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[转载]高功率激光加工技术在冶金行业中的应用 [复制链接]

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工程师

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只看楼主倒序阅读楼主发表于: 2011-07-19

近二十年来，激光加工技术更是在世界各国工业发展中得到广泛应用，尤其是工业发达国家，已被人们誉为 “未来制造业的共同加工手段”。激光加工技术的出现正促使着目前“电加工时代”向“光加工时代”转变，代表着当前材料加工业的发展方向，当今世界各国都把激光加工技术作为提高生产效率和产品质量、降低成本、增加效益，提高国际竞争力的重要手段。

1 激光加工技术的特点

由于激光具有“四高”特性，因此激光加工技术具有其它加工方法所不可比拟的显著特点，主要有：

（1）无接触加工，对工件无直接冲击，无机械变形;

（2）无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件;

（3）激光束能量密度高，加工速度快;局部加工，影响热区小，工件热变形小，后续加工量小;

（4）加工方法灵活。激光束易于导向、聚焦、实现方向变换，极易与数控系统配合、可对复杂工件进行加工;

（5）可加工多种金属、非金属;也可加工高硬度、高脆性、高熔点材料;

（6）生产效率高，加工质量稳定可靠，经济与社会效益好。

2 高功率激光加工技术及其应用范围

高功率激光是指激光器输出功率在2kW以上的激光加工系统，高功率激光加工技术一般包括“激光表面改性技术”和“激光绿色再制造技术”以及激光切割、激光焊接、激光打孔等，本文重点谈谈“激光表面改性技术”和“激光绿色再制造技术”在冶金企业的应用。

2.1 激光表面改性技术

主要指激光淬火、激光熔凝、激光表面合金化等。该技术主要用于强化零部件的表面，提高金属材料及零部件的表面硬度、耐磨性、耐蚀性以及强度和改善高温性能;同时可使零部件心部仍保持较好的韧性，使零部件的机械性能具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高的特点。运用激光表面改性技术可以大幅度提高零部件质量，成倍延长使用寿命，已广泛应用于冶金、汽车、军工、船舶、石化、模具、轻工等行业。

2.1.1 激光淬火技术：它是利用聚焦后的激光束人射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使受热表层快速冷却到马氏体相变点以下，从而实现工件表面相变硬化，激光淬火可以基本保持工件表面粗糙度不变。

2.1.2 激光熔凝强化：则是采用激光熔融金属表面，激光束移开后，熔融的金属直接从液态淬硬为固态，形成表面强化层的工艺。激光熔凝强化的不足之处，在于激光加工后的表面粗糙度有所降低，其降低幅度取决于激光加工工艺参数。激光淬火与熔凝处理的共同特点是不改变材料的成份。

2.1.3 激光表面合金化：工艺过程与激光熔覆类似，最大差别在于它添加的合金元素与基材充分混合，共同决定表面层的性能;而激光熔覆则主要利用所添加合金粉末的性能，基材对表面合金化层性能的贡献很小。对于冶金行业轧辊、导位、输送辊、夹送辊、剪刃等大量易损件来说，最大好处是将其整体合金化变成表面合金化或者熔覆，可使轧辊等易损件的使用寿命大幅度提高。

2.2 激光绿色再制造技术

指激光熔覆修复技术。它能够修复以前大量报废的大型工件，如齿轮轴、电机轴、叶片等。激光加工过程无污染、无三废、属绿色高新加工技术，产生的经济效益明显。

激光熔覆修复技术是采用激光束在选定工件表面熔覆一层特殊性能（如耐磨、耐腐蚀、耐疲劳、抗氧化等）的材料，以改善工件表面性能的工艺。与传统的喷焊或者堆焊工艺相比具有以下优点：

（1）激光束的能量密度高，只要注入较少的能量就可以完成激光熔覆。零件热影响区小，变形小，因此适合修复一些高精度零件或者对变形要求严格的零件，如风机转子轴、汽轮机转子轴等。

（2）激光熔覆层稀释率低，且可以精确控制，熔覆层的成分与性能主要取决于熔覆材料的成份。因此，可以采用各种性能优良的材料对基材表面进行改性;特别是可以采用激光熔覆技术修复一些常规堆焊工艺无法实现的工件，如涡轮发动机叶片、电机主轴等。

