激光再制造技术在钢铁冶金行业中的应用

　　一、激光再制造技术提出的市场背景

　　再制造工程是以产品全寿命周期理论为指导的工程实践。装备的论证、设计、制造、使用、维修、回收的全部费用称作全寿命周期费用，传统上只重视装备的“前半生”，(这个周期仅占20~40%的费用)，而往往忽略了“后半生”，即使用、维修和报废阶段的费用。

　　装备的再制造工程是以装备的“后半生”为对象，以提高利用率、节约资源、环境保护、坚持可持续发展的一门工程技术。再制造技术的发展必须融入高新技术、使得陈旧部件和装备获得重新获得高品质，高附加值的产品，所以再制造业是实现跨越式发展，完全符合国家政策的一项重要技术。美国的再制造业产值达530亿美元，从业人员达48万人，他们称“再制造业是潜在的巨人”。我国政府高度重视发展再制造产业。2005年，国务院发布了关于加快发展循环经济的若干意见和做好建设节约型社会近期重点工作的通知，明确提出要积极支持废旧机电产品再制造。

　　但从整体上看，我国再制造产业发展缓慢，仍处于起步探索阶段，与发达国家相比还有很大的差距。中国再制造产业发展存在的主要问题：一是再制造作为一个新的理念还没有被人们广泛认识，各方面对发展再制造产业的重要意义缺乏足够的认识；二是再制造还没有形成产业基础，技术和管理水平还比较低；三是现行法规政策在某些方面制约了零部件再制造产业的发展。

　　钢铁冶金行业是国家的基础行业，同时属于国家的重工业，且其设备繁杂、种类多、吨位重。由于摩擦、磨损等各种原因的存在，要维持设备的正常运转，每年将消耗大量的备品备件。

　　二、激光再制造技术的可行性分析

　　（一）激光再制造技术的主要特点

　　● 激光加工是无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形；

　　● 激光加工过程中无"刀具"磨损，无"切削力"作用于工件；

　　● 激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小。因此，其热影响的区域小，工件热变形小后续加工最小；

　　● 由于激光束易于导向、聚焦、实现方向变换，极易与数控系统配合及对复杂工件进行加工，因此它是一种极为灵活的加工方法；

　　● 生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好；

　　（二）激光加工的优势

　　激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域中存在的优势：

　　①由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。 　　

　　②它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。

　　③激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。 　

　　④激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。 　

　　⑤它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。 　　

　　⑥由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合和对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。 　

　　⑦使用激光加工生产效率高、质量可靠、经济效益好。

　　三、激光再制造技术的主要种类

　　① 激光淬火与毛化

　　激光淬火技术是利用聚焦后的激光束入射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使受热表层快速冷却到马氏体相变点以下，进而实现工件的表面相变硬化。如大型轧辊表面激光熔凝淬火的最大淬硬层深度可以达到2毫米以上。　　

　　② 激光熔覆与合金化

　　激光熔覆技术是采用激光束在选定工件表面熔覆一层特殊性能的材料, 以改善工件表面性能的工艺。对于冶金行业轧辊、导位、输送辊、夹送辊、剪刃等大量易损件来说，激光熔覆与合金化技术的最大好处是将轧辊的整体合金化变成表面合金化或者熔覆，使轧辊等易损件的使用寿命大幅度提高的同时，生产成本增加有限。显然，合金粉末的设计、选择与使用正确与否是该项技术能否成功的关键。

　　③激光焊接

　　激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。其原理是将高强度的激光辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。由于其独特的优点，已成功地应用于微、小型零件的精密焊接中。如目前我国钢铁行业处于主导地位的典型冷轧工艺路线是：转炉冶炼－炉外精炼－初轧开坯－热连轧－酸洗－冷轧－退火－平整－镀锌（锡）－成产品。在此典型的冷轧工艺中，带材焊接设备必不可少。在运行过程中，先行钢带与后行钢带必需进行焊接，才能保证生产线的连续作业。硅钢板带在线运行时，需经多次“S”型弯曲变形和承受一定的运行张力，从而对焊缝的性能和质量有很高要求。

