激光熔覆再制造汽车零部件及其应用

供了一种修复零件的方法ｌ 。 １ ］
１７ 年美 国 Ａ （ ）公 司 Ｄ ｎ ｎｍｕｈ ９６ ＶＸ Ｓ Ｇ ａａ ｔ ｎ取 得 激 光 熔 覆
专 利 ，９９ 日本 日 公 司公布 了 激光 熔 覆 在 汽 轮机 叶片 上 应 １７ 年 立 用专 利 。 自此 ， 国 、 国 、 本 、 国等 技术 强 国就 对其 十分 重 美 英 日 德
在 车 辆 维 修 中 的应 用提 供 指 导 。 关 键 词 ： 车 零 部 件 ； 光 熔 覆 ； 光 再 制 造 汽 激 激 中图 分 类 号 ： ４ ６ Ｕ ６ 文献标识码 ： Ａ
车辆在使用过程 中， 因制造技术水平和使用工作环境 或 的腐 蚀 ； 因 相互 之 间 相 对 运 动 而 产 生 磨 损 ； 因 温 度 过 高 或 或 而发 生 氧 化 ； 分 零 、 件 不 可 避 免 地 将 产 生 局 部 损 坏 ， 不 部 部 若 采 取 有 效 的措 施 ， 将影 响 车 辆 的 效 能 和 使 用 寿 命 。如 何 、 物力、 财力进行研究 、 开发， 使激 光 熔 覆 技术 的发展 明 显加快 。在 激 光熔 覆理论 ， 数 学模 型 ， 物理 合
金材 料 、 艺参 数 、 层 组织 性 能 研 究 ， 备 自动 化 、 性 化 、 工 涂 设 柔 熔 覆 过 程监 控 以及生 产应 用等 方面 Ｈ￣ 了重 大进 展 。 ＂哥 ｌ ｉ ｌ
１ 激 光 熔 覆 与 激 光 再 制 造
在汽车零部件维修过程中， 传统维修技术都有一定使用条
件和 范同 。 自二 十世 纪 ７ 年代 大 功率 激光 器 问世并 投 入应 用 ， ０
激光 熔覆 技术 得到 了迅 速发 展 。激 光 熔 覆 是 利 用 高 能 、 高速 激 光束 辐射 预置 或送涂 层 粉末 ， 速熔 化 ， 零部 件 表面 熔接 一 并快 在 层或 多层 金属 （ 材 料 ）使 其性 能 、 面 质 量 、 形 尺 寸满 足 合金 ， 表 外
参考 文 献 ：
［］ １ 星武 ， 李刚， 邱玲． 激光熔覆技术发展现状及展望Ｅ］ 稀有金 Ｊ． 属与硬质合金 ， ０ ８ ３ （ ）５ —５ ． ２ ０ ，６ ３ ：４ ７
键， 因为既要保持气压平衡 ， 又要防止粉末进入轴承腔 ， 粉体 腔采用多重密封 ， 各密封点加置密封 圈， 达到密封性能优 良。 在激光涂覆再制造零件过程 中， 熔池温度会因为工件的形
摘 要 ： 光 熔覆 （ ｓｒｃ ｄ ｉｇ 经 过 多年 的 发 展 ， 激 １ ｅ ｌ ｄｎ ） ａ ａ 已成 为 重 要 的 载 能 柬 金 属 零 部 件 表 面 再 制 造 的 一 项 重 要 技 术 。现 有 的 维修 技 术 对 所 修 复 零 件 的 形 状 、 位 有 一 定 的要 求 和 条 件 。本 文 旨在 概 述 激 光 再 制 造 过 程 中的 关 键技 术 ， 部 为该 先 进 制 造技 术
状 以及 多层涂 覆过 程 中温度 累计 效应 发 生变 化 ， 池 的 温度 而熔 会影 响熔 池 的形状 ， 最终 影 响 成形 零 件 的 的尺 寸精 度 以及 零 并 件 内应力 的大小 和分 布 。因此必 须 对 熔 池 温度 进 行监 控 ， 则 否
［ ］ ｎ ｎ ｍ ｕ． ａｅ Ｆ ｒ ｓａ ｄ Ｒ ｐｉ ｒｐ ｃｓ ． ２ Ａ ｏ ｙ ｏ ｓ Ｌ ｓｒ ｏｍ ｎ ｅａ ｓ Ｗｏｋ ｉ ｅ Ｅ ］ ｒ ｅ Ｊ
Ｍ ａ ｕ ａ ｔ ｒｎ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ， ０ ８， ． ｎ ｆ ｃ ｕ ｉ ｇ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ２ ０ ２
［］ 华 明． 空 高 性 能金 属 结 构 件 ３王 航 航 空制 造 技 术 ，０ ５ １ ． ２ ０ ，２
Ｅ］ Ｊ．
会使零件的制作精度不高 ， 同时应力过大也易使零件发生开裂。
