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解析激光再制造技术

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来源: 作者: 2018-10-26 13:32:32

解析激光再制造技术

导读:

激光再制造技术是一种全新概念的先进修复技术,它集先进的激光熔覆加工工艺技术、激光熔覆材料技术和其他多种技术于一体,不仅可以使损伤的零部件恢复外形尺寸,还可以使其使用性能达到甚至超过新品的水平,是重大工程装备修复新的发展方向。

近年来,国际上诞生了一门新兴技术再制造技术(Refabricating Technology)。与以往修复技术不同,再制造技术是一种全新概念的先进修复技术,它集先进高能束技术、先进数控和计算机技术、CAD/CAM技术、先进材料技术、光电检测控制技术为一体,不仅能使损坏的零件恢复原有或近形尺寸,而且性能达到或超过原基材水平。由此形成了一门新的光、机、电、计算机、自动化、材料综合交叉的先进制造技术。 激光再制造技术是一种全新概念的先进修复技术,它集先进的激光熔覆加工工艺技术、激光熔覆材料技术和其他多种技术于一体,不仅可以使损伤的零部件恢复外形尺寸,还可以使其使用性能达到甚至超过新品的水平,是重大工程装备修复新的发展方向。 1.激光再制造系统构成激光再制造技术的技术基础是激光熔敷。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、快速原形等技术理念,则发展成为激光再制造技术。它是以金属粉末为材料,在具有零件原型的CAD/CAM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,光束与粉末同步输送,形成1支金属笔,在修复部位逐层熔敷,最后生成与原型零件近形的三维实体。 激光器: 1~5kWCO2激光器,多模即可,或用0.4~2kWNd:YAG激光器,多模即可。 光学系统: 采用聚焦光束和宽带光束2种方法,宽带光束可使熔敷表面光滑平整,而且没有裂纹等产生。 送粉器: 采用载气式或非载气式输送2种均可。非载气式送粉,粉末利用率高达90%,载气式仅30%~40%。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关系来看,可分为一维、二维及三维修复。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:mT=2897.8mK,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400~2000℃,精度系数1%; 2.激光再制造与热喷涂冶金组织比较修复材料要与基材基本性能一致,要与基材有互熔性,实现冶金结合。修复层中不能有裂纹、气孔,且层内组织均匀,与基材结合界面强度不低于基材强度。目前激光再制造用材料与常规热喷涂技术基本一致,多为粉末型的Ni基、Fe基、Co基、WC、陶瓷等材料,可根据基材性能选用不同修复材料。 激光修复层与基体是冶金结合,层内组织均匀细致,消除了气孔、裂纹、夹渣等缺陷。而热喷涂层与基体不是冶金结合,界面为机械粘接,存在气孔。热喷涂层内有大量气孔、夹渣、组织粗大。显然激光修复后显微组织和性能优于热喷涂工艺。 对损伤比较严重的部位,必须进行多层熔敷。每层厚度0.54mm,计30层。每层间的组织与每层内组织比较,稍有些粗大,但总体来看,还是均匀的。熔敷材料为Ni45,多层熔敷区的硬度分布和成分(SDX)经检测后,也是均匀的。硬度偏差不过HV85。表明多层激光系统熔敷可以获得大面积的组织和性能均匀的修复层。 3.激光再制造技术工业应用及前景展望 激光熔敷技术诞生以来,作为一种修复技术已得到许多重要应用。如英国P.R航空发动机公司将它用于涡轮发动机叶片的修复,美国海军试验室用于修复舰船螺旋桨叶。国内对此项技术应用也在近年来取得很大进展。天津工业大学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,均收到良好的效果。 目前上述修复工作都采用一维激光熔敷方法,只能解决部分修复零件,而且仅是修复概念上的工作。事实上,在生产中还有大量的复杂贵重装备需要三维激光再制造技术,特别是不能移动的大型设备需要解决现场修复问题。可以预见,随着该项技术的发展与完善,在经济建设和国防建设中将发挥巨大作用。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。

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