激光制造技术为设备及零件修复再造开辟崭新途径

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一、动力设备修复和改造

1.在冶金、石油、化工、电力、铁路、船舶、矿山、航空等国民经济支柱产业中使用着大量的涡轮转动设备,例如:汽轮机、离心压缩机、轴流风机、螺杆压缩机、高炉透平发电TRT、烟气轮机、发电机、往复式压缩机、飞机发动机、地面燃机、水轮机、制氧机、水泵、柴油机、工业透平、增速机等等。特别是70年代末以来,引进的大量进口涡轮转动设备,经过长周期各种工况条件下服役,因腐蚀、磨损和疲劳等因素,所有设备均存在着使用中的损伤失效,有的则处在报废或即将报废状态。而常规的技术和工艺方法不能,也不敢动及这些关键的、价值贵重的设备,稍有失误将造成设备失效和破坏,从而带来的是潜在的巨大的产值和经济损失。

2.在钢铁冶金行业,转动设备是提供能源和动力的载体。超高速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。钢铁企业拥有的各种规格进口和国产的轴流压缩机,单级、多级离心鼓风机、引风机、除尘风机、H型氧压机、氮压机、螺杆压缩机、自备电厂的各种型号汽轮机、高炉能量回收使用的单级、双级透平发电TRT机组、各种发电及电动机、大型水泵等涡轮动力设备。再制造工程技术为这些重大关键设备提供了安全可靠,质量保障,性能稳定提升的综合技术。激光熔覆仿形技术和激光快速成形技术在这些关键设备和零部件修复及再造应用,又使再制造工程技术得到发展,也为钢铁行业各企业节约了大量维修费用,创造了可观的经济效益。

二、高载荷、高转速、高精度、高合金零部件的修复和强化

钢铁企业炼钢、各种热轧、冷轧生产线、镀锌线等生产过程中使用着大数量的高载荷、高转速、高精度、高合金的承载设备,其零部件在生产工况环境下服役,产生腐蚀、磨损和疲劳损伤或失效报废。而这些大量的设备零部件在钢铁生产中形成了大的生产消耗,占据着非常大的生产成本和资源浪费。据初步估算,全国钢铁行业每年仅各种轧钢生产线上的重要零部件消耗达100亿元。传统办法主要是更换这些设备零部件,甚至因零部件无法使用报废或者更换整机,必须储备大量的备件,占用巨额的资金和资源。同时,损伤失效和报废的零部件或者整机基本上作为废品处理,如此连锁叠加造成的资源和资金浪费非常惊人。

激光熔覆技术、激光快速成形制造技术、激光纳米合金化和表面强化技术等高科技技术的有效应用,为这类设备和零部件的修复再造开辟了一条崭新的途径。既能使失效或报废设备及零部件“起死回生”,又可以使新品延长使用寿命,甚至可以达到多寿命周期的效果。例如:在冷、热轧钢各种生产线上使用的传动接轴、叉头、中间轴、传动齿轮、万向节、扁头套、轧辊轴、飞剪、辊端轴套、卷取机弹簧座箱,减速机齿轮轴和壳体等等大量易磨损和疲劳零部件,经过激光仿形熔覆技术和快速成形技术修复后,使用性能恢复了原有新件的技术指标。而且,大部分又可以提高其使用寿命周期。有则,可以多次修复,达到多使用寿命周期的效果。

轧钢生产线上的各种轧辊、输送辊、支承辊、竖辊、导向辊、沉浮辊等辊轴类零部件,采用各种锻合金钢、铸合金钢、合金铸铁、球墨铸铁等不同材质制造。各种轧辊类件均使用在具有高温、高变载荷、冷热交变、腐蚀、磨损及疲劳工况条件下。据初步统计,全国钢铁企业每年各种轧辊消耗约80-100亿元。采用激光纳米陶瓷合金化和激光复合强化技术进行表面强化处理,提高了表面的强度、硬度、耐磨、热稳定性和红硬性及耐腐蚀、耐疲劳等性能指标,有效地提高轧辊的过钢量。经多家钢铁企业应用,一般使轧辊等各种辊类使用周期可提高50%至数倍。激光快速成形技术和再制造工程技术可以创造非常可观的经济效益及深远的社会效益。

激光熔覆设备是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化,并快速凝固后形成稀释度极低,与基体成冶金结合的表面涂层,显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法,从而达到表面改性或修复的目的,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。

