激光表面強化及再制造加工技術在工業(yè)領域講解

1、激光表面強化及再制造加工技術在工業(yè)領域激光表面強化及再制造加工技術是一種集光、 機、電、計算機、 材料、物理、 化學等多門學科的跨學科高新技術， 因其特有的無污染、 低能耗、 易于自動控制 等優(yōu)勢而迅速發(fā)展成為一種先進的表面加工技術。該技術歷經二十余年的進步， 伴隨著高功率激光器、 裝備智能化控制和材料技術的不斷升級和改進， 已越來越 多應用到工業(yè)零部件的強化和再制造中。一、激光表面強化及再制造加工技術分類及簡介激光表面強化及再制造加工技術可以在不改變金屬零件表面金屬成分的條 件下提高零件表面的機械性能， 也可以對金屬零件磨損或者拉傷的部位進行類同 質熔覆修復、 恢復形貌尺寸和性能， 還可以對

2、一些金屬零件關鍵部位添加合金或 者陶瓷材料進行表面改性， 大大提高該部位防腐耐蝕、 耐磨、高溫抗疲勞等性能。 激光表面強化及再制造加工技術特點：無污染、可控性好、熱影響區(qū)小、組織缺 陷少、處理效果好、 便于實現(xiàn)自動化。 國內外廣泛使用的激光表面強化及再制造 加工技術主要分三種：激光淬火、激光再制造（熔覆）、激光合金化。以下對這 三類技術及特點簡單介紹：1. 激光淬火技術采用高能量激光作為熱源， 使金屬表面快熱快冷， 瞬間完成淬火過程， 得到 高硬度、超細的馬氏體組織， 提高表面的硬度及耐磨性， 并且在表面形成壓應力， 提高疲勞強度。圖 2-4 為幾種典型材料激光淬火層的組織和橫斷面硬度分布。圖

3、 1 半導體激光淬火設備及淬火示意圖圖 2GCr15激光淬火硬度及組織照片（激光功率 2.2kW，速度 15mm/s）圖 342CrMo激光淬火硬度及組織照片（激光功率 2.2kW，速度 10mm/s）圖 47CrSiMnMoV激光淬火硬度及組織照片（激光功率 2.2kW，速度 10mm/s） 激光淬火特點：變形小、形成殘余壓應力、硬度高、淬火層深度硬度可控、 環(huán)保（無需水、油等淬火液）、易于實現(xiàn)自動化控制，該工藝不需添加功能合金 材料。2. 激光合金化技術采用高能量激光作為熱源， 照射通過噴涂在工件表面預制好的超細金屬或金 屬陶瓷合金化材料， 使之在高能密度激光束作用下快速滲透熔凝， 從而改

4、變工件 表面成分，獲得組織細密、 高耐磨合金層， 大幅提高工件高溫腐蝕條件下的耐磨 性能。圖 5-7 為幾種典型材料激光合金化的組織和硬度分布。圖 545 鋼激光合金化表面形貌及硬度分布激光合金化表面 Ra 為 2-4um合金層硬 HV800-850，層深 0.3mm，淬火層深 0.5mm11001000900800700 500工400300200100Distance from the surface(mm)圖 69CrSi 鋼激光合金化表面形貌及硬度分布激光合金化表面 Ra 為 3-4um，合金層硬度 HV900-950，層深 0.4mm，淬火層深 0.7mm圖 7 球鐵激光合金化表面形

5、貌及硬度分布激光合金化表面 Ra 為 3-5um，合金層硬度 HV1100-1200，層深 0.5mm，淬火層深 0.6mm激光合金化特點： 性能提升明顯、 無需后續(xù)加工、 成本低、 變形小、速度快、 便于實現(xiàn)自動化控制， 激光合金化層的材料和性能可根據(jù)使用需要進行調整， 工 藝可塑性大，特別適合于鋼鐵行業(yè)熱軋輥的需求。3. 激光再制造（熔覆）技術采用高能量激光作為熱源， 金屬合金粉末作為焊材， 通過激光與合金粉末同 步作用于金屬表面快速熔化形成熔池， 再快速凝固形成致密、 均勻并且厚度可控 的冶金結合層。 激光熔覆層的材料和硬度可根據(jù)需要進行靈活調整， 熔覆層材料 通常分為鐵基、鎳基和鈷基三

