1  綠色激光再制造技術的發展背景

    隨著我國裝備制造業突飛猛進的發展，由于磨損、腐蝕或某些突發性機械損傷造成貴重裝備停機待修的情況頻繁發生，給企業生產和國防安全造成重大的損失。

    綠色再制造工程概念誕生較晚，是一項成長中的技術，學科體系尚待建立。國際上綠色再制造工程的概念提出已有二十幾年的歷史。美國、歐洲和日本等發達國家已開展許多重要應用，根據它們的國情，應用重點放在電子產品、家用電器、汽車等領域。

    而我國目前處于發展中階段，國民經濟行業廣泛、產品裝備眾多，有極大的市場需求。我國再制造技術雖然起步較晚，但是發展迅猛，受到國家高度重視，從國家層面連續發布了一系列政策文件：

     2003年，國家科技部發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》中，再制造列為制造領域的優先發展主題和關鍵技術之一。

     2005年，國務院發文《關于加快發展循環經濟的若干意見》明確提出發展再制造。 經國務院批準，國家第一批循環經濟試點將再制造作為重點領域，發動機再制造企業濟南復強動力有限公司被列為再制造重點領域的試點單位。

     2008年，中國頒布《循環經濟促進法》，將再制造納入法律范疇進行規范。2009年重點抓汽車再制造，形成23萬臺套的再制造能力。

     2010年，國家發改委聯合11部委發文—發改環資[2010]991號《關于推進再制造產業發展的意見》。提出了一系列政策，成為我國再制造技術發展的綱領性文件。為了落實發改環資[2010]991號文件，推動再制造技術的發展，2010-2011年國家發改委和工信部連續召開一系列政策發布會、技術研討會、產業推廣會。

     2  激光再制造技術

     2.1 傳統再制造技術

     傳統的再制造技術主要來源于傳統的表面工程技術和修復技術，包括火焰、等離子、超聲噴涂技術；火焰、等離子噴焊技術；刷鍍、冷鍍鐵鍍層技術；火焰、電弧堆焊技術；微弧焊接技術等。這些技術具有設備成本低、修復成本低、移動較為靈活等特點，已在國民經濟各個部門獲得生產應用，也是目前大量使用的修復方法。但是，傳統的再制造技術也存在一些缺點：修復過程中伴隨強烈的沙塵、氣體、噪音、環境污染，不是綠色再制造；修復層與基體界面屬于機械結合，結合力不強，修復層容易剝落；修復層厚度較??；修復能源熱注入大，基體材料容易產生變形和稀釋，使材料性能降低；基本屬于人工手工操作，自動化程度低，修復精度低不可控，限制了它的應用范圍。

     2.2 激光再制造技術

     近年來，國際上誕生了一門新興技術——激光再制造技術(Laser Refabricating Technology)。與傳統修復技術不同，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。激光再制造技術的技術基礎是激光熔覆。激光熔覆原本是一種表面強化技術，它不涉及零件精確成形問題。以激光熔覆為修復技術平臺，加上現代先進制造、快速原形等技術理念，則發展成為激光再制造技術。它是以金屬粉末為材料，在具有零件原型的CAD/CAM軟件支持下，CNC(計算機數控)控制激光頭、送粉嘴和機床按指定空間軌跡運動，光束與粉末同步輸送，形成1支金屬筆，在修復部位逐層熔覆，最后生成與原型零件近形的三維實體。如圖1所示。

       圖2是激光再制造技術與傳統再制造技術材料基體界面和熔覆層金相組織對比。可以看出，火焰噴涂內存在氣孔缺陷，界面屬于機械結合。激光熔覆層存在一條白亮界面，屬于冶金結合。等離子噴焊層組織粗大，高硬度的大塊的碳化物易是涂層產生脆性。激光熔覆層組織細小，高硬度的大塊的碳化物已被激光熔凝成細小的碳化物，均勻分布在涂層基底上，從而使激光熔覆層不僅具有高硬度高耐磨性，而且具有很高的韌性。

     2.3 激光再制造技術發展歷史和現狀

     如上所述，激光再制造技術源于激光熔覆技術。激光熔覆技術誕生于20世紀80年代，原本是一種材料學科與工程學科中的一項表面強化技術，主要目的是要在低廉的基體材料上面用高功率激光熔覆一層高性能材料，制備具有優異的耐磨性、耐腐蝕性、抗高溫性、高減摩性涂層，代替昂貴的整體塊狀材料。

     經過十余年的開發，激光熔覆技術逐漸成熟，自動送粉技術代替了早期的預置粉工藝，側向和同軸送粉裝備相繼開發成功，并與激光器及激光加工機床實現聯動，大大提高了自動化水平。

     進入20世紀90年代，隨著先進制造技術的發展，快速原型制造、敏捷制造、綠色制造等概念相繼提出，激光熔覆技術與時俱進，產生了巨大的質變，由材料工程學科交叉進入機械工程學科，演變成一種新型的先進制造技術，形成了兩個代表性的研究方向：激光直接制造技術和激光再制造技術。20/21世紀之交，國內外激光界同仁曾經懷著十分激動的心情矚目于激光直接制造技術，期望它能成為一種新型的快速原型制造和敏捷制造手段。美國、英國、加拿大等先進國家投入大量的人力物力進行研究開發；國內北京航空航天大學王華明、西北工業大學黃衛東、清華大學鐘敏霖、北京有色研究院石力開等研究團隊也相繼開展研究。經過十余年的發展，該項技術已在航空航天等關鍵軍品件上獲得應用，但是由于制造成本高，很難在民用產品上廣泛推廣使用。

