1、研究生課程考核試卷科 目：綠色制造現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 教 師： 曹華軍 姓 名： 學 號： 專 業(yè)： 機械工程領域 類 別： 上課時間： 2014年11月26日2013年12月 10日 考 生 成 績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷評語： 閱卷教師 (簽名) 重慶大學研究生院8激光再制造技術摘 要針對傳統(tǒng)再制造技術如噴涂技術、噴焊技術、鍍層技術等在某些特殊領域進行再制造過程中的局限性，提出了一些精密可控的成型再制造修復技術，如激光再制造技術等。通過應用這些先進的再制造技術，在開展重大裝備修復時，能大大提高修復效率。因此，發(fā)展快速、高效、精密的修復技術不僅具有廣闊的市場需求，而且具有重大的經(jīng)濟效益

2、和社會效益。關鍵詞：傳統(tǒng)再制造技術；激光再制造技術；修復技術1國內(nèi)外激光再制造技術概述發(fā)展現(xiàn)狀在多種激光再制造技術手段中，目前研究最多的是激光熔覆再制造技術。因此，激光再制造的主要任務還局限于對表面磨損、腐蝕、沖蝕、缺損等局部損傷及尺寸變化的零部件進行結構尺寸恢復，同時提高零部件服役性能。激光熔覆技術是目前工業(yè)中應用最為廣泛的激光再制造技術。1981年，英國Rolls-Royce公司將激光熔覆技術用于RB211型燃氣輪機葉片連鎖肩的修復。從此，激光熔覆技術在世界各主要工業(yè)國家獲得了大量研究和應用，國際上關于激光熔覆技術的專利不斷出現(xiàn)1,2。激光熔覆再制造領域的研究，正在從技術手段、工藝設備系統(tǒng)

3、、材料體系、應用基礎理論以及激光再制造質(zhì)量控制、激光再制造標準等多方面進行系統(tǒng)研究，并獲得了快速發(fā)展。英國P.R航空發(fā)動機公司將它用于渦輪發(fā)動機葉片的修復，美國海軍實驗室用于修復艦船螺旋槳葉3，美國和日本在汽缸、活塞等汽車發(fā)動機零件上也有很多應用。美國斯萬森工業(yè)公（Swanson Industries）采用激光熔覆和激光焊接技術對機械零部進行激光再制造，實現(xiàn)了汽缸、軋輥和活塞等的激光熔覆再制造，并可以根據(jù)零部件性能需要，在基體表面熔覆奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鎳基合金和鈷基合金等涂層4。美國Gremada Industries Inc.公司采用激光熔覆技術再制造機械設備零部件，并為美國Cat

4、erpillar公司修復重型機械裝備零部件，代替原來高成本的換件維修5。激光再制造技術在中國正快速發(fā)展，相關的技術設備系統(tǒng)、技術理論和工藝、技術應用等方面的研究都已經(jīng)展開，其應用領域不斷擴大。從事激光再制造研究的高校和科研院所越來越多，研究隊伍不斷壯大；同時，從事激光再制造技術研發(fā)和推廣應用的公司也不斷出現(xiàn)，例如沈陽大陸激光技術公司和浙江工業(yè)大學的科創(chuàng)激光再制造有限責任公司等6。以沈陽大陸激光技術有限公司作為龍頭企業(yè)的一批激光再制造專業(yè)化公司不斷涌現(xiàn)，有許多激光再制造技術成功應用的實例，如：石化行業(yè)的煙氣輪機、風機和電機；電力行業(yè)的汽輪機和電機；冶金行業(yè)的熱卷板連軋線、棒材連軋線、高速線材連軋

5、線；鐵路行業(yè)的貨車車輪、道岔、鐵路機車曲軸；航空發(fā)動機熱端部件和大型船舶內(nèi)燃發(fā)動機熱端部件等等。天津工業(yè)大學針對激光熔覆再制造技術進行了較為系統(tǒng)的研究，例如，研究了激光再制造設備系統(tǒng)、激光熔覆再制造過程中激光與粉末流相互作用理論、自動化技術工藝及相關軟件系統(tǒng)、再制造質(zhì)量和性能控制等，已將此技術用于冶金軋輥、拉絲輥的修復，石油行業(yè)的采油泵體、主軸的修復，鐵路、石化行業(yè)大型柴油機曲軸的修復，均獲到良好效果6。西北工業(yè)大學針對鈦合金葉片等鈦合金零件的再制造難題，研究了再制造成形理論、技術工藝方法、性能控制與評價等。再制造技術江蘇大學研究了激光沖擊再制造技術。一般而言，激光沖擊技術應用于航空葉片等新品

