現(xiàn)象。這些損壞都會使機組的某個部位產(chǎn)生質(zhì)量問題(如軸頸、葉片等)，無法正常工作。而機組的其他部位，無論是質(zhì)量、使用壽命等都符合繼續(xù)使用的要求。對于這種局部區(qū)域關(guān)鍵零部件損傷，新松公司開發(fā)了設(shè)備關(guān)鍵部件局部修復(fù)技術(shù)，進而恢復(fù)整個機組的性能，形成一套完整的解決方案，從入廠檢驗、工藝方案制定到修復(fù)，最后進行動平衡檢驗及無損探傷等，確保激光修復(fù)質(zhì)量。如新松公司對某燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)子進行激光修復(fù)，該轉(zhuǎn)子軸頸部位出現(xiàn)磨損及拉傷現(xiàn)象，影響軸承密封;經(jīng)激光修復(fù)的熔覆層質(zhì)量好，與基體為冶金結(jié)合狀態(tài)，無氣孔、裂紋、夾雜等缺陷，并為機加工預(yù)留足夠余量，完全達到該轉(zhuǎn)子的尺寸、精度、光潔度等技術(shù)要求(圖9)，經(jīng)上機安裝使用，密封效果良好，性能穩(wěn)定;有效地避免了常規(guī)修復(fù)方法出現(xiàn)軸變形和熔覆層的氣孔、夾雜等風(fēng)險。此外，新松公司開發(fā)的激光修復(fù)技術(shù)還應(yīng)用于齒輪軸激光熔覆(圖10)、水泵軸軸頸及螺紋激光修復(fù)(圖11)等，并為幾十家公司提供了激光再制造工藝和設(shè)備的整體解決方案。
4.2 激光淬火
國內(nèi)許多機構(gòu)正致力于開發(fā)激光淬火工藝技術(shù)并推廣至產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，新松公司研發(fā)了汽車覆蓋件沖壓磨具的激光強化再制造技術(shù)，解決了某汽車公司汽車頂蓋模具、汽車鈑金拉延凹模具、隔音加強板拉延模具、汽車頂蓋壓邊圈模具等淬火強化的技術(shù)難題，經(jīng)過激光淬火硬化處理和激光修復(fù)處理后模具性能大大優(yōu)于處理之前，一次修磨的壓件次數(shù)增加了2倍，最終提高了壓件質(zhì)量，避免了模具拉傷現(xiàn)象，減少了模具修磨次數(shù)，提高了鈑金沖壓生產(chǎn)線的效率(圖12)。另外新松公司還對齒輪齒條、導(dǎo)引車導(dǎo)軌等進行了激光強化處理，經(jīng)過激光淬火的表面使用壽命至少提高一倍，減少了設(shè)備大修次數(shù)，提高了設(shè)備的整體性能。
4.3 激光合金化
在激光合金化方面，新松公司采用激光納米陶瓷合金化處理措施，為高NiCr合金鑄鐵軋輥提高了表面硬度和熱強性能(圖13)，表面硬度由HRC45~50提高到HRC60~65，陶瓷強化層厚約0.2 mm，總硬化層0.8 mm;處理后的軋輥表面硬度均勻，表面光潔度達到Ra3.2以上。經(jīng)上機使用，軋輥使用壽命提高1倍。
5 展望
激光加工技術(shù)在再制造業(yè)中的應(yīng)用與在其他制造業(yè)中的應(yīng)用一樣，有著其他加工技術(shù)不可替代的優(yōu)點。激光加工用于再制造業(yè)是由相變硬化發(fā)展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂層發(fā)展到復(fù)合涂層及陶瓷涂層，從而使得激光表面改性技術(shù)成為再制造的一項重要手段。從事這方面研究的有中科院金屬所和北京、天津、杭州等地高校激光工程中心，他們都為激光加工應(yīng)用于再制造業(yè)發(fā)揮了較大作用。用于再制造的其他激光加工技術(shù)將逐步出現(xiàn)。
對于激光熔覆而言，目前國內(nèi)主要采用CO2激光進行修復(fù)作業(yè)，新松公司在CO2激光修復(fù)方面具有豐富的經(jīng)驗，同時新松公司在國內(nèi)首次采用光纖激光對零部件進行修復(fù)，一舉突破了三維激光再制造技術(shù)的技術(shù)難關(guān)，可實現(xiàn)大型設(shè)備需要解決現(xiàn)場修復(fù)(如大型火電站、水電站、核電站、輪船、軍械、油田鉆井、化工基地等)以及特殊形狀零部件修復(fù)難的問題。在未來這種具有高精度、高柔性的三維光纖激光加工方式將得到廣泛的應(yīng)用。
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