绿色再制造工程的发展现状和未来展望

绿色再制造工程的发展现状和未来展望

——激光表面处理和激光熔覆

绿色再制造工程的发展现状和未来展望

——激光表面处理和激光熔覆

技术部 张忠正

【摘要】公司以激光技术为基础，致力于绿色再制造技术的开发应用。从事各种金属材料的表面改性及融敷加工，以专业化手段批量化修复或对产品进行升级改造。公司与中国石油大学等高校和科研单位共同开发的激光加工技术，在油田、轧钢厂、电厂、化工机械等行业的关键设备、关键部件上进行表面改性及融敷、修复处理。特别在油田的井下抽油管、柱塞、接箍及热轧钢管轧辊的耐磨强化方面取得了突破性进展，现在经激光加工后的抽油管、柱塞、接箍已下井使用，热轧钢管轧辊已上机生产，均取得了良好的实用效果，特别是节约成本，提高开工率方面效益明显。实践证明，激光加工技术是典型的“绿色再制造”技术和典型的“环境友好型、资源节约型”技术。

【关键词】 激光 绿色再制造

目录 1 引言 ....................................................................... i

1.1 研究的目的和意义 .................................................................. i 1.2 研究现状 .......................................................................... i 1.3 研究思路 .......................................................................... i

2 激光绿色再制造的概况 ....................................................... i

2.1 激光绿色再制造的简介 .............................................................. i 2.2 激光绿色再制造提出背景 ............................................................ i 2.4 激光绿色再制造的发展史 ............................................................ i

3 激光绿色再制造分类 ........................................................ ii

3.1 激光表面表面改性 ................................................................. ii 3.2 激光表面熔覆 ..................................................................... ii

4 激光绿色再制造的应用 ..................................................... iii

4.1 石油和冶金行业的应用 ............................................................ iii 4.2 汽车和磨具行业的应用 ............................................................ iii

5 激光绿色再制造的未来 ...................................................... iv 6 结论 ...................................................................... iv

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1 引言

1.1 研究的目的和意义

激光表面处理是绿色再制造技术，是未来工业应用潜力最大的表面改性技术之一。具有很大的技术经济效益，广泛应用于机械

电器

航空

兵器

汽车等制造行业。利用

激光表面处理技术在一些表面性能差和价格便宜的基体金属表面合金层，用以取代昂贵的整体合金，节约贵金属和战略材料，使廉价材料获得应用，从而大幅度降低成本。另外，还可以用来研制新材料和代用材料，制造出在性能上与传统冶金方法根本不同的表面合金，应用在太空高温和化学腐蚀环境条件下的机械零件上，激光表面处理技术已呈现出具有广阔的应用和发展前景。 1.2 研究现状

公司与中国石油大学等高校和科研单位共同开发的激光加工技术，在油田、轧钢厂、电厂、化工机械等行业的关键设备、关键部件上进行表面改性及融敷、修复处理。特别在油田的井下抽油管、柱塞、接箍及热轧钢管轧辊的耐磨强化方面取得了突破性进展，现在经激光加工后的抽油管、柱塞、接箍已下井使用，热轧钢管轧辊已上机生产，均取得了良好的实用效果，特别是节约成本，提高开工率方面效益明显。 1.3 研究思路

利用激光表面处理技术在一些表面性能差和价格便宜的基体金属表面合金层，用以取代昂贵的整体合金，节约贵金属和战略材料，使廉价材料获得应用，从而大幅度降低成本。另外，还可以用来研制新材料和代用材料，制造出在性能上与传统冶金方法根本不同的表面合金，应用在太空高温和化学腐蚀环境条件下的机械零件上，激光表面处理技术已呈现出具有广阔的应用和发展前景。如果这些新产品能够投产并获得推广应用，将成为新的经济增长点，其经济效益和社会效益更是非常巨大。

2 激光绿色再制造的概况

2.1激光绿色再制造的简介

自从20世纪60年代激光问世以来，激光技术作为一门崭新的高新技术，几乎在各行各业都获得了重要的应用。20世纪70年代中期大功率激光器的出现，使激光绿色再制造技术不仅在研究和开发方面得到迅速发展，在工业应用方面也取得了长足进步。经过30年的迅猛发展，激光绿色再制造技术已在汽车、冶金、纺织等行业得到成功的应用，获得了良好的社会效益和经济效益。 2.2 激光绿色再制造提出背景

该项目提出符合《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006━2020年）》要求;符合《淄博市国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》规定的产业结构调整要求；符合国家“十一五”规划中提出：要建立以企业为主体、市场为导向、产学研相结合的技术创新体系，形成自主创新的基本体制架构；符合淄博市科学技术发展计划项目的第71条的条件。符合目前大力提倡的循环经济模式是追求更大经济效益、更少资源消耗，更低环境污染和更多劳