（3）激光熔覆层组织致密，微观缺陷少，熔覆层与基材为冶金结合，强度高，因此可以用于一些重载条件下零件的表面强化与修复，如大型轧辊扁头、大型齿轮、大型曲轴等零件的修复。

3 马钢应用高功率激光加工技术实践

高功率激光加工技术在冶金行业有很广的应用范围。2005年 9月以来，安徽米特吉激光科技有限公司采用沈阳大陆激光成套设备有限公司生产的DL-T5000型5kW横流co，激光器及激光加工成套设备，对马钢部分生产厂矿的备件进行了加工处理，实验证明：

3.1 轧辊进行激光表面合金化强化处理后，使用寿命成倍增加

应用实例如下：

（1）第三钢轧总厂棒材生产线

2005年9月 1日￣11月8日，前后轧制69天，经高功率激光表面合金化强化处理后的轧辊（注：以下简称“激光辊”）上生产线第一机架试验，三个部位累计过钢量达13.4万t（注：普通辊过钢量为6万t），比普通辊过钢量增加7.4万t，轧辊寿命提高了1.23倍。

6天后，第二对激光辊上生产线第三机架试验，前后轧制59天，四个部位累计过钢量达 15.6万t（注：普通辊过钢量为6.8万 t），比普通辊过钢量增加8.8万 t，轧辊寿命提高了1.29倍。轧制后的激光辊，机床切削加工顺利，龟裂纹减少，表面光洁度提高，内部高温性能得到改进与优化。

（2）第三钢轧总厂线材生产线

在棒材生产线轧辊取得明显成效的基础上，又在线材生产线的1架、4架、5架、6架及8架的轧辊上进行了多轮试验，其中8架激光辊寿命提高最为明显，提高了近2倍。尤其是中间夹送辊经激光处高功率激光表面合金化强化处理后，其寿命可以提高3倍。

（3）第三钢轧总厂大H型钢生产线

据现场生产统计，2006年4月 16日，第一对激光立辊（直径 90（毫米）开始上 U2架轧机轧制，5月 12日最终下线，累计轧制大 H型钢.00x300，700x300等规格）22636t，比普通轧棍多轧制16260t，立辊使用寿命提高了2.55倍。2006年5月 1日，第二对激光立辊（直径900rnm）上U1架轧机轧制，5月20日最终下线，累计轧制大H型钢21199t，比普通轧辊多轧制 16136t，轧辊使用寿命提高2.33倍。

5月21日，H型钢分厂加工工段机床对激光立辊进行后续加工切削，结果表明激光棍切削量只有普通棍切削量的二分之一，切削顺利且热裂纹减少，轧辊表面光洁度提高。

6月8日，第三对激光立辊上小H型钢轧机轧制，7月14日下线，累计轧制小 H型钢（400x200，150x150等规格）25137t，比普通轧辊多轧制18137t，轧辊使用寿命提高2.59倍。

（4）第二钢轧总厂棒材、线材、型钢二分厂生产线

由于二钢轧总厂各分厂的钢材产品品种多，批量少，加上部分轧机不能在线加油，轧机轴承更换频繁，致使激光辊效率发挥不够明显，该总厂技术科总结结果反映，激光辊平均使用寿命可以提高0.9倍;如通过改造轧机实现在线加油，激光辊使用寿命一般都可以提高一倍以上。

3.2 ”绿色再制造技术”

激光熔覆技术，可以在最短时间内将各类重要零部件局部磨损位置的尺寸得到还原，备件变废为宝。水泵轴、风机轴、空压机曲轴、轧机高速伞齿轮轴、活塞、轴套、矿山圆锥磨盘、缸体、铸铁机链轮及轧辊等报废备件采用激光熔覆技术修复，效果十分明显。

部分应用实例如下：

（1）马钢车轮轮箍厂5000t油压机的核心部件一直径500rnm注塞，其表面大面积磨损。2006年国庆期间，采取激光熔覆技术修复，加工6天，修复后的油压机注塞完好如新，装机使用正常;修复费用仅为备件价值的40%.

