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“激光 工程机械” 前景可期 2021-04-20

《激光智造大讲堂》自2020年12月22日开始于线上讲堂同工程机械方面的专家企业一起进行激光焊接、激光表面处理、激光冲击强化、激光再制造等技术知识的讲解互动,为激光和工程机械业搭建一座沟通的桥梁,并于2021年1月28日迎来收官之作,并举行了以《激光加工技术在工程机械中的应用现状和前景展望》为主题的圆桌谈论,来自激光与工程机械两个领域的专家老师返场,共同诠释激光作为一种新型高效的工具如何在工程机械领域发挥更大的能量。


董世运:工程机械近年来在我国需求量和市场保有量都很大。然而,激光加工技术的批量化工业应用必须以激光器及其成套设备系统为支撑。针对我国工程机械行业发展需求, 这些领域目前面临哪些挑战?其发展趋势如何?

王伟:从成套设备上来讲,切割的成套设备商目前已非常成熟,很容易导入工程机械领域。我主要想谈一下焊接成套设备问题,当前工程机械领域的激光焊接应用比例和场景相对有限,很多客户认为成本过高,这其中存在一定误区。激光的成套设备是光、机、电,包括工艺、材料一体化的设备,但事实上一整套合适的工程机械成套焊接设备和系统银河网站的解决方案中,激光器所占的比重并不大,但对激光器的品质要求又很高,尤其像工程机械需要长时间、连续的输出稳定性。另外,目前激光焊接在工程机械领域还未能得到大规模的应用,我个人认为存在两个核心问题。

首先是激光焊接标准问题。据我了解,工程机械领域涉及激光焊接在材料、工艺和设备等方面的标准目前还不是很健全,部分企业虽做了一些行业标准,但不具有很大的推广性。当下的感受是:工程机械行业往往由一些实验室或技改部门先试探性的摸索,产品从激光焊接的导入到最后定型投入实际生产中,需要耗费大量时间。第二个是配套问题。目前市场上有一些合格的激光设备集成商,但他们没有进入工程机械行业抑或不具备做工程机械成套配套设备的能力,仅能做其中激光焊接的工作站,但是激光焊接的工作站要围绕原来的系统做改造,而原来的系统并不是为激光焊接所准备,因而单纯引入激光焊接并未起到理想效果。打个比方,来料怎么组对,包括焊接工艺如后期的检测等都不是完全按照激光进行设计,这些因素都使激光焊接在工程机械行业的应用在一定程度上受限。

周晚君:我认为激光器及成套设备系统面临四方面挑战:首先是高功率激光器器件挑战,一个设备的集成核心终究还是光源,以清洗用激光器为例,锐科激光批量提供100w-2000w高功率脉冲清洗激光器,其中很多器件在国内都是打破国外卡脖子的关键技术,但整体关键指标离我们的目标尚有一定距离。要继续往下发展,单靠某一家是不够的,需要凝结很多国内器件厂商不断的进行技术创新和探索,制造出高标准,高技术含量的激光器件来满足器件厂家的需求,只有这样方能创造出继打标、切割后又一个激光大面积应用趋势。第二个挑战是激光装备的配套部件,如切割头,目前6000瓦以下切割头,国内普遍都已掌握并应用。但在万瓦以上,基本属于普雷茨特的市场,主要卡在镜片镀膜和散热技术等瓶颈环节。但是国产激光器龙头目前的批量工业化应用已达到30kw至40kw的功率水平,国产装配部件亟需快速崛起,以应对激光技术快速发展的趋势。

第三,我认为成套设备的集成还有个关键的无形价值——激光应用工艺。任何设备的成型与落地都离不开激光应用工艺开发,举个例子,我们在某工程机械核心部件发动机活塞(国六钢活塞)方面,与集成商客户历时1年进行工艺摸索和数据库建立。最终配合我们的集成商一举拿下国内首条全自动钢活塞清洗焊接线。同时,我们配合银河最新网址的合作伙伴,历时2年推出了复合清洗。第四点我觉得还是标准问题。目前切割、焊接和清洗领域的标准并不是太多,后期随着标准意识的持续强化和建立,激光成套设备大量应用的局面将会到来。

董世运:大概总结一下两位嘉宾的观点:激光器和成套系统根据工程机械的发展和需求,一方面要解决核心器件和部件的自主性问题,另外就是相关的标准问题。同时,还涉及设备集成与工艺匹配和配套方面的问题;最后就是关注不同的激光加工技术,各自的特点、设备与工艺的集成配套等问题。


董世运:激光加工技术不仅用于工程机械制造过程,并且还应用于工程机械关键零部件的再制造和修复延寿中。在工程机械维修和再制造中,激光加工技术面临的应用发展机遇和主要挑战是什么?