6、零件的表面強化，提高新品零件的疲勞壽命。江蘇大學張永康等人研究把激光沖擊技術應用于廢舊零件的再制造過程，改善再制造部位沉積金屬的殘余應力狀態(tài)，提高其疲勞壽命等力學性能7。國家級重點實驗室從激光再制造成形理論、技術工藝、再制造新型材料及應用等多方面正對激光再制造技術進行系統(tǒng)研究，應用激光熔覆再制造技術成功再制造了重載車輛齒類件、曲軸、汽車發(fā)動機鋁合金缸蓋等裝備關鍵零件的再制造。重載齒類件齒面承受載荷大，齒面磨損和局部剝落嚴重，其失效齒面一直缺乏有效的修復技術手段。再制造技術國家重點實驗室采用6kW橫流CO2激光器，配合五軸聯(lián)動機床，基于同步送粉激光熔覆技術成功再制造了重載車輛主動齒輪軸磨損齒面。

7、在此過程中，解決了激光熔覆層裂紋控制、熔覆層高性能要求、熔覆材料與基體材料的工藝匹配性以及基體材料熱積累等技術關鍵問題。鋁合金零部件產(chǎn)生裂紋及發(fā)生磨損等尺寸缺損后，其維修比較困難，采用傳統(tǒng)的堆焊方法難以實現(xiàn)高性能維修。激光束因能量密度高，而為鋁合金零部件提供了先進可行的技術手段。十年來，鋁合金表面激光合金化、激光熔覆、和激光沖擊等技術一直是研究的熱點。再制造技術國家重點實驗室采用同步送絲激光熔覆技術實現(xiàn)了路虎汽車發(fā)動機鋁合金缸蓋的再制造，再制造鋁合金缸蓋表面的尺寸和表面平面度均符合圖紙設計要求，達到了新品缸蓋的性能要求。激光再制造技術已經(jīng)應用于冶金、石化、交通（飛機、艦船、火車、汽車）、紡織等

8、各工業(yè)領域裝備的再制造中，解決了諸多維修難題，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟和社會效益6。然而，相對于常用的熱噴涂和電鍍電刷鍍等表面維修技術，激光再制造技術的成本存在設備系統(tǒng)的一次性投資較昂貴等問題。但是，設備系統(tǒng)投入之后，在不考慮設備投入成本的前提下，運行成本較低。由于重大設備中的軋輥、軸類零件、葉片以及齒類件等都是高附加值的零件，激光再制造的費用均在原值的 25%以下；而且激光再制造的周期短，可以大大節(jié)約維修的時間，并且性能達到甚至超過新件，因此，激光再制造技術具有顯著的性價比優(yōu)勢。2激光再制造技術概念、特點與原理2.1激光再制造技術概念及特點激光再制造是指利用激光表面處理、激光燒結成形、激光焊接、激光

9、切割、激光打孔等各種激光加工與處理技術對零部件進行再制造。采用高能量激光束，利用表面合金化、表面熔覆等技術手段，恢復和提升局部損傷機械零部件的幾何尺寸和功能，可以大大節(jié)約原材料，使零件變形小或無變形，符合再制造的技術要求。激光再制造技術是應用激光束對廢舊零部件進行再制造處理的各種激光技術的統(tǒng)稱。按激光束對零件材料作用結果的不同，激光再制造技術主要可分為兩大類，即激光表面改性技術和激光加工成形技術。其中，激光表面改性技術主要包括激光清洗技術、激光淬火、激光表面熔凝、激光表面合金化、激光表面非晶化、激光熔覆、激光沖擊等；激光加工成形技術主要包括激光切割、激光焊接、激光打孔、激光快速成形等技術手段。

10、激光再制造技術利用高能量激光束作為能源，與傳統(tǒng)的機械加工成形等減法修復技術及堆焊等加法修復技術相比，在裝備零件再制造成形與加工方面具有顯著優(yōu)勢，其特點和技術優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下幾方面6：（1）實現(xiàn)無接觸加工，對工件無直接沖擊，因此基體無機械變形；（2）激光再制造成形和加工過程中，無“刀具”磨損；（3）激光束能量密度高，適用的材料體系廣泛，可以對多種金屬、非金屬進行修復和加工，特別是可以加工高硬度和高熔點的材料；（4）激光束聚焦性好，可以實現(xiàn)零部件局部或選區(qū)再制造成形以及性能提升，并且熱影響區(qū)域小，工件熱變形小；（5）易于實現(xiàn)多種激光技術手段的復合應用，根據(jù)零件形狀和性能特點實現(xiàn)激光復合再制造；（

