綠色激光再制造技術及其應用

邵珠強，李娜，王曉成，張勇，胡增榮

（1.蘇州大學，江蘇蘇州215131；2.上海航空機械有限公司，上海201906）

綠色激光再制造技術及其應用

邵珠強1，李娜1，王曉成2，張勇2，胡增榮1

（1.蘇州大學，江蘇蘇州215131；2.上海航空機械有限公司，上海201906）

社會經濟的綠色可持續發展越來越受到人們的重視。激光再制造技術作為綠色再制造的核心技術之一，是我國目前研究的主要方向。本文較為全面地介紹了激光綠色再制造技術的技術特點、發展意義以及國內外研究概況，并且討論了其在不同領域的具體應用和存在的問題，指出了進一步研究的主要方向。

激光；綠色再制造；應用

隨著環境污染的日益加劇和資源稀缺情況的不斷加深，發展循環經濟是我國社會發展必然道路，當前再制造是循環經濟發展的最高形式。因此，實現國民經濟和現實社會協調綠色發展的重要途徑就是發展再制造技術。再制造業屬于勞動密集型產業，在極大節約成本的同時使產業資源得到二次使用，為我國就業難的解決開辟了新路。激光材料處理技術作為激光再制造修復的一種重要手段，具有在損傷的金屬基材上制備出高性能的合金熔覆層而不改變基體的性質，顯著節約再制造成本，減少稀有金屬的使用率，畸變小、涂層稀釋率低等優點。因此，世界上各工業強國對激光再制造技術的研究及應用都給予高度重視。為滿足經濟綠色可持續發展的要求，我國也非常有必要深入研究激光再制造技術。

1 激光再制造的關鍵技術構成和技術特點

1.1 激光再制造的關鍵技術構成

激光再制造技術是運用各種激光技術對即將報廢零部件進行再制造處理手段的統稱，主要包括激光表面成型技術和激光表面改性技術。利用激光表面成型技術、激光燒結成形、激光表面處理、激光焊接、切割、打孔等多種激光加工工藝對損壞零件進行修復和改造。激光再制造產品的質量控制是激光再制造工程的核心，激光仿形熔敷技術和表面技術是激光再制造工程的關鍵技術[1]。激光再制造技術集先進的高能束技術、先進數控和計算機技術、CAD／CAM技術、先進材料技術、光電檢測控制技術為一體[2]。如圖1所示。

圖.1同軸送粉激光熔敷再制造系統原理圖

1.2 激光再制造技術的特點

再制造作為一種再生修復手段，是運用新型成熟技術對廢舊零件的產業化改造。激光再制造利用損傷或即將報廢的零部件作為再制造的基體，通過各種激光加工手段對損傷產品修復或改造，使再制造產品的性能、質量都能和新品水平相媲美。激光熔覆最大的特色就是用先進成形技術制造出的熔覆層組織性能和硬度都高于工件本身。例如利用激光表面硬化手段來提高工件的表面硬度或組織性能。通過激光熔覆的試件表面的涂層厚度大都在微米到毫米間，但卻承載著零件的主功能，與傳統的再制造工程相比，激光再制造可以使用原工作部件作為基體進行再造。

1.3 發展激光再制造技術的意義

從現實意義來說，激光再制造讓資源得以高效循環利用，使零件的使用價值得到最大發揮。另外，激光再制造的生產模式是可持續的，它能最大程度地降低報廢率。如今社會積極倡導的就是可持續發展模式，而激光再制造技術正是這種重要的技術途徑轉變之一。激光再制造技術在工業生產方面除了減少對自然的污染和環境的破壞外，它還是在損傷或者即將報廢的零部件上進行加工的，在創造社會效益的同時能創造更大的經濟效益。這項技術極大的滿足了我國可持續發展戰略的要求，為我國就業增加了新型產業鏈。隨著我國再制造工程的壯大，將需要更多的勞動力加入，這為我國解決就業難題開辟了一條新道路。所以，激光再制造技術具有重大現實意義，將為我國創造巨大經濟效益和社會價值。