王金星:工程机械这几年的发展速度非常快,从2016年的下半年开始,一直到2020年,尽管面临疫情,依然有较大幅度的增长。当前,我们预估约有800万到900万台的工程机械二手设备保有量,由此面临的问题是:如何在维修特别是再制造环节有效应用激光技术?据了解,国外这方面相对而言做的更好些,譬如卡特彼勒、小松等企业都有相应的再制造公司。自2010年后,工信部也在主导加快推进关键部件再制造方面的工作。我个人认为,激光加工技术在工程机械关键部件上的应用,至少要遵循两方面的需求。一个是在维修和再制造环节,要具备一定的批量。工程机械产品的特点是多品种,少批量。只有具备一定的批量,才能保证相应的经济效益,如果没有批量支撑,仅是单件的话,便可能加剧激光加工技术的应用成本。第二个方面:再制造的关键零部件要有一定的附加值,如果重新加工一个通用零件,可能就无法展现理想的经济效益。

目前,技术在工程机械中的应用还是较为广泛的,尤其针对功率较大的发动机曲轴的再制造环节。另外无论是车辆还是土方机械,其传动轴和驱动轴在受力过程中会产生摩擦,配合其本身较高的附加值,以及有一定的批量,在传动的关键部件上,技术有不小的用武之地。但总体上看,工程机械的再制造还是起步阶段,该行业面临了不少挑战。真正做再制造环节的有很多,包括维修这个层面,但这些企业普通规模小,实力偏弱。因此,更需要激光技术设备的企业从设备成本和技术指导等方面加以助力。


吴旭浩:再制造包含两个核心点:一个是体量,一个是附加值。事实上,对于做产品的人而言,激光熔覆很多情况下需要一台设备背后有一支专家团队支撑,其中涉及因素众多:不同的工况,原先的材料,熔覆材料等。因而面临的挑战是:激光再制造技术很难实现标准化,技术标准化如若在某些领域或某些产品上形成一种标准化,这种再制造便将起到很大的作用。液压支柱等产品刚开始就是用于再制造加工的,现在很多新品也采用激光熔覆。因此再制造在发展过程中,倒逼新品也要在加工技术上与时俱进。当然,这和铬被禁用后,镀铬工艺受限有一定关系。刚才王金星秘书长提到的卡特彼勒等企业,他们在再制造领域已建立了一些较为成熟的标准,而这些标准恰好是目前我们行业缺失的环节。另外,激光再制造的产品应当如何被认可?这涉及质量认定和检测等问题。因为如果缺失一套严格有效的质量认定标准及工艺,则无法辨别其加工的优劣和产品的功效。

另外,再制造是综合能力的体现。目前激光熔覆和强化领域有一个趋势:相关企业均会在各地设立服务中心,譬如久恒光电也在瑞安设立了我们的激光应用工程示范中心,原则是根据当地产品的特色,提炼出相应工艺,在此基础上做一些工作,最后形成一种可复制的标准化体系。

第三方面是客户对技术的接受能力。从这几方面看激光再制造在工程机械应用方面肯定会起到一定作用,但目前普及度还是比较小。本质上再制造是一个综合系统涵盖多个层面,激光只是其中一个工艺环节。未来要扩大激光加工技术在工程机械维修和再制造中的应用,还需政府层面,例如工程机械协会等权威机构共同的努力。


董世运:就这个问题再延申一下。、激光熔覆等技术对工程机械行业今后的绿色&可持续发展方面将发挥哪些重要作用?

吴旭浩:毋庸置疑,激光熔覆,激光表面强化等技术今后在绿色发展方面的市场应用空间是巨大的。再制造领域有一种说法:从碳排放角度看,再制造一件产品,它的节能减排量是原来制造新品的五分之一。另外随着材料领域的不断发展,通过再制造加工出来的产品无论性能抑或质量上都可能不亚于原先的新品。当前,绿色发展一方面涉及再制造,另外也与所使用的装备息息相关。随着激光装备成本的持续下降,给再制造领域带来了很大的契机。以为例,淬火头生产装备的空间很大。目前激光淬火的功率10kw-12kw已足够,未来随着激光成本进一步下降,激光淬火的效率便能替代传统的高能耗热处理工艺。因此,这类激光表面强化技术的绿色发展空间绝对不容小觑。

激光淬火等表面强化技术未来在工程机械领域将迎来更广阔的发展空间

注:激光淬火等表面强化技术未来在工程机械领域将迎来更广阔的发展空间


董世运:随着我国经济发展“内循环”战略实施和工程机械质量提升需求日益迫切,在工程机械“激光智造”方面,应重点开展哪些工作?

