邵珠强，李娜，王晓成，张勇，胡增荣

（1.苏州大学，江苏苏州215131；2.上海航空机械有限公司，上海201906）

绿色激光再制造技术及其应用

邵珠强1，李娜1，王晓成2，张勇2，胡增荣1

（1.苏州大学，江苏苏州215131；2.上海航空机械有限公司，上海201906）

社会经济的绿色可持续发展越来越受到人们的重视。激光再制造技术作为绿色再制造的核心技术之一，是我国目前研究的主要方向。本文较为全面地介绍了激光绿色再制造技术的技术特点、发展意义以及国内外研究概况，并且讨论了其在不同领域的具体应用和存在的问题，指出了进一步研究的主要方向。

激光；绿色再制造；应用

随着环境污染的日益加剧和资源稀缺情况的不断加深，发展循环经济是我国社会发展必然道路，当前再制造是循环经济发展的最高形式。因此，实现国民经济和现实社会协调绿色发展的重要途径就是发展再制造技术。再制造业属于劳动密集型产业，在极大节约成本的同时使产业资源得到二次使用，为我国就业难的解决开辟了新路。激光材料处理技术作为激光再制造修复的一种重要手段，具有在损伤的金属基材上制备出高性能的合金熔覆层而不改变基体的性质，显著节约再制造成本，减少稀有金属的使用率，畸变小、涂层稀释率低等优点。因此，世界上各工业强国对激光再制造技术的研究及应用都给予高度重视。为满足经济绿色可持续发展的要求，我国也非常有必要深入研究激光再制造技术。

1 激光再制造的关键技术构成和技术特点

1.1 激光再制造的关键技术构成

激光再制造技术是运用各种激光技术对即将报废零部件进行再制造处理手段的统称，主要包括激光表面成型技术和激光表面改性技术。利用激光表面成型技术、激光烧结成形、激光表面处理、激光焊接、切割、打孔等多种激光加工工艺对损坏零件进行修复和改造。激光再制造产品的质量控制是激光再制造工程的核心，激光仿形熔敷技术和表面技术是激光再制造工程的关键技术[1]。激光再制造技术集先进的高能束技术、先进数控和计算机技术、CAD／CAM技术、先进材料技术、光电检测控制技术为一体[2]。如图1所示。

图.1同轴送粉激光熔敷再制造系统原理图

1.2 激光再制造技术的特点

再制造作为一种再生修复手段，是运用新型成熟技术对废旧零件的产业化改造。激光再制造利用损伤或即将报废的零部件作为再制造的基体，通过各种激光加工手段对损伤产品修复或改造，使再制造产品的性能、质量都能和新品水平相媲美。激光熔覆最大的特色就是用先进成形技术制造出的熔覆层组织性能和硬度都高于工件本身。例如利用激光表面硬化手段来提高工件的表面硬度或组织性能。通过激光熔覆的试件表面的涂层厚度大都在微米到毫米间，但却承载着零件的主功能，与传统的再制造工程相比，激光再制造可以使用原工作部件作为基体进行再造。

1.3 发展激光再制造技术的意义

从现实意义来说，激光再制造让资源得以高效循环利用，使零件的使用价值得到最大发挥。另外，激光再制造的生产模式是可持续的，它能最大程度地降低报废率。如今社会积极倡导的就是可持续发展模式，而激光再制造技术正是这种重要的技术途径转变之一。激光再制造技术在工业生产方面除了减少对自然的污染和环境的破坏外，它还是在损伤或者即将报废的零部件上进行加工的，在创造社会效益的同时能创造更大的经济效益。这项技术极大的满足了我国可持续发展战略的要求，为我国就业增加了新型产业链。随着我国再制造工程的壮大，将需要更多的劳动力加入，这为我国解决就业难题开辟了一条新道路。所以，激光再制造技术具有重大现实意义，将为我国创造巨大经济效益和社会价值。

2 激光再制造技术的发展

激光熔覆再制造是我国目前研究的主要方向，虽然它作为再制造的核心成型技术，但它的研究还局限于对基体表面磨损、腐蚀、疲劳损伤等微型损伤进行在结构和尺寸方面进行恢复，并在一定程度上提升提高基体的组织性能。