图 ２ 载气 式 双 斗 送 粉 器 结构 图
Ｆ ｇ ２ Ｔｈ ａ ｏ ｂ ｅ ｂ ｃ ｅ ｏ ｅ ｅ ｄ ｒ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｉ． ｅｇ ｓｄ ｕ ｌ ｕ ｋ ｔｐ ｗｄ ｒｆ ｅ ｅ ｔｕ ｔ ｒ Ｆｉ． ３ Ｓ ｈ ｍａ ｉ ｏ ａ ｕ ｅ ｎ ｆ ｌ ｇ ｃ ｅ ｔ ｆ ｃ ｍｅ ｓ ｒｍｅ ｔ ｔ ｏ ｍｅ
利用 粉 轮 拨 送 粉 末 ， 粉 均 匀 易 控 ， 避 免 了粉末 挤 压 ； 流 送 且 交 微 型 电机 提 供 动 力 。这 其 中 ， 封 腔 密 封 性 能 的好 坏 是 关 密
３ 总结
汽车零 部件再 制造经 过高技 术 修 复 、 后 其质 量 和． 改造 陛能 甚至可 以超过 新 品。汽车使 用较 多 ， 淘汰 或 需要 修 理 的车 辆也 很 多 ， 汽车 零部件 再制造 既有 经济效益 也有社 会效益 。 开展
—
采用 一闭 环反馈 控制 系统对 熔 池 内温 度实 施监 控 ， 而 控制 激 从 光器 的输 出功率 ， 确保熔 池 内温度 场 的稳 定 ， 于保证制 造零 件 对 的精 度 ， 零件 内的应 力具有 重要 的作 用 。 减少 如 图 ３ 示 ， 温度 检测 系统 主要 包括 硬 件和 软件 两部 所 熔池
中国材料科技 与设备 （ 双月刊）
激光熔覆再 制造 汽车零部件及其应用
２ １ 年 ・ ３期 ０１ 第
激 光 熔 覆 再 制 造 汽 车 零 部 件 及 其 应 用
邱双利卜 ， 会 山 李
（ ． 津 津 住 汽 车线 束 有 限公 司 ， 津 １天 天 ２ 军事 交通 学 院 汽 车 工 程 系 ， 津 ． 天 ３００ ； ０ １０ ３０６） ０ １ １
ｐ ｌｔｍ ｐｅ ａ ｕ ｅｂｙ ｏｏ ｅ ｒ ｔｒ
双 料 斗 载气 式送 粉 器 如 图 ２所 示 ， 粉 末 喂送 装 置 采 用 其
封闭式载气系统 ， 气动输送采用分路输送 ， 可造成负压输送 ， 利于粉末流动和分散 ； 主体结构采用分体式 ， 其 粉斗 、 粉体腔 可 分 离且 内充 平 衡 气 体 ， 要 部 件 粉 体 腔 采 用 整 体 式 结 构 ； 主
［ ３ 森 ， ．金 属 零 件 的 激 光 直 接 快 速 制 造 ［］ 粉 末 冶 金 技 ４杨 等 Ｊ．
２ １ 年 ・ ３期 ０１ 第
材料综述
中国材料科技与设备 （ 双月刊）
末送入同轴送粉工作 头。修复零件置于 Ｃ ＮＣ数控工作 台 ｘ
Ｙ 平 面 上 ， 据 Ｃ Ｃ 指 令 ， 作 台 、 合 镜 和 送 粉 头 按 给 根 Ｎ 工 组 定 的 程 序 运 动 。同 时激 光 和 粉 末 加 入 ， 层 熔 覆 。在 检 测 和 逐
年来激光及相关设备的发展 ， 也使激光熔覆具备 了先进制造技 术的最基本的特征， 但其加工精度以及对复杂形状零件修复仍
然受 到 限制 ， 其技术 的 推广并 未 达到人 们 所期 望的结 果 一 。。
科学技术的进步， 机械设备 向着高精度 、 自动化、 高 高智 能化发
展 ， 年来 国 际上诞 生 了一 门 新兴 的技 术— — 再 制 造 技 术 （ ｅ 近 Ｒ—
它们 的性能 ， 降低 全寿命周期 费用 ， 节约 原材料 成为摆 在人 们 面前 的一 个 重 要 课 题 。
２ 激 光 再 制 造 技 术
激光 因其 优 良的聚焦 性 能 ， 于 自动控 制 、 污 染 、 能 耗 易 无 低 等一 系列 优点 ， 为是 一种 特 别 适 用 的有 效 技 术 手 段 。近 十 被认
要求的修复技术。其特点 ， 金属粉末对光能吸收率高（０ ， ５ ）具
有高 的加 热 和冷却 速率 ， 并且 金属 粉末 材 料成 份可 调可 控 ， 过 通 金属 材料 快速 凝 固激光 熔覆 逐层 沉 积 ， 形 出组织 细小 致 密 、 成 成
图 １ 激 光 再 制 造 过 程 示 意
