激光再制造综述
摘 要：激光再制造技术是重大机械装备修复和性能提升的重要发展方向之一。本文介绍激光再制造国内外现状及其技术体系的组成特点，并列举激光再制造机械设备的典型案例，指出在我国发展激光再制造技术的广阔市场前景。
关键词：激光再制造；激光熔覆；修复
1、引言
由于当前资源、能源日趋紧张、生态环境压力不断增加，大力发展工程机械再制造产业，不仅可以有效降低资源能源消耗、减少废弃物排放，有利于转变传统 “开采－冶炼－制造－废弃”的线性增长模式，发展成“资源－产品－废弃物－再生资源”的循环经济模式，也是贯彻《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》明确指出的“绿色制造” 的具体体现。
再制造主要体现在两个方面：汽车零部件再制造和工程机械再制造。
2、激光再制造国内外发展现状
再制造以废旧产品的零部件为毛坯，主要以先进的表面工程技术为修复手段（即在损伤的零件表面制备一薄层耐磨、耐蚀、抗疲劳的表面涂层），因此无论是毛坯来源还是再制造过程，对能源和资源的需求、对废物废气的排放都是极少的，具有很高的绿色度。再制造具有如下重要特征：再制造产品的质量和性能达到或超过原型新品，成本不超过原型新品的50％，节能60％、节材70％，对环境的不良影响显著降低，有力促进了资源节约型、环境友好型社会的建设。上述特征可概括为：“两型社会、五六七”。
20世纪90年代，美国从产业角度建立了3R体系（Reuse再利用、Recycle再循环、Remanufacture再制造）；日本从环境保护的角度也建立了3R体系（Reduce减量化、Reuse再利用、Recycle再循环）。中国在总结世界各国经验的基础上，创造性地提出具有中国特色的4R体系（Reduce减量化、Reuse再利用、Recycle再循环、Remanufacture再制造）。
2.1国外发展现状
美国再制造产业规模是全球最大的，达750亿美元，其中汽车和工程机械等领域占三分之二以上，约500亿美元。美国再制造产品的范围覆盖汽车零部件、机床、工程机械、铁路装备、医疗设备及电子类产品。
美国再制造运作模式：
1. 独立的再制造公司。
2. 原制造商投资或授权生产的再制造企业。如GE、Caterpillar
3. 小型再制造工厂。例如美国NAPA（纳帕）公司
美国大型再制造协会：
APRA（automotive parts remanufacturers association) 汽车零部件再制造协会
AERA（automotive engine rebuilders association) 汽车发动机修复协会
TRI（the remanufacturing institute) 国际再制造工业协会
PERA（productiong engine remanufactures association) 汽车发动机再制造协会
主要企业及其布局：
1、美国汽车研究理事会（USCAR）的支持下，通用、福特、戴·克公司与美国能源部、阿贡国家实验室签定一项为期5年协议，内容为在最大程度上节约成本，对报废汽车进行回收。
2、通用汽车公司的土星部与田纳西大学合作，开发一个汽车再制造软件。
3、Lucas和Jasper公司是美国专门从事汽车再制造工程最大的公司。
4、美驰公司计划将其加拿大米西索加再制造工厂的生产业务转移至美国，并准备投资140万美元对其印第安纳州平原镇工厂进行升级。
5、工程机械巨头卡特彼勒在全国有9家再制造工厂，雇员2500多人，是全球最大的工程机械再制造商之一。
在欧洲，德国、英国、法国的再制造业发展最为成熟，其主要特点是再制造行业的发展基本上是在制造企业和零部件生产企业的控制下发展。如Volvo、德国大众、法国雪铁龙等。
主要企业及其布局：
