武雅迪

（河北京津冀再制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究有限公司，河北 滄州 062450）

引言

推動綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展必須要依托于再制造，邁入新世紀(jì)之后，世界各國都更加關(guān)注和重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，尋求發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式之下，支持并倡導(dǎo)更少的資源消耗、更多的勞動就業(yè)、更小的環(huán)境破壞、更多的經(jīng)濟(jì)效益，屬于現(xiàn)代化的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。激光再制造技術(shù)自身所具備的突出優(yōu)勢在于減少能源消耗，促進(jìn)資源利用效率提升，有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境，可以對廢舊零部件實現(xiàn)再次利用，在很大程度上降低了報廢率，也避免了失效零部件對環(huán)境帶來的影響。將激光再制造技術(shù)普及運(yùn)用到工業(yè)領(lǐng)域，不但與現(xiàn)階段我國循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)相契合，也是實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的重要手段。

1 激光再制造技術(shù)概述

1.1 激光再制造技術(shù)簡介

激光再制造技術(shù)和過去的修復(fù)技術(shù)存在顯著差異，它屬于一種全新概念的現(xiàn)代化修復(fù)技術(shù)，是以裝備全壽命周期管理為依據(jù)，以促進(jìn)廢舊裝備自身性能提升為目的，始終遵循優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、環(huán)保理念，借助于現(xiàn)代化技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為途徑，對廢舊裝備實施修復(fù)或改造的手段[1]。激光再制造技術(shù)屬于一種現(xiàn)代化、高效化、環(huán)?；膭?chuàng)新技術(shù)。激光再制造技術(shù)主要涉及高能束技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)以及光電檢測技術(shù)，不但可以讓廢舊受損的零部件恢復(fù)到本來的尺寸，同時也能夠促進(jìn)廢舊零部件自身性能的提升。激光屬于一種強(qiáng)動力、非接觸且清潔高效的熱源，將其運(yùn)用在工業(yè)制造中，能夠有效處理過去很多常規(guī)手段不能加工或加工效率不高的問題，進(jìn)一步促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)效率與技術(shù)水平提升，也是工業(yè)制造領(lǐng)域未來發(fā)展的必然趨勢[2]。激光再制造技術(shù)主要依靠激光熔敷、激光合金化等技術(shù)支撐，激光熔敷屬于表面強(qiáng)化技術(shù)，并未包括零件精確成形問題?；诩す馊鄯鬄榛A(chǔ)建設(shè)修復(fù)平臺，基于現(xiàn)代制造和快速原型等技術(shù)理念，逐漸衍生出了激光再制造技術(shù)[3]。該技術(shù)主要以金屬粉末為原材料，借助于CAD/CAM等軟件的支持，通過CNC對激光頭、送粉嘴以及機(jī)床等實施有效控制，將光束與粉末進(jìn)行同步輸送，從而得到一支金屬筆，針對受損零部件相關(guān)部位實施熔敷，最終得到和原型零部件相同的三維實體[4]。借助于激光再制造技術(shù)，可以讓很多已經(jīng)受損的零部件實現(xiàn)再生，同時在修復(fù)過程中還能夠顯著提高其自身性能，促進(jìn)零部件運(yùn)行壽命增加。

1.2 激光再制造工藝流程

激光再制造技術(shù)屬于各種裝備零部件實現(xiàn)修復(fù)再生的有效技術(shù)手段，在實際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)始終按照零部件再制造的基本流程執(zhí)行[5]。圖1為國標(biāo)GB/T 28618—2012機(jī)械品再制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定的基本流程。

圖1 機(jī)械產(chǎn)品再制造流程

針對部分特殊零部件，在實施激光再制造過程中應(yīng)當(dāng)按照下頁圖2中的具體流程予以執(zhí)行?，F(xiàn)階段，激光熔覆技術(shù)手段已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到了更加廣泛的應(yīng)用。采取激光熔覆對受損零部件實施修復(fù)時，首先應(yīng)當(dāng)做好失效分析，結(jié)合零件失效原因及其實際失效狀態(tài)，采取針對性的激光再制造措施，對受損零件實施預(yù)處理，借助激光工藝試驗得到相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行局部損害區(qū)域激光熔覆處理后，需要對沉積產(chǎn)生的熔覆層展開質(zhì)量評估，最后對受損零部件實施可靠性與經(jīng)濟(jì)性評估。

