1  綠色激光再製造技術的發展背景

    隨著我國裝備製造業(ye) 突飛猛進的發展，由於(yu) 磨損、腐蝕或某些突發性機械損傷(shang) 造成貴重裝備停機待修的情況頻繁發生，給企業(ye) 生產(chan) 和國防安全造成重大的損失。

    綠色再製造工程概念誕生較晚，是一項成長中的技術，學科體(ti) 係尚待建立。國際上綠色再製造工程的概念提出已有二十幾年的曆史。美國、歐洲和日本等發達國家已開展許多重要應用，根據它們(men) 的國情，應用重點放在電子產(chan) 品、家用電器、汽車等領域。

    而我國目前處於(yu) 發展中階段，國民經濟行業(ye) 廣泛、產(chan) 品裝備眾(zhong) 多，有極大的市場需求。我國再製造技術雖然起步較晚，但是發展迅猛，受到國家高度重視，從(cong) 國家層麵連續發布了一係列政策文件：

     2003年，國家科技部發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》中，再製造列為(wei) 製造領域的優(you) 先發展主題和關(guan) 鍵技術之一。

     2005年，國務院發文《關(guan) 於(yu) 加快發展循環經濟的若幹意見》明確提出發展再製造。 經國務院批準，國家第一批循環經濟試點將再製造作為(wei) 重點領域，發動機再製造企業(ye) 濟南複強動力有限公司被列為(wei) 再製造重點領域的試點單位。

     2008年，中國頒布《循環經濟促進法》，將再製造納入法律範疇進行規範。2009年重點抓汽車再製造，形成23萬(wan) 台套的再製造能力。

     2010年，國家發改委聯合11部委發文—發改環資[2010]991號《關(guan) 於(yu) 推進再製造產(chan) 業(ye) 發展的意見》。提出了一係列政策，成為(wei) 我國再製造技術發展的綱領性文件。為(wei) 了落實發改環資[2010]991號文件，推動再製造技術的發展，2010-2011年國家發改委和工信部連續召開一係列政策發布會(hui) 、技術研討會(hui) 、產(chan) 業(ye) 推廣會(hui) 。

     2  激光再製造技術

     2.1 傳(chuan) 統再製造技術

     傳(chuan) 統的再製造技術主要來源於(yu) 傳(chuan) 統的表麵工程技術和修複技術，包括火焰、等離子、超聲噴塗技術；火焰、等離子噴焊技術；刷鍍、冷鍍鐵鍍層技術；火焰、電弧堆焊技術；微弧焊接技術等。這些技術具有設備成本低、修複成本低、移動較為(wei) 靈活等特點，已在國民經濟各個(ge) 部門獲得生產(chan) 應用，也是目前大量使用的修複方法。但是，傳(chuan) 統的再製造技術也存在一些缺點：修複過程中伴隨強烈的沙塵、氣體(ti) 、噪音、環境汙染，不是綠色再製造；修複層與(yu) 基體(ti) 界麵屬於(yu) 機械結合，結合力不強，修複層容易剝落；修複層厚度較薄；修複能源熱注入大，基體(ti) 材料容易產(chan) 生變形和稀釋，使材料性能降低；基本屬於(yu) 人工手工操作，自動化程度低，修複精度低不可控，限製了它的應用範圍。

     2.2 激光再製造技術

     近年來，國際上誕生了一門新興(xing) 技術——激光再製造技術(Laser Refabricating Technology)。與(yu) 傳(chuan) 統修複技術不同，激光再製造技術是一種全新概念的先進修複技術，它集先進高能束技術、先進數控和計算機技術、CAD/CAM技術、先進材料技術、光電檢測控製技術為(wei) 一體(ti) ，不僅(jin) 能使損壞的零件恢複原有或近形尺寸，而且性能達到或超過原基材水平。由此形成了一門新的光、機、電、計算機、自動化、材料綜合交叉的先進製造技術。激光再製造技術的技術基礎是激光熔覆。激光熔覆原本是一種表麵強化技術，它不涉及零件精確成形問題。以激光熔覆為(wei) 修複技術平台，加上現代先進製造、快速原形等技術理念，則發展成為(wei) 激光再製造技術。它是以金屬粉末為(wei) 材料，在具有零件原型的CAD/CAM軟件支持下，CNC(計算機數控)控製激光頭、送粉嘴和機床按指定空間軌跡運動，光束與(yu) 粉末同步輸送，形成1支金屬筆，在修複部位逐層熔覆，最後生成與(yu) 原型零件近形的三維實體(ti) 。如圖1所示。