1、英国Lister-Petter再制造公司，他们每年为英、美军方再制造3000多台废旧发动机。
2、欧洲也通过了支持再制造的相关法律法规，并且正在德国建设欧洲再制造技术中心。
3、法国的标致·雪铁龙公司联合法国废钢铁公司和维卡水泥公司，在里昴附近建立一个汽车再生工厂，雷诺公司同法国废钢铁公司在阿蒂蒙建立了汽车报废回收中心。
日本加强了对工程机械的再制造，至2008年，再制造的工程机械中，58%由日本国内用户使用，34%出口到国外，其余的8%拆解后作为配件出售。至2004年，德国大众汽车公司已再制造汽车发动机748万台，变速器240万台，公司销售的再制造发动机及其配件和新机的比例达到9:1。
主要企业布局：
1、小松、日立建机等工程机械厂商，纷纷开设专业的工程机械再制造厂，或与其它的专业再生厂、再生件经销商建立联营网络，开展工程机械再制造经营。
2、日本JRC株式会社是日本最大的汽车零部件再制造企业，在东京和大阪地区有数家分支机构。
2.2国内现状
与西方发达的汽车零部件再制造工业相比，中国的再制造产业则刚刚兴起，尚处于萌芽期。但可以肯定的讲，中国的再制造有着非常巨大的发展前景。
截至2010年底，汽车保有量虽已超过8500万辆左右，未来几年中国汽车工业的发展还将保持稳健的发展。若保守地按年增长率10%计算，到2016年国内民用汽车保有量将超过2亿辆，2020年后，预计可达到峰值约3.5亿到4亿辆的规模。
截至2007年底，我国工程机械行业共有生产企业及科研单位2000多家；固定资产净值达到270亿元；年销售收入超过2200亿元。
由此，若按发达国家汽车保有量与再制造业的发展和比例来算，中国的再制造市场规模和前景将非常广阔。
2001年5月，总装备部批准立项建设我国首家再制造领域的国家级重点实验室——装备再制造技术国防科技重点实验室。2005年11月，国家发改委等６部委联合颁布了“关于组织开展循环经济试点（第一批）工作的通知”，再制造被列为四个重点领域之一。2009年6月，工信部又批准8个行业35家再制造试点企业。同时，相继出台《汽车零部件再制造试点管理办法》、《再制造产品认定实施指南》、《再制造产品认定治理暂行方法》等。2011年，全国人大审议通过的“十二五”规划纲要明确把“再制造产业化”作为循环经济的重点工程之一。
主要产业园区：
1、湖南浏阳制造产业基地德国博世集团正式签约，制造产业基地计划在“十二五”期间，打造一个12平方公里的再制造聚集区，通过建设再制造仓储物流中心、拆解清洗中心等十大核心公共平台，全面打造全国示范性再制造产业基地。
2、上海临港产业区建设国家机电产品再制造产业示范园。上海在“十二五规划”期间，将继续推进再制造产业化发展，2015年实现全市再制造产值50亿元。
3、《张家港市新兴产业培育的实施意见》在张家港保税港区设立汽车零部件再制造产业园，规划总面积约3.15平方公里，立足张家港，辐射华东地区，于2010年10月份开工建设总投资10亿元、占地280亩的汽车零部件产业园项目并建立院士工作站。
4、武汉工程机械再制造产业基地在东西湖区新沟镇街挂牌成立。该基地位于东西湖区新沟镇循环经济工业园内、107国道两侧,规划总占地面积6000亩。目前,基地有千里马、泰天、湘楚天下、华诚等4家再制造企业开工运行。
5、浙江龙游中北实业有限公司、杭州博华激光科技有限公司和浙江龙游恒盛热力有限公司负责人在龙游工业园区签订了《再制造项目投资合作协议书》，打造具有一定辐射能力的激光再制造中心。
主要企业：
2003年，南京小松机械更新制造有限公司成立，对收购的二手车进行整修，翻新制造出小松厂家认定的二手工程机械，再进行二手销售。2004年，卡特彼勒全球最大的代理威斯特在天津成立威斯特机械设备有限公司，从事卡特彼勒机械设备及零配件的翻新、维修及销售等项目。2008年，潍柴再制造有限公司成立，潍柴主要对七大类机型和产品进行再制造。东风康明斯与美国康明斯就签订了再制造项目合作协议书，成立再制造基地等等。