11、6）可以實現(xiàn)缺損零件選定區(qū)域的“近凈成形”再制造，后續(xù)加工余量小；（7）激光束易于導向、聚焦、實現(xiàn)方向變換，易與數(shù)控系統(tǒng)和工業(yè)機器人配合，對復雜工件進行再制造和加工，因此，其工藝柔性好，是極為靈活的加工和修復方法；（8）是綠色環(huán)保型的先進技術，再制造產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、性能可靠，經(jīng)濟效益和社會效益好。鑒于激光再制造技術顯著的技術優(yōu)勢和特點，近年來，激光再制造技術方面的研究不斷深入，應用領域不斷擴大。2.2激光再制造技術原理激光再制造技術的技術基礎是激光熔敷8,9。激光熔敷原本是一種表面強化技術，它不涉及零件精確成形問題。以激光熔敷為修復技術平臺加上現(xiàn)代先進制造、快速成型等技術理念則發(fā)展成為激光再制造

12、技術。它是以金屬粉末為材料，在CADCAM軟件支持下，CNC(計算機數(shù)控)控制激光頭，送粉嘴和機床按指定空間軌跡運動，在修復部位逐層熔敷，最后生成與原型零件近形的=紼實體。工作原理如圖1所示。圖1 激光再制造系統(tǒng)激光器：15kw CO2激光器，或用0.42kw Nd:YAG激光器，不要求單模輸出。光學系統(tǒng)：采用聚焦光束和寬帶光束兩種方法寬帶光束可使熔敷表面光滑平整，一般采用激光寬帶掃描轉鏡。送粉器：采用載氣式或非載氣式輸送兩種方法。非載氣式送粉，粉末利用率高達90；載氣式粉末利用率儀為3040%。在進行二維以下運動修復時，采用非載氣式送粉可節(jié)省粉末，從而降低使用成本。從光束與粉嘴相互運動來看可

13、分為一維、二維及三維修復，如圖2所示。圖2 激光修復中激光束與粉末流關系圖紅外溫度監(jiān)控系統(tǒng)：在激光熔敷修復過程中由于多層疊加熔層表面溫度會隨高度增加而增加在尖角處也會引起熱量陡增必須對熔池溫度面進行實時監(jiān)測并將測溫結果反饋給激光器和數(shù)控機床控制激光器功率輸出以及CNC機床的運動速度以保持熔池溫度穩(wěn)定其測溫原理為激光涂層吸收的能量EA一部分用于熔化粉末Ep一部分以熱輻射的形式向外散出ER一部分用于熱傳導ET一部分用于與環(huán)境對流Ec 即EA= Ep + ER + ET + EC根據(jù)黑體輻射定律和為維恩位移定律mT=2897.8 mK，其中m為光譜輻射極大值對應波長T為絕對溫度K由此而進行雙波長比色

14、紅外測溫采用雙波長比色測溫計測溫范圍4002000精度系數(shù)±1% 其框圖如下：圖3 激光熔敷層溫度監(jiān)控系統(tǒng)同軸送粉工作頭1 再工件上熔敷時發(fā)出熱輻射經(jīng)光學系統(tǒng)3會聚到透反分光鏡4上一部分進入紅外雙波長比色測溫計轉換成交流電信號經(jīng)放大和數(shù)據(jù)處理器6后送入激光器和CNC控制柜8調(diào)節(jié)激光功率和機床運動速度另一部分送入測試目鏡7上供瞄準測溫點用3激光再制造技術應用目前，激光再制造技術主要針對表面磨損、腐蝕、沖蝕、缺損等零部件局部損傷及尺寸變化的廢舊零件進行結構尺寸恢復，同時提高零部件服役性能。激光熔覆技術是工業(yè)中應用最為廣泛的激光再制造技術，在航天、汽車、輕工、石油、化工、冶會、電力、機械、

15、工模具等領域都得到大量應用10，其典型應用實例簡介如下。3.1激光再制造技術在葉片中的應用1981年，英國RollsRoyce公司將激光熔覆技術用于RB21l型燃氣輪機葉片連鎖肩的修復。該葉片在1600 K溫度下工作，由超級鎳基合金鑄造，過去用TIG(Tungsten Inert Gas，鎢極惰性氣體保護)堆焊鈷基合會修復，稀釋嚴重，熱影響區(qū)還常常發(fā)生裂紋。后改用激光熔覆修復，設備用2kW快速軸流CO2激光器，在重力作用下吹氬氣送粉，功率密度104105 Wcm2，專用五軸聯(lián)動數(shù)控工作臺設有良好的安全防護裝置，為減小慣量，激光熔覆設備的大部分零件用鋁材制造，自動化操作，處理1個葉片只需75s時

16、間，過去用TIG堆焊的時間為4 min件；采用激光熔覆鉆基合金，合金用量減少50，變形小，節(jié)省了后加工工時，工藝質(zhì)量高，重復性好，還減少了設備數(shù)量。美國西屋公司用該技術修復長12 m的蒸氣機葉片的端的水蝕。S.E.Huffman公司用有2個送粉器和雙攝像視頻計算機和定位精度為±0.013 mm、重復精度為±0.007 6 mm的數(shù)控系統(tǒng)激光熔覆設備再制造飛機發(fā)動機廢舊葉片和廢舊壓縮機葉片。我國沈陽大陸激光技術公司應用激光熔覆再制造技術對多種煙機、汽輪機等多種機組的多類動葉片和靜葉片進行了大董再制造，獲得了良好經(jīng)濟效益和社會效益。3.2激光再制造技術在模具中的應用常規(guī)冷沖壓和