（2）2006年 11月 13日上午 10时40分，第一能源总厂4万耐制氧机308循环泵房2号水泵一直径80mm的轴承配合面严重磨损，库房没有备件，将影响安全生产。该厂设备保障部求助激光修复处理，要求在6h内完成。安徽米特吉激光科技有限公司采取激光熔覆技术修复，5个多小时完成修复工作，费用 3000元;安装后恢复正常运行方式，保证了制氧生产，在场的工程技术人员十分感动。

（3）马钢嘉华新型建材有限公司从德国进口的立磨风机轴（长2200mm，最大部位直径1600mm）轴承部位严重磨损，无法使用，价值十几万元。2006年国庆期间采取激光熔覆技术修复，5天完成修复工作，费用不到三分之一。

（4）第一钢轧总厂CSP生产线码轧机支撑辊，自重38t，价值上百万元，辊面多处出现巴掌大掉块，有的地方深达30mm，弃之一边基本报废。采用激光熔覆技术 +加热保温技术进行修复处理完毕，待上线轧制检验。

（5）第二炼铁总厂铸铁机已多年不用，年久失修，三套铸铁机主传动链轮齿轮磨损十分严重，无法工作，全部更新需要近 180万元。公司下达的指令是必须在2007年2月8日前（40天）完成修复任务。为了确保钢新区4000耐大高炉顺利投产，该厂设备保障部委托激光公司采用激光熔覆技术处理，日以继夜用了27天时间完成了修复工作;修复好的铸铁机生产正常，最多铸铁一天可达2000多吨;激光修复费用约为更新费用的四分之一。

3.3 高功率激光加工技术在马钢应用总体评价

高功率激光加工技术在马钢试用、实验一年多来，厂矿、部门有关领导和专家都给予了充分的肯定，生产线技术人员和轧辊作业区同志都给予较为满意的评价，其效果主要体现在以下几个方面：

（1）普通轧辊经过高功率激光加工技术强化处理后，轧辊整体综合机械性能不改变，轧辊表面孔型尺寸不改变，轧辊的表面强度、硬度和耐磨性得到提高。

（2）轧辊内在高温性能得到改善，表现为切削后辊面热裂纹减少，光洁度提高。

（3）轧制吨位大幅提高，轧辊使用寿命成倍延长，辊耗明显降低，轧辊采购成本降低。

（4）激光熔覆技术修复损坏备件，质量好，快捷、争取了时间，其修复费用一般只有新件的30%-40%，节约了采购费用。

（5）间接效益十分明显;一是可以减少轧机停机时间和换辊次数，有效地提高了设备作业率。二是降低了工人换辊和轧辊加工的劳动强度;三是可以减小轧辊堆放场地，成倍减少资金占用。

总之，利用高功率激光加工技术强化处理轧辊和修复备件，可以降低钢材制造成本，提高企业经济效益。

4 结语

我国的经济增长已连续四年保持 10%以上的增速，但付出的资源环境代价也过大。2006年按现行汇率初步测算，中国GDP总量占世界的比重5.5%，但能源消耗24.6亿t标准煤，占世界的比重15%;钢表观消费量3.88亿t，占世界的比重30%;水泥消耗 12.4亿t，占世界的比重54%（马凯，2007年）。温家宝总理指出“我国经济社会发展取得了举世瞩目的巨大成就，但是，我们在资源和环境方面也付出了巨大代价。经济增长方式粗放，资源消耗高，浪费大，污染重”;应“加快建设节约型社会”。

我认为建设节约型社会应从方方面面、点点滴滴，全社会各行各业都要重视，钢铁工业更应率先。据统计，2005年马钢钢产量967万t，轧辊消耗费用近2亿元，平均吨钢消耗轧辊价值 20元;按此类推，2006年中国钢产量4.18亿 t，全国全年轧辊消耗价值05多亿元;如有四分之一的轧辊采用高功率激光加工技术强化处理提高使用寿命一倍，仅此一项钢铁工业就可以降低制造成本十多亿元;另外还有大量的备件若通过高功率激光熔覆技术得到修复，其效益将更为可观;如果冶金、电力、化工、汽车制造、机械、建材、船舶等行业的易损备件都能应用激光加工技术修复处理，其产生的经济效益将是数百上千亿。

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