目前，激光再制造领域的研究，主要是从工艺手段、激光设备、金属材料、检测监控、再制造技术的标准化等多方面进行理论化系统化的研究，具有广阔的发展前景。

2.1 国外激光再制造技术的进展

20世纪80年代，美国MTS公司创建的子公司AeroMet与约翰霍普金斯大学、宾州州立大学合作研究开发了激光加工成型技术，并使用这项技术对航空中的主要失效零部件的进行修复再造，从而开辟了激光再制造系统修复钛合金产品的先河。

渥太华大学Ehsan Toyserkani的研究团队，他们研发出一项自由成型技术，设计了一套具有实时监测熔覆厚度功能的激光再制造系统，而且可以对金属零部件实现高精度激光熔覆和修复。首先，他们建立了数学仿真模型来预测激光熔覆过程中的厚度变化，然后设计出专业的工艺参数控制模型，利用CCD相机频繁反复检测熔敷厚度，从而实现对厚度变化实时监控和反馈控制。

美国密歇根大学的Mazumder等人经过几年的不懈钻研，编写出一套直接金属沉积系统（DMD），此系统涵盖了多项技术，如CNC操作平台、无线传感、多种激光器、加工编程软件CAM等，可以实时监控熔覆层的厚度，可以实时反馈控制熔覆层高度。此外，国际著名大学和研究所，例如美国利哈伊大学、克莱姆森大学，密苏里大学罗拉，俄亥俄州立大学和橡树岭国家实验室，英国伯明翰大学和利物浦大学以及加拿大集成研究院等，也对激光再制造技术进行了深入的研究。

2.2 我国激光再制造技术的发展

20世纪90年代末，沈阳激光技术有限公司正式创立，此公司主要是通过激光熔覆技术对损坏产品进行再制造修复，并向产业化发展。

1984年，我国在激光熔覆技术的设计研究上取得了突破性进展。华中科技大学重点实验室针对熔覆合金粉末、熔覆工艺优化和激光设备开展了大量的实验研究工作，对于以后激光工艺工程的开展做出了卓越贡献，并为激光熔覆参数化积累了经验。

沈阳自动化研究所和新松机器人自动化股份有限公司联合进行了金属粉末直接成型和激光再制造技术的研究，开发了相应的内外双水冷同轴送粉头、侧向送粉头和负压式送粉箱和三维多功能激光再制造系统[3]。

3 激光再制造技术的应用

目前激光再制造技术已经在机车、交通运输、航天航空等多个工业领域得到广泛认可。

（1）冶金行业。激光再制造技术在冶金行业的典型应用产品有轧辊表面激光毛化、激光拼焊汽车板等，由于钢铁冶金设备中的轧辊、轴类零件等都具有很高的附加值，所以再制造费用仅是原始加工费的20%，并且激光加工效率高，极大缩短加工周期时间，推动了再制造的产业化，同时再制造产品性能比之原件有所升级。

（2）航空行业。众所周知，航空领域设备或者零件的制造材料大都是稀有高性能金属，制造成本极高，若利用激光修复手段对失效产品进行再制造，在降低成本提高经济效益的同时还能优化设备性能。飞机发动机和螺旋桨叶片表面上出现损伤时，由于成本问题，必须采取手段对其进行再制造修复，考虑到飞机部件严格的疲劳性和硬度要求，激光熔覆技术成了修复飞机零部件最佳的三维表面修复手段。

（3）汽车行业。一些工业先进大国曾尝试对发动机的气门座圈进行表面激光熔覆，这个硬质合金熔覆表面平整，且耐磨损、耐高温，不易变形，最大的优点就是无需校正。俄罗斯在汽车零件修复方面有着显著的成效，主要有内燃机曲轴、变速器、传动轴、气门等易磨损零件，采用激光熔覆再制造工艺，利用陶瓷或镍基合金粉末，使显微组织得到细化，零件显微硬度大幅提高。