6、類。圖 8-9 為幾種典型材料激光熔覆層的硬度。圖 8 不同成分的鐵基合金熔覆層硬度曲線圖 9 不同成分的鈷基合金熔覆層硬度曲線激光再制造（熔覆）的特點：熔覆層與基材冶金結合，強度高、稀釋率低、組織致密無缺陷、 變形小， 可根據(jù)工件不同使用要求設計材料成分， 并且厚度可控，以最少的代價獲得最佳的效果，充分體現(xiàn) 好鋼用在刀刃上 的理念。以上三種技術均可用于金屬零部件的制造和再制造， 在新件的制造過程中對 關鍵工作部位進行激光強化可取代傳統(tǒng)的加工工藝， 并且性能優(yōu)于傳統(tǒng)工藝所達 到的效果。 例如：汽車排氣門座在新件密封區(qū)域先進行減法車削， 再進行加法式 的激光熔覆一層高溫耐磨材料， 其壽命可以提高

7、 4-6 倍。對于已經磨損損壞的零 件，對需要修復部位進行清理以后直接采用加法式的激光熔覆一定厚度的合金材 料，同樣可以恢復尺寸并周期性提高使用壽命。、激光表面強化及再制造加工技術在工業(yè)領域的應用目前，機器因關鍵零部件失效造成裝備故障損失較大， 價值超過萬億元， 而 其中 80%以上是因零件表面局部磨損、腐蝕等失效引起，而激光表面強化及再制 造與制造新品相比，可節(jié)能 60，節(jié)材 70，節(jié)約成本 50，幾乎不產生固體 廢物，大氣污染物排放量降低 80以上。激光再制造有利于形成 資源產品 廢舊產品再制造產品 的循環(huán)經濟模式，可以充分利用資源，保護生態(tài)環(huán)境。根據(jù)不同裝備的使用工況環(huán)境， 激光表面強化

8、加工主要提高金屬零部件以下 三方面性能： 耐磨、防腐、耐高溫，涉及的領域有鋼鐵冶金、 船舶、電力、石化、 礦用機械、汽車等國民經濟支柱行業(yè)。1. 鋼鐵冶金領域鋼鐵冶金行業(yè)是國家的基礎行業(yè)，同時屬于國家的重工業(yè)，且其設備繁雜、 種類多、噸位重。由于摩擦、磨損等各種原因的存在，要維持設備的正常運轉， 每年將消耗大量的備品備件。 據(jù)初步估算， 全國鋼鐵行業(yè)每年僅各種軋鋼生產線 上的重要零部件消耗達 100 億元。傳統(tǒng)辦法主要是更換這些設備零部件， 甚至因 零部件無法使用報廢或者更換整機， 必須儲備大量的備件， 占用巨額的資金和資 源。同時，損傷失效和報廢的零部件或者整機基本上作為廢品處理， 如此連鎖

9、疊 加造成的資源和資金浪費非常驚人。 因此，減少備品備件的消耗和對已使用設備 的再制造修復對降低生產成本， 提高企業(yè)的經濟效益具有積極的促進作用， 且降 低成本的空間很大。 其中激光再制造技術對做好備品備件的修理、 修復工作， 對 企業(yè)節(jié)能降耗具有非常現(xiàn)實的意義。通過使用激光表面強化及再制造加工技術既可以使已經磨損甚至報廢的零 件恢復使用， 并且又能使新產品延長壽命， 甚至可以長壽命的周期性使用。 如熱 軋輥、軋機傳動軸、高爐風口噴嘴、夾送輥、輸送輥、張力輥、飛剪、大型圓盤 鋸、行車輪、卷筒、助卷輥、剪刃、導衛(wèi)、鋸片、萬向節(jié)套筒、扁頭套、主傳動 接軸、交叉頭、 TRT葉片、齒輪軸、軋機牌坊、減

