激光熔覆技術

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“十二五”扶持再制造產業:激光熔覆廠家潛力無限

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“十二五”扶持再制造產業:激光熔覆廠家潛力無限

發布日期:2017-04-15 作者: 點擊:

   近年來,國際上誕生了一門新興技術—再制造技術(Refabricating Technology)。與以往修復技術不同,再制造技術是一種全新概念的先進修復技術,它集先進高能束技術、先進數控和計算機技術、CAD/CAM技術、先進材料技術、光電檢測控制技術為一體,不僅能使損壞的零件恢復原有或近形尺寸,而且性能達到或超過原基材水平。由此形成了一門新的光、機、電、計算機、自動化、材料綜合交叉的先進制造技術。

  激光再制造技術是一種全新概念的先進修復技術,它集先進的激光熔覆加工工藝技術、激光熔覆材料技術和其他多種技術于一體,不僅可以使損傷的零部件恢復外形尺寸,還可以使其使用性能達到甚至超過新品的水平,是重大工程裝備修復新的發展方向。

  激光熔敷技術誕生以來,作為一種修復技術已得到許多重要應用。如英國P.R航空發動機公司將它用于渦輪發動機葉片的修復,美國海軍試驗室用于修復艦船螺旋槳葉。國內對此項技術應用也在近年來取得很大進展。天津工業大學已將此技術用于冶金軋輥,拉絲輥的修復,石油行業的采油泵體、主軸的修復,鐵路、石化行業大型柴油機曲軸的修復,均收到良好的效果。 目前上述修復工作都采用一維激光熔敷方法,只能解決部分修復零件,而且僅是修復概念上的工作。事實上,在生產中還有大量的復雜貴重裝備需要三維激光再制造技術,特別是不能移動的大型設備需要解決現場修復問題。可以預見,隨著該項技術的發展與完善,在經濟建設和國防建設中將發揮巨大作用。

  激光再制造技術是符合國家循環經濟和可持續發展戰略的綠色制造技術,也是國家重點支持的高新技術之一。隨著基礎研究工作的不斷深入,激光再制造技術的應用范圍也將不斷擴大。我國有幾萬億元的設備資產,每年因磨損和腐蝕而使設備停產、報廢所造成的損失都愈千億元,這為激光再制造技術帶來了廣闊的市場應用前景。

  工業和信息化部印發2011年第一批行業標準制修訂計劃(工信廳科[2011]75號),批準激光再制造八項標準立項。這八項標準為:《激光修復軋機扁頭套 技術條件》、《激光再制造高爐煤氣余壓透平發電裝置動葉片 技術條件》、《激光再制造高爐煤氣余壓透平發電裝置靜葉片 技術條件》、《激光再制造螺桿壓縮機 技術條件》、《激光再制造煙氣輪機輪盤 技術條件》、《激光再制造煙氣輪機葉片 技術條件》、《激光再制造軸流風機 技術條件》、《在線激光修復軋機牌坊 技術規范》。

  上述八項標準突出了激光再制造的技術要求和條件,對于提升再制造質量和技術水平,推動激光再制造技術的推廣應用將產生積極影響,尤其是近年來激光再制造技術在冶金軋輥、熱連軋機等關鍵部件和汽輪機等動力設備再制造上得到日益廣泛應用,標準的制訂將大力推進激光再制造產業化步伐。

  近日工程院院士徐濱士就再制造技術及其應用做了詳盡的闡述,其中激光熔覆技術在未來再制造技術中將扮演越來越重要的作用。

  再制造作為我國循環經濟與國際可持續發展的重要技術支撐之一,其重要作用和關鍵技術在未來20年后仍是重點發展領域。

  黨的十八大提出建設生態文明,再制造符合國家發展戰略。國家“十二五”發展規劃確定以科學發展為主題,以加快轉變經濟發展方式為主線。再制造產業已成為我國的戰略性新興產業,成為節能環保產業的重要組成。

  國外再制造采用的是換件修理法和尺寸修復法;而我國探索形成了“以高新技術為支撐,以恢復尺寸、提升性能的表面工程技術為依托,產學研相結合,既循環又經濟”的自主創新的再制造產業模式。

