绿色制造现状与发展趋势课程论文

研究生课程考核试卷科 目：绿色制造现状及发展趋势 教 师： 曹华军 姓 名： 学 号： 专 业： 机械工程领域 类 别： 上课时间： 2014 年 11 月 26 日2013 年 12 月 10 日 考 生 成 绩：卷面成绩 平时成绩 课程综合成绩阅卷评语： 阅卷教师 (签名) 重庆大学研究生院1激光再制造技术摘 要针对传统再制造技术如喷涂技术、喷焊技术、镀层技术等在某些特殊领域进行再制造过程中的局限性，提出了一些精密可控的成型再制造修复技术，如激光再制造技术等。通过应用这些先进的再制造技术，在开展重大装备修复时，能大大提高修复效率。因此，发展快速、高效、精密的修复技术不仅具有广阔的市场需求，而且具有重大的经济效益和社会效益。关键词：传统再制造技术；激光再制造技术；修复技术1 国内外激光再制造技术概述发展现状在多种激光再制造技术手段中，目前研究最多的是激光熔覆再制造技术。因此，激光再制造的主要任务还局限于对表面磨损、腐蚀、冲蚀、缺损等局部损伤及尺寸变化的零部件进行结构尺寸恢复，同时提高零部件服役性能。激光熔覆技术是目前工业中应用最为广泛的激光再制造技术。1981年，英国Rolls-Royce公司将激光熔覆技术用于RB211型燃气轮机叶片连锁肩的修复。从此，激光熔覆技术在世界各主要工业国家获得了大量研究和应用，国际上关于激光熔覆技术的专利不断出现 1,2。激光熔覆再制造领域的研究，正在从技术手段、工艺设备系统、材料体系、应用基础理论以及激光再制造质量控制、激光再制造标准等多方面进行系统研究，并获得了快速发展。英国P.R航空发动机公司将它用于涡轮发动机叶片的修复，美国海军实验室用于修复舰船螺旋桨叶 3，美国和日本在汽缸、活塞等汽车发动机零件上也有很多应用。美国斯万森工业公（Swanson Industries ）采用激光熔覆和激光焊接技术对机械零部进行激光再制造，实现了汽缸、轧辊和活塞等的激光熔覆再制造，并可以根据零部件性能需要，在基体表面熔覆奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、镍基合金和钴基合金等涂层 4。美国Gremada Industries Inc.公司采用激光熔覆技术再制造机械设备零部件，并为美国Caterpillar公司修复重型机械装备零部件，代替原来高成本的换件维修 5。激光再制造技术在中国正快速发展，相关的技术设备系统、技术理论和工艺、技术应用等方面的研究都已经展开，其应用领域不断扩大。从事激光再制2造研究的高校和科研院所越来越多，研究队伍不断壮大；同时，从事激光再制造技术研发和推广应用的公司也不断出现，例如沈阳大陆激光技术公司和浙江工业大学的科创激光再制造有限责任公司等 6。以沈阳大陆激光技术有限公司作为龙头企业的一批激光再制造专业化公司不断涌现，有许多激光再制造技术成功应用的实例，如：石化行业的烟气轮机、风机和电机；电力行业的汽轮机和电机；冶金行业的热卷板连轧线、棒材连轧线、高速线材连轧线；铁路行业的货车车轮、道岔、铁路机车曲轴；航空发动机热端部件和大型船舶内燃发动机热端部件等等。天津工业大学针对激光熔覆再制造技术进行了较为系统的研究，例如，研究了激光再制造设备系统、激光熔覆再制造过程中激光与粉末流相互作用理论、自动化技术工艺及相关软件系统、再制造质量和性能控制等，已将此技术用于冶金轧辊、拉丝辊的修复，石油行业的采油泵体、主轴的修复，铁路、石化行业大型柴油机曲轴的修复，均获到良好效果 6。西北工业大学针对钛合金叶片等钛合金零件的再制造难题，研究了再制造成形理论、技术工艺方法、性能控制与评价等。再制造技术江苏大学研究了激光冲击再制造技术。一般而言，激光冲击技术应用于航空叶片等新品零件的表面强化，提高新品零件的疲劳寿命。