1  綠色激光再制造技術(shù)的發(fā)展背景

    隨著我國裝備制造業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，由于磨損、腐蝕或某些突發(fā)性機(jī)械損傷造成貴重裝備停機(jī)待修的情況頻繁發(fā)生，給企業(yè)生產(chǎn)和國防安全造成重大的損失。

    綠色再制造工程概念誕生較晚，是一項(xiàng)成長中的技術(shù)，學(xué)科體系尚待建立。國際上綠色再制造工程的概念提出已有二十幾年的歷史。美國、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家已開展許多重要應(yīng)用，根據(jù)它們的國情，應(yīng)用重點(diǎn)放在電子產(chǎn)品、家用電器、汽車等領(lǐng)域。

    而我國目前處于發(fā)展中階段，國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)廣泛、產(chǎn)品裝備眾多，有極大的市場需求。我國再制造技術(shù)雖然起步較晚，但是發(fā)展迅猛，受到國家高度重視，從國家層面連續(xù)發(fā)布了一系列政策文件：

     2003年，國家科技部發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》中，再制造列為制造領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展主題和關(guān)鍵技術(shù)之一。

     2005年，國務(wù)院發(fā)文《關(guān)于加快發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的若干意見》明確提出發(fā)展再制造。 經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，國家第一批循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)將再制造作為重點(diǎn)領(lǐng)域，發(fā)動機(jī)再制造企業(yè)濟(jì)南復(fù)強(qiáng)動力有限公司被列為再制造重點(diǎn)領(lǐng)域的試點(diǎn)單位。

     2008年，中國頒布《循環(huán)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)法》，將再制造納入法律范疇進(jìn)行規(guī)范。2009年重點(diǎn)抓汽車再制造，形成23萬臺套的再制造能力。

     2010年，國家發(fā)改委聯(lián)合11部委發(fā)文—發(fā)改環(huán)資[2010]991號《關(guān)于推進(jìn)再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》。提出了一系列政策，成為我國再制造技術(shù)發(fā)展的綱領(lǐng)性文件。為了落實(shí)發(fā)改環(huán)資[2010]991號文件，推動再制造技術(shù)的發(fā)展，2010-2011年國家發(fā)改委和工信部連續(xù)召開一系列政策發(fā)布會、技術(shù)研討會、產(chǎn)業(yè)推廣會。

     2  激光再制造技術(shù)

     2.1 傳統(tǒng)再制造技術(shù)

     傳統(tǒng)的再制造技術(shù)主要來源于傳統(tǒng)的表面工程技術(shù)和修復(fù)技術(shù)，包括火焰、等離子、超聲噴涂技術(shù)；火焰、等離子噴焊技術(shù)；刷鍍、冷鍍鐵鍍層技術(shù)；火焰、電弧堆焊技術(shù)；微弧焊接技術(shù)等。這些技術(shù)具有設(shè)備成本低、修復(fù)成本低、移動較為靈活等特點(diǎn)，已在國民經(jīng)濟(jì)各個部門獲得生產(chǎn)應(yīng)用，也是目前大量使用的修復(fù)方法。但是，傳統(tǒng)的再制造技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)：修復(fù)過程中伴隨強(qiáng)烈的沙塵、氣體、噪音、環(huán)境污染，不是綠色再制造；修復(fù)層與基體界面屬于機(jī)械結(jié)合，結(jié)合力不強(qiáng)，修復(fù)層容易剝落；修復(fù)層厚度較??；修復(fù)能源熱注入大，基體材料容易產(chǎn)生變形和稀釋，使材料性能降低；基本屬于人工手工操作，自動化程度低，修復(fù)精度低不可控，限制了它的應(yīng)用范圍。

     2.2 激光再制造技術(shù)

     近年來，國際上誕生了一門新興技術(shù)——激光再制造技術(shù)(Laser Refabricating Technology)。與傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)不同，激光再制造技術(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)、自動化、材料綜合交叉的先進(jìn)制造技術(shù)。激光再制造技術(shù)的技術(shù)基礎(chǔ)是激光熔覆。激光熔覆原本是一種表面強(qiáng)化技術(shù)，它不涉及零件精確成形問題。以激光熔覆為修復(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，光束與粉末同步輸送，形成1支金屬筆，在修復(fù)部位逐層熔覆，最后生成與原型零件近形的三維實(shí)體。如圖1所示。

       圖2是激光再制造技術(shù)與傳統(tǒng)再制造技術(shù)材料基體界面和熔覆層金相組織對比。可以看出，火焰噴涂內(nèi)存在氣孔缺陷，界面屬于機(jī)械結(jié)合。激光熔覆層存在一條白亮界面，屬于冶金結(jié)合。等離子噴焊層組織粗大，高硬度的大塊的碳化物易是涂層產(chǎn)生脆性。激光熔覆層組織細(xì)小，高硬度的大塊的碳化物已被激光熔凝成細(xì)小的碳化物，均勻分布在涂層基底上，從而使激光熔覆層不僅具有高硬度高耐磨性，而且具有很高的韌性。