3、激光再制造技术研究
3.1激光再制造技术体系
激光再制造技术是装备制造技术、材料科学技术、激光加工工艺技术等多种技术相结合而形成的有效的科学技术体系。具体构成见图1。
图1 激光再制造技术体系构
激光再制造技术的核心技术是激光熔覆技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在材料表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，以改善工件表面性能。激光熔覆技术是一种新的表面改性技术，与传统的喷焊或堆焊工艺相比，激光熔覆技术具有如下优点[4]。
1、激光束的能量密度高，只要注入较少的能量就可以完成激光熔覆。零件热影响区小，变形小。
2、激光熔覆层稀释率低，且可以精确控制，熔覆层的成分与性能主要取决于熔覆材料的成分。
3、 激光熔覆层组织致密，微观缺陷少，熔覆层与基材为冶金结合，强度高。
4、激光熔覆层的尺寸大小和位置可以精确控制，设计专门的导光系统，可对深孔、内孔、凹槽、盲孔等部位进行激光处理。
激光熔覆用的激光器一般为1～10kWCO2激光器，或0.5～2kWNd：YAG激光器。
激光熔覆工艺包括：激光熔覆功率大小、光斑大小、扫描速度和搭接量等。在具体操作过程中，根据激光熔覆基材、激光熔覆合金粉末材料和激光熔覆零件的不同，应选择适当的激光熔覆工艺参数。具体工艺流程，如图2所示。
图2 机械设备激光再制造主要工艺流程图
3.2激光再制造工艺设计
3.2.1光束模式
激光光束模式对激光再制造装备及零部件熔覆层的外观和内在质量有明显的影响。它可分为基模、低阶模和多阶模, 如图3所示。
图3 不同的激光光束模式
激光熔覆的内在质量主要体现在熔覆层内合金成分的均匀性,它在光束能量分布均匀的前提下容易得到保证。实验证明：如果需要的激光能量密度不是很高,最好使用矩形光斑和宽带送粉的方式,可以获得均匀的光束能量；如果要求很高的激光能量密度,则需要采用多阶模圆形光斑,这时就要考虑选择合适的搭接率来弥补光束能量的不均匀对成型质量的影响；如果采用固体Nd: YAG 激光器,因为其光波波长仅为CO2 激光器的1/ 10,在加工金属材料时对光束的吸收率较高,所以可以采用较低的激光功率。
3.2.2 送粉方式
激光再制造的送粉工艺可分成两类: 一类是激光加工前添加熔覆材料即粉末预置法; 另一类是在激光再制造过程中逐步添加熔覆材料即同步送粉法。预置粉末最好采用微细粉末, 特别是纳米级粉末, 粉末粒度太大容易造成气孔等缺陷。同步送粉法是在激光照射基体的同时进行同轴或侧向送粉。
分别就直接粉末铺粉、侧向送粉和同轴送粉对激光熔覆层的影响进行对比实验。结果如图4所示。
图4 不同送粉方式下激光熔覆合金粉末试验
试验表明:同轴送粉方式激光熔覆样件的表面质量最好,且后处理相对容易。侧向送粉因为激光束与粉末束不同轴,激光熔覆开始时的粉末利用率较低, 随着基材温度的升高以及粉末的不断堆积。
3.2.3 预热处理
预热处理是指将基材整体或表面加热到一定温度, 然后在热的基材上进行激光熔覆的一种处理工艺, 其作用就是防止基材的热影响区发生马氏体相变, 从而导致的熔覆层裂纹的产生。
图5为没有预热情况下, 采用工艺参数为激光功率P=4KW、扫描速度Vs= 5mm/s、送粉速度V=9g/min、搭接率为50%、光斑直径D=2.4mm 时, 制备的样件截面照片和结合面显微组织照片；图6为预热到480e时, 采用工艺参数为激光功率P=1.8KW、扫描速度Vs=4mm/s、送粉速度Vp=9g/min、搭接率为46%、光斑直径D=3mm时, 制备的样件截面照片和结合面显微组织照片。