17、冷沖切模具的制造，常常使用昂貴的模具鋼整體淬火，然后電火花加工出刃口，此過程工序多、周期長、生產(chǎn)效率低、制造成本高。而改用AISI1045鋼制造，機械加工成型后，在刃口部位作激光熔覆CPM10V和CPM15V合金或?qū)δp模具進行激光熔覆再制造處理，可以明顯延長模具壽命，大幅降低制造費用。而且在使用磨損后，可多次進行激光熔覆再制造復原，因而使模具的總體壽命明顯延長。3.3激光再制造技術在軋輥中的應用材質(zhì)為低鎳鉻無限冷硬鑄鐵的某重軌軋輥，因表面磨損而使得其尺寸精度超差，并出現(xiàn)局部凹坑，對其進行了激光熔覆再制造后，不但恢復了軋輥精度，而且還顯著延長了軋輥的使用壽命。3.4激光再制造技術在蝸桿中的應用

18、塑料擠壓蝸桿和壓鑄蝸桿的螺紋用激光熔覆再制造，可以收到良好效果。沈陽大陸激光技術公司對我國多家石化公司螺桿壓縮機的轉子均成功實施了激光熔覆再制造。螺桿壓縮機的轉子在運行過程中因軸向移位，造成了陰、陽轉子工作面大面積擦傷和磨損。經(jīng)激光熔覆再制造，不僅恢復了轉子的尺寸和形狀，還提高了表面性能，延長了使用奉命。3.5激光再制造技術在軸中的應用軸類零件在各種機械裝備中占據(jù)著重要地位。各種軸在運行過程中，一般囚磨損等原因造成尺寸減小、在軸表面產(chǎn)生深劃痕等而失效的情況十分普遍，所以軸類零件的修復與再制造的市場份額很大。而激光再制造技術在軸類零件的修復與再制造的全過程中能產(chǎn)生重要的經(jīng)濟和社會效益，具有廣闊市

19、場前景。3.6激光再制造技術在齒輪中的應用齒輪在運行過程中常出現(xiàn)齒面磨損、疲勞脫層(掉塊)甚至斷齒等失效現(xiàn)象。堆焊、電鍍、噴涂等一般的修復技術難以滿足齒輪服役性能要求。因此，齒輪的修復與再制造一直是困擾工業(yè)界的一大難題。而采用激光熔覆再制造技術可以方便地實現(xiàn)失效齒輪零件的修復與再制造，效率高、成品率高，修復或再制造的齒輪件性能優(yōu)異。例如：天津船塢某設備齒輪在運行中因齒輪嚙合面進入異物，造成齒輪副久效，其中大齒輪共有5齒發(fā)生崩齒、掉塊、缺角、4齒發(fā)現(xiàn)有裂紋。沈陽大陸激光技術公司采用激光熔覆等再制造技術對該齒輪進行了成功修復。恢復后的齒輪經(jīng)裝機應用，運行正常。另外，對套筒類零件、導軌面、閥類零件、

20、孔類零件等均已有成功進行激光熔覆再制造的實例。此外，激光表面相變硬化、激光合金化及激光打孔等技術也均已在零部件再制造中獲得應用。4總結再制造技術誕生于粗放的表面工程，是利用原有的零部件，采用各種再制造成形技術，使零部件恢復和提高尺寸、形狀、表面質(zhì)量和性能要求，形成新產(chǎn)品再使用，即新產(chǎn)品上包括了曾經(jīng)使用過并經(jīng)再制造的舊零部件。使產(chǎn)品或設備對環(huán)境污染最小，資源利用率最高，投入費用最少，而性能重新達到最佳要求。再制造實際上等于延長了產(chǎn)品的使用壽命，間接地節(jié)約了資源。面臨資源的貧乏和環(huán)境破壞的嚴峻形勢，研究再制造對實現(xiàn)資源的循環(huán)利用、對環(huán)境保護都具有重要意義。而激光再制造技術作為一種精密可控的再制造修

21、復技術，為一些復雜的再制造修復過程提供了方便。參考文獻1 Kosuge Shigechika, Ono Moriaki, Nakada Kiyokazu, et al. Laser Cladding Method. Japanese Patent:JP62183982, Aug.12, 19872 Humphries Michael J, Liu Chih-An, Krutenat Richard C. MCrAlY Cladding Layers and Method for Making Same. US Patent: US04532191A, July 30, 19853 Xu Binshi, Liu Shican, Wang Haidou. Developing remanufacturing, c