     2.3 激光再制造技術(shù)發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

     如上所述，激光再制造技術(shù)源于激光熔覆技術(shù)。激光熔覆技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代，原本是一種材料學(xué)科與工程學(xué)科中的一項(xiàng)表面強(qiáng)化技術(shù)，主要目的是要在低廉的基體材料上面用高功率激光熔覆一層高性能材料，制備具有優(yōu)異的耐磨性、耐腐蝕性、抗高溫性、高減摩性涂層，代替昂貴的整體塊狀材料。

     經(jīng)過十余年的開發(fā)，激光熔覆技術(shù)逐漸成熟，自動送粉技術(shù)代替了早期的預(yù)置粉工藝，側(cè)向和同軸送粉裝備相繼開發(fā)成功，并與激光器及激光加工機(jī)床實(shí)現(xiàn)聯(lián)動，大大提高了自動化水平。

     進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，快速原型制造、敏捷制造、綠色制造等概念相繼提出，激光熔覆技術(shù)與時俱進(jìn)，產(chǎn)生了巨大的質(zhì)變，由材料工程學(xué)科交叉進(jìn)入機(jī)械工程學(xué)科，演變成一種新型的先進(jìn)制造技術(shù)，形成了兩個代表性的研究方向：激光直接制造技術(shù)和激光再制造技術(shù)。20/21世紀(jì)之交，國內(nèi)外激光界同仁曾經(jīng)懷著十分激動的心情矚目于激光直接制造技術(shù)，期望它能成為一種新型的快速原型制造和敏捷制造手段。美國、英國、加拿大等先進(jìn)國家投入大量的人力物力進(jìn)行研究開發(fā)；國內(nèi)北京航空航天大學(xué)王華明、西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東、清華大學(xué)鐘敏霖、北京有色研究院石力開等研究團(tuán)隊(duì)也相繼開展研究。經(jīng)過十余年的發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)已在航空航天等關(guān)鍵軍品件上獲得應(yīng)用，但是由于制造成本高，很難在民用產(chǎn)品上廣泛推廣使用。

     中國政府對激光再制造技術(shù)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(guān)項(xiàng)目—冶金軋輥大面積激光修復(fù)。上海光機(jī)所王潤文、查洪奎、蘇寶榮，天津工業(yè)大學(xué)楊洗陳，重慶大學(xué)鄒至榮，吉林機(jī)電研究院房為捷等專家聯(lián)合攻關(guān)，在國內(nèi)外首次成功地制造出激光大面積涂覆的軋輥，向世界展示出激光修復(fù)工業(yè)應(yīng)用的巨大前景。20/21世紀(jì)之交，天津工業(yè)大學(xué)楊洗陳研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出激光再制造技術(shù)理念。圖3是天津工業(yè)大學(xué)研發(fā)的激光大面積熔覆系統(tǒng)單道涂覆照片。#p#分頁標(biāo)題#e#

     經(jīng)過十余年的發(fā)展，中國的激光再制造無論從技術(shù)、裝備和工業(yè)應(yīng)用等方面都獲得突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。國家發(fā)改委、科技部、工信部及許多省市發(fā)改委、科委等政府部門都對激光再制造方向給以資助進(jìn)行研究、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。政府、大學(xué)、科研院所和企業(yè)的官產(chǎn)學(xué)研蓬勃發(fā)展，結(jié)合有力，效果顯著。國產(chǎn)的1~10 kW CO2激光和1 kW YAG激光再制造專用設(shè)備、激光再制造專用送粉器和同軸送粉工作頭、激光再制造各類專用材料等相繼開發(fā)出來，全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，替代進(jìn)口產(chǎn)品，滿足了國內(nèi)市場需求，部分產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了出口，為國家節(jié)匯創(chuàng)匯。激光再制造成為我國激光加工行業(yè)第一個實(shí)現(xiàn)全部國產(chǎn)化的產(chǎn)業(yè)方向，也是中國激光制造產(chǎn)業(yè)界值得驕傲的亮點(diǎn)。目前，全國從事激光再制造研發(fā)的單位主要有：天津工業(yè)大學(xué)楊洗陳團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)劉文今團(tuán)隊(duì)、沈陽金屬和腐蝕所王茂才團(tuán)隊(duì)、浙江工業(yè)大學(xué)姚建華團(tuán)隊(duì)、華南師范大學(xué)張慶茂團(tuán)隊(duì)、貴州大學(xué)劉喜斌團(tuán)隊(duì)和湖南大學(xué)劉繼長團(tuán)隊(duì)等；從事激光再制造裝備制造企業(yè)主要有：武漢團(tuán)結(jié)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；從事激光再制造產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的企業(yè)超過100余家，主要企業(yè)有：沈陽大陸激光公司、包頭金杜激光再制造公司、河南安陽睿智激光公司、天津大族燁嶠激光公司、山東建能激光公司等，服務(wù)的產(chǎn)業(yè)遍及鋼鐵冶金、石油化工、能源電力、汽車鐵路交通、海洋平臺、工程機(jī)械、航天航空、武器裝備等部門。