  再制造的內涵及特點

  到目前為止,發達國家經過了近百年的時間完成了狩獵文明向農業文明、農業文明向工業文明的兩次轉型,第三次轉型由工業文明向生態文明轉型,尚處于初級階段。

  1978年十一屆三中全會開始的經濟體制改革全面提高了社會主義經濟效率,創造了更多的物質財富,促進經濟增長,是我國從農業文明向工業文明轉型的里程碑。

  改革開放后高強度的工業文明建設使我國的經濟持續高速增長了35年,創造了人類經濟史上的奇跡。但西方國家早期對自然資源掠奪性開采和污染物隨意排放等導致的生態急劇退化和環境嚴重污染等一系列弊端,也在我國重現。因此,迫切需要進行第二次改革。

  第一次改革提出“不管黑貓白貓,抓到老鼠就是好貓”,第二次改革則應提出“不管黑貓白貓,污染環境就不是好貓”。

  近年來,國家提出大力發展循環經濟,并于2004年召開“全國循環經濟工作會”,再制造引起高度重視。

黨的十八大提出:將生態文明建設與經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設并列,“五位一體”地建設中國特色的社會主義。特別提出,我國資源約束趨緊、環境污染嚴重、生態系統退化,必須要把生態文明建設放在突出地位,堅持節約資源和保護環境的基本國策。

  綠色低碳的再制造將為經濟發展方式轉變提供技術支撐,是促進生態文明建設的途徑之一。

  中國自主創新再制造的重要特征

  再制造是廢舊機電產品高技術維修改造和產業化,其重要特征是:再制造后的產品質量和性能不低于新品,成本只是新品的50%,節能60%,節材70%,對環境的不良影響顯著降低。

  歐美等國的再制造多年以來是在原型產品制造工業基礎上發展起來的,主要以尺寸修理法和換件修理法為主。換件修理法是將損傷零件整體更換為新品零件;尺寸修理法是將失配的零件表面尺寸加工到可以配合的范圍,如缸套—活塞磨損失效后,通過鏜缸的方法恢復缸套的尺寸精度,再配以大尺寸的活塞完成再制造。這種模式的缺點是資源能源消耗大,舊件再制造率低。

  我國的再制造是在維修工程、表面工程基礎上發展起來的,主要采用尺寸恢復和性能提升法,可使再制造率顯著提高,資源能源消耗顯著降低,具有突出的節能減排效益。

  舉例來說,車輛行星框架是某型重載車輛轉向機構重要的薄壁零件,易于磨損失效。上世紀60年代,由于堆焊修復會變形,大修技術條件規定必須報廢。進入80年代,通過采用等離子噴涂及自熔劑合金新材料,完成了行星框架的再制造。經6輛車輛的實車考核,再制造行星框架的使用壽命達到新品的3倍,成本為新品的1/10,材料消耗為1/100。

  再制造具有巨大的效益。比如,近年來,寶鋼公司突破傳統的備件采購模式和日本的備件管理模式,采用激光技術在現場對軋輥、葉片等大型貴重機械類零部件進行再制造,提高了產品質量和可靠性,延長了產品使用壽命,減少了備件庫存,節能節材效果顯著。已創造經濟利潤1000萬元,節約采購和庫存保管經費10億元。

  另外,根據統計,2011年我國僅14家汽車再制造企業的再制造產值規模就已達25億元。

  2013年,《國務院關于印發循環經濟發展戰略及近期行動計劃的通知》中提出,到2015年末,實現年再制造發動機80萬條,變速箱、啟動機、發電機等800萬件,工程機械、礦山機械、農用機械等20萬臺套,實現再制造產值500億~800億元。

  國家政策與再制造的發展

  2005年,國務院頒發的21號、22號文件中均指出:國家將“支持廢舊機電產品再制造”,并把“綠色再制造技術”列為“國務院有關部門和地方各級人民政府要加大經費支持力度的關鍵、共性項目之一”。

  2009年1月,《中華人民共和國循環經濟促進法》正式生效。該法在第2、第40及第56條中六次闡述再制造,標志著再制造已進入國家法律。

  該法第40條指出:“國家支持企業開展機動車零部件、工程機械、機床等產品的再制造。”2010年5月,國家發改委、科技部、工信部、公安部、財政部、商務部等11個部委聯合下發《關于推進再制造產業發展的意見》,指導全國加快再制造的產業發展,并將再制造產業作為國家新的經濟增長點予以培育。