　　四、激光再制造技术在钢铁冶金行业中的应用

　　1、轧辊的修复与强化

　　冶金行业生产设备大部分是在高(交变)应力、高热应力的恶劣环境下工作，如连铸辊、校直辊、槽型辊、半钢辊、铸管模、热(冷)轧工作辊、高炉溜槽、料钟等。在这些设备中，各种轧辊无疑是其中最关键的设备零件，其消耗量大、价格昂贵、寿命长短不仅与产品成本密切相关，而且直接决定钢铁制品的质量，尤其是表面质量和板型。采用激光堆焊修复各种轧辊，其中以小型轧辊和局部修复更为擅长。性能如能新件。堆焊修复后的辊1次使用期均达到1年以上，比未堆焊的60SiMnMo锻钢辊平均使用期（3个月）提高3倍以上，在1次使用后，基材为受损伤的情况下（进行探伤检测），仍可进行再次堆焊修复。多数情况都进行3—4次修复。　　

　　激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。

　　激光毛化汽车板由于涂漆后反射映像光泽度高，在国外被称为“镜面钢板”，它是生产高级轿车面板的优质板材。因此，激光毛化冷轧薄板（带）是汽车、家电、电子和轻工业生产需求的重要原材料。如图2为中厚板轧辊激光强化工作状态图。

　　2、各种轴类零件磨损、抱瓦、裂纹的修复

　　各种轴类零件经激光堆焊处理后堆焊层无粗大的铸造组织，堆焊层及界面组织细密、晶粒细化、无孔、砂眼、夹杂、裂纹等缺陷，性能如同新件。

　　3、冶金行业中的各种高附加值的大、中、小型齿轮类零件的修复与强化

　　激光堆焊技术可使各种高附加值的大、中、小型齿轮类零件性能得到恢复。验收指标按仍原制造标准进行。

　　4、高压高速风机叶片的修复

　　叶片因其工作环境较为恶劣，叶轮叶片进风口部位易严重腐蚀与磨损，一般使用3 000~4 000 h即因叶轮叶片腐蚀与磨损失去平衡而报废。采用激光堆焊技术可以使修复层与原基材为冶金结合，硬度达到HRC55左右。服役性能如同新件。

　　5、汽车板的激光拼焊

　　拼焊板是将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材焊接成一块整体板，以满足零部件不同部位对材料不同性能的要求。激光拼焊板技术是基于成熟的激光焊接技术发展起来的现代加工工艺技术。采用激光拼焊板可以给汽车制造业带来巨大的经济效益，如车身装配中的大量点焊，把两个焊头夹在工件边缘上进行焊接，凸缘宽度需要16mm，而激光拼焊板无需搭接，点焊改为激光拼焊技术可以节省钢材，节省的用量视采用拼焊板的数量而定；用传统点焊焊接两片0.8mm的钢板冲压件，平均是20点/min，焊距是25mm，速度则为0.5m/min，这会耗费相当的时间，采用激光拼焊板替代点焊工艺后所需要的时间可以得到大量节省、焊接质量得到质的提高。目前该技术在宝钢、武钢和鞍钢均是采用引进国外技术的办法进行开发的，投资非常巨大。该装备的国产化和技术的本土化尚需要钢铁生产厂、激光制造商和高等院校与研究所通力合作，改变目前这一现状。其中全自动激光拼焊成套装备国内市场需求巨大，如今国家对激光拼焊技术装备已经投入较大资金和扶持，力争使具有自主知识产权的成套激光拼焊装备早日投放市场，为国产激光拼焊板的应用贡献自己的力量。图5为某公司冶金轧辊轴头的激光堆焊恢复尺寸的修复实验结果。

　　五、激光再制造技术的成本分析及展望

　　激光加工最大的成本在于设备的一次性投资比较昂贵，一旦设备投入之后，在不考虑设备投入成本的前提下，运行成本比较低。由于钢铁冶金设备中的轧辊、轴类零件、叶片以及齿轮等都是高附加值的零件，激光加工的费用均在原值的25%以下。而且激光加工的周期短，可以大大节约维修的时间，从而保证了及时生产，并且性能如同新件。

　　随着激光加工设备和加工技术的飞速发展以及人们再制造意识的空前提高，激光再制造技术的应用的深度和广度将越来越深入与广泛，将带来空前的效益与发展，为建设节约型经济社会作出应用的贡献。

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