10、速機齒輪箱和齒輪軸等。圖 10 鋼坯輥激光合金化加工現(xiàn)場圖 11 大齒輪軸激光熔覆加工現(xiàn)場另外，還可以對銅合金進行激光熔覆， 提高銅合金的高溫耐磨性， 如高爐風 口、結晶器等產品，代替電鍍，使用壽命大幅度提高 4 倍以上，并且節(jié)能環(huán)保。圖12高爐風口噴嘴激光再制造加工現(xiàn)場圖 13 結晶器銅板激光再制造加工現(xiàn)場2. 汽車行業(yè)至今，國內外各大汽車公司，如：通用、福特、克萊斯勒 - 奔馳、豐田、一 汽、東風、比亞迪、大眾、寶馬、菲亞特等，已全部擁有自己的激光加工生產線， 且激光器數(shù)量以每年 20%的速度增長。應用于汽車工業(yè)的激光加工技術主要有： 激光切割和激光焊接（約占 60%），激光打孔和打標（約

11、占 19%），激光表面處 理（約占 15%）。激光加工技術既是新產品開發(fā)的技術保證，又是生產高質量、 低成本汽車的有效和不可缺少的技術手段。激光表面強化加工是所有激光加工技術中開發(fā)應用最早的技術， 實際應用的 例子很多。如： Fiat 公司發(fā)動機缸套及其他零部件的激光熱處理；日產公司發(fā) 動機曲軸和渦輪增壓機電機軸的激光處理；美國 GM公司 Saginaw 分公司動力轉 向器殼體內孔激光處理，俄羅斯哈喬夫汽車廠的排氣閥座采用激光熔覆耐熱合 金，德國大眾、奔馳等汽車廠對汽車覆蓋件模具表面進行激光淬火等。在國內，激光表面強化及再制造加工技術在汽車領域主要應用于各種沖壓模 具、拉延模具、注塑模具表面淬

12、火強化，取代傳統(tǒng)的淬火，淬火區(qū)域可選，淬火 質量均勻可控。并且可以對刃口進行恒溫熱處理，提高刃口區(qū)域的硬度和壽命， 而不會燒塌刃口。另外還可以對模具局部損壞部位進行修復。圖 14 汽車模具激光淬火加工現(xiàn)場汽車發(fā)電機缸體內壁激光熱處理， 剎車摩擦盤激光淬火， 傳導齒輪表面淬火，凸輪軸表面淬火，排氣門密封面激光熔覆強化。圖 15 油缸激光淬火加工現(xiàn)場圖 16 曲軸激光修復加工現(xiàn)場3. 礦用機械領域礦井環(huán)境惡劣、 設備長期重載復合作業(yè)， 加上有些區(qū)域礦井潮濕并帶有腐蝕 氣氛，礦用設備運動部件到一定的維修周期都會出現(xiàn)不同程度的磨損、 劃傷、變 形、裂紋、腐蝕等不同情況的失效，而這些機械零件體積龐大、裝

13、卸困難，而且 保養(yǎng)維護工作量大， 因此維修量巨大， 并且對這些零件的性能的可靠性和壽命要 求更高。目前在該領域應用激光表面強化及再制造加工技術的有各種傳導齒輪軸激 光再制造、齒面激光淬火；液壓缸表面激光熔覆不銹鋼合金，取代鍍鉻；采煤機 截齒表面無火花熔覆耐磨合金； 輸送機刮板表面激光熔覆增強耐磨； 搖臂磨損部 位修復；齒輪箱磨損部位修復等。圖 17 采煤機截齒激光熔覆加工現(xiàn)場圖 18 液壓油缸激光熔覆圖 19 刮板槽激光熔覆4. 石油、化工、電力領域這些行業(yè)特點， 輸油管道、 各種化工液體輸送管道泄漏導致經濟損失， 大型 發(fā)電機轉子、 風機轉子磨損導致全面停機檢修， 石油鉆具腐蝕磨損導致各種檢