  2010年10月,國務院發布《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》,推進戰略型新興產業發展。

  戰略性新興產業是指以重大技術突破和重大發展需求為基礎,對經濟社會全局和長遠發展具有重大引領帶動作用,知識技術密集、物質資源消耗少、成長潛力大、綜合效益好的產業。

  節能環保產業被列為七大重點發展領域之一,再制造是節能環保產業的重要內容。

  2011年3月,國家發布《國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》。《綱要》明確要求,未來五年中,應“推進再制造產業發展;開發應用再制造關鍵技術,推廣循環經濟典型模式。

自主創新的再制造質量控制與關鍵技術

  再制造的對象是經過長期服役而報廢的成形零件,大多存在因磨損、腐蝕而導致的表面失效,因疲勞導致的殘余應力和內部裂紋,因震動沖擊導致的零件變形等一系列問題。再制造的壽命預測技術作為再制造質量控制體系的核心,是保證再制造產品質量的關鍵技術。

  實現再制造產品的質量控制,就是通過嚴格把關形成再制造產品的三個重要環節,來確保再制造產品性能不低于新品:(1)再制造毛坯的質量控制;(2)再制造成形過程的質量控制;(3)再制造后涂層的質量控制與檢測。

  1.再制造產品的質量控制。其中,再制造毛坯的質量控制,必須通過壽命評估預測技術來實現。再制造毛坯經歷了一輪服役周期的使用過程,服役時可能產生不同程度的損傷。再制造前,必須采用先進的無損檢測技術評價毛坯的剩余壽命,這是實現再制造產品質量控制的重要手段。

  壽命評估技術已在濟南復強動力有限公司再制造生產線上應用。采用金屬磁記憶檢測、渦流檢測、超聲檢測等綜合檢測技術,初步實現了發動機氣門桿、連桿、曲軸、發動機缸體等重要零部件損傷和壽命的檢測評估。

  2.再制造的支撐技術。需要注意的是,表面工程技術是再制造的支撐技術。在傳統表面工程技術基礎上,通過交叉融合前沿技術,相繼開發了性能更優異的復合表面工程、納米表面工程和自動化表面工程技術。

  表面工程從誕生至今,已發展了四代:(1)初露鋒芒的單一表面工程階段:如熱噴涂、電刷鍍、氣相沉積等,發揮了較好的作用。(2)威力倍增的復合表面工程階段:復合應用兩種或多種表面技術,起到“1+1>2”的協同效果。(3)功能神奇的納米表面工程階段:充分利用納米材料的特性,提升改善傳統表面工程的性能。(4)產業先鋒的自動化表面工程階段:充分適應產業化的要求,將表面工程技術從手工操作發展到自動化完成。

  3.自動化表面工程技術。再制造過程是產業化、批量化的生產加工過程。為了更好地適應再制造的產業化要求,表面工程技術必須從手工操作發展到自動化操作,開發了自動化表面工程技術,進一步提高了表面涂層的性能和再制造質量。

  其中,自動化納米顆粒復合電刷鍍技術適用于損傷超差較小、對配合度要求較高的零件的再制造。自動化高速電弧噴涂技術適用于結構形狀較簡單,磨損、腐蝕超差較大,以及對修復效率要求較高的零件的再制造。自動化微弧等離子熔覆技術適用于結構形狀較復雜,結合強度要求高的重要零件的再制造。自動化激光熔覆技術用于結構較復雜、要求冶金結合高、抗疲勞性能好的關鍵零件再制造。

  a.自動化納米顆粒復合電刷鍍技術。手工電刷鍍生產效率低、勞動強度大、質量穩定性較差。為此,研發了自動化納米電刷鍍技術。通過自主創新,針對發動機連桿、缸體等典型零件的再制造產業化問題,在國內外首次研制成功重載斯太爾發動機連桿和缸體再制造的自動化納米顆粒復合電刷鍍專機。

