淺析激光再制造技術(shù)在礦山機(jī)械中的應(yīng)用*

張盛良

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730030)

0 引言

在礦山的開(kāi)采過(guò)程中礦山機(jī)械是主要設(shè)備，而礦山機(jī)械設(shè)備質(zhì)量的安全性和可靠性是煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的重要前提條件。在礦山的開(kāi)采過(guò)程中，礦山機(jī)械是主要設(shè)備，對(duì)設(shè)備的安全性能要求較高，但是在實(shí)際使用過(guò)程中，考慮到安全因素，部分主要礦山機(jī)械設(shè)備沒(méi)有達(dá)到使用年限就進(jìn)行了強(qiáng)制報(bào)廢。

在礦山開(kāi)采過(guò)程中，為了能有效提高礦山機(jī)械設(shè)備的工作時(shí)間，延長(zhǎng)礦山機(jī)械的使用壽命，必須對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢修，確保礦山機(jī)械的正常工作。礦山機(jī)械再制造的概念也因此于2007年首次提出，到目前已經(jīng)形成一定的規(guī)模。在礦山開(kāi)采過(guò)程中，由于工作環(huán)境和場(chǎng)地條件比較惡劣，礦山機(jī)械設(shè)備的損耗較快，維修周期縮短，成本增加。通過(guò)對(duì)礦山機(jī)械進(jìn)行再制造修復(fù)，不但能夠保證礦山機(jī)械關(guān)鍵零部件的性能，而且比在直接購(gòu)入新的零部件的成本要節(jié)約50%左右，因此，在礦山機(jī)械中引入激光再制造技術(shù)，不但能夠?qū)⒌V山機(jī)械的廢舊設(shè)備資源進(jìn)行循環(huán)利用，而且還能為礦山開(kāi)采企業(yè)有效的降低成本。

激光再制造技術(shù)的技術(shù)基礎(chǔ)是激光熔敷［1］。激光熔敷技術(shù)誕生以來(lái)，作為一種修復(fù)技術(shù)已得到許多重要應(yīng)用。激光熔敷是一種表面強(qiáng)化技術(shù)，不涉及零件精確成形問(wèn)題。國(guó)內(nèi)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用也在近年來(lái)取得很大進(jìn)展。以激光熔敷為修復(fù)技術(shù)平臺(tái)，加上現(xiàn)代先進(jìn)制造、快速成形等技術(shù)理念，形成了激光再制造技術(shù)。在再制造技術(shù)中，激光再制造技術(shù)具有明顯的的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的發(fā)展前景。

1 激光再制造技術(shù)的特點(diǎn)［1-2］

激光再制造技術(shù)屬于綠色工程，最大優(yōu)勢(shì)是能夠以先進(jìn)成形技術(shù)制備出優(yōu)于基體材料性能的覆層，通過(guò)采用金屬材料的表面強(qiáng)化處理、激光顯微仿形熔覆等技術(shù)修復(fù)和強(qiáng)化零件表面，恢復(fù)并提高零部件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射等性能，通過(guò)激光再制造技術(shù)修復(fù)的礦山機(jī)械零部件具有比本體材料更高的耐磨性、抗腐蝕性和耐高溫等能力。

激光再制造技術(shù)的特點(diǎn)［1－2］如下。

(1)激光加工是無(wú)接觸加工，對(duì)零部件沒(méi)有直接沖擊，所以也沒(méi)有機(jī)械變形。

(2)激光加工過(guò)程中沒(méi)有“刀具”磨損，所以沒(méi)有“切削力”作用于零部件。

(3)激光加工過(guò)程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對(duì)非激光照射的零部件表面區(qū)域沒(méi)有或影響極小。因此，激光束產(chǎn)生的熱影響區(qū)域小。

(4)由于激光束易于導(dǎo)向、聚焦、實(shí)現(xiàn)方向變換，很容易與數(shù)控系統(tǒng)配合并對(duì)復(fù)雜零部件進(jìn)行修復(fù)加工，因此它是一種非常靈活的加工方法;

(5)生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益好。

2 激光再制造技術(shù)在礦山機(jī)械中的應(yīng)用

我國(guó)作為資源大國(guó)，礦山開(kāi)采量巨大，礦山機(jī)械是礦山開(kāi)采的主要應(yīng)用場(chǎng)合，礦山機(jī)械設(shè)備使用量巨大，礦山機(jī)械設(shè)備再制造潛力巨大。礦山機(jī)械再制造作為綠色制造的最佳體現(xiàn)方式，是國(guó)家循環(huán)經(jīng)濟(jì)和資源綜合利用的發(fā)展趨勢(shì)。在礦山機(jī)械再制造應(yīng)用領(lǐng)域中，激光熔敷技術(shù)作為一種修復(fù)技術(shù)已得到許多重要應(yīng)用。

(1)光纖激光多功能柔性加工系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用光纖激光光源，利用系統(tǒng)集成技術(shù)，一套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)激光熔覆、激光毛化、激光表面處理、激光焊接、激光切割等多項(xiàng)功能。光纖激光多功能柔性工作站采用機(jī)器人柔性系統(tǒng)，建立激光多通道輸出結(jié)構(gòu)，設(shè)置多操作工作，實(shí)現(xiàn)多個(gè)加工功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 光纖激光多功能柔性加工系統(tǒng)示意圖

該激光柔性加工系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):①柔性化特點(diǎn);②靈活特性;③多功能特性;④高質(zhì)高效低成本特性;⑤模塊化特性;⑥集約化特性。