对比两图可以看出, 预热后同一粉末的熔覆性能得到很大的提高。不仅生成熔覆层的功率密度得到较大幅度降低, 而且熔覆层与基材冶金结合较好, 结合处没有砂眼和裂纹的产生, 熔覆层内部也没有明显的缺陷。所以在实际激光再制造过程中, 最好采取一定的预热措施, 以得到质量和性能更好的熔覆层。
图5 未预热时XS- 130 镍基合金粉末熔覆铜基材截面形貌
图6 预热到480 e 时XS- 130 镍基合金粉末熔覆铜基材截面形貌
3.2.4 熔覆工艺设计
在实际激光再制造过程中,由于熔覆基材热导率和对激光反射率的不同,采用的激光熔覆工艺也不同。对于热导率和激光反射率较高的基材,最好首先在经过预处理的基材表面预置一层与基材冶金结合性良好的金属粉末,然后进行预热处理和激光重熔,再通过自动送粉的方式或预置铺粉和自动熔覆相结合的方式进行激光加工,最后进行后处理加工,如图7所示。
图7 高热导率或者高反射率基材激光熔覆工艺流程
对于一般热导率较差且反射率较低的基材, 可以首先在经过预处理的基材表面, 预置一层能与基材冶金结合性良好的金属粉末, 然后进行激光重熔, 再通过自动送粉的方式进行激光熔覆加工; 最后对成型件进行后处理加工, 如图8所示。
图8 低热导率或者低反射率基材激光熔覆工艺流程
3.2.5 后处理
激光熔覆的后处理包含缓冷处理和机械加工处理。激光熔覆后的缓冷是一种保温处理,可以用于减少或消除熔覆层的残余应力,减少或消除熔覆层产生有害的热影响。机械加工处理主要根据加工件熔覆层的材料,选择合适的加工方式。
4 再制造的应用行业
1、烟气轮机是石化行业催化裂化装置中重要的能量回收设备，烟气轮机转子轴径及推力盘、动叶片及静叶环、轮盘、气封面和导流锥体都可实施激光再制造[9]。
2、采用激光再制造技术对汽轮机的一些关键零部件，如主轴轴径（现场可移动式激光再制造）、动叶片、汽封齿、推力盘、喷嘴、隔板、围带、缸体等进行性能恢复和提升，可节约大量资金和原材料。
3、钢铁生产过程中，热轧机械设备的工况十分恶劣。特别是轧机工作过程中，轧辊通过轴承座对机架牌坊的冲击大，轧制冷却水遇到红灼的钢坯迅速雾化，夹带着从钢坯表面脱落的氧化铁粉末向四周喷射。可采用激光再制造对轧机牌坊表面的防腐耐磨处理。
5、总结
激光再制造技术是符合国家循环经济和可持续发展战略的绿色制造技术，也是国家重点支持的高新技术之一。随着基础研究工作的不断深入，激光再制造技术的应用范围也将不断扩大。我国有几万亿元的设备资产，每年因磨损和腐蚀而使设备停产、报废所造成的损失都愈千亿元，这为激光再制造技术带来了广阔的市场应用前景。
但我国目前还处于再制造发展初期阶段，也相应存在如下很多问题：
1、还没有建立一个较为独立健全的法规制度；
2、旧件回收困难；
3、国内再制造企业整体技术水平参差不齐；
4、如何提高汽车零部件再制造产品的市场认知度也是个关键的问题。
参考文献
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[2] 王致坚,孙少妮,邢飞. 激光再制造技术熔覆工艺设计[J]. 激光杂志. 2011(06)
[3] 王致坚,翟海波,刘宇,孙少妮. 激光再制造工艺参数的研究[J]. 激光杂志. 2010(05)
[4] 王致坚,翟海波,刘宇,孙少妮. 激光再制造技术及其应用[J]. 激光杂志. 2010(05)
[5] 刘喜明. 镍基合金+WC激光熔覆层的显微组织形成机理及控制[J]. 应用激光. 2006(05)
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[9] Sean Krieger.Laser C ladd ing for the U S.Navy ReptechProgram. NavyM anufacturing and Industrial ProgramReport,Spring . 2001