2 激光再制造技術的發展

激光熔覆再制造是我國目前研究的主要方向，雖然它作為再制造的核心成型技術，但它的研究還局限于對基體表面磨損、腐蝕、疲勞損傷等微型損傷進行在結構和尺寸方面進行恢復，并在一定程度上提升提高基體的組織性能。

目前，激光再制造領域的研究，主要是從工藝手段、激光設備、金屬材料、檢測監控、再制造技術的標準化等多方面進行理論化系統化的研究，具有廣闊的發展前景。

2.1 國外激光再制造技術的進展

20世紀80年代，美國MTS公司創建的子公司AeroMet與約翰霍普金斯大學、賓州州立大學合作研究開發了激光加工成型技術，并使用這項技術對航空中的主要失效零部件的進行修復再造，從而開辟了激光再制造系統修復鈦合金產品的先河。

渥太華大學Ehsan Toyserkani的研究團隊，他們研發出一項自由成型技術，設計了一套具有實時監測熔覆厚度功能的激光再制造系統，而且可以對金屬零部件實現高精度激光熔覆和修復。首先，他們建立了數學仿真模型來預測激光熔覆過程中的厚度變化，然后設計出專業的工藝參數控制模型，利用CCD相機頻繁反復檢測熔敷厚度，從而實現對厚度變化實時監控和反饋控制。

美國密歇根大學的Mazumder等人經過幾年的不懈鉆研，編寫出一套直接金屬沉積系統（DMD），此系統涵蓋了多項技術，如CNC操作平臺、無線傳感、多種激光器、加工編程軟件CAM等，可以實時監控熔覆層的厚度，可以實時反饋控制熔覆層高度。此外，國際著名大學和研究所，例如美國利哈伊大學、克萊姆森大學，密蘇里大學羅拉，俄亥俄州立大學和橡樹嶺國家實驗室，英國伯明翰大學和利物浦大學以及加拿大集成研究院等，也對激光再制造技術進行了深入的研究。

2.2 我國激光再制造技術的發展

20世紀90年代末，沈陽激光技術有限公司正式創立，此公司主要是通過激光熔覆技術對損壞產品進行再制造修復，并向產業化發展。

1984年，我國在激光熔覆技術的設計研究上取得了突破性進展。華中科技大學重點實驗室針對熔覆合金粉末、熔覆工藝優化和激光設備開展了大量的實驗研究工作，對于以后激光工藝工程的開展做出了卓越貢獻，并為激光熔覆參數化積累了經驗。

沈陽自動化研究所和新松機器人自動化股份有限公司聯合進行了金屬粉末直接成型和激光再制造技術的研究，開發了相應的內外雙水冷同軸送粉頭、側向送粉頭和負壓式送粉箱和三維多功能激光再制造系統[3]。

3 激光再制造技術的應用

目前激光再制造技術已經在機車、交通運輸、航天航空等多個工業領域得到廣泛認可。

（1）冶金行業。激光再制造技術在冶金行業的典型應用產品有軋輥表面激光毛化、激光拼焊汽車板等，由于鋼鐵冶金設備中的軋輥、軸類零件等都具有很高的附加值，所以再制造費用僅是原始加工費的20%，并且激光加工效率高，極大縮短加工周期時間，推動了再制造的產業化，同時再制造產品性能比之原件有所升級。

（2）航空行業。眾所周知，航空領域設備或者零件的制造材料大都是稀有高性能金屬，制造成本極高，若利用激光修復手段對失效產品進行再制造，在降低成本提高經濟效益的同時還能優化設備性能。飛機發動機和螺旋槳葉片表面上出現損傷時，由于成本問題，必須采取手段對其進行再制造修復，考慮到飛機部件嚴格的疲勞性和硬度要求，激光熔覆技術成了修復飛機零部件最佳的三維表面修復手段。

（3）汽車行業。一些工業先進大國曾嘗試對發動機的氣門座圈進行表面激光熔覆，這個硬質合金熔覆表面平整，且耐磨損、耐高溫，不易變形，最大的優點就是無需校正。俄羅斯在汽車零件修復方面有著顯著的成效，主要有內燃機曲軸、變速器、傳動軸、氣門等易磨損零件，采用激光熔覆再制造工藝，利用陶瓷或鎳基合金粉末，使顯微組織得到細化，零件顯微硬度大幅提高。