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动就业的一种先进经济模式。 2.4 激光绿色再制造的发展史

再制造工程是废旧机电产品高技术修复改造的产业化,是循环经济和节能环保产业的重要技术支撑。中国的再制造工程经历了产业萌生、科学论证和政府推进三个阶段。中国特色的再制造主要基于尺寸恢复和性能提升,并以先进的寿命评估技术、纳米表面工程和自动化表面工程技术为支撑,其重要特征是再制造产品的质量和性能不低于原型新品,成本为新品的50 %,节能60 %,节材70 %,显著改善环保.具有中国特色的再制造模式已逐渐形成,并取得了重要成果.

3 激光绿色再制造分类

3.1激光表面表面改性 激光表面改性就是利用激光束照射到材料表面时，激光被材料吸收变为热能，表层材料受热升温。由于功率集中在一个很小的表面上，在很短时间（10-1～10-7ｓ）内即把材料加热到高温（加热速度高达105～109℃/ｓ），使材料发生固态相变、熔化甚至蒸发。当激光束被切断或移开后，材料表面冷速很快（冷速高达104℃/ｓ），自然冷却就能实现表面改性。根据激光束与材料表面作用的功率密度，作用时间及作用方式的不同，可实现不同类型的激光表面改性。由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性，因此就给激光加工技术带来其他加工技术所不具备的可贵特点。激光表面强化技术与其他常规热处理表面强化技术相比，具有以下主要特点：（1）在零件表面形成极其细小均匀、致密的层深可控，并含有多种介稳相和金属间化合物的激光表面强化层。（2）激光强化层与零件基体形成了牢固的冶金结合，零件工作时强化层不会剥落。（3）无需冷却介质，仅靠零件本体热传导实现急冷硬化，且冷却特性优异。（4）与各种传统热处理工艺技术相比具有最小的变形，可以用调整处理工艺参数来控制变形量。（5）可处理零件的特定部位及其他方法难以处理的部位，可进行灵活的局部强化。（6）一船不需真空条件，即使在进行特殊合金化处理时，也只需吹保护性气体。（7）大功率激光器加上计算机控制的多维空间运动工作台，特别适用于机械比、自动化生产。（8）生产效益高，加工质量稳定可靠，生产成本低，经济和社会效益好。

3.2 激光表面熔覆

激光表面熔敷就是将不同成分的合金粉末填加到激光束加热所形成的熔池中，并由激光将其熔化。由此产生的熔敷层与金属基体呈现原子冶金结合，从而使金属表面获得高的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温和抗氧化等综合性能。与传统的表面涂层，如堆焊、镀层、喷镀等相比，激光熔敷层具有如下技术特点：(1)熔敷层与基体可以实现牢固的冶金结合或界面扩散结合；(2)其冷却速度一般都大子104℃/s以上，属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等；(3)通过激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控；(4)激光处理的热变形小，尤其是采用高功率密度快速熔敷时，变形可降低到零件的装配公差内；(5)熔敷层的厚度范围大，单道送粉一次涂敷厚度在0.2—2.0mm，很适合于油田上常见易损件的磨损修复；(6)容易实现

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选区熔敷；(7)工艺过程可实现自动化。

4 激光绿色再制造的应用

4.1 石油和冶金行业的应用 随着各油田相继进入开采的中后期，机械采油在整个开采量中所占的比重越来越大，抽油泵是机械采油的关键性部件，由于所开采液体中含有大量的腐蚀性气体。加上一些井底杂物的磨造作用，抽油泵的泵筒损坏经常发生，从而大大影响了开采效率。对内径44~83mm、长度300mm组合抽油泵缸套进行激光淬火，缸套内表面硬度达到60~66HRC，硬化层深度达到0.4~0.6mm，缸套直径上变形仅为0.03mm左右，远远小于常规热处理的变形量，大幅度提高了生产效率，降低了生产成本。油田井下使用结果表明，泵筒使用寿命提高一倍，变形甚微，耗电量仅为镀铬工艺的12％。