江苏大学张永康等人研究把激光冲击技术应用于废旧零件的再制造过程，改善再制造部位沉积金属的残余应力状态，提高其疲劳寿命等力学性能 7。国家级重点实验室从激光再制造成形理论、技术工艺、再制造新型材料及应用等多方面正对激光再制造技术进行系统研究，应用激光熔覆再制造技术成功再制造了重载车辆齿类件、曲轴、汽车发动机铝合金缸盖等装备关键零件的再制造。重载齿类件齿面承受载荷大，齿面磨损和局部剥落严重，其失效齿面一直缺乏有效的修复技术手段。再制造技术国家重点实验室采用6kW横流CO 2激光器，配合五轴联动机床，基于同步送粉激光熔覆技术成功再制造了重载车辆主动齿轮轴磨损齿面。在此过程中，解决了激光熔覆层裂纹控制、熔覆层高性能要求、熔覆材料与基体材料的工艺匹配性以及基体材料热积累等技术关键问题。铝合金零部件产生裂纹及发生磨损等尺寸缺损后，其维修比较困难，采用传统的堆焊方法难以实现高性能维修。激光束因能量密度高，而为铝合金零部件提供了先进可行的技术手段。十年来，铝合金表面激光合金化、激光熔覆、和激光冲击等技术一直是研究的热点。再制造技术国家重点实验室采用同步送丝激光熔覆技术实现了路虎汽车发动机铝合金缸盖的再制造，再制造铝合金缸盖表面的尺寸和表面平面度均符合图纸设计要求，达到了新品缸盖的性能要求。激光再制造技术已经应用于冶金、石化、交通（飞机、舰船、火车、汽车）3、纺织等各工业领域装备的再制造中，解决了诸多维修难题，创造了巨大的经济和社会效益 6。然而，相对于常用的热喷涂和电镀电刷镀等表面维修技术，激光再制造技术的成本存在设备系统的一次性投资较昂贵等问题。但是，设备系统投入之后，在不考虑设备投入成本的前提下，运行成本较低。由于重大设备中的轧辊、轴类零件、叶片以及齿类件等都是高附加值的零件，激光再制造的费用均在原值的 25%以下；而且激光再制造的周期短，可以大大节约维修的时间，并且性能达到甚至超过新件，因此，激光再制造技术具有显著的性价比优势。2 激光再制造技术概念、特点与原理2.1 激光再制造技术概念及特点激光再制造是指利用激光表面处理、激光烧结成形、激光焊接、激光切割、激光打孔等各种激光加工与处理技术对零部件进行再制造。采用高能量激光束，利用表面合金化、表面熔覆等技术手段，恢复和提升局部损伤机械零部件的几何尺寸和功能，可以大大节约原材料，使零件变形小或无变形，符合再制造的技术要求。激光再制造技术是应用激光束对废旧零部件进行再制造处理的各种激光技术的统称。按激光束对零件材料作用结果的不同，激光再制造技术主要可分为两大类，即激光表面改性技术和激光加工成形技术。其中，激光表面改性技术主要包括激光清洗技术、激光淬火、激光表面熔凝、激光表面合金化、激光表面非晶化、激光熔覆、激光冲击等；激光加工成形技术主要包括激光切割、激光焊接、激光打孔、激光快速成形等技术手段。激光再制造技术利用高能量激光束作为能源，与传统的机械加工成形等减法修复技术及堆焊等加法修复技术相比，在装备零件再制造成形与加工方面具有显著优势，其特点和技术优势主要体现在如下几方面 6：（1）实现无接触加工，对工件无直接冲击，因此基体无机械变形；（2）激光再制造成形和加工过程中，无“刀具” 磨损；（3）激光束能量密度高，适用的材料体系广泛，可以对多种金属、非金属进行修复和加工，特别是可以加工高硬度和高熔点的材料；（4）激光束聚焦性好，可以实现零部件局部或选区再制造成形以及性能提升，并且热影响区域小，工件热变形小；（5）易于实现多种激光技术手段的复合应用，根据零件形状和性能特点实现激光复合再制造；（6）可以实现缺损零件选定区域的“近净成形” 再制造，后续加工余量小；4（7）激光束易于导向、聚焦、实现方向变换，易与数控系统和工业机器人配合，对复杂工件进行再制造和加工，因此，其工艺柔性好，是极为灵活的加工和修复方法；（8）是绿色环保型的先进技术，再制造产品质量稳定、性能可靠，经济效益和社会效益好。