（4）电力行业。电力行业激光再制造的典型有：转子、叶片的激光处理；激光热处理对轴的修复；柴油发电机的处理；端盖、齿轮的激光再造。

（5）机车行业。我国是人口大国，机车带来交通便利的同时也需要巨大的经济成本，所以机车行业的激光再制造市场前景很大，尤其是机车内燃机曲轴在高温高压的长期运转过程中，加上其本身的高速运转，轴颈部位会产生损伤问题，通过激光再制造技术修复不仅能够极大的节约资源和成本，而且可以提高零部件的组织性能。所以急需发展移动式的激光再制造加工中心，以满足相关需求。

（6）船舶行业。船舶上主要零件大都是不锈钢或者铸铁类，最大的问题是要耐腐蚀，而对于这些易磨损零件，再制造修复后的零件的整体性能会得到极大改善。

4 激光再制造技术当前的难题

（1）激光再制造设备的升级。目前我国研发生产的激光再制造设备光束质量有待提高，稳定性差；送粉器存在喷嘴送粉不均匀、精度低、易堵塞等问题；需要对组合式激光再制造设备进行深入研究。

（2）实时监测与反馈控制系统的研究。激光再制造过程的实时监测和反馈系统控制是决定产品或者零件的材料性能好坏及成型精度的一个直接因素是，若想对激光工艺参数进行优化实现闭环控制，可以通过实时监测熔覆层或者涂层的厚度及熔池的检测来实现。

（3）熔覆粉末数据库。目前国内外许多著名学者对各类工件或者设备进行过失效原因分析，以及相关的激光修复研究，将研究成果进行归类总汇，建立关于熔覆粉末的数据库和确定符合基体性能要求的熔覆层类别是至关重要的。

（4）研制再制造专用粉末。目前国内再制造修复所采用的粉末大都是借用冶金的合金粉末或者热喷涂使用粉末，所以激光再制造修复的重中之重就是应根据试样的激光熔覆的参数工艺研发出与之对应的激光专用粉末。

5 结束语

激光再制造工程开辟了产品修复的新纪元。激光再制造关键技术熔覆层成分和稀释率可控，损伤零件修复后畸变小。同时，修复层与基体是经激光束高温结合，且凝固极快，易产生细晶组织，组织稳定性能高，耐磨性好，耐腐蚀性强。通过合理选用粉末和采用适当的工艺参数，所得到的再制造产品的综合性能较基体有大幅提升。上述激光再制造所特有的优势正引起各界学者的广泛关注，所以激光再制造工程必将有力推动再制造业的发展。

[1]陈江，刘玉兰.激光再制造技术工程化应用[J].中国表面工程，2006，19（S1）：50-55.

[2]Yang Xichen，Li Huishan，Liu Yunwu，et al.Laser remanufac turing technology and its industrial application[J].Surface En gineer of China 2003，16（4）：43-46.

[3]王致坚，翟海波，刘宇，等.激光再制造技术及其应用[J].激光杂志，2010（05）：35-37.

Green Laser Remanufacturing Technology and Its Application

SHAO Zhu-qiang1，LI Na1，WANG Xiao-cheng2，ZHANG Yong2，HU Zeng-rong1
（1.Soochow University，Suzhou Jiangsu 215131，China；2.Shanghai Aviation Machinery Co.，Ltd.，Shanghai 201906，China）

The green and sustainable development of social economy has been paid more and more attention.Laser remanufacturing technology，as one of the core technologies of green remanufacturing，is the main direction of research in our country at present.This paper comprehensively introduces the technical characteristics，development and research state of laser green remanufacturing technology.Its specific application and existing problems in different fields are discussed，and the main direction of further research was pointed out.

laser；green remanufacturing；application

TN248.1

B

1672-545X（2017）06-0075-03

2017-03-22

苏州大学校级大学生创新创业训练计划项目（编号：2016xj066）；苏州大学大学生课外学术科研基金资助项目（编号：KY2017716B）

邵珠强（1995-），男，江苏连云港人，本科生，研究方向：激光材料处理。