       圖2是激光再製造技術與(yu) 傳(chuan) 統再製造技術材料基體(ti) 界麵和熔覆層金相組織對比。可以看出，火焰噴塗內(nei) 存在氣孔缺陷，界麵屬於(yu) 機械結合。激光熔覆層存在一條白亮界麵，屬於(yu) 冶金結合。等離子噴焊層組織粗大，高硬度的大塊的碳化物易是塗層產(chan) 生脆性。激光熔覆層組織細小，高硬度的大塊的碳化物已被激光熔凝成細小的碳化物，均勻分布在塗層基底上，從(cong) 而使激光熔覆層不僅(jin) 具有高硬度高耐磨性，而且具有很高的韌性。

     2.3 激光再製造技術發展曆史和現狀

     如上所述，激光再製造技術源於(yu) 激光熔覆技術。激光熔覆技術誕生於(yu) 20世紀80年代，原本是一種材料學科與(yu) 工程學科中的一項表麵強化技術，主要目的是要在低廉的基體(ti) 材料上麵用高功率激光熔覆一層高性能材料，製備具有優(you) 異的耐磨性、耐腐蝕性、抗高溫性、高減摩性塗層，代替昂貴的整體(ti) 塊狀材料。

     經過十餘(yu) 年的開發，激光熔覆技術逐漸成熟，自動送粉技術代替了早期的預置粉工藝，側(ce) 向和同軸送粉裝備相繼開發成功，並與(yu) 激光器及激光加工機床實現聯動，大大提高了自動化水平。

     進入20世紀90年代，隨著先進製造技術的發展，快速原型製造、敏捷製造、綠色製造等概念相繼提出，激光熔覆技術與(yu) 時俱進，產(chan) 生了巨大的質變，由材料工程學科交叉進入機械工程學科，演變成一種新型的先進製造技術，形成了兩(liang) 個(ge) 代表性的研究方向：激光直接製造技術和激光再製造技術。20/21世紀之交，國內(nei) 外激光界同仁曾經懷著十分激動的心情矚目於(yu) 激光直接製造技術，期望它能成為(wei) 一種新型的快速原型製造和敏捷製造手段。美國、英國、加拿大等先進國家投入大量的人力物力進行研究開發；國內(nei) 北京航空航天大學王華明、西北工業(ye) 大學黃衛東(dong) 、清華大學鍾敏霖、北京有色研究院石力開等研究團隊也相繼開展研究。經過十餘(yu) 年的發展，該項技術已在航空航天等關(guan) 鍵軍(jun) 品件上獲得應用，但是由於(yu) 製造成本高，很難在民用產(chan) 品上廣泛推廣使用。

     中國政府對激光再製造技術十分重視，在國際上起步早，有案可查的最早工作是國家科委主持的1991-1995年國家“八•五”科技攻關(guan) 項目—冶金軋輥大麵積激光修複。上海光機所王潤文、查洪奎、蘇寶榮，天津工業(ye) 大學楊洗陳，重慶大學鄒至榮，吉林機電研究院房為(wei) 捷等專(zhuan) 家聯合攻關(guan) ，在國內(nei) 外首次成功地製造出激光大麵積塗覆的軋輥，向世界展示出激光修複工業(ye) 應用的巨大前景。20/21世紀之交，天津工業(ye) 大學楊洗陳研究團隊進一步提出激光再製造技術理念。圖3是天津工業(ye) 大學研發的激光大麵積熔覆係統單道塗覆照片。#p#分頁標題#e#

     經過十餘(yu) 年的發展，中國的激光再製造無論從(cong) 技術、裝備和工業(ye) 應用等方麵都獲得突飛猛進的進步。國家發改委、科技部、工信部及許多省市發改委、科委等政府部門都對激光再製造方向給以資助進行研究、開發和產(chan) 業(ye) 化。政府、大學、科研院所和企業(ye) 的官產(chan) 學研蓬勃發展，結合有力，效果顯著。國產(chan) 的1~10 kW CO2激光和1 kW YAG激光再製造專(zhuan) 用設備、激光再製造專(zhuan) 用送粉器和同軸送粉工作頭、激光再製造各類專(zhuan) 用材料等相繼開發出來，全部實現國產(chan) 化，替代進口產(chan) 品，滿足了國內(nei) 市場需求，部分產(chan) 品實現了出口，為(wei) 國家節匯創匯。激光再製造成為(wei) 我國激光加工行業(ye) 第一個(ge) 實現全部國產(chan) 化的產(chan) 業(ye) 方向，也是fun88官网平台製造產(chan) 業(ye) 界值得驕傲的亮點。目前，全國從(cong) 事激光再製造研發的單位主要有：天津工業(ye) 大學楊洗陳團隊、清華大學劉文今團隊、沈陽金屬和腐蝕所王茂才團隊、浙江工業(ye) 大學姚建華團隊、華南師範大學張慶茂團隊、貴州大學劉喜斌團隊和湖南大學劉繼長團隊等；從(cong) 事激光再製造裝備製造企業(ye) 主要有：武漢團結激光公司、武漢大族金石凱公司、沈陽大陸公司、廣州富通公司等；從(cong) 事激光再製造產(chan) 業(ye) 應用的企業(ye) 超過100餘(yu) 家，主要企業(ye) 有：沈陽大陸激光公司、包頭金杜激光再製造公司、河南安陽睿智激光公司、天津大族燁嶠激光公司、山東(dong) 建能激光公司等，服務的產(chan) 業(ye) 遍及鋼鐵冶金、石油化工、能源電力、汽車鐵路交通、海洋平台、工程機械、航天航空、武器裝備等部門。