鉴于激光再制造技术显著的技术优势和特点，近年来，激光再制造技术方面的研究不断深入，应用领域不断扩大。2.2 激光再制造技术原理激光再制造技术的技术基础是激光熔敷 8,9。激光熔敷原本是一种表面强化技术，它不涉及零件精确成形问题。以激光熔敷为修复技术平台加上现代先进制造、快速成型等技术理念则发展成为激光再制造技术。它是以金属粉末为材料，在CADCAM 软件支持下，CNC(计算机数控)控制激光头，送粉嘴和机床按指定空间轨迹运动，在修复部位逐层熔敷，最后生成与原型零件近形的=绋实体。工作原理如图1所示。图 1 激光再制造系统激光器：15kw CO2激光器，或用0.42kw Nd:YAG激光器，不要求单模输出。光学系统：采用聚焦光束和宽带光束两种方法宽带光束可使熔敷表面光滑平整，一般采用激光宽带扫描转镜。送粉器：采用载气式或非载气式输送两种方法。非载气式送粉，粉末利用率高达90；载气式粉末利用率仪为3040%。在进行二维以下运动修复时，采用非载气式送粉可节省粉末，从而降低使用成本。从光束与粉嘴相互运动来看可分为一维、二维及三维修复，如图2所示。5图2 激光修复中激光束与粉末流关系图红外温度监控系统：在激光熔敷修复过程中由于多层叠加熔层表面温度会随高度增加而增加在尖角处也会引起热量陡增必须对熔池温度面进行实时监测并将测温结果反馈给激光器和数控机床控制激光器功率输出以及CNC机床的运动速度以保持熔池温度稳定其测温原理为激光涂层吸收的能量EA一部分用于熔化粉末Ep一部分以热辐射的形式向外散出ER一部分用于热传导ET一部分用于与环境对流 Ec 即EA= Ep + ER + ET + EC根据黑体辐射定律和为维恩位移定律 m T=2897.8 mK，其中 m为光谱辐射 极大值对应波长T为绝对温度K由此而进行双波长比色红外测温采用双波长比色测温计测温范围4002000 精度系数 1% 其框图如下： 6图3 激光熔敷层温度监控系统同轴送粉工作头1 再工件上熔敷时发出热辐射经光学系统3会聚到透反分光镜4上一部分进入红外双波长比色测温计转换成交流电信号经放大和数据处理器6后送入激光器和CNC 控制柜 8调节激光功率和机床运动速度另一部分送入测试目镜7上供瞄准测温点用3 激光再制造技术应用目前，激光再制造技术主要针对表面磨损、腐蚀、冲蚀、缺损等零部件局部损伤及尺寸变化的废旧零件进行结构尺寸恢复，同时提高零部件服役性能。激光熔覆技术是工业中应用最为广泛的激光再制造技术，在航天、汽车、轻工、石油、化工、冶会、电力、机械、工模具等领域都得到大量应用 10，其典型应用实例简介如下。3.1 激光再制造技术在叶片中的应用1981年，英国Rolls Royce公司将激光熔覆技术用于RB21l型燃气轮机叶片连锁肩的修复。该叶片在1600 K温度下工作，由超级镍基合金铸造，过去用TIG(Tungsten Inert Gas，钨极惰性气体保护) 堆焊钴基合会修复，稀释严重，热影响区还常常发生裂纹。后改用激光熔覆修复，设备用2kW快速轴流CO 2激光器，在重力作用下吹氩气送粉，功率密度10 410 5 Wcm 2，专用五轴联动数控工作台设有良好的安全防护装置，为减小惯量，激光熔覆设备的大部分零件用铝材制造，自动化操作，处理1个叶片只需75s时间，过去用 TIG堆焊的时间为4 min件；采用激光熔覆钻基合金，合金用量减少50，变形小，节省了后加工工时，工艺质量高，重复性好，还减少了设备数量。美国西屋公司用该技术修复长12 m的蒸气机叶片的端的水蚀。S.E.Huffman公司用有2个送粉器和双摄像视频计算机和定位精度为0.013 mm、重复精度为0.007 6 mm的数控系统激光熔覆设备再制造飞机发动机废旧叶片和废旧压缩机叶片。我国沈阳大陆激光技术公司应用激光熔覆再制造技术对多种烟机、汽轮机等多种机组的多类动叶片和静叶片进行了大董再制造，获得了良好经济效益和社会效益。