     3  激光再制造技術(shù)典型工業(yè)應(yīng)用

     3.1 能源電力行業(yè)

    汽輪機(jī)是火力發(fā)電的核心設(shè)備，由于高溫高熱特殊的工作條件，每年都需定期對損傷的機(jī)組零部件進(jìn)行修復(fù)，如主軸軸徑、動葉片等，如圖4所示。燃?xì)廨啓C(jī)由于其在高達(dá)1300℃的高溫條件下工作，經(jīng)常會發(fā)生損傷。采用激光再制造技術(shù)將其缺陷全部修復(fù)完好，恢復(fù)其使用性能，費(fèi)用僅為新機(jī)組價格的1/10。

    3.2 鋼鐵冶金行業(yè)

    在鋼鐵企業(yè)中，熱軋機(jī)械工況十分惡劣，軋輥表面、軋機(jī)機(jī)架等均會出現(xiàn)腐蝕磨損，采用激光再制造技術(shù)進(jìn)行修復(fù)已在許多鋼鐵企業(yè)獲得批量應(yīng)用：山東濟(jì)鋼、河南安鋼、云南昆鋼、內(nèi)蒙包鋼、上海寶鋼等。圖5是激光修復(fù)軋輥現(xiàn)場照片。

     3.3 海洋石油行業(yè)

     在海洋平臺采油作業(yè)中，面對海水腐蝕、泥沙、高壓高速運(yùn)轉(zhuǎn)等惡劣環(huán)境，大量的采油輸油設(shè)備出現(xiàn)損傷，影響采油輸油的連續(xù)作業(yè)，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

     3.4 鐵路交通行業(yè)

     在鐵路交通運(yùn)輸中，柴油機(jī)大型曲軸由于磨損必須當(dāng)定期修復(fù)。但是曲軸長達(dá)10 m，修復(fù)精度要求高，不能產(chǎn)生變形，激光再制造技術(shù)是最佳的選擇，如圖6所示。

    3.5 航空航天行業(yè)

    無論民用飛機(jī)或是軍用飛機(jī)，為了保證飛行安全發(fā)動機(jī)必須定期維修。國內(nèi)外早已建立了若干個航空發(fā)動機(jī)再制造企業(yè)，可以說它是在所有再制造行業(yè)中要求最高、管理最為科學(xué)先進(jìn)的、具有大批量生產(chǎn)的企業(yè)。整體葉盤、葉片、葉輪及其他航空發(fā)動機(jī)部件存在各種形式的損傷，都要經(jīng)過嚴(yán)格維修和檢驗(yàn)，如圖7所示。

    近年來，國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)再制造企業(yè)越來越多地采用數(shù)控激光熔覆設(shè)備代替手工焊接，用于翻修磨損的發(fā)動機(jī)部件。激光再制造技術(shù)可以精確地修復(fù)和近形(near-net-shap)制造，使修復(fù)零部件具有更高的機(jī)械性能和冶金質(zhì)量，降低最后重新仿形的難度，使精加工的量最少，總體經(jīng)濟(jì)效益好。為了保證修復(fù)件幾何尺寸與新品的一致性，反求重建機(jī)器視覺技術(shù)開始考慮用于航空發(fā)動機(jī)激光再制造中。

     3.6 能源煤炭行業(yè)

     我國是煤炭大國，全國80%以上的電力能源來自于煤炭火力發(fā)電。在大型煤礦中使用自動化的采煤機(jī)進(jìn)行采煤作業(yè)，由于采煤作業(yè)惡劣的工況，采煤機(jī)的液壓支柱、截齒、導(dǎo)板護(hù)靴等關(guān)鍵零部件損壞十分嚴(yán)重。常規(guī)修復(fù)技術(shù)主要是電刷鍍、電焊等。近年來國內(nèi)許多企業(yè)采用激光再制造技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，收到良好效果?，F(xiàn)在已經(jīng)形成較大的批量生產(chǎn)能力。

 文    天津工業(yè)大學(xué)激光技術(shù)研究所   楊洗陳