典型激光熔覆技術裝備及其在礦山機械上的應用

杜學蕓，澹臺凡亮，田洪芳，候慶玲

（山東能源重裝集團大族再制造有限公司，山東新泰 271222）

0 引言

就激光產業(yè)的發(fā)展方向而言，追求高效使得激光器朝著功率越來越大的趨勢前進，激光加工裝備朝著越來越智能化的趨勢前進。當前各國家均將研究開發(fā)新型高功率、高光束質量的大功率半導體激光器作為一個重要研究方向，萬瓦級大功率半導體激光器應用市場需求旺盛[1-3]，但在高功率激光器方面，先進技術掌握在發(fā)達國家，中國的市場份額大部分被國外先進技術占領，國內企業(yè)需要奮起直追[4,5]。

當前，智能制造也成為全球新一輪制造變革的核心內容和當今世界各國經濟發(fā)展競爭的焦點，世界各國紛紛加快謀劃和布局，積極參與全球產業(yè)再分工[6]。智能制造整個過程中將智能裝備（包括但不限于機器人、數(shù)控機床、自動化集成裝備等）通過通信技術有機連接起來，實現(xiàn)生產過程自動化；并通過各類感知技術收集生產過程中的各種數(shù)據，通過工業(yè)以太網等通信手段，以及各類系統(tǒng)優(yōu)化軟件提供生產方案，實現(xiàn)生產方案智能化[7]。

本文僅以礦山機械典型零部件的再制造領域為例，圍繞激光加工技術的發(fā)展進行綜述，主要涉及激光器、激光加工技術裝備以及典型應用。

2 典型技術裝備開發(fā)

2.1 大功率激光加工裝備及其智能化

2.1.1 半導體激光加工系統(tǒng)

大功率激光器的研制是一個光、機、電、熱多學科綜合的研究工作，光學系統(tǒng)、復雜的電控驅動系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)都是被嚴格保密的對象。能夠提供超強功率半導體激光器的國家不多，除了美國、德國之外，我國一直在若干核心領域積極展開深入研究，但研究成果一直未有系統(tǒng)性的突破。

鑒于工業(yè)化應用需求，需持續(xù)提升激光器的功率并保障高功率激光器運行穩(wěn)定性；通過激光器的光學設計及合束技術提升光學系統(tǒng)的可靠性，開發(fā)4kW-10kW大功率半導體激光器，并集成激光加工系統(tǒng)。圖1所示為半導體激光加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由大功率半導體激光器、電控水冷一體機、機器人、配套加工機床、底座、圍欄（配有激光防護玻璃觀察窗）及其他輔助設備共同構成。因激光器功率不同配套系統(tǒng)各有不同，形成了3000-10000W系列大功率激光加工系統(tǒng)，可實現(xiàn)對各種軸類、曲軸、平面類、圓盤類等多種外形零件的激光熔覆。

圖1 半導體激光加工系統(tǒng)Fig.1 Semiconductor laser processing system

2.1.2 大功率激光智能生產線

大功率半導體激光器智能化生產線采用全自動智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常由大功率半導體激光器、復雜電控系統(tǒng)和精密數(shù)控機床構成，是一套集材料物理、復雜精密光學、精密電路設計、多元信息處理、復雜系統(tǒng)控制、精密機械系統(tǒng)為一體的多學科交叉、多工種融合的復雜現(xiàn)代化系統(tǒng)。采用激光智能引導AGV小車自動上下料，可實現(xiàn)無人化生產作業(yè)。全自動智能控制系統(tǒng)分為半成品工件庫單元、桁架機械手單元、手爪庫單元、機床激光熔覆單元、成品工件庫，具備遠程監(jiān)測、在線質量檢測功能，可24小時連續(xù)運行，自動完成液壓單體支柱的中缸、小柱等工件的自動化生產，加工效率提升約5倍。

2.2 3D打印裝備及技術

3D打印技術是“增材制造”的主要實現(xiàn)形式，“增材制造”無需原胚和模具，就能直接根據計算機圖形數(shù)據，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體[8]。目前，3D打印技術主要被應用于工業(yè)制造、航空航天、國防軍工等，可對形狀復雜、尺寸微細、性能特殊的零部件、機構進行直接制造。

大功率激光3D打印系統(tǒng)由大功率光纖激光器、同軸送粉器等組成，以機器人、3D打印專用機床為載體，可進行三維激光熔覆制造與再制造、3D打印快速成型等高端激光加工作業(yè)，可對形狀復雜的工件進行增材制造。圖2為3D打印流程，對待加工件（包括舊件和新件）進行預處理，去除表面銹蝕及污漬，首先使用三維掃描設備對工件三維尺寸進行掃描形成工件輪廓的整體點云數(shù)據，構建拓撲結構的三角形網格模型，然后將該測量模型與CAD模型進行對比，獲得需要進行修復加工的三角網格模型，并進行分層切片計算與加工路徑規(guī)劃，輸出機器人修復加工路徑代碼程序。軸類、盤類、殼體類及平板類破損零件三維幾何形狀可以在線測量，生成待修復部位的加工路徑，實現(xiàn)3D打印精準修復。