王金星:智造当前确实在工程机械领域已全面布局。如大家熟悉的大型企业徐工、中联、三一、柳工等在智能制造方面已走在行业前列。就激光智能制造而言,由于工程机械制造涵盖多重工艺环节,包括大基建,目前最重要的两个环节尤其针对接下去的智能制造层面是激光切割和焊接(薄板焊接问题不大,但厚板的来看,传统需要堆焊工艺的这类加工,目前多少还存在一些挑战,尚未完全达到焊丝的效果)。强调这两点,旨在引出智能制造这个大课题,诚然激光技术在智能化、数字化和自动化控制等领域都具有显著优势,当前针对智能化加工的一个要求原则上是:激光切割后不需要过多其他加工步骤,这其中,数字化加工基本能一气呵成,大幅减少传统工艺手段可能出现的误差。针对焊接,其对智能制造要求较高,焊接强度、精度和控制变形等方面非常严格。激光在切割和焊接方面相较传统技术,尤其在精度控制和数字化传输方面独树一帜。智能制造的下一步要实现钢板吊装的完全自动化操作,然后激光切割设备自动按远程控制或工厂智能控制进行切割,再转移到无人化的焊接工位。

董世运:智能制造是当下制造业的热点,激光技术要不断与智能工厂建设,以及切割、焊接和清洗等具体工艺有机结合,将设备与工艺作最大化的优化和整合。


董世运:如何推进激光3d打印技术在工程机械领域的应用?

王伟:3d打印技术目前属于增材制造范畴,增材制造大致分为三类:铺粉方式的slm,、直接金属沉积成型dmd和激光熔覆及合金化。工程机械领域还是会涉及激光熔覆及合金化项目,但狭义的3d打印概念在工程机械中的应用并不多。例如,对于直接金属沉积成型技术dmd而言,可以实现部分大尺寸工件的打印,一般我的理解是采用特殊材料如钛合金制成的零部件,也是为了替代锻压等手段,但这里效率是一个问题,因为这类3d打印技术能否满足工程机械领域产品的大批量加工在效率上的要求尚为未知数。因此,针对这块我也是报着学习态度,也想了解在工程机械领域,究竟哪些产品是真正适合3d打印技术的。


周晚君:目前3d打印技术主要的使用方包括军工,科研院校及大型研究机构。以军工行业来看,特点是品种多、数量少;科研院校和机构在这块的重点则是研究3d打印在零件中的工艺应用(如减少开模程序,如何快速制造出相应产品等)。这里举一个3d打印例子,在工程机械吊车领域,有一个部件,主要链接钢丝绳滑轮和加长臂,其大量采用的是结构件焊接,由于形状复杂,焊接过程中需要采用加强筋支撑,同时这个部件又不能太重。因此,这个部件采用的是轴销固定,容易形成一个受力薄弱点,相较而言,体积不大,重量较轻,非常适合采用3d打印。

鉴于此,3d打印技术在工程机械领域制造环节主要针对异性件,体积不大,重量轻、焊接工艺复杂等受力关键部件开展工作。中国被称为工程机械大国,有着世界级巨头徐工、中联、三一等,大部分企业都有中央研究院。激光企业要采用多区域联合,多学科结合的方式和他们共同推进和发展3d打印技术在工程机械领域的未来。这块需要激光和工程机械火花的碰撞,3d打印才有希望快速发挥出重大效用。


董世运:最后,在促进激光加工技术在工程机械领域应用和成果转化方面,请王秘书长谈一下有何意见和建议?

王金星:近年来,激光技术在工程机械中的应用呈现明显的拓展势头,但重点还是聚焦切割和焊接。我认为,激光技术是紧跟时代发展脉搏并契合国家经济提倡的节能减排和可持续发展等理念的。谈及其在工程机械领域应用和成果转化方面,有几点。首先是加工效果。其次是效率。因为激光切割或焊接装备的初期投资与传统设备技术相比,还是要高出一些,因而对其效率要求很多情况下不止要高出一倍,甚至两到三倍。第三是效益。对于工程机械这类完全市场化竞争的行业,企业效益尤为关键。我个人的感受是,对于激光制造企业或科研机构来说,未来还是要先与工程机械领域的部分龙头企业深入沟通交流,这些企业往往在自身创新需求等方面的紧迫感也会更强。






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