     3  激光再製造技術典型工業(ye) 應用

     3.1 能源電力行業(ye)

    汽輪機是火力發電的核心設備，由於(yu) 高溫高熱特殊的工作條件，每年都需定期對損傷(shang) 的機組零部件進行修複，如主軸軸徑、動葉片等，如圖4所示。燃氣輪機由於(yu) 其在高達1300℃的高溫條件下工作，經常會(hui) 發生損傷(shang) 。采用激光再製造技術將其缺陷全部修複完好，恢複其使用性能，費用僅(jin) 為(wei) 新機組價(jia) 格的1/10。

    3.2 鋼鐵冶金行業(ye)

    在鋼鐵企業(ye) 中，熱軋機械工況十分惡劣，軋輥表麵、軋機機架等均會(hui) 出現腐蝕磨損，采用激光再製造技術進行修複已在許多鋼鐵企業(ye) 獲得批量應用：山東(dong) 濟鋼、河南安鋼、雲(yun) 南昆鋼、內(nei) 蒙包鋼、上海寶鋼等。圖5是激光修複軋輥現場照片。

     3.3 海洋石油行業(ye)

     在海洋平台采油作業(ye) 中，麵對海水腐蝕、泥沙、高壓高速運轉等惡劣環境，大量的采油輸油設備出現損傷(shang) ，影響采油輸油的連續作業(ye) ，造成很大的經濟損失。

     3.4 鐵路交通行業(ye)

     在鐵路交通運輸中，柴油機大型曲軸由於(yu) 磨損必須當定期修複。但是曲軸長達10 m，修複精度要求高，不能產(chan) 生變形，激光再製造技術是最佳的選擇，如圖6所示。

    3.5 航空航天行業(ye)

    無論民用飛機或是軍(jun) 用飛機，為(wei) 了保證飛行安全發動機必須定期維修。國內(nei) 外早已建立了若幹個(ge) 航空發動機再製造企業(ye) ，可以說它是在所有再製造行業(ye) 中要求最高、管理最為(wei) 科學先進的、具有大批量生產(chan) 的企業(ye) 。整體(ti) 葉盤、葉片、葉輪及其他航空發動機部件存在各種形式的損傷(shang) ，都要經過嚴(yan) 格維修和檢驗，如圖7所示。

    近年來，國內(nei) 外航空發動機再製造企業(ye) 越來越多地采用數控激光熔覆設備代替手工焊接，用於(yu) 翻修磨損的發動機部件。激光再製造技術可以精確地修複和近形(near-net-shap)製造，使修複零部件具有更高的機械性能和冶金質量，降低最後重新仿形的難度，使精加工的量最少，總體(ti) 經濟效益好。為(wei) 了保證修複件幾何尺寸與(yu) 新品的一致性，反求重建機器視覺技術開始考慮用於(yu) 航空發動機激光再製造中。

     3.6 能源煤炭行業(ye)

     我國是煤炭大國，全國80%以上的電力能源來自於(yu) 煤炭火力發電。在大型煤礦中使用自動化的采煤機進行采煤作業(ye) ，由於(yu) 采煤作業(ye) 惡劣的工況，采煤機的液壓支柱、截齒、導板護靴等關(guan) 鍵零部件損壞十分嚴(yan) 重。常規修複技術主要是電刷鍍、電焊等。近年來國內(nei) 許多企業(ye) 采用激光再製造技術進行修複，收到良好效果。現在已經形成較大的批量生產(chan) 能力。

 文    天津工業(ye) 大學激光技術研究所   楊洗陳