圖2 3D打印流程Fig.2 3D printing process

2.3 激光-電弧復合焊接技術裝備

結合激光焊和傳統(tǒng)焊兩種技術優(yōu)勢開發(fā)了激光復合焊機器人加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括激光器、二氧化碳氣體保護焊機、行走機構，激光在電弧前焊縫的上表面成形均勻且飽滿美觀，特別是在焊接速度較大的情況下效果更明顯。表1為激光復合焊接技術和傳統(tǒng)焊接技術的對比。激光焊接具有焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄、焊接速度快、焊接線能量低、焊接變形小、聚焦后的光斑直徑小(0.2～0.6mm)和能量密度高(106W/cm2)的特點[9]，但是對焊接接頭裝配精度和間隙要求高，焊縫易出現(xiàn)氣孔、焊縫夾渣和咬邊等缺陷，設備投資大，能量轉換效率低。而常規(guī)的熔化極電弧焊雖然焊量大、熔深小、熱影響區(qū)大、焊接變形大，但是設備投資小，對間隙不敏感，能填充金屬。將激光和電弧兩種熱源的優(yōu)點集中起來，可彌補單熱源焊接工藝的不足。

表1 激光復合焊接技術和傳統(tǒng)焊接技術的相對比較Table1 Relative comparison figures of laser composite welding technology and traditional welding technology

2.4 高速熔覆技術裝備

隨著激光熔覆技術的發(fā)展和應用，生產成本已經成為阻礙該技術行業(yè)推廣應用的最主要因素。在成本核算方面，激光熔覆技術多年來均與電鍍技術相比較，激光熔覆的成本大致是電鍍成本的6倍[10]，時至今日仍然有一定的差距，因此傳統(tǒng)激光熔覆技術完全替代電鍍還需要時日。進一步探討發(fā)現(xiàn)，效率低是導致高成本的一大原因，可以說制約傳統(tǒng)熔覆技術大規(guī)模推廣的最大瓶頸即是效率。為了提升生產效率，德國弗勞恩霍夫激光技術研究所(Fraunhofer ILT)和亞琛工業(yè)大學(RWTH-Aachen)的研究者開發(fā)出了一種超高速激光熔覆技術，可以在短時間內實現(xiàn)大面積涂層的快速制備，單層熔覆層厚度極薄，可以獲得高精度成形[11]。國內部分企業(yè)也開發(fā)出了具高速熔覆特征的激光熔覆設備，但粉末利用率和熔覆速率等與國外存在較大差距[12]。

2.4.1 高速熔覆工業(yè)化應用技術裝備

圖3 高速激光熔覆及送粉：(a)高速熔覆；(b)粉流匯聚Fig.3 High-speed laser cladding and powder delivery:(a)high-speed cladding processing, (b) powder flow

高速激光熔覆涉及復雜的熱力學、動力學過程，其粉末飛行時間不僅極為短暫，且熔池凝固速率介于焊接與噴涂之間，并遠高于普通激光熔覆。與傳統(tǒng)激光熔覆表面相比，高速激光熔覆得益于該技術是先將粉末在離工件一定距離處融化，粉末流熔融后噴射到工件表面，成形平整。圖3為高速激光熔覆送粉及熔覆狀態(tài)，該粉末流匯聚良好，加工效率高。普通的激光熔覆技術速率是0.5-1m/min，而高速激光熔覆技術可達到30m/min以上；普通的激光熔覆效率0.2m2/h，高速激光熔覆效率可達1-3m2/h[13]。

2.4.2 裝備升級

鑒于高速激光熔覆系統(tǒng)的高效環(huán)保優(yōu)勢，以激光加工替代電鍍鉻的呼聲再次升溫，國內多家研究單位將該課題列入重點研究范疇，效率提升是持續(xù)的關鍵研究內容?，F(xiàn)有高速激光熔覆用激光器多為圓形光斑，光斑規(guī)格較小，在同等功率條件下，光斑尺寸越小，光功率密度越大，高功率密度光斑適宜熔覆高熔點的金屬粉末。這是高速激光熔覆裝備的技術優(yōu)勢也是技術局限。進一步提升熔覆效率需要開發(fā)更大規(guī)格的激光光斑，在保證激光能量密度的要求下，激光器的功率大小、安全防護、送粉頭等都需要同步做出相應改進?，F(xiàn)有高速激光熔覆裝置存在同軸送粉器兼容性差、粉末利用率不高等問題，熔覆效率的提升無法突破圓光斑范疇。針對目前高速激光熔覆用激光器的小光斑及其熔覆效率，借鑒傳統(tǒng)大功率激光熔覆經驗，有研究者把開發(fā)高速線光斑激光熔覆技術作為新的技術突破點，熔覆效率將會得到更大提升。

