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超高速激光熔覆在中国的发展前景
关键词:激光熔覆
2020-10-14

践行绿色制造

技术是材料表面改性技术的一种重要方法,利用高能密度的激光束将具有不同成分、性能的合金与基材表面快速熔化,在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程。在快速热作用下,基体受热影响极小,无变形。熔层合金自成体系,其组织致密,晶粒细化,硬度和强韧性提高,表面性能大大改善。激光熔覆技术解决了传统电焊、氩弧焊等热加工过程中不可避免的热变形、热疲劳损伤等一系列技术难题。

相对于其他激光加工工艺来说,激光熔覆的工艺多样性、延展性、适应性较其他工艺而言有着不可比拟的优势,激光熔覆技术既满足了对材料表面特定性能的要求,又节约了大量的贵重元素,非常受市场欢迎。目前激光熔覆技术经过数十年的发展,应用十分广泛,特别是在工业应用中,如在航空航天、石油、船舶、工程机械与核电等行业中得到了广泛应用。

激光熔覆技术是绿色再制造技术的重要支撑技术之一,符合国家可持续发展战略的高新技术。我国科学工作者在基础理论研究方面处在国际先进水平,为激光熔覆技术的发展做出了巨大的贡献。但另一方面,激光熔覆技术的应用水平和规模还不能适应市场的需求。需要解决工程应用中的关键技术,研究开发专用的合金粉末体系,开发专用的粉末输送装置与技术,系统研究无损伤修复的工艺方法,建立质量保证和评价体系,加大力度,培养工程应用方面的人才,相信在制造业市场竞争日趋激烈的今天,激光熔覆技术大有可为。

在过去很长一段时间,激光再制造在全球激光学术界都受到很大关注,欧洲、美国、日本、俄罗斯等国家都有深入研究,并广泛用于航空航天、国防军工,以及民用产品上。



中国激光熔覆概况

在我国,激光再制造的产业应用已经有20多年的时间,技术越发成熟。如今掌握这方面技术的企业已经遍布山东、辽宁、江苏、湖北、广东、陕西、河北、河南等多个省市。由于激光再制造普遍用于石化、冶金、电力、铁路、机械、汽车、航空、船舶等重工业,因此目前主要应用是以长江以北地区较多,市场份额也是北方占据较多。

较早的应用可能是从中科院金属所、清华大学、江苏大学等科研单位承接社会产业需求,定制化地给银河网站的解决方案。后来,一批企业陆续进入激光再制造,提供激光熔覆、激光表面硬化、、激光冲击喷丸等工艺,为许多矿山机械、工程机械、石化等带来了极大的便利。

目前我国从事激光再制造的民用企业大约40-50家,规模大的已经数亿元,而小的则在千万元以下。全年我国激光再制造的产值超过25亿元,服务修复各个产业核心产品价值数百亿元,为我国减少了许多重要行业的损失。在军工方面的装甲军备、舰船等也有很多应用,目前难以统计。


超高速激光熔覆带来行业颠覆

在激光切割、打标、焊接发展如火如荼,激光熔覆前景很好,但现实发展规模还很小。

一个方面原因,是加工效率低。传统熔覆过程中熔覆线速度一般为600-1000mm/min,熔覆效率一般为0.15㎡/h。近年新出现的高速熔覆线速度可达20-150m/min,熔覆效率可达0.5-2㎡/h,整体加工效率为常规熔覆的3-5倍。

另一个原因是,激光熔覆以个性化单件加工为主,难以批量化。激光再制造或者说目前承接都是修理金属部件的作用,而这些金属部件磨损部位不同,常常都是要求单个加工,而且形状各异,对三维修复、夹具固定的设计要求也高。这一点上,二维激光钢板切割基本上一套设计通用。所以激光切割很容易实现批量化工作,而很难批量化。

在2017年德国弗劳恩霍夫激光技术研究所(fraunhofer ilt)和亚琛工业大学 (rwth-aachen)的研究者开发出一种超高速激光熔覆技术,德文称之为 ehla。这是全球最早推出的超高速熔覆技术。该项技术产业化与市场应用由德国acunity公司(亚琛联合科技)承担。2018年即开始在中国推广,第一台销往国内的超高速激光熔覆设备进驻中国机械科学研究总院先进制造技术研究中心(camtc),第一台样机将用来双边开展大量的可行性研究以及小批量生产。研究中心主任王淼辉博士一再强调:超高速激光熔覆技术的发明是增材技术发展历程中的革命性的一步,它解决了制约传统熔覆技术大规模推广的最大瓶颈-效率,从而也带来了成本的大幅度降低,未来将会极大刺激金属3d打印技术的产业化应用,具有里程碑的意义!

2020年9月,acunity宣布研制成功全球首台ehla-grand5000超大型高速激光熔覆设备,并将于近期交付中国客户。

超高速激光熔覆技术极大地提升了加工效率,突破了原来传统熔覆的技术瓶颈,有利于激光熔覆未来在我国开拓更多的应用。


激光熔覆取代镀烙

国内普通立柱是通过表面镀烙方法,来实现表面防生锈、防腐蚀,因为镀烙层耐磨性差,其寿命(lifetime)为1-1.5年,镀烙层会出现起皮、脱皮的现象,从而乳化液就会腐蚀立柱表面,影响液压支架的使用效果。       

通过激光强化处理后的立柱,其基体表面硬度达到hv410。激光技术在立柱表面工程技术上的应用,是利用激光束能量高度集中、方向高度集中的特性,在大气环境下进行无污染操作,在廉价金属材料表面形成一层硬度高、无裂纹,且与基体呈冶金结合的高性能涂层,将金属良好的坚韧性和涂层材料的高硬度、高化学稳定性、高耐磨性结合起来,创新了高性能涂层的生产工艺。





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