14、測 和更換亡羊補牢，不僅僅要補窟窿，更要鞏固，提高性能，延長周期壽命，降低檢 修次數(shù)，最大限度的降低損失。 采用激光表面強化及再制造加工技術， 對已經損 壞的零件進行修復 / 再制造，對新產品進行局部激光熔覆添加超耐磨、 耐蝕合金。 好鋼用在刀刃上，零件修復了，更耐用了，成本遠遠低于購買新件。目前國內激光表面強化及再制造加工技術主要用于發(fā)電機轉子軸承位置再 制造，汽輪機葉片、轉子再制造，煙機輪盤再制造，各種腐蝕行泵體表面激光耐 蝕熔覆，石油輸送管道激光強化， 石油開采平臺鉆井螺桿及扶正器、 穩(wěn)定器等零 部件表面進行激光防腐、耐磨熔覆等。圖 20 發(fā)電機轉子激光熔覆加工現(xiàn)場圖 21 化工耐酸泵體

15、激光熔覆加工現(xiàn)場圖 23 鉆井零件激光熔覆5. 船舶領域目前國內很多廠家為降低成本， 貨船多采用 重油 ，其中雜質較多， 活塞在 油缸內運動過程中， 顆粒狀雜質容易拉傷缸套內壁的鍍鉻層， 鉻層一旦破壞就會 大面積剝落，影響油缸的密封性，另外活塞本體表面的鑄造缺陷也會影響該性能， 現(xiàn)在采用激光熱處理技術對缸套內壁進行網狀淬火，提高了表面硬度和耐磨性 能，又不會產生因為添加材料結合強度低而剝落失效，大大提高壽命。另外，該技術也可對活塞表面鑄造缺陷進行激光修復； 曲軸磨損部位激光再制造；各種絲杠、螺桿、導軌、凸輪軸及傳動齒輪、齒圈等表面進行局部淬火。圖 24 船用曲軸激光熔覆加工現(xiàn)場圖 25 油缸激

16、光淬火圖 26 齒輪軸激光熔覆加工現(xiàn)場、激光表面強化及再制造加工技術應用前景展望激光表面強化及再制造加工技術對現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展有著重要的填補空白和提 升技術水平的作用， 可以對磨損零部件的修復處理和表面改性， 用于新件的制造 和再制造以提高表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕和抗疲勞、耐高溫等性能，提高材 料的使用壽命， 其中激光再制造是制造與修復、 回收與利用、 生產與流通的有機 結合。汽車零部件再制造產品主要用于維修， 既能提高維修技術質量， 又能提高 維修效率和效益。國外經驗表明，當再制造零部件占維修配件市場的65時，汽車維修速度將增加 8 倍。發(fā)展再制造產業(yè)還能使制造企業(yè)有能力投入更多精力 進行新產品研發(fā)和設計， 形成良性循環(huán)， 對推動我國制造業(yè)的產業(yè)結構調整、 產 品更新?lián)Q代、技術進步和人員素質提高十分有利。我國鋼鐵冶金設備、汽車、工程機械、機床等社會保有量快速增長，再制造 產業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆?2014年我國粗鋼產量達 82269.78 萬噸，民用機動車保有量 達 2.64 億輛，其中汽車 1.54 億輛， 汽車數(shù)量僅此于美國居世界第二位， 占世界 總量的 15%，機床保有量超過 800萬臺，工程機械主要產品保有量達 611-662 萬 臺。其中大量裝備在達到磨損周期或報廢要求后將被拆修或者淘汰， 新增的退役 裝備還在大量增加， 這些工業(yè)條