  專機突破了國外發動機缸體缸筒只能采用尺寸修理法和換件加襯套修復,且修復次數有限的局限,顯著延長了缸體服役壽命,再制造后的性能超過了新品。實現了節能、節材、減排的重大效益。

  b.自動化高速電弧噴涂技術。高速電弧噴涂技術是指高壓空氣通過高速噴管加速后,將短路的兩根金屬絲材熔化后的熔滴霧化,并使霧化粒子高速噴射到工件表面形成致密涂層的技術。與普通電弧噴涂技術相比,它的噴涂速度高,并具有電弧穩定性好、沉積效率高、涂層組織致密和結合強度高等特點,可以制備耐磨、防腐及生物相容性涂層。

  自主創新的自動化高速電弧噴涂技術,采用機器人或操作機的操作臂夾持噴槍,通過紅外溫度場監測和編程控制高速電弧噴槍實現各種規劃路徑,實時反饋調節噴涂工藝參數,實現自動噴涂作業的智能控制。

  自動化高速電弧噴涂技術已成功應用于發動機再制造生產線,再制造生產汽車發動機曲軸和缸體等重要零部件,提高了再制造生產質量和效率。

  c.自動化微束等離子弧熔覆技術。自動化微束等離子弧熔覆技術則是以微束等離子弧為熱源,對由變位機夾持的零部件表面進行熔覆,實現零部件修復或再制造的表面技術。

  自動化微束等離子弧熔覆系統由微束等離子電源、操作機、變位機、送粉系統及供氣系統組成。

  利用該技術對斯太爾發動機廢舊排氣門密封錐面進行了再制造。再制造后氣門變形量小,表面硬度恢復到新品數值,力學性能滿足要求。每只新品排氣門價值70元,而再制造一個廢舊排氣門的成本約為10元。

  d.自動化激光熔覆技術。自動化激光熔覆技術是指采用工業機器人或操作機在規定的程序控制下自動完成零件損傷部位的修復和再制造的表面技術。

  自動化激光熔覆技術在對損傷零件進行修復和再制造時,具有可自由選區修復、零件基體變形小、修復部位和基體為冶金結合、修復部位力學性能好、后加工余量小等諸多優點。

  利用自動化激光熔覆技術完成了磨損失效嚴重的齒輪和凸輪軸等零件的再制造,解決了再制造過程中熔覆層開裂、基體局部過熱、熔覆尺寸精度保證和性能提升等難題。

再制造產業發展的前沿問題

  展望未來,中國的再制造應從四個方面予以重點突破,即研究再制造質量控制的科學基礎,創新再制造成形加工的關鍵技術,制定再制造的行業標準,探索加強國內外再制造技術的交叉融合。

  (1)研究再制造質量控制的科學基礎。壽命評估是再制造質量控制的核心研究內容,建立準確的再制造壽命預測模型,需要深入研究探索以產品全壽命周期理論、廢舊零件和再制造零件的壽命評估預測理論等為代表的再制造基礎理論,以揭示產品壽命演變規律的科學本質。

  (2)創新再制造先進成形加工的關鍵技術。需要不斷創新研發用于再制造的先進表面工程技術群,使再制造零件表面涂層的強度更高、壽命更長,確保再制造產品的質量不低于和超過新品。現已開發成功納米表面工程技術和自動化表面工程技術,除對它們進一步完善外,還需研發生物表面工程技術等新的方向。

  (3)制定再制造的行業標準。我國再制造因起步較晚,再制造企業的技術積累少,再制造標準缺乏,在一定程度上阻礙了再制造的廣泛應用。應盡早建立系統、完善的再制造工藝技術標準、質量檢測標準等體現再制造走向規范化的標準體系。

  (4)加強國內外再制造的交叉融合。借鑒國外再制造產業發展模式,加快推進國內再制造產業發展;借鑒國外再制造逆向物流與信息化管理手段,完善國內再制造流通管理;發展中國自主創新的表面工程與修復技術,加強再制造工藝手段的應用;探索加強中國自主創新的再制造質量控制方法與標準交叉融合。

  2011年,中國機械工程學會組織30余名院士、100余位專家編寫出版了面向未來20年的《中國機械工程技術路線圖》,指出2030年我國機械制造技術主要方向為“綠色、智能、超常、融合、服務”。

  可以想見,再制造作為我國循環經濟與國際可持續發展的重要技術支撐之一,其重要作用和關鍵技術在未來20年后仍是重點發展領域。

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