激光再制造技术及其工业应用

激光再制造技术及其工业应用

摘 要：针对机械装备修复技术，阐述了激光再制造技术概念及激光再制造系统构成：三维激光光束头、三维激光涂敷系统、CAD/CAM软件和控制检测系统。展示了30层连续熔敷后的组织形貌，说明组织和硬度都比较均匀，并介绍了若干激光修复工业应用实例。

　　关键词：激光；再制造技术；激光熔敷；工业应用

　　0 引 言

　　改革开放以来，国外大批的高精尖设备引入我国，许多重大工程装备造价十分昂贵，一旦出现损坏，使生产线中断。特别是进口设备，缺少备件，临时引进不仅价格昂贵，而且时间紧迫，不能保证及时生产，将造成重大的经济损失。因此，开展重大装备修复，发展快速、高效、精密的修复技术不仅具有广阔的市场需求，而且具有重大的经济效益和社会效益。

常规修复技术的种类很多，每种技术有其擅长之处，也有应用的局限性，而精密可控成形再制造的修复技术已成为重要发展方向。

近年来，国际上诞生了一门新兴技术—再制造技术（Refabricating Technology）。与以往修复技术不同，再制造技术是一种全新概念的先进修复技术，它集先进高能束技术、先进数控和计算机技术、CAD/CAM技术、先进材料技术、光电检测控制技术为一体，不仅能使损坏的零件恢复原有或近形尺寸，而且性能达到或超过原基材水平。由此形成了一门新的光、机、电、计算机、自动化、材料综合交叉的先进制造技术。文中介绍了激光再制造系统的组成、材料选择原则、多层熔敷后的效果及工业应用实例。

　　1 激光再制造系统构成

　　激光再制造技术的技术基础是激光熔敷。激光熔敷原本是一种表面强化技术，它不涉及零件精确成形问题。以激光熔敷为修复技术平台，加上现代先进制造、快速原形等技术理念，则发展成为激光再制造技术。它是以金属粉末为材料，在具有零件原型的CAD/CAM软件支持下，CNC（计算机数控）控制激光头、送粉嘴和机床按指定空间轨迹运动，光束与粉末同步输送，形成1支金属笔，在修复部位逐层熔敷，最后生成与原型零件近形的三维实体。如图1所示（图1略）。

　　激光器：1～5kWCO2激光器，多模即可，或用0.4～2kWNd：YAG激光器，多模即可。

　　光学系统：采用聚焦光束和宽带光束2种方法，宽带光束可使熔敷表面光滑平整，而且没有裂纹等产生。

　　送粉器：采用载气式或非载气式输送2种均可。非载气式送粉，粉末利用率高达90%，载气式仅30%～40%。在进行二维以下运动修复时，采用非载气式送粉可节省粉末，从而降低使用成本。

　　从光束与粉嘴相互运动关系来看，可分为一维、二维及三维修复，如图2所示（图2略）。

　　 红外温度监控系统：

　　在激光熔敷修复过程中，由于多层叠加，熔层表面温度会随高度增加而增加，在尖角处也会引起热量陡增。必须对熔池温度面进行实时监测，并将测温结果反馈给激光器和数控机床，控制激光器功率输出以及CNC机床的运动速度，以保持熔池温度稳定。其测温原理为：激光涂层吸收的能量EA，一部分用于熔化粉末Ep，一部分以热辐射的形式向外散出ER，一部分用于热传导ET，一部分用于与环境对流Ec，即：

　　EA=Ep+ER+ET+EC

　　根据黑体辐射定律和为维恩位移定律：λmT=2897.8μm·K，其中λm为光谱辐射极大值对应波长，T为绝对温度（K）。由此而进行双波长比色红外测温。采用双波长比色测温计，测温范围400～2000℃，精度系数±1%：（图3略）

　　同轴送粉工作头1再工件上熔敷时发出热辐射经光学系统3会聚到透反分光镜4上，一部分进入红外双波长比色测温计，转换成交流电信号，经放大和数据处理器6后，送入激光器和CNC控制柜8，调节激光功率和机床运动速度。另一部分送入测试目镜7上，供瞄准测温点用。

　　2 激光再制造与热喷涂冶金组织比较

　　修复材料要与基材基本性能一致，要与基材有互熔性，实现冶金结合。修复层中不能有裂纹、气孔，且层内组织均匀，与基材结合界面强度不低于基材强度。目前激光再制造用材料与常规热喷涂技术基本一致，多为粉末型的Ni基、Fe基、Co基、WC、陶瓷等材料，可根据基材性能选用不同修复材料。

　　图4（图4略）为激光修复组织与热喷涂组织对比照片。可以看到，激光修复层与基体是冶金结合，层内组织均匀细致，消除了气孔、裂纹、夹渣等缺陷。而热喷涂层与基体不是冶金结合，界面为机械粘接，存在气孔。热喷涂层内有大量气孔、夹渣、组织粗大。显然激光修复后显微组织和性能优于热喷涂工艺。

　　对损伤比较严重的部位，必须进行多层熔敷。每层厚度0.54mm，计30层。图5为（图5略）激光多层熔敷组织SEM（扫描电镜）照片，可以看出，每层间的组织与每层内组织比较，稍有些粗大，但总体来看，还是均匀的。熔敷材料为Ni45，多层熔敷区的硬度分布和成分（SDX）经检测后，也是均匀的。硬度偏差不过ΔHV85。表明多层激光系统熔敷可以获得大面积的组织和性能均匀的修复层。

　　3 激光再制造技术工业应用及前景展望

　　激光熔敷技术诞生以来，作为一种修复技术已得到许多重要应用。如英国P.R航空发动机公司将它用于涡轮发动机叶片的修复，美国海军试验室用于修复舰船螺旋桨叶。国内对此项技术应用也在近年来取得很大进展。天津工业大学已将此技术用于冶金轧辊，拉丝辊的修复，石油行业的采油泵体、主轴的修复，铁路、石化行业大型柴油机曲轴的修复，均收到良好的效果，如图7所示（图7略）。

　　目前上述修复工作都采用一维激光熔敷方法，只能解决部分修复零件，而且仅是修复概念上的工作。事实上，在生产中还有大量的复杂贵重装备需要三维激光再制造技术，特别是不能移动的大型设备需要解决现场修复问题。可以预见，随着该项技术的发展与完善，在经济建设和国防建设中将发挥巨大作用。

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