73.2 激光再制造技术在模具中的应用常规冷冲压和冷冲切模具的制造，常常使用昂贵的模具钢整体淬火，然后电火花加工出刃口，此过程工序多、周期长、生产效率低、制造成本高。而改用AISI1045钢制造，机械加工成型后，在刃口部位作激光熔覆CPM10V和CPM15V合金或对磨损模具进行激光熔覆再制造处理，可以明显延长模具寿命，大幅降低制造费用。而且在使用磨损后，可多次进行激光熔覆再制造复原，因而使模具的总体寿命明显延长。3.3 激光再制造技术在轧辊中的应用材质为低镍铬无限冷硬铸铁的某重轨轧辊，因表面磨损而使得其尺寸精度超差，并出现局部凹坑，对其进行了激光熔覆再制造后，不但恢复了轧辊精度，而且还显著延长了轧辊的使用寿命。3.4 激光再制造技术在蜗杆中的应用塑料挤压蜗杆和压铸蜗杆的螺纹用激光熔覆再制造，可以收到良好效果。沈阳大陆激光技术公司对我国多家石化公司螺杆压缩机的转子均成功实施了激光熔覆再制造。螺杆压缩机的转子在运行过程中因轴向移位，造成了阴、阳转子工作面大面积擦伤和磨损。经激光熔覆再制造，不仅恢复了转子的尺寸和形状，还提高了表面性能，延长了使用奉命。3.5 激光再制造技术在轴中的应用轴类零件在各种机械装备中占据着重要地位。各种轴在运行过程中，一般囚磨损等原因造成尺寸减小、在轴表面产生深划痕等而失效的情况十分普遍，所以轴类零件的修复与再制造的市场份额很大。而激光再制造技术在轴类零件的修复与再制造的全过程中能产生重要的经济和社会效益，具有广阔市场前景。3.6 激光再制造技术在齿轮中的应用齿轮在运行过程中常出现齿面磨损、疲劳脱层(掉块)甚至断齿等失效现象。堆焊、电镀、喷涂等一般的修复技术难以满足齿轮服役性能要求。因此，齿轮的修复与再制造一直是困扰工业界的一大难题。而采用激光熔覆再制造技术可以方便地实现失效齿轮零件的修复与再制造，效率高、成品率高，修复或再制造的齿轮件性能优异。例如：天津船坞某设备齿轮在运行中因齿轮啮合面进入异物，造成齿轮副久效，其中大齿轮共有5齿发生崩齿、掉块、缺角、4齿发现有裂纹。沈阳大陆激光技术公司采用激光熔覆等再制造技术对该齿轮进行了成功修复。恢复后的齿轮经装机应用，运行正常。另外，对套筒类零件、导轨面、阀类零件、孔类零件等均已有成功进行激光熔覆再制造的实例。此外，激光表面相变硬化、激光合金化及激光打孔等技术也均已在零部件再制造中获得应用。84 总结再制造技术诞生于粗放的表面工程，是利用原有的零部件，采用各种再制造成形技术，使零部件恢复和提高尺寸、形状、表面质量和性能要求，形成新产品再使用，即新产品上包括了曾经使用过并经再制造的旧零部件。使产品或设备对环境污染最小，资源利用率最高，投入费用最少，而性能重新达到最佳要求。再制造实际上等于延长了产品的使用寿命，间接地节约了资源。面临资源的贫乏和环境破坏的严峻形势，研究再制造对实现资源的循环利用、对环境保护都具有重要意义。而激光再制造技术作为一种精密可控的再制造修复技术，为一些复杂的再制造修复过程提供了方便。参考文献1 Kosuge Shigechika, Ono Moriaki, Nakada Kiyokazu, et al. Laser Cladding Method. Japanese Patent:JP62183982, Aug.12, 19872 Humphries Michael J, Liu Chih-An, Krutenat Richard C. MCrAlY Cladding Layers and Method for Making Same. US Patent: US04532191A, July 30, 19853 Xu Binshi, Liu Shican, Wang Haidou. Developing remanufacturing, constructing cycle eco