激光再制造技術(shù)及其工業(yè)應用

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

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

　　0 引 言

　　改革開(kāi)放以來(lái)，國外大批的高精尖設備引入我國，許多重大工程裝備造價(jià)十分昂貴，一旦出現損壞，使生產(chǎn)線(xiàn)中斷。特別是進(jìn)口設備，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)濟損失。因此，開(kāi)展重大裝備修復，發(fā)展快速、高效、精密的修復技術(shù)不僅具有廣闊的市場(chǎng)需求，而且具有重大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

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

近年來(lái)，國際上誕生了一門(mén)新興技術(shù)—再制造技術(shù)（Refabricating Technology）。與以往修復技術(shù)不同，再制造技術(shù)是一種全新概念的先進(jìn)修復技術(shù)，它集先進(jìn)高能束技術(shù)、先進(jìn)數控和計算機技術(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原有或近形尺寸，而且性能達到或超過(guò)原基材水平。由此形成了一門(mén)新的光、機、電、計算機、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的組成、材料選擇原則、多層熔敷后的效果及工業(yè)應用實(shí)例。

　　1 激光再制造系統構成

　　激光再制造技術(shù)的技術(shù)基礎是激光熔敷。激光熔敷原本是一種表面強化技術(shù)，它不涉及零件精確成形問(wèn)題。以激光熔敷為修復技術(shù)平臺，加上現代先進(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（計算機數控）控制激光頭、送粉嘴和機床按指定空間軌跡運動(dòng)，光束與粉末同步輸送，形成1支金屬筆，在修復部位逐層熔敷，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：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(méi)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90%，載氣式僅30%～40%。在進(jìn)行二維以下運動(dòng)修復時(shí)，采用非載氣式送粉可節省粉末，從而降低使用成本。

　　從光束與粉嘴相互運動(dòng)關(guān)系來(lái)看，可分為一維、二維及三維修復，如圖2所示（圖2略）。

　　 紅外溫度監控系統：

　　在激光熔敷修復過(guò)程中，由于多層疊加，熔層表面溫度會(huì )隨高度增加而增加，在尖角處也會(huì )引起熱量陡增。必須對熔池溫度面進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并將測溫結果反饋給激光器和數控機床，控制激光器功率輸出以及CNC機床的運動(dòng)速度，以保持熔池溫度穩定。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波長(cháng)，T為絕對溫度（K）。由此而進(jìn)行雙波長(cháng)比色紅外測溫。采用雙波長(cháng)比色測溫計，測溫范圍400～2000℃，精度系數±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3會(huì )聚到透反分光鏡4上，一部分進(jìn)入紅外雙波長(cháng)比色測溫計，轉換成交流電信號，經(jīng)放大和數據處理器6后，送入激光器和CNC控制柜8，調節激光功率和機床運動(dòng)速度。另一部分送入測試目鏡7上，供瞄準測溫點(diǎn)用。

　　2 激光再制造與熱噴涂冶金組織比較

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

　　圖4（圖4略）為激光修復組織與熱噴涂組織對比照片�？梢钥吹�，激光修復層與基體是冶金結合，層內組織均勻細致，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合，界面為機械粘接，存在氣孔。熱噴涂層內有大量氣孔、夾渣、組織粗大。顯然激光修復后顯微組織和性能優(yōu)于熱噴涂工藝。

　　對損傷比較嚴重的部位，必須進(jìn)行多層熔敷。每層厚度0.54mm，計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組織比較，稍有些粗大，但總體來(lái)看，還是均勻的。熔敷材料為Ni45，多層熔敷區的硬度分布和成分（SDX）經(jīng)檢測后，也是均勻的。硬度偏差不過(guò)ΔHV85。表明多層激光系統熔敷可以獲得大面積的組織和性能均勻的修復層。

　　3 激光再制造技術(shù)工業(yè)應用及前景展望

　　激光熔敷技術(shù)誕生以來(lái)，作為一種修復技術(shù)已得到許多重要應用。如英國P.R航空發(fā)動(dòng)機公司將它用于渦輪發(fā)動(dòng)機葉片的修復，美國海軍試驗室用于修復艦船螺旋槳葉。國內對此項技術(shù)應用也在近年來(lái)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，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，均收到良好的效果，如圖7所示（圖7略）。

　　目前上述修復工作都采用一維激光熔敷方法，只能解決部分修復零件，而且僅是修復概念上的工作。事實(shí)上，在生產(chǎn)中還有大量的復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)的大型設備需要解決現場(chǎng)修復問(wèn)題�？梢灶A見(jiàn)，隨著(zhù)該項技術(shù)的發(fā)展與完善，在經(jīng)濟建設和國防建設中將發(fā)揮巨大作用。

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