而常规激光熔覆过程,激光能量主要用于熔化基体材料形成熔池,粉末注入熔池后熔化,再凝固形成防护涂层。

超高速激光熔覆技术本质上改变了粉末的熔化位置,使粉末在工件上方就与激光交汇发生熔化,随之均匀涂覆在工件表面。其熔覆速率可高达20-200m/min,因热输入小,热敏感材料、薄壁与小尺寸构件均可采用该技术进行表面熔覆,而且可用于全新的材料组合,例如铝基材料、钛基材料或铸铁材料上涂层的制备。由于涂层表面质量明显高于普通激光熔覆,只需要简单打磨或抛光即可应用,因此材料浪费、后续加工量都大大减少,在成本、效率、及对零件的热影响上超高速激光熔覆都具有不可替代的应用优势。

亚琛联合科技(天津)有限公司的超高速激光熔覆系列型号设备可满足多种直径、长度轴类零件的涂层制造、快速修复应用需求。送粉喷嘴是超高速激光熔覆技术的核心部件,对熔覆质量、效率、成本等有直接的影响,在大批量规模化生产中更加有效提高生产效率与使用寿命。针对各类耐磨、耐腐蚀和耐高温涂层制备要求,建立了完整的工艺数据库。同时为客户提供定制化设备集成与配套工艺的研发服务。

3、硬质耐磨激光熔覆涂层在石油闸板产品上获得成功应用

兼具高耐磨和耐腐蚀两种特性的表面涂层制备一直是激光熔覆领域的一大技术难点。凭借多年的技术积累,近日亚琛联合科技(天津)有限公司的研发团队在这一方向获得突破性进展,通过精确控制粉末成分配比和熔覆工艺过程的能量输入,在涂层组织内部均匀析出弥散分布的强化相,提高涂层耐磨性的同时降低应力水平,获得了无裂纹、气孔缺陷的优质涂层,并成功应用在石油行业平板闸阀的闸板产品上。经过实际上机72h测试,发现涂层寿命提高一倍以上,且无开裂、锈蚀现象。

涂层性能:

l 涂层平均维氏硬度≥800HV0.2

l 涂层厚度:0.3mm

l 无裂纹、气孔、夹杂缺陷

l 耐强酸腐蚀

4、汽车覆盖件大型模具激光修复与强化

在汽车工业中,汽车覆盖件如驾驶室、引擎盖等部件都是通过冲压成型的,而机械冲压对模具的磨损和破坏性很大。模具一旦磨损,冲压出来的产品质量就会下降,为此必须更换新的模具,从而造成模具的浪费和消耗很大,如何提高模具的使用寿命成为该类企业降低生产成本、提高经济效益的重要途径和方法。此前,由于该类模具比较大,进行热处理比较困难。很多企业往往不进行热处理或采用火焰法进行处理,效果往往很不理想。而受到技术条件的限制,激光热处理方法在此类大型模具上也少有应用。

因此,激光熔覆技术的应用能大幅降低汽车覆盖件的生产成本,提高产品质量,是汽车零配件生产企业的重要技术装备。

5、矿山机械零件的激光强化与修复

采掘机截齿

截齿是采掘机组上直接切割煤岩的关键零件,属易损件。其失效方式主要是磨损失效,磨损失效的主要形式为截齿端部基体磨损,导致合金头剥落。一般的国内普通截齿抗磨损性能较差和较短的使用寿命较短的特点,从而加大了井下作业的强度,降低了生产效率。因此,研制一种工艺先进、技术稳定,并能提高截齿端部的耐磨性,进而延长使用寿命的表面处理技术是十分必要的。

经试验,激光强化截齿端头表面硬度、耐磨度有明显提高,截齿使用寿命显著延长。与普通截齿相比,激光熔覆截齿寿命延长了3-4倍,表面合金化截齿寿命延长5-6倍。激光技术在截齿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。应用抗磨损新型激光强化截齿,可以减少截齿更换检修时间、提高生产效率,同时又能节约大量的资金,对于建设节约性社会有着广泛而深远的意义。

矿用大型液压支架立柱

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。

新型激光强化不锈钢立柱使用寿命是国内立柱的5-6倍,具有技术先进、安全性能高、生产能力强等突出特点。应用新型激光强化不锈钢立柱,可以减少立柱更换检修时间、提高生产效率,同时又能节约大量的资金,对于建设节约型社会有着广泛而深远的意义。

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