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激光再制造技术及其应用

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发表于 2018-9-12 17:23:27 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
0.引言
改革开放以来,国外大批的高精尖设备引入我国,许多重大工程装备造价十分昂贵,一旦出现损坏,使生产线中断。特别是进口设备,缺少备件,临时引进不仅价格昂贵,而且时间紧迫,不能保证及时生产,将造成重大的经济损失。因此,开展重大装备修复,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。
常规修复技术的种类很多,每种技术有其擅长之处,也有应用的局限性,而精密可控成形再制造的修复技术已成为重要发展方向。
近年来,国际上诞生了一门新兴技术—再制造技术(RefabricatingTechnology)。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。文中介绍了激光再制造系统的组成、材料选择原则、多层熔敷后的效果及工业应用实例。
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:λmT=2897.8μm·K,其中λm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ΔHV85。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。
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