1 绿色激光再制造技术的发展背景

随着我国装备制造业突飞猛进的发展，由于磨损、腐蚀或某些突发性机械损伤造成贵重装备停机待修的情况频繁发生，给企业生产和国防安全造成重大的损失。

绿色再制造工程概念诞生较晚，是一项成长中的技术，学科体系尚待建立。国际上绿色再制造工程的概念提出已有二十几年的历史。美国、欧洲和日本等发达国家已开展许多重要应用，根据它们的国情，应用重点放在电子产品、家用电器、汽车等领域。

而我国目前处于发展中阶段，国民经济行业广泛、产品装备众多，有极大的市场需求。我国再制造技术虽然起步较晚，但是发展迅猛，受到国家高度重视，从国家层面连续发布了一系列政策文件：

2003年，国家科技部发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》中，再制造列为制造领域的优先发展主题和关键技术之一。

2005年，国务院发文《关于加快发展循环经济的若干意见》明确提出发展再制造。 经国务院批准，国家第一批循环经济试点将再制造作为重点领域，发动机再制造企业济南复强动力有限公司被列为再制造重点领域的试点单位。

2008年，中国颁布《循环经济促进法》，将再制造纳入法律范畴进行规范。2009年重点抓汽车再制造，形成23万台套的再制造能力。

2010年，国家发改委联合11部委发文—发改环资[2010]991号《关于推进再制造产业发展的意见》。提出了一系列政策，成为我国再制造技术发展的纲领性文件。为了落实发改环资[2010]991号文件，推动再制造技术的发展，2010-2011年国家发改委和工信部连续召开一系列政策发布会、技术研讨会、产业推广会。

2 激光再制造技术

2.1 传统再制造技术

传统的再制造技术主要来源于传统的表面工程技术和修复技术，包括火焰、等离子、超声喷涂技术；火焰、等离子喷焊技术；刷镀、冷镀铁镀层技术；火焰、电弧堆焊技术；微弧焊接技术等。这些技术具有设备成本低、修复成本低、移动较为灵活等特点，已在国民经济各个部门获得生产应用，也是目前大量使用的修复方法。但是，传统的再制造技术也存在一些缺点：修复过程中伴随强烈的沙尘、气体、噪音、环境污染，不是绿色再制造；修复层与基体界面属于机械结合，结合力不强，修复层容易剥落；修复层厚度较薄；修复能源热注入大，基体材料容易产生变形和稀释，使材料性能降低；基本属于人工手工操作，自动化程度低，修复精度低不可控，限制了它的应用范围。

2.2 激光再制造技术

近年来，国际上诞生了一门新兴技术——激光再制造技术(Laser Refabricating Technology)。与传统修复技术不同，激光再制造技术是一种全新概念的先进修复技术，它集先进高能束技术、先进数控和计算机技术、CAD/CAM技术、先进材料技术、光电检测控制技术为一体，不仅能使损坏的零件恢复原有或近形尺寸，而且性能达到或超过原基材水平。由此形成了一门新的光、机、电、计算机、自动化、材料综合交叉的先进制造技术。激光再制造技术的技术基础是激光熔覆。激光熔覆原本是一种表面强化技术，它不涉及零件精确成形问题。以激光熔覆为修复技术平台，加上现代先进制造、快速原形等技术理念，则发展成为激光再制造技术。它是以金属粉末为材料，在具有零件原型的CAD/CAM软件支持下，CNC(计算机数控)控制激光头、送粉嘴和机床按指定空间轨迹运动，光束与粉末同步输送，形成1支金属笔，在修复部位逐层熔覆，最后生成与原型零件近形的三维实体。如图1所示。

图2是激光再制造技术与传统再制造技术材料基体界面和熔覆层金相组织对比。可以看出，火焰喷涂内存在气孔缺陷，界面属于机械结合。激光熔覆层存在一条白亮界面，属于冶金结合。等离子喷焊层组织粗大，高硬度的大块的碳化物易是涂层产生脆性。激光熔覆层组织细小，高硬度的大块的碳化物已被激光熔凝成细小的碳化物，均匀分布在涂层基底上，从而使激光熔覆层不仅具有高硬度高耐磨性，而且具有很高的韧性。

2.3 激光再制造技术发展历史和现状

如上所述，激光再制造技术源于激光熔覆技术。激光熔覆技术诞生于20世纪80年代，原本是一种材料学科与工程学科中的一项表面强化技术，主要目的是要在低廉的基体材料上面用高功率激光熔覆一层高性能材料，制备具有优异的耐磨性、耐腐蚀性、抗高温性、高减摩性涂层，代替昂贵的整体块状材料。

经过十余年的开发，激光熔覆技术逐渐成熟，自动送粉技术代替了早期的预置粉工艺，侧向和同轴送粉装备相继开发成功，并与激光器及激光加工机床实现联动，大大提高了自动化水平。

进入20世纪90年代，随着先进制造技术的发展，快速原型制造、敏捷制造、绿色制造等概念相继提出，激光熔覆技术与时俱进，产生了巨大的质变，由材料工程学科交叉进入机械工程学科，演变成一种新型的先进制造技术，形成了两个代表性的研究方向：激光直接制造技术和激光再制造技术。20/21世纪之交，国内外激光界同仁曾经怀着十分激动的心情瞩目于激光直接制造技术，期望它能成为一种新型的快速原型制造和敏捷制造手段。美国、英国、加拿大等先进国家投入大量的人力物力进行研究开发；国内北京航空航天大学王华明、西北工业大学黄卫东、清华大学钟敏霖、北京有色研究院石力开等研究团队也相继开展研究。经过十余年的发展，该项技术已在航空航天等关键军品件上获得应用，但是由于制造成本高，很难在民用产品上广泛推广使用。

