激光再制造关键技术及其工艺试验研究

激光再制造技术是在20世纪80年代末期出现的激光熔覆技术基础上结合再制造技术所发展起来的一项先进制造技术，它利用高能激光束局部熔化零件表面形成熔池，同时将金属合金粉末同步送入熔池而形成与基体金属冶金结合的熔覆层，赋予零部件耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗疲劳等性能。该技术融合了激光技术、材料科学、数控加工、CAD/CAM技术、光电检测技术、机构设计技术、优化设计和系统仿真等相关领域的关键技术，是一门全新的光、机、电、计算机、自动化、材料综合交叉的制造技术。它的出现给机电设备的再制造带来了全新的理念，解决了很多传统再制造技术无法解决的难题，极大的带动和促进了再制造产业的发展，具有广阔的应用前景，产生了巨大的经济、社会和环境效益。 目前，国内外激光再制造技术的研究尚处于萌芽阶段，研究还没有形成系统化，仍然有很多关键技术需要进行深入细致的研究。本文在国家863计划、中科院知识创新基金和地方科技攻关等项目的支持下，系统地研究了激光再制造的关键技术，在建立各项关键技术知识点分析和理论研究的基础上，给出了关键技术的实施路线和解决方案，为激光再制造技术的工艺试验和工业化应用提供了理论依据和技术支持。具体的研究内容如下： （1） 进行了激光再制造系统本体研究，在系统地研究了各功能模块的基础上，提出了各功能模块选择的原则，有效的避免了搭建再制造系统时各功能模块任意选择的误区。针对国产激光器不稳定和使用寿命短等缺点，借鉴固态激光器的结构原理，设计开发了新一代模块化CO2激光器；针对国产送粉系统不稳定、送粉不均匀等缺点，设计开发了一种新型内外双水冷的同轴送粉喷嘴，经过试验测试，此喷嘴可长时间连续稳定运行，满足工业化生产的需要。基于模糊数学理论的优化设计方法，自主开发了一套三维多功能激光再制造系统，该系统结构完整、功能完善、性能可靠，可以对大型设备零部件进行激光修复和激光淬火。 （2） 进行了激光再制造熔池温度场检测系统的研究，建立了一套在线、小视场、大量程、高精度红外测温系统；通过红外滤光片的选择和设计，有效解决了传统3CCD相机比色测量的准确度差和精度低的问题；提出了一种红外热像系统位置标定的方法，为其它领域红外系统的摄像机标定提供了研究基础；进行了各加工工艺参数对熔池温度场稳定性影响的研究，从而更加了解了激光熔覆凝固成型的原理。同时，进行了熔覆层厚度检测系统的研究，建立了一套单CCD应用线结构光测量熔覆层厚度的系统，并对系统的构成、系统的标定和测量原理进行了分析和研究，从而实现了熔覆层厚度由定性测量向定量测量的跨越。 （3） 进行了工业生产中常见装备及其零部件的失效分析研究，提出了一套按照增加熔覆层性能的失效原因分类原则；进行了激光熔覆粉末种类及其特点的研究，提出了一套激光熔覆粉末的选择原则，给出了各类熔覆层应该采用的熔覆粉末的具体配比方案，从而为激光再制造技术的工业应用奠定了基础。 （4） 进行了激光再制造工艺设计研究，详细分解了激光熔覆过程中涉及到的各工艺步骤，如光束选择、送粉方式、不同基材的熔覆工艺、预处理工艺、预热处理、加工路径规划和后处理等，结合大量的工艺试验，提出了各工艺的选择原则；提出了激光比能量、送粉速度、搭接率、预热温度、预置粉末厚度和保护气流量是影响激光再制造熔覆层质量的最重要工艺参数，并结合工艺实验验证了这些工艺参数对熔覆层质量的实际影响；进行了熔覆层质量的宏观判据和微观判据研究，给出了宏观判据现象产生的原因和微观判据测量的方法，从而为激光再制造技术的工业应用铺平了道路。 （5） 在解决了上述激光再制造关键技术的基础上，进行了板坯结晶器激光再制造工艺试验研究，分析了板坯结晶器的失效原因，并根据失效分析设计和选择熔覆粉末，然后对每种熔覆粉末进行了熔覆工艺设计，采用正交试验法获得了各加工工艺的最佳工艺参数，并制备了相应的样件；然后对样件熔覆层的各种宏观现象和微观性能测试的进行了分析，包括孔隙率、浸润性、微观形貌、显微硬度、成分偏析、金相研究、抗腐蚀性和抗热疲劳性能等，从而得出了大面积板坯结晶器激光熔覆的最佳熔覆粉末、最佳工艺和工艺参数等，并进行了窄板结晶器的激光再制造。