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激光熔覆踐行綠色制造
激光熔覆技術是材料表面改性技術的一種重要方法,利用高能密度的激光束將具有不同成分、性能的合金與基材表面快速熔化,在基材表面形成與基材具有完全不同成分和性能的合金層的快速凝固過程。在快速熱作用下,基體受熱影響極小,無變形。熔層合金自成體系,其組織致密,晶粒細化,硬度和強韌性提高,表面性能大大改善。激光熔覆技術解決了傳統電焊、氬弧焊等熱加工過程中不可避免的熱變形、熱疲勞損傷等一系列技術難題。
相對于其他激光加工工藝來說,激光熔覆的工藝多樣性、延展性、適應性較其他工藝而言有著不可比擬的優勢,激光熔覆技術既滿足了對材料表面特定性能的要求,又節約了大量的貴重元素,非常受市場歡迎。目前激光熔覆技術經過數十年的發展,應用十分廣泛,特別是在工業應用中,如在航空航天、石油、船舶、工程機械與核電等行業中得到了廣泛應用。
激光熔覆技術是綠色再制造技術的重要支撐技術之一,符合國家可持續發展戰略的高新技術。我國科學工作者在基礎理論研究方面處在國際先進水平,為激光熔覆技術的發展做出了巨大的貢獻。但另一方面,激光熔覆技術的應用水平和規模還不能適應市場的需求。需要解決工程應用中的關鍵技術,研究開發專用的合金粉末體系,開發專用的粉末輸送裝置與技術,系統研究無損傷修復的工藝方法,建立質量保證和評價體系,加大力度,培養工程應用方面的人才,相信在制造業市場競爭日趨激烈的今天,激光熔覆技術大有可為。
在過去很長一段時間,激光再制造在全球激光學術界都受到很大關注,歐洲、美國、日本、俄羅斯等國家都有深入研究,并廣泛用于航空航天、國防軍工,以及民用產品上。
中國激光熔覆概況
在我國,激光再制造的產業應用已經有20多年的時間,技術越發成熟。如今掌握這方面技術的企業已經遍布山東、遼寧、江蘇、湖北、廣東、陜西、河北、河南等多個省市。由于激光再制造普遍用于石化、冶金、電力、鐵路、機械、汽車、航空、船舶等重工業,因此目前主要應用是以長江以北地區較多,市場份額也是北方占據較多。
較早的應用可能是從中科院金屬所、清華大學、江蘇大學等科研單位承接社會產業需求,定制化地給解決方案。后來,一批企業陸續進入激光再制造,提供激光熔覆、激光表面硬化、激光淬火、激光沖擊噴丸等工藝,為許多礦山機械、工程機械、石化等帶來了極大的便利。
目前我國從事激光再制造的民用企業大約40-50家,規模大的已經數億元,而小的則在千萬元以下。全年我國激光再制造的產值超過25億元,服務修復各個產業核心產品價值數百億元,為我國減少了許多重要行業的損失。在軍工方面的裝甲軍備、艦船等也有很多應用,目前難以統計。
超高速激光熔覆帶來行業顛覆
在激光切割、打標、焊接發展如火如荼,激光熔覆前景很好,但現實發展規模還很小。
一個方面原因,是加工效率低。傳統熔覆過程中熔覆線速度一般為600-1000mm/min,熔覆效率一般為0.15㎡/h。近年新出現的高速熔覆線速度可達20-150m/min,熔覆效率可達0.5-2㎡/h,整體加工效率為常規熔覆的3-5倍。
另一個原因是,激光熔覆以個性化單件加工為主,難以批量化。激光再制造或者說激光修復目前承接都是修理金屬部件的作用,而這些金屬部件磨損部位不同,常常都是要求單個加工,而且形狀各異,對三維修復、夾具固定的設計要求也高。這一點上,二維激光鋼板切割基本上一套設計通用。所以激光切割很容易實現批量化工作,而激光再制造很難批量化。
在2017年德國弗勞恩霍夫激光技術研究所(Fraunhofer ILT)和亞琛工業大學 (RWTH-Aachen)的研究者開發出一種超高速激光熔覆技術,德文稱之為 EHLA。這是全球最早推出的超高速熔覆技術。該項技術產業化與市場應用由德國ACunity公司(亞琛聯合科技)承擔。2018年即開始在中國推廣,第一臺銷往國內的超高速激光熔覆設備進駐中國機械科學研究總院先進制造技術研究中心(CAMTC),第一臺樣機將用來雙邊開展大量的可行性研究以及小批量生產。研究中心主任王淼輝博士一再強調:超高速激光熔覆技術的發明是增材技術發展歷程中的革命性的一步,它解決了制約傳統熔覆技術大規模推廣的最大瓶頸-效率,從而也帶來了成本的大幅度降低,未來將會極大刺激金屬3D打印技術的產業化應用,具有里程碑的意義!
2020年9月,ACunity宣布研制成功全球首臺EHLA-Grand5000超大型高速激光熔覆設備,并將于近期交付中國客戶。
超高速激光熔覆技術極大地提升了加工效率,突破了原來傳統熔覆的技術瓶頸,有利于激光熔覆未來在我國開拓更多的應用。
激光熔覆取代鍍烙
國內普通立柱是通過表面鍍烙方法,來實現表面防生銹、防腐蝕,因為鍍烙層耐磨性差,其壽命(lifetime)為1-1.5年,鍍烙層會出現起皮、脫皮的現象,從而乳化液就會腐蝕立柱表面,影響液壓支架的使用效果。
通過激光強化處理后的立柱,其基體表面硬度達到HV410。激光技術在立柱表面工程技術上的應用,是利用激光束能量高度集中、方向高度集中的特性,在大氣環境下進行無污染操作,在廉價金屬材料表面形成一層硬度高、無裂紋,且與基體呈冶金結合的高性能涂層,將金屬良好的堅韌性和涂層材料的高硬度、高化學穩定性、高耐磨性結合起來,創新了高性能涂層的生產工藝。