中国政府对激光再制造技术十分重视，在国际上起步早，有案可查的最早工作是国家科委主持的1991-1995年国家“八•五”科技攻关项目—冶金轧辊大面积激光修复。上海光机所王润文、查洪奎、苏宝荣，天津工业大学杨洗陈，重庆大学邹至荣，吉林机电研究院房为捷等专家联合攻关，在国内外首次成功地制造出激光大面积涂覆的轧辊，向世界展示出激光修复工业应用的巨大前景。20/21世纪之交，天津工业大学杨洗陈研究团队进一步提出激光再制造技术理念。图3是天津工业大学研发的激光大面积熔覆系统单道涂覆照片。#p#分页标题#e#

经过十余年的发展，中国的激光再制造无论从技术、装备和工业应用等方面都获得突飞猛进的进步。国家发改委、科技部、工信部及许多省市发改委、科委等政府部门都对激光再制造方向给以资助进行研究、开发和产业化。政府、大学、科研院所和企业的官产学研蓬勃发展，结合有力，效果显著。国产的1~10 kW CO2激光和1 kW YAG激光再制造专用设备、激光再制造专用送粉器和同轴送粉工作头、激光再制造各类专用材料等相继开发出来，全部实现国产化，替代进口产品，满足了国内市场需求，部分产品实现了出口，为国家节汇创汇。激光再制造成为我国激光加工行业第一个实现全部国产化的产业方向，也是中国激光制造产业界值得骄傲的亮点。目前，全国从事激光再制造研发的单位主要有：天津工业大学杨洗陈团队、清华大学刘文今团队、沈阳金属和腐蚀所王茂才团队、浙江工业大学姚建华团队、华南师范大学张庆茂团队、贵州大学刘喜斌团队和湖南大学刘继长团队等；从事激光再制造装备制造企业主要有：武汉团结激光公司、武汉大族金石凯公司、沈阳大陆公司、广州富通公司等；从事激光再制造产业应用的企业超过100余家，主要企业有：沈阳大陆激光公司、包头金杜激光再制造公司、河南安阳睿智激光公司、天津大族烨峤激光公司、山东建能激光公司等，服务的产业遍及钢铁冶金、石油化工、能源电力、汽车铁路交通、海洋平台、工程机械、航天航空、武器装备等部门。

3 激光再制造技术典型工业应用

3.1 能源电力行业

汽轮机是火力发电的核心设备，由于高温高热特殊的工作条件，每年都需定期对损伤的机组零部件进行修复，如主轴轴径、动叶片等，如图4所示。燃气轮机由于其在高达1300℃的高温条件下工作，经常会发生损伤。采用激光再制造技术将其缺陷全部修复完好，恢复其使用性能，费用仅为新机组价格的1/10。

3.2 钢铁冶金行业

在钢铁企业中，热轧机械工况十分恶劣，轧辊表面、轧机机架等均会出现腐蚀磨损，采用激光再制造技术进行修复已在许多钢铁企业获得批量应用：山东济钢、河南安钢、云南昆钢、内蒙包钢、上海宝钢等。图5是激光修复轧辊现场照片。

3.3 海洋石油行业

在海洋平台采油作业中，面对海水腐蚀、泥沙、高压高速运转等恶劣环境，大量的采油输油设备出现损伤，影响采油输油的连续作业，造成很大的经济损失。

3.4 铁路交通行业

在铁路交通运输中，柴油机大型曲轴由于磨损必须当定期修复。但是曲轴长达10 m，修复精度要求高，不能产生变形，激光再制造技术是最佳的选择，如图6所示。

3.5 航空航天行业

无论民用飞机或是军用飞机，为了保证飞行安全发动机必须定期维修。国内外早已建立了若干个航空发动机再制造企业，可以说它是在所有再制造行业中要求最高、管理最为科学先进的、具有大批量生产的企业。整体叶盘、叶片、叶轮及其他航空发动机部件存在各种形式的损伤，都要经过严格维修和检验，如图7所示。

近年来，国内外航空发动机再制造企业越来越多地采用数控激光熔覆设备代替手工焊接，用于翻修磨损的发动机部件。激光再制造技术可以精确地修复和近形(near-net-shap)制造，使修复零部件具有更高的机械性能和冶金质量，降低最后重新仿形的难度，使精加工的量最少，总体经济效益好。为了保证修复件几何尺寸与新品的一致性，反求重建机器视觉技术开始考虑用于航空发动机激光再制造中。

3.6 能源煤炭行业

我国是煤炭大国，全国80%以上的电力能源来自于煤炭火力发电。在大型煤矿中使用自动化的采煤机进行采煤作业，由于采煤作业恶劣的工况，采煤机的液压支柱、截齿、导板护靴等关键零部件损坏十分严重。常规修复技术主要是电刷镀、电焊等。近年来国内许多企业采用激光再制造技术进行修复，收到良好效果。现在已经形成较大的批量生产能力。

文 天津工业大学激光技术研究所 杨洗陈