圖2 激光再制造工藝流程

2 激光再制造技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用

2.1 礦山機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展

礦山機(jī)械一般應(yīng)用在建材、有色金屬以及煤炭等礦山開采活動中，也為水電、公路等工程項目建設(shè)帶來設(shè)備支持。近年來，在我國社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的過程中，礦山機(jī)械發(fā)揮出了非常重要的作用。由于礦山機(jī)械往往實際應(yīng)用于相對惡劣的環(huán)境，機(jī)械設(shè)備自身運(yùn)行強(qiáng)度較大，因此，每年都會產(chǎn)生非常多的報廢零部件。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2020年國內(nèi)礦山機(jī)械的年報廢量高達(dá)百萬噸。如何合理利用巨量的報廢零部件，這是諸多企業(yè)必須深入研究和探討的問題，對社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展也具有重要的現(xiàn)實意義[6]。礦山機(jī)械自身體積較大、裝卸運(yùn)輸難度大、設(shè)備價格成本高、后續(xù)維修保養(yǎng)難度大，如果礦山機(jī)械的零部件出現(xiàn)腐蝕、磨損而造成設(shè)備無法正常運(yùn)行，必然會給相關(guān)企業(yè)造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失。運(yùn)用激光再制造技術(shù)，可以對礦山機(jī)械受損零部件實施有效修復(fù)，促進(jìn)其利用效率不斷提升，不單單能夠降低能源消耗，避免資源浪費(fèi)，還可以促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益得以提升，助力我國社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)健發(fā)展。

2.2 鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展

現(xiàn)階段我國鋼鐵企業(yè)每年會消耗巨量的輥材，這也屬于鋼鐵行業(yè)中關(guān)鍵的耗材[7]。鋼鐵企業(yè)在實際生產(chǎn)運(yùn)營過程中涉及到諸多熱軋工藝，熱軋輥自身具備較強(qiáng)的抗磨性，其硬度分布相對均勻，擁有良好的散熱性能和較低的熱膨脹系數(shù)，同時表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗氧化性與高溫穩(wěn)定性。軋輥自身質(zhì)量在很大程度上決定了軋機(jī)運(yùn)行效率，會影響到最終產(chǎn)品的實際質(zhì)量。一般來說，磨料磨損、疲勞磨損或者剝落現(xiàn)象屬于軋輥出現(xiàn)問題的關(guān)鍵性因素，依托于激光再制造技術(shù)對出現(xiàn)問題的軋輥實施修復(fù)，結(jié)合其具體材質(zhì)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及運(yùn)行環(huán)境，匹配對應(yīng)的熔覆技術(shù)，合理選擇合金粉末，可以確?；暮腿鄹矊佑行ЫY(jié)合。通過修復(fù)再制造能夠讓軋輥表面硬度（HRC）提升至50～60，和過去的修復(fù)技術(shù)比起來，顯著增強(qiáng)了其抗沖擊性和抗磨性，實際技術(shù)應(yīng)用成本僅為新軋輥的30%。

2.3 航空行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展

對于航空領(lǐng)域而言，其零部件的實際成本相對更高，如果零部件存在損壞或失效問題，直接替換新的零部件會在很大程度上提升航空企業(yè)的經(jīng)營成本。因此，近年來激光再制造技術(shù)在航空領(lǐng)域中也得到了非常廣泛的應(yīng)用。如美國Optpmec Design公司通過激光再制造技術(shù)對T700飛機(jī)的發(fā)動機(jī)零件實施了磨損修復(fù)，Huffman公司也利用激光再制造技術(shù)對鎳基高溫合金和鈦合金航空葉片實施修復(fù)，我國中科院自動化所利用激光再制造技術(shù)對航空發(fā)動機(jī)渦輪導(dǎo)向器實施修復(fù)。對于一部分含有鎳基合金或鈦合金的航空發(fā)動機(jī)而言，在實際運(yùn)行過程產(chǎn)生磨損之后，如何實施科學(xué)修復(fù)，技術(shù)難度較高。將發(fā)動機(jī)放置于惰性氣體環(huán)境下，依靠激光再制造技術(shù)實施修復(fù)，可以讓發(fā)動機(jī)表層覆蓋更高效的涂層，確保其能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行。例如，基于激光熔覆技術(shù)在TC4鈦合金葉片表面上使用TC4粉末進(jìn)行激光增材修復(fù)，對TC4鈦合金激光熔覆區(qū)和過渡區(qū)的微觀組織、拉伸力學(xué)性能和沖擊韌性分析發(fā)現(xiàn)，修復(fù)后的葉片組織均勻，力學(xué)性能可達(dá)到航空鈦合金使用標(biāo)準(zhǔn)。TC6鈦合金廣泛用于制造航空器重要承力構(gòu)件，針對TC6鈦合金件再制造修復(fù)，研究在TC6鈦合金件局部損傷部位激光直接能量沉積TA15鈦合金層的激光再制造技術(shù)方法，結(jié)果表明，再制造修復(fù)件成形良好、界面結(jié)合處無裂紋無氣孔。