（4）電力行業。電力行業激光再制造的典型有：轉子、葉片的激光處理；激光熱處理對軸的修復；柴油發電機的處理；端蓋、齒輪的激光再造。

（5）機車行業。我國是人口大國，機車帶來交通便利的同時也需要巨大的經濟成本，所以機車行業的激光再制造市場前景很大，尤其是機車內燃機曲軸在高溫高壓的長期運轉過程中，加上其本身的高速運轉，軸頸部位會產生損傷問題，通過激光再制造技術修復不僅能夠極大的節約資源和成本，而且可以提高零部件的組織性能。所以急需發展移動式的激光再制造加工中心，以滿足相關需求。

（6）船舶行業。船舶上主要零件大都是不銹鋼或者鑄鐵類，最大的問題是要耐腐蝕，而對于這些易磨損零件，再制造修復后的零件的整體性能會得到極大改善。

4 激光再制造技術當前的難題

（1）激光再制造設備的升級。目前我國研發生產的激光再制造設備光束質量有待提高，穩定性差；送粉器存在噴嘴送粉不均勻、精度低、易堵塞等問題；需要對組合式激光再制造設備進行深入研究。

（2）實時監測與反饋控制系統的研究。激光再制造過程的實時監測和反饋系統控制是決定產品或者零件的材料性能好壞及成型精度的一個直接因素是，若想對激光工藝參數進行優化實現閉環控制，可以通過實時監測熔覆層或者涂層的厚度及熔池的檢測來實現。

（3）熔覆粉末數據庫。目前國內外許多著名學者對各類工件或者設備進行過失效原因分析，以及相關的激光修復研究，將研究成果進行歸類總匯，建立關于熔覆粉末的數據庫和確定符合基體性能要求的熔覆層類別是至關重要的。

（4）研制再制造專用粉末。目前國內再制造修復所采用的粉末大都是借用冶金的合金粉末或者熱噴涂使用粉末，所以激光再制造修復的重中之重就是應根據試樣的激光熔覆的參數工藝研發出與之對應的激光專用粉末。

5 結束語

激光再制造工程開辟了產品修復的新紀元。激光再制造關鍵技術熔覆層成分和稀釋率可控，損傷零件修復后畸變小。同時，修復層與基體是經激光束高溫結合，且凝固極快，易產生細晶組織，組織穩定性能高，耐磨性好，耐腐蝕性強。通過合理選用粉末和采用適當的工藝參數，所得到的再制造產品的綜合性能較基體有大幅提升。上述激光再制造所特有的優勢正引起各界學者的廣泛關注，所以激光再制造工程必將有力推動再制造業的發展。

[1]陳江，劉玉蘭.激光再制造技術工程化應用[J].中國表面工程，2006，19（S1）：50-55.

[2]Yang Xichen，Li Huishan，Liu Yunwu，et al.Laser remanufac turing technology and its industrial application[J].Surface En gineer of China 2003，16（4）：43-46.

[3]王致堅，翟海波，劉宇，等.激光再制造技術及其應用[J].激光雜志，2010（05）：35-37.

Green Laser Remanufacturing Technology and Its Application

SHAO Zhu-qiang1，LI Na1，WANG Xiao-cheng2，ZHANG Yong2，HU Zeng-rong1
（1.Soochow University，Suzhou Jiangsu 215131，China；2.Shanghai Aviation Machinery Co.，Ltd.，Shanghai 201906，China）

The green and sustainable development of social economy has been paid more and more attention.Laser remanufacturing technology，as one of the core technologies of green remanufacturing，is the main direction of research in our country at present.This paper comprehensively introduces the technical characteristics，development and research state of laser green remanufacturing technology.Its specific application and existing problems in different fields are discussed，and the main direction of further research was pointed out.

laser；green remanufacturing；application

TN248.1

B

1672-545X（2017）06-0075-03

2017-03-22

蘇州大學校級大學生創新創業訓練計劃項目（編號：2016xj066）；蘇州大學大學生課外學術科研基金資助項目（編號：KY2017716B）

邵珠強（1995-），男，江蘇連云港人，本科生，研究方向：激光材料處理。