目前，我国冶金行量已有二十多家相继组建成功和将筹建激光加工中心，进行冶金机械备件的激光表面淬火、熔覆、合金化、轧辊表面激光毛化(刻花)、薄钢板激光切割、焊接等激光表面加工技术。从对我国部分钢铁企业应用激光加工技术的考察表明：激光加工设备运行稳定可靠、加工成本低、加工工艺技术成熟、产品质量优良、经济和社会效益显著。可以利用激光表面强化处理冶金大宗消耗备件，例如：铸铁轧辊、铸钢轧辊、园盘热锯片、热剪刃、输送辊、扭转辊、导卫、导卫盒、挠结机滑板角合器、轧机人字齿轮轴、齿接手、天车轮、减速机齿轮、齿轮轴、平面蜗杆、拉丝机卷筒、塔轮、托辊、链轮、链板、销套、销轴等形状各异、大小不等的备件。如新疆八一钢铁公司对齿轮、轴、天车轮导卫、轧辊等的激光强化处理，硬度均提高0.5~1倍以上。 4.2 汽车和磨具行业的应用 在汽车工业方面，激光表面强化工艺有广泛的应用前景。它可以改善工件表面的耐磨、耐蚀、耐高温等性能。延长在各种恶劣工作条件下工作的汽车零部件如轴承、轴承保持架、气缸、衬套、活塞环、凸轮、心轴、阀门和传动构件等的使用寿命，从而提高汽车整体的使用性能。目前全球汽车制造商对生产量最大的6缸汽油发动机曲轴大都已采用球墨铸铁材质。球铁经激光表面强化处理后，可使其轴颈的耐磨性有较大幅度提高。激光表面强化是一种局部的表面处理的好方法，特别适于不要求整体强化或其它方法难以处理的零件。对于汽车上所用各种牌号的铸铁、碳钢、低合金钢、工具钢、弹簧钢等零件有一定的应用前景。 激光表面改性技术在模具行业受到了广泛的重视和推广，在经济效益和项目开发上呈现不断上升的趋势。美国莫斯德克公司采用屏蔽方法，成功地对模具刃口实施了激光淬火。即通过适当的屏蔽，使激光辐射在刃口的两侧面上，热量由金属体传达刃口，使其控制在相变温度范围内，以实现淬火的目的。该方法还适用于汽车增压涡轮叶片排气边的热处理。具体做法是用不锈钢薄壁管作为屏蔽物，管内通水冷却，流量为5加仑／秒。管子离开刃口一定距离，激光直对刃口扫描，模具刃口两侧面受热，热量由两侧面传导而汇合于刃口，从而使刃口部位的温度控制在淬火所需温度以实现淬火。

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5 激光绿色再制造的未来

激光绿色再制造技术，是未来工业应用潜力最大的绿色再制造技术之一。具有很大的技术经济效益，广泛应用于机械

电器

航空

兵器

汽车等制造行业。利用激光表面

处理技术在一些表面性能差和价格便宜的基体金属表面合金层，用以取代昂贵的整体合金，节约贵金属和战略材料，使廉价材料获得应用，从而大幅度降低成本。还可以用来研制新材料和代用材料，制造出在性能上与传统冶金方法根本不同的表面合金，应用在太空

高温和

化学腐蚀环境条件下的机械零件上。还可推广应用于冶金、机械和船舶维修中，关键部件的尺寸修复，例如各种轧机轧辊、大型船舶的艉轴、轴承座，发电机、舵机、锚机等辅机轴，各种阀门密封面、泵轴套、柱塞、机械密封环等运动部件，这些部件往往由于关键部位磨损超差，不能使用，针对部件材质、磨损形式和使用条件，选择适当的激光表面强化技术进行修复，寿命甚至比原部件高。激光绿色再制造已呈现出具有广阔的应用和发展前景。

6 结论

（1）再制造是废旧产品高技术修复、改造的产业化。再制造的重要特征是再制造产品的质量和性能不低于新品，有些还能超过新品，成本只是新品的50%，节能60%，节材70%，对环境的不良影响显著降低。再制造是实现循环经济和节能减排的重要手段。

（2）再制造是在维修工程的基础上发展起来的，是维修发展的高级阶段；再制造也是先进制造的新形势，是一种节约资源、环境保护为特色的新兴产业。再制造与维修和制造既有联系又有明显区别，再制造具有更复杂的理论与技术要求和更优异的节能减排效果。 （3）由于产品在设计阶段被赋予的冗余寿命较大，为实施再制造提供了物质基础，为再制造提供了节能环保的空间；再制造技术可重新赋予报废零件新的寿命；废旧产品中蕴含着的高附加值可以通过再制造而保留；由于再制造能够非常灵活地吸纳、应用最新技术，使得再制造产品的性能大大提高。

（4）以表面工程技术为代表的再制造的支撑技术具有鲜明的中国特色。目前开发了纳米表面工程技术、自动化表面工程、运行中的自我修复添加剂技术等。再制造所具有的优异节能减排效果是依赖先进的再制造技术实现的。

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参考文献：［1］徐滨士，刘世参，马世宁，等。绿色再制造工程设计基础及其关键技术［J］.中国表面工程，2001.14（2）：12-15。

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