激光熔覆技术在行业中的应用

激光熔覆技术在行业中的应用

1、涡轮动力设备修复和改造

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（机组），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（机组）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（机组），稍有失误将造成设备（机组）失效和破坏，从而带来的是潜在的巨大的产值和经济损失。

在钢铁冶金行业，涡轮转动设备（机组）是提供能源和动力的载体。钢铁企业拥有的各种规格进口和国产的轴流压缩机（风机），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（机组）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。例如，2007年11月份，天津大族烨峤激光公司应用再制造工程技术和激光熔覆仿形技术修复津西钢铁公司AV40-12型轴流压缩机的动、静叶片；2008年3月份，修复津西钢铁公司2MPG4.5-175/145型高炉透平“一拖二”式TRT机组的动、静叶片并进行两台机组的拆装、调试和检测的全方位“交钥匙”工程。现在，经修复的两台机组已经投入生产服役，运行良好，平稳可靠。而且，采用激光熔覆仿形技术修复后的两台机组的所有动、静叶片都可比原设计制造的新叶片提高使用寿命50-100%，仅此两台设备可为津西厂节省约500多万元维修资金。

近两年来，采用再造应用工程技术和激光熔覆技术及快速成形技术等高新技术为宝钢、鞍钢、本钢、首钢、武钢、唐钢、太钢、攀钢、包钢等全国近95%钢铁企业修复和改造大量的涡轮转动设备（机组），特别是各种进口的关键机组（设备）。为各企业保障设备的正常有效运转，提高了设备的使用寿命，延长了其服役周期。同时，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。

2、高载荷、低转速、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、低转速、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最大的生产消耗，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寿命可提高50%至数倍。

例如：轧制中厚钢板和薄板的冷热生产线上大量使用的支承辊，重量从30多吨至120多吨，支承辊分别由铸钢和锻钢制造。目前其中大型支承辊很多依赖进口。支承辊属于被动辊，在其工作服役中承受复杂的应力作用。运行时其前方受挤，正下方受压，后方受拉，深层受剪切应力作用。因此，支承辊在工作时，接触点附近承受挤、压、拉、切等交变载荷作用，辊身工作部位产生剥落，产生剥落的部位是辊身最大受力部位。已经失效的小型支承辊传统的维修方法是采用电弧堆焊。经此种方法修复后的支承辊使用性能和使用寿命都无法达到新辊的水平。大型支承辊目前采用常规的电弧堆焊方法还无法修复，只能做报废处理。采用激光快速成形技术可以修复各种规格和材料制造的支承辊，可以根据各类型支承辊的材质和使用性能要求，设计和使用优于原辊身材质的激光快速成形用合金材料，使修复后支承辊身强度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳性等指标和使用寿命均优于制造新支承辊。国内按目前每年产钢4. 7亿吨计算，每年消耗支承辊约10亿元。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。

实践证明，如果将轧辊表面进行激光淬火处理，其硬度可由原来的68HSD上升到78~82HSD，轧辊寿命也原来的8小时更换一次提高到24小时更换一次，仅此一项就可以降低钢铁企业轧辊消耗成本约50%，提高钢铁企业轧钢产量5%~10%，这一效益根据轧钢的规模不同效益在8000万元到3亿元之间。根据测算，武汉大族金石凯激光公司生产的一套10kW轧辊激光热处理熔覆设备一年的运行成本约为127.7万元，而每套设备一年可处理轧辊面积约7560平方米，单位处理成本约为0.17元/平方厘米。以一根直径为35厘米，长250厘米的轧辊为例，一次激光淬火成本不超过4700元，而使用时间则可延长三倍。而通过对废旧轧辊的熔覆修复处理更可以使其变废为新，给企业带来巨大的经济效益。

3、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。

武汉大族金石凯激光系统有限公司开发的大型模具激光热处理设备，采用高功率CO2激光结合数控机床等设备对各种重型汽车拉深、翻边、修边等模具进行表面淬火，以及对各种模具在使用过程中出现的裂纹、划伤、磨损、崩塌进行激光熔凝、合金化熔覆等表面强化工艺处理，使其抗磨损性能及损伤阀值得到较大提高，硬度比淬火前提高约2.5倍，并得到0.2～0.4mm的淬火层深，从而提高了工件的耐磨性能3～5倍，大幅延长模具的使用寿命，减少模具的消耗；同时，该设备还能对表面已经损伤或出现裂纹、崩塌的模具进行激光熔覆修复，使其重新得以利用，变废为新。