3 典型工業(yè)化應用實例

3.1 激光熔覆及高速激光熔覆不銹鋼立柱

液壓支架是煤礦開采的主要支護設備，立柱是支架的核心部件，對其表面強度、硬度、耐磨、耐腐蝕和耐沖擊等性能均要求較高。利用高能量密度的激光束快速加熱熔化特性，使立柱表層與不銹鋼合金粉末材料熔化結合，形成冶金結合的高性能涂層即獲得了激光熔覆不銹鋼立柱。該產品表面硬度可達HRC45-50，結合強度高，具有較高的耐腐蝕、耐磨性能，能抵抗煤礦井下各類酸、堿性水等腐蝕性物質的腐蝕，可實現(xiàn)5-8年免維護。

圖4 立柱激光熔覆表面：(a)高速激光熔覆；(b)傳統(tǒng)激光熔覆Fig.4 Laser cladding surface of vertical column:(a)surface of high-speed laser cladding,(b)surface of traditional laser cladding

圖4所示為高速激光熔覆和傳統(tǒng)激光熔覆立柱表面，高速激光熔覆表面精細平整，尤其適用于薄層熔覆，熔覆層厚度為0.5mm，后續(xù)機械加工工序簡化，同時降低材料耗費、提升加工速率；傳統(tǒng)激光熔覆層厚度為1mm-2mm，機械加工去除量較大。

3.2 3D打印工業(yè)化典型應用

3D打印技術應用于結構和功能性零部件的快速制造，是目前研究的熱點[14-16]。但3D打印關鍵技術主要掌握在美國、日本及歐洲國家，在華申請的專利技術主要是打印設備、成型方法、成型制品。國內自20世界90年代初才涉足3D打印技術領域，目前處于研發(fā)的快速成長期，主要集中對鈦合金、高強鋼、鋁合金等高性能大型關鍵金屬構件進行3D打印及再制造[17]。在發(fā)動機和燃機壓氣機葉片、渦輪葉片等多個領域得到應用，但一些關鍵技術未能突破，未達到工程化、大批量成熟應用水平。

工業(yè)化應用可見報道的是3D打印修復鏈輪，刮板輸送機、轉載機的牽引鏈由鏈輪驅動，鏈輪旋轉時，輪齒依次與鏈環(huán)嚙合牽引刮板鏈連續(xù)運動，從而將煤炭等輸送至指定位置，鏈輪軸組在工作中還要承受整個設備的最大扭矩，承受脈動載荷與附加載荷，在使用過程中還受鏈條交變應力作用[18]，因此，鏈窩部位也易產生磨損。鏈輪齒和鏈窩部位均為曲面，現(xiàn)有的修復技術在此處很難適用，這也大大增加了鏈輪的修復難度。采用3D打印技術進行鏈輪齒的原位再生和鏈窩的強化修復，如圖5所示。

圖5 3D打印修復鏈輪齒及鏈窩Fig.5 Sprocket teeth and socket repaired by 3D printing

3.3 油缸環(huán)縫焊接

油缸由外缸體、中缸體和柱體三個部分組成，均為無縫鋼管和鑄造件的組合體，采用對接環(huán)縫焊接而成，由于焊接厚度大，不可避免的產生焊接缺陷，有的焊接缺陷隱蔽性很強，在使用過程中由于油缸在高壓交變載荷下工作，缺陷逐漸擴大導致滲漏或泄漏，甚至缸體開裂等情況。采用激光電弧復合焊接工藝實現(xiàn)了柱塞、中缸、外缸焊接，如圖6所示，樣品經打壓實驗焊縫位置無漏液等現(xiàn)象發(fā)生，焊縫質量良好，滿足檢測要求。

圖6 油缸環(huán)縫焊接：(a)柱；(b)中缸；(c)外缸Fig.6 Circular seam welding of oil cylinder: (a)Plunger, (b)Middle cylinder, (c)Outer cylinder

4 結論

近年來，激光器及激光熔覆技術獲得了長足發(fā)展，技術應用領域也不斷拓展，涵蓋了機械、汽車、航空、鋼鐵、造船、電子等行業(yè)，其中機械行業(yè)以礦山機械關鍵零部件再制造和強化為典型。

隨著激光加工應用市場的需求日益增長，在激光器的制造方面，為降低投資和技術風險，國際上的各大公司之間既競爭也有合作，穩(wěn)中求進，中國則亟需有一個大的突破與發(fā)展。在激光技術的應用方面，歐美等國家在大型制造產業(yè)領域基本完成了用激光加工工藝對傳統(tǒng)工藝的更新?lián)Q代。在中國創(chuàng)新發(fā)展的前提下，激光復合焊接、激光攪拌摩擦焊等多個激光新技術和新產品列入國家戰(zhàn)略計劃，激光切割、激光焊接、激光3D打印等技術應用都得到了不斷延伸。激光在鐵路機車、工程機械、軍工、新能源等各個行業(yè)應用獲得大幅增長。通過多元技術合作研究，加快我國在大功率半導體激光加工系統(tǒng)的研究步伐，掌握批量穩(wěn)定的生產制造技術，設計智能化生產線推進大功率半導體激光器的應用領域，提高大功率半導體激光器的應用能力，具有廣闊的市場前景。