2.4 實際應(yīng)用舉例

采用同步送絲激光熔覆方法再制造修復(fù)了汽車發(fā)動機(jī)鑄造鋁合金缸蓋，采用“激光清洗+同步送絲激光堆焊”方法修復(fù)了某型飛機(jī)2A12鋁合金蒙皮表面點蝕坑和局部腐蝕區(qū)域，采用激光窄間隙填絲焊技術(shù)再制造修復(fù)了鋁合金缸體裂紋。采用激光窄間隙焊接技術(shù)對15 mm厚的A7N01P-T4鋁合金高速列車車體MIG焊接頭進(jìn)行激光再制造修復(fù)，鋁合金車體修復(fù)成形質(zhì)量好，解決了焊縫氣孔、液化裂紋和側(cè)壁未熔合等缺陷?；诩す庠霾闹圃旒夹g(shù)原理，采用Al-Si10Mg鋁合金粉末，激光再制造修復(fù)了裂紋損傷的2A14鋁合金汽車輪轂，如下頁圖3所示，克服了鋁合金熱裂、氣孔和熔合不充分等技術(shù)難題，鋁合金輪轂修復(fù)區(qū)域填充飽滿，加工處理后修復(fù)區(qū)域表面光滑，且無明顯的裂紋和氣孔等缺陷，達(dá)到使用要求。

圖3 鋁合金汽車輪轂

3 激光再制造技術(shù)發(fā)展建議

3.1 加強(qiáng)戰(zhàn)略層面的積極引導(dǎo)

進(jìn)一步提升對激光再制造技術(shù)涉及到的各種材料、核心部件等關(guān)鍵領(lǐng)域的財政支持，靈活運(yùn)用國家重大專項研發(fā)計劃等資金渠道，借助于高校、科研院所、企業(yè)以及用戶密切聯(lián)系的模式，在通用設(shè)備與工藝更新的前提下，開展好對典型易損零件的專門激光再制造設(shè)備和工藝的研究開發(fā)工作。

3.2 建立激光增材再制造材料基因組體系

激光增材再制造的更新與完善對各類專用材料也提出了非常高的要求。專用材料自身具備非平衡亞穩(wěn)態(tài)特征，與傳統(tǒng)的材料相比，其研發(fā)技術(shù)難度高、時間周期長以及流程復(fù)雜。傳統(tǒng)的技術(shù)手段難以適應(yīng)科技發(fā)展的實際需求，應(yīng)推進(jìn)構(gòu)建更加完善的材料基因組體系，不斷增強(qiáng)專用材料的非平衡亞穩(wěn)態(tài)特性，并補(bǔ)充完善相關(guān)的計算理論依據(jù)。

3.3 加快建立完善標(biāo)準(zhǔn)化體系和高層次應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系

進(jìn)一步增強(qiáng)對激光再制造技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品的研究與開發(fā)，不斷提升研發(fā)和認(rèn)證水平，推動標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化密切聯(lián)系，打造更加系統(tǒng)化的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。促進(jìn)國際合作，與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織密切聯(lián)系，做好對激光再制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)建與更新工作。另外，要加強(qiáng)專業(yè)人才培養(yǎng)工作，制定有針對性的人才培養(yǎng)方案，建立完善人才培養(yǎng)機(jī)制，解決激光再制造技術(shù)人才數(shù)量較少的問題。

3.4 加大應(yīng)用推廣力度，引導(dǎo)行業(yè)整合

政府相關(guān)管理部門應(yīng)促進(jìn)行業(yè)資源整合，推進(jìn)各行業(yè)領(lǐng)域之間的聯(lián)系，不斷擴(kuò)展產(chǎn)業(yè)和政府、產(chǎn)業(yè)鏈上下游以及產(chǎn)業(yè)之間的連接渠道，促進(jìn)激光再制造技術(shù)的普及運(yùn)用。與此同時，應(yīng)當(dāng)組織進(jìn)行分領(lǐng)域的試點專項行動，堅持做到點面結(jié)合，不斷提升財政支持力度，吸取社會資金進(jìn)入，助力激光再制造技術(shù)應(yīng)用廣度與深度的不斷提升，推動激光再制造技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

3.5 加強(qiáng)“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新，加快關(guān)鍵共性技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展

針對激光再制造以及全生命周期制造，打造國家級研發(fā)平臺，地方高校和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)、行業(yè)企業(yè)協(xié)同配合，盡快打通產(chǎn)業(yè)鏈，建立更加完善的技術(shù)運(yùn)用體系，開展對核心技術(shù)的攻關(guān)與創(chuàng)新工作。針對各個行業(yè)與領(lǐng)域，應(yīng)當(dāng)盡快設(shè)置能夠凸顯自身特色的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，建立再制造產(chǎn)品檢測中心等。

4 結(jié)語

激光再制造屬于一項新的綠色環(huán)保技術(shù)，有助于促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，是現(xiàn)階段我國積極推廣普及的高新技術(shù)之一。各個行業(yè)領(lǐng)域每年因設(shè)備零部件磨損而造成設(shè)備無法運(yùn)行、停產(chǎn)的現(xiàn)象較多，由此帶來的經(jīng)濟(jì)損失非常嚴(yán)重，在這一形勢下應(yīng)當(dāng)更加重視激光再制造技術(shù)的推廣應(yīng)用，充分發(fā)揮出該技術(shù)的優(yōu)勢與價值。