激光再制造技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用

激光再制造技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用

摘 要：針對機(jī)械裝備修復(fù)技術(shù)，闡述了激光再制造技術(shù)概念及激光再制造系統(tǒng)構(gòu)成：三維激光光束頭、三維激光涂敷系統(tǒng)、CAD/CAM軟件和控制檢測系統(tǒng)。展示了30層連續(xù)熔敷后的組織形貌，說明組織和硬度都比較均勻，并介紹了若干激光修復(fù)工業(yè)應(yīng)用實(shí)例。

　　關(guān)鍵詞：激光；再制造技術(shù)；激光熔敷；工業(yè)應(yīng)用

　　0 引 言

　　改革開放以來，國外大批的高精尖設(shè)備引入我國，許多重大工程裝備造價(jià)十分昂貴，一旦出現(xiàn)損壞，使生產(chǎn)線中斷。特別是進(jìn)口設(shè)備，缺少備件，臨時(shí)引進(jìn)不僅價(jià)格昂貴，而且時(shí)間緊迫，不能保證及時(shí)生產(chǎn)，將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，開展重大裝備修復(fù)，發(fā)展快速、高效、精密的修復(fù)技術(shù)不僅具有廣闊的市場需求，而且具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

常規(guī)修復(fù)技術(shù)的種類很多，每種技術(shù)有其擅長之處，也有應(yīng)用的局限性，而精密可控成形再制造的修復(fù)技術(shù)已成為重要發(fā)展方向。

近年來，國際上誕生了一門新興技術(shù)—再制造技術(shù)（Refabricating Technology）。與以往修復(fù)技術(shù)不同，再制造技術(shù)是一種全新概念的先進(jìn)修復(fù)技術(shù)，它集先進(jìn)高能束技術(shù)、先進(jìn)數(shù)控和計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)、光電檢測控制技術(shù)為一體，不僅能使損壞的零件恢復(fù)原有或近形尺寸，而且性能達(dá)到或超過原基材水平。由此形成了一門新的光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、材料綜合交叉的先進(jìn)制造技術(shù)。文中介紹了激光再制造系統(tǒng)的組成、材料選擇原則、多層熔敷后的效果及工業(yè)應(yīng)用實(shí)例。

　　1 激光再制造系統(tǒng)構(gòu)成

　　激光再制造技術(shù)的技術(shù)基礎(chǔ)是激光熔敷。激光熔敷原本是一種表面強(qiáng)化技術(shù)，它不涉及零件精確成形問題。以激光熔敷為修復(fù)技術(shù)平臺，加上現(xiàn)代先進(jìn)制造、快速原形等技術(shù)理念，則發(fā)展成為激光再制造技術(shù)。它是以金屬粉末為材料，在具有零件原型的CAD/CAM軟件支持下，CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控）控制激光頭、送粉嘴和機(jī)床按指定空間軌跡運(yùn)動(dòng)，光束與粉末同步輸送，形成1支金屬筆，在修復(fù)部位逐層熔敷，最后生成與原型零件近形的三維實(shí)體。如圖1所示（圖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。

　　光學(xué)系統(tǒng)：采用聚焦光束和寬帶光束2種方法，寬帶光束可使熔敷表面光滑平整，而且沒有裂紋等產(chǎn)生。

　　送粉器：采用載氣式或非載氣式輸送2種均可。非載氣式送粉，粉末利用率高達(dá)90%，載氣式僅30%～40%。在進(jìn)行二維以下運(yùn)動(dòng)修復(fù)時(shí)，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(yùn)動(dòng)關(guān)系來看，可分為一維、二維及三維修復(fù)，如圖2所示（圖2略）。

　　 紅外溫度監(jiān)控系統(tǒng)：

　　在激光熔敷修復(fù)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將測溫結(jié)果反饋給激光器和數(shù)控機(jī)床，控制激光器功率輸出以及CNC機(jī)床的運(yùn)動(dòng)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(dǎo)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：λmT=2897.8μm·K，其中λm為光譜輻射極大值對應(yīng)波長，T為絕對溫度（K）。由此而進(jìn)行雙波長比色紅外測溫。采用雙波長比色測溫計(jì)，測溫范圍400～2000℃，精度系數(shù)±1%：（圖3略）

　　同軸送粉工作頭1再工件上熔敷時(shí)發(fā)出熱輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)3會聚到透反分光鏡4上，一部分進(jìn)入紅外雙波長比色測溫計(jì)，轉(zhuǎn)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(jī)床運(yùn)動(dòng)速度。另一部分送入測試目鏡7上，供瞄準(zhǔn)測溫點(diǎn)用。

　　2 激光再制造與熱噴涂冶金組織比較

　　修復(fù)材料要與基材基本性能一致，要與基材有互熔性，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。修復(fù)層中不能有裂紋、氣孔，且層內(nèi)組織均勻，與基材結(jié)合界面強(qiáng)度不低于基材強(qiáng)度。目前激光再制造用材料與常規(guī)熱噴涂技術(shù)基本一致，多為粉末型的Ni基、Fe基、Co基、WC、陶瓷等材料，可根據(jù)基材性能選用不同修復(fù)材料。

　　圖4（圖4略）為激光修復(fù)組織與熱噴涂組織對比照片。可以看到，激光修復(fù)層與基體是冶金結(jié)合，層內(nèi)組織均勻細(xì)致，消除了氣孔、裂紋、夾渣等缺陷。而熱噴涂層與基體不是冶金結(jié)合，界面為機(jī)械粘接，存在氣孔。熱噴涂層內(nèi)有大量氣孔、夾渣、組織粗大。顯然激光修復(fù)后顯微組織和性能優(yōu)于熱噴涂工藝。

　　對損傷比較嚴(yán)重的部位，必須進(jìn)行多層熔敷。每層厚度0.54mm，計(jì)30層。圖5為（圖5略）激光多層熔敷組織SEM（掃描電鏡）照片，可以看出，每層間的組織與每層內(nèi)組織比較，稍有些粗大，但總體來看，還是均勻的。熔敷材料為Ni45，多層熔敷區(qū)的硬度分布和成分（SDX）經(jīng)檢測后，也是均勻的。硬度偏差不過ΔHV85。表明多層激光系統(tǒng)熔敷可以獲得大面積的組織和性能均勻的修復(fù)層。

　　3 激光再制造技術(shù)工業(yè)應(yīng)用及前景展望

　　激光熔敷技術(shù)誕生以來，作為一種修復(fù)技術(shù)已得到許多重要應(yīng)用。如英國P.R航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司將它用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的修復(fù)，美國海軍試驗(yàn)室用于修復(fù)艦船螺旋槳葉。國內(nèi)對此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用也在近年來取得很大進(jìn)展。天津工業(yè)大學(xué)已將此技術(shù)用于冶金軋輥，拉絲輥的修復(fù)，石油行業(yè)的采油泵體、主軸的修復(fù)，鐵路、石化行業(yè)大型柴油機(jī)曲軸的修復(fù)，均收到良好的效果，如圖7所示（圖7略）。

　　目前上述修復(fù)工作都采用一維激光熔敷方法，只能解決部分修復(fù)零件，而且僅是修復(fù)概念上的工作。事實(shí)上，在生產(chǎn)中還有大量的復(fù)雜貴重裝備需要三維激光再制造技術(shù)，特別是不能移動(dòng)的大型設(shè)備需要解決現(xiàn)場修復(fù)問題�？梢灶A(yù)見，隨著該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展與完善，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)中將發(fā)揮巨大作用。

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