Ｆｉ ． Ｓ ｈ ｍａ ｉ ｆｌｓ ｒｒ ｍａ ｕ ａ ｔ ｒｎ ｒ ｃ ｓ ｇ１ ｃ ｅ ｔ ｏ ａ ｅ ｅ ｎ ｆ ｃ ｕ ｉｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ｃ
２ １激 光再 制 造 过 程描 述 ．
激 光 再 制 造 是 利 用 激 光 熔 覆 的 方 法 实 现 对 金 属 零 部 件 的 三 维 修 复 。激 光 再 制 造 系 统 由 硬 件 和 软 件 两 部 分 组 成 。 硬 件设 备 包 括 激 光 器 、 控 系统 及 工 作 台 、 粉装 置 、 路 系 数 送 光
分 均匀 、 优异 、 有 快 速 凝 同组 织 特 征 的金 属 涂 层 ， 而 提 性能 具 因
统、 水冷装置 、 保护气系统和在线控制所涉及的数据采集装置 。 软件系统包括再制造零件成形软件 、 数据通讯和在线控制软件 。
如图１ 所示 ： 器发 出的 Ｃ ）激 光 经 Ｃ Ｃ数控 机 床 Ｚ轴 （ 激光 （ ２ Ｎ 垂 直 工作 台） 射镜 后 ， 反 进入 三维 光 束 成形 聚 焦 组合 镜 ， 入 同 再进 轴 送粉 工 作头 ， 合镜 和工 作 头都 固定在 机床 ｚ轴 上 ， 控系 组 由数 统 统一 控制 。载 气式 送粉 器将 粉末 输送 到 分粉 器 ， 匀 地 把 粉 均
分， 硬件由 （ Ｄ、 Ｙ 光学系统、 ｄ 图像卡和计算机等组成； 软件主要用
于熔池 过程 拍 摄 、 字 图像 处理 、 度 场 分析 等 。每 秒钟 采 集 数 温 ２ 幅熔池热 辐射 图像 ， ５ 采用 中国计 量 科 学研 究 院 Ｂ １０ 标 准 Ｆ４０
高温黑体辐射源标定。该测温系统能够实时检测激光熔池 ， 并 能够给出激光熔池热辐射图像及温度场分布， 为实现激光熔覆
控 制 系 统 作 用 下 ， 零 件恢 复原 始 尺 寸 ＿ 。 使 ４ ］
２ ２ 激 光再 制造 关 键 技 术 ．
目前专 门应 用于该 项技 术送 粉 设备 有 自重式 送 粉器 、 螺杆 式 送粉 器 、 式送 粉器 等 。考虑 到 实现 零 件 复 杂位 置 的加 工 刮板 需 要 ， 粉 末与送 粉 元件 间 的磨 擦 、 以及 挤压 所 产 生 的粉末 阻塞 ，
工业 自动 化控制 和连续 生产 提供 了基 础数 据 。
须加载气体带动粉末输送。综合实际情况 ， 并考虑到粉末材料
的混合 问题 以及制 造功 能材 料 ， 计 出一 种新 型 的双 料 斗气 动 设 送 粉器一 载 气式 双斗送 粉器 ， 补这方 面 的不足 。 以弥
图 ３ Ｃ Ｄ检 测 激 光熔 池 温 度 场 示意 图 Ｃ
０ 维 修 与 再 制 造
维 修 是恢 复零 部件 尺寸 、 几何 形 状 和 性 能要 求 一 个 常用 方 法 ， 般是 指将 已 到 服务 寿命 或 者 因过 度 磨 损 、 蚀 、 一 腐 氧化 、 刮 伤、 老化 、 形等 原 因而 失效 的零 、 件进 行 修 复 的过 程 。随着 变 部
基金项目： 国家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目（ ０ ７ ０ ４ 。 ６ ４ ８ ０ ） ＊作 者 简介 ： 双 利 （９ ９ ， ， 邱 １５ ～） 男 工程 师 ， 主要 从 事 自动 化 与 控 制 方 面 的 应 用 研 究 。 Ｅ ｈ ｔ ｝ ｕ 咖 ．ｒａｓｅ ．ｏ －２ ・ ｔｐｔ ７ Ｒ ｃ ｎ ｔｑ ｃｍ ５
ｍａｕａｔｒｇＴｃｎｌ ｙ 。再制 造 是 以修 复 技 术 和其 他 相 关 ｎ ｆ ｕ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ） ｃｉ ｏ 技术组 合形 成 的先进 再 制造 成形 技术 ， 接 针对 许多 零 、 能直 部件 实现 局部 表面精 密 三维 可控 快速 修复 ， 新恢 复其 使 用 价值 ， 并重 实际 上等 于延 长 了产 品的使 用寿 命 。