柔性加工系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)如下。

①建立光纖激光柔性工作站軟件通信協(xié)調(diào)系統(tǒng)。建立與光纖激光器具有通信功能的系統(tǒng)及激光加工、處理數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)單套系統(tǒng)可分模塊完成不同功能。為了在同一系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)上述功能不同功能，建立起多功能軟件協(xié)調(diào)系統(tǒng)是必要的基礎(chǔ)，因此將利用相應(yīng)軟件編程，實(shí)現(xiàn)激光器在不同功能之間的轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

②激光輸出波形調(diào)制。針對(duì)激光表面處理技術(shù)的要求，對(duì)現(xiàn)有光路輸出進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，利用密集波分復(fù)用(DWDM)和光時(shí)分復(fù)用技術(shù)增強(qiáng)多波長(zhǎng)光纖激光輸出，從而可以低成本地實(shí)現(xiàn)Tb/s的DWDM或OTDM傳輸。主要采用EDFA放大的自發(fā)輻射、飛秒脈沖技術(shù)、超發(fā)光二極管等技術(shù)。

③接口設(shè)計(jì)。各種功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠ABB工業(yè)機(jī)器人與光纖激光器的通信和配合，需要依據(jù)功能編制接口程序。

(2)礦山機(jī)械激光表面強(qiáng)化工藝技術(shù) 針對(duì)需要再制造的礦山機(jī)械，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的激光表面強(qiáng)化工藝，系統(tǒng)研究工藝參數(shù)對(duì)材料表面性能的影響，優(yōu)化探求最佳工藝參數(shù)，并用于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。

該柔性加工系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成包括:1萬(wàn)瓦光纖激光器單元、機(jī)器人單元、射出頭單元、工件定位變位單元、數(shù)控單元以及周?chē)Ｗo(hù)單元等。

該系統(tǒng)工藝布局如圖2、圖3所示，工作站占地48 m×18 m。加上來(lái)料堆放區(qū)，產(chǎn)品堆放區(qū)，工作站占地面積規(guī)劃為60 m×20 m。

圖2 光纖激光多功能柔性加工系統(tǒng)激光熔覆工位示意圖

圖3 光纖激光多功能柔性加工系統(tǒng)機(jī)器人工位示意圖

(3)與傳統(tǒng)修復(fù)加工方法的比較優(yōu)勢(shì) 以礦山機(jī)械中大量使用的液壓支架立柱為例，傳統(tǒng)生產(chǎn)中多采用表面電鍍鉻層的方法，而經(jīng)過(guò)激光熔覆技術(shù)修復(fù)的液壓支架立柱具有以下優(yōu)勢(shì)［1－2］。

①抗蝕性 激光熔覆技術(shù)可以在基體表面形成均勻致密的熔覆層，并且韌性較好，避免了孔隙裂紋的產(chǎn)生，具有非常高的耐磨性與耐腐蝕性能。

②結(jié)合力 激光熔覆技術(shù)是將高強(qiáng)度激光束作為熱源，在需要再制造修復(fù)的零部件表面覆蓋特殊的冶金粉末，通過(guò)激光束將冶金粉末瞬間融化，快速焊接在零部件表面，獲得與零部件基體結(jié)合的致密覆蓋層。由于檢測(cè)的稀釋率較低，所以冶金粉末在修改過(guò)程中的送料方式為零部件表面預(yù)置或與激光束同步自動(dòng)送置。

③加工便利性 激光熔覆技術(shù)對(duì)礦山機(jī)械零部件的表面質(zhì)量要求不高，只要在再制造修復(fù)工序以前，對(duì)表面進(jìn)行除油和除銹處理就可以順利進(jìn)行激光熔覆操作，激光熔覆技術(shù)還能夠在一定程度上彌補(bǔ)零部件的表面缺陷，采用激光熔覆技術(shù)，可以使表面修復(fù)更加快速便捷。

④環(huán)保性 由于激光熔覆加工是在企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)封閉廠房中進(jìn)行，在數(shù)控機(jī)床上配套激光熔覆設(shè)備，對(duì)礦山機(jī)械再制造修復(fù)過(guò)程中，不產(chǎn)生任何廢液、廢氣，對(duì)生產(chǎn)環(huán)境不造成任何影響。

3 生產(chǎn)工藝流程圖

礦山機(jī)械的激光再制造技術(shù)生產(chǎn)工藝流程包括如下步驟:清洗、機(jī)械拆卸、清理、分揀歸類、壽命分析、除銹、預(yù)加工、修復(fù)再制造、后處理、檢驗(yàn)、裝配、整機(jī)檢驗(yàn)、外表面噴涂處理。主要生產(chǎn)工藝流程如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)工藝流程

4 結(jié)語(yǔ)

(1)激光再制造技術(shù)是綠色加工技術(shù)，在礦山機(jī)械零部件的再制造修復(fù)過(guò)程中，不但能夠有效循環(huán)利用廢舊礦山機(jī)械設(shè)備，而且沒(méi)有廢液、廢氣等有害物質(zhì)產(chǎn)生，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，該項(xiàng)技術(shù)符合國(guó)家的循環(huán)經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排政策。

(2)在礦山機(jī)械再制造領(lǐng)域，引入激光再制造技術(shù)，可以恢復(fù)并有效提高零部件的耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射等性能，確保經(jīng)過(guò)修復(fù)后的礦山機(jī)械在作業(yè)過(guò)程中的安全性和可靠性。

(3)在礦山機(jī)械再制造領(lǐng)域，引入激光再制造技術(shù)，不但可以提高生產(chǎn)效率，而且具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］ 陳 江，劉玉蘭．激光再制造技術(shù)工程化應(yīng)用［J］．中國(guó)表面工程，2006(5):50－55．

［2］ 楊洗陳，李會(huì)山，劉運(yùn)武，等．激光再制造技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用［J］金屬加工世界，2006(3):43－46．