     中國政府對激光再制造技術十分重視，在國際上起步早，有案可查的最早工作是國家科委主持的1991-1995年國家“八•五”科技攻關項目—冶金軋輥大面積激光修復。上海光機所王潤文、查洪奎、蘇寶榮，天津工業大學楊洗陳，重慶大學鄒至榮，吉林機電研究院房為捷等專家聯合攻關，在國內外首次成功地制造出激光大面積涂覆的軋輥，向世界展示出激光修復工業應用的巨大前景。20/21世紀之交，天津工業大學楊洗陳研究團隊進一步提出激光再制造技術理念。圖3是天津工業大學研發的激光大面積熔覆系統單道涂覆照片。#p#分頁標題#e#

     經過十余年的發展，中國的激光再制造無論從技術、裝備和工業應用等方面都獲得突飛猛進的進步。國家發改委、科技部、工信部及許多省市發改委、科委等政府部門都對激光再制造方向給以資助進行研究、開發和產業化。政府、大學、科研院所和企業的官產學研蓬勃發展，結合有力，效果顯著。國產的1~10 kW CO2激光和1 kW YAG激光再制造專用設備、激光再制造專用送粉器和同軸送粉工作頭、激光再制造各類專用材料等相繼開發出來，全部實現國產化，替代進口產品，滿足了國內市場需求，部分產品實現了出口，為國家節匯創匯。激光再制造成為我國激光加工行業第一個實現全部國產化的產業方向，也是中國激光制造產業界值得驕傲的亮點。目前，全國從事激光再制造研發的單位主要有：天津工業大學楊洗陳團隊、清華大學劉文今團隊、沈陽金屬和腐蝕所王茂才團隊、浙江工業大學姚建華團隊、華南師范大學張慶茂團隊、貴州大學劉喜斌團隊和湖南大學劉繼長團隊等；從事激光再制造裝備制造企業主要有：武漢團結激光公司、武漢大族金石凱公司、沈陽大陸公司、廣州富通公司等；從事激光再制造產業應用的企業超過100余家，主要企業有：沈陽大陸激光公司、包頭金杜激光再制造公司、河南安陽睿智激光公司、天津大族燁嶠激光公司、山東建能激光公司等，服務的產業遍及鋼鐵冶金、石油化工、能源電力、汽車鐵路交通、海洋平臺、工程機械、航天航空、武器裝備等部門。

     3  激光再制造技術典型工業應用

     3.1 能源電力行業

    汽輪機是火力發電的核心設備，由于高溫高熱特殊的工作條件，每年都需定期對損傷的機組零部件進行修復，如主軸軸徑、動葉片等，如圖4所示。燃氣輪機由于其在高達1300℃的高溫條件下工作，經常會發生損傷。采用激光再制造技術將其缺陷全部修復完好，恢復其使用性能，費用僅為新機組價格的1/10。

    3.2 鋼鐵冶金行業

    在鋼鐵企業中，熱軋機械工況十分惡劣，軋輥表面、軋機機架等均會出現腐蝕磨損，采用激光再制造技術進行修復已在許多鋼鐵企業獲得批量應用：山東濟鋼、河南安鋼、云南昆鋼、內蒙包鋼、上海寶鋼等。圖5是激光修復軋輥現場照片。

     3.3 海洋石油行業

     在海洋平臺采油作業中，面對海水腐蝕、泥沙、高壓高速運轉等惡劣環境，大量的采油輸油設備出現損傷，影響采油輸油的連續作業，造成很大的經濟損失。

     3.4 鐵路交通行業

     在鐵路交通運輸中，柴油機大型曲軸由于磨損必須當定期修復。但是曲軸長達10 m，修復精度要求高，不能產生變形，激光再制造技術是最佳的選擇，如圖6所示。

    3.5 航空航天行業

    無論民用飛機或是軍用飛機，為了保證飛行安全發動機必須定期維修。國內外早已建立了若干個航空發動機再制造企業，可以說它是在所有再制造行業中要求最高、管理最為科學先進的、具有大批量生產的企業。整體葉盤、葉片、葉輪及其他航空發動機部件存在各種形式的損傷，都要經過嚴格維修和檢驗，如圖7所示。

    近年來，國內外航空發動機再制造企業越來越多地采用數控激光熔覆設備代替手工焊接，用于翻修磨損的發動機部件。激光再制造技術可以精確地修復和近形(near-net-shap)制造，使修復零部件具有更高的機械性能和冶金質量，降低最后重新仿形的難度，使精加工的量最少，總體經濟效益好。為了保證修復件幾何尺寸與新品的一致性，反求重建機器視覺技術開始考慮用于航空發動機激光再制造中。

     3.6 能源煤炭行業

     我國是煤炭大國，全國80%以上的電力能源來自于煤炭火力發電。在大型煤礦中使用自動化的采煤機進行采煤作業，由于采煤作業惡劣的工況，采煤機的液壓支柱、截齒、導板護靴等關鍵零部件損壞十分嚴重。常規修復技術主要是電刷鍍、電焊等。近年來國內許多企業采用激光再制造技術進行修復，收到良好效果?，F在已經形成較大的批量生產能力。

 文    天津工業大學激光技術研究所   楊洗陳