一種綠色環(huán)保液壓支柱制造新技術(shù)
一,、技術(shù)背景
我國(guó)是世界上最大的液壓支柱（應(yīng)用于起重機(jī)、挖掘機(jī)、模塊液 壓支架等）生產(chǎn)國(guó)，不僅滿足國(guó)內(nèi)各種工程機(jī)械、煤礦支柱等使用,， 而且出口美國(guó)、德國(guó)、澳大利亞,、俄羅斯、印度,、東南亞等國(guó),。然而 液壓支柱的核心部件立柱、千斤頂均需要進(jìn)行表面防腐和耐磨等處 理,，在制造和維修兩個(gè)方面每年需要處理的量就有近百萬(wàn)平方米之 多,。
近幾年政府極力倡導(dǎo)構(gòu)建綠色智能制造產(chǎn)業(yè)，不斷加大污染企 業(yè),、設(shè)備的關(guān)停力度,，許多企業(yè)紛紛著手進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)，通過(guò)新 技術(shù)新工藝的研發(fā)應(yīng)用,，從根本上提升制造過(guò)程的環(huán)保水平,，實(shí)現(xiàn)智 能制造、綠色制造,。比如在煤機(jī)液壓支柱的再加工方面,，傳統(tǒng)電鍍工 藝給企業(yè)帶來(lái)的環(huán)保壓力非常大，并且使用電鍍技術(shù)鍍層在質(zhì)量,、性 能以及大修周期,、修理費(fèi)用等使用后期的成本維護(hù)方面也存在許多缺 陷。其他熱噴涂及堆焊工藝同電鍍類(lèi)似,，也屬于傳統(tǒng)型污染制造,，對(duì) 工人健康及環(huán)境影響都較大。既要金山銀山,，更要綠水青山,，因此， 必須尋找新型的能源技術(shù)逐步替代傳統(tǒng)電鍍,、噴涂及堆焊,，該先進(jìn)工 藝需滿足一效率高,、二節(jié)能環(huán)保無(wú)污染。
二,、超高速激光熔覆技術(shù)
超高速激光熔覆
超高速激光熔覆技術(shù)制備液壓活塞桿耐蝕涂層
超高速激光熔覆技術(shù)是將粉末顆粒加熱到接近熔化溫度,，以高速 度噴至基體表面，金屬粉末在高溫下形成熔融顆粒,，僅需和基材的熔 池短暫接觸就可以產(chǎn)生冶金結(jié)合,。
超高速激光熔覆技術(shù)完成的熔覆涂 層冶金質(zhì)量高、稀釋率低,、變形小,、表面光潔度高，屬于先進(jìn)環(huán)保的 再制造加工技術(shù),，在工業(yè)再制造領(lǐng)域能極大地減少企業(yè)的后續(xù)機(jī)加工 成本,，能有效延長(zhǎng)產(chǎn)品使用周期，為企業(yè)節(jié)省大量后期維修費(fèi)用,。
超高速激光熔覆與電鍍相比，一是更環(huán)保,，二是更符合國(guó)家現(xiàn)在 提出的再制造,、能源再生、資源再生,、資源節(jié)約型社會(huì)的政策,，三是 結(jié)合強(qiáng)度高，變形小,、精度高,，四是修復(fù)的厚度可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以多次進(jìn)行,。五是從電費(fèi)等成本低于電鍍會(huì),。最關(guān)鍵是國(guó)家 現(xiàn)在嚴(yán)格控制電鍍，環(huán)保方面過(guò)不了關(guān),，與國(guó)家政策背道而馳,。
超高速激光熔覆與噴涂相比，一是噴涂是一種熱熔現(xiàn)象,，它只是 讓噴涂上的粉末附著在工件表面,，基材并沒(méi)有融化，故粉末與基材沒(méi) 有合二為一,，而熔覆是基材和粉末兩者同時(shí)融化的,，然后兩者結(jié)合在 一起，所以結(jié)合力更強(qiáng),，二是激光熔覆合金層更致密,、組織更細(xì)小,、 成分更均勻、耐蝕性和耐磨性更好,。
相比傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù),，普通的激光熔覆技術(shù)速率是 0.5—1 米/ 分鐘，而超高速激光熔覆技術(shù)可達(dá)到 5—200 米/分鐘,，鍍層速度至少 提高了 100 倍,。能量利用率高、加工速度效率高并可實(shí)現(xiàn)較低涂層厚 度涂層 20um-200um,，節(jié)省了昂貴的粉末材料,，并且在激光束的快速 照射下，機(jī)制材料的失真率很低,，使用范圍廣,。超高速激光熔覆技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：目前可以在零件表面制備大規(guī)模的同成分涂層，可 生產(chǎn)出在生命周期內(nèi)不會(huì)磨損的創(chuàng)新零件,。
超高速激光熔覆設(shè)備主要包括高功率激光器（核心）,、金屬粉噴 頭、機(jī)械加工機(jī)床,。高功率激光器是整套裝備的核心部件,，占全套設(shè) 備成本的 95%，提供高能量激光光源,。金屬粉噴頭主要用于金屬粉輸 送,，超高速激光熔覆要求金屬粉快速速?lài)娭粱w表面，因此對(duì)光束與 金屬粉噴管匹配度,、金屬粉送粉穩(wěn)定性有著較高要求,。機(jī)械加工機(jī)床 目前國(guó)內(nèi)已發(fā)展的十分成熟。
三,、超高速激光熔覆技術(shù)優(yōu)勢(shì)
（1）替代硬鉻電鍍技術(shù)
硬鉻電鍍是當(dāng)前耐蝕,、耐磨涂層制備最常用的技術(shù)之一，但是耗 能較大,。此外,，鉻(VI)對(duì)環(huán)境有污染，這也是為什么自 2017 年 9 月 起,，鉻(VI)只能在特殊批準(zhǔn)下方可使用,。超高速激光熔覆技術(shù)工過(guò)程 無(wú)需應(yīng)用化學(xué)原料，非常環(huán)保,。不同于電鍍鉻層,，該技術(shù)制備的涂層 與基體之間為冶金結(jié)合，涂層不易剝落,。并且,，超高速激光熔覆技術(shù) 制備的表面涂層中沒(méi)有硬鉻層里常見(jiàn)的氣孔和裂紋缺陷,，其防護(hù)作用 更持久、有效,。
（2）取代傳統(tǒng)熱噴涂技術(shù)
比熱噴涂更有效利用資源,，熱噴涂技術(shù)同樣也有不足之處，其加 工過(guò)程粉末材料與氣體消耗較大,，材料利用率最大只有 50%左右; 并 且涂層和基體的結(jié)合力較弱,。由于熱噴涂制備的涂層 氣孔較多，必 須采用多層沉積方式制備(每層大約 25-50 μm 厚),。相比于熱噴涂方法,，新開(kāi)發(fā)的超高速激光熔覆技術(shù)材料利用率高達(dá) 90%以上，明顯 提高了金屬粉的 利用率與經(jīng)濟(jì)性,。單層涂層中不僅沒(méi)有氣孔,，而且 與基體結(jié)合牢靠。
（3）處理敏感材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)激光熔覆
超高速激光熔覆速度比傳統(tǒng)激光熔覆快 100-250 倍,，使得激光 對(duì)基體的熱影響 達(dá)到最小,。因此，超高速激光熔覆可實(shí)現(xiàn)熱敏感材 料零件的涂層制備,，傳統(tǒng)方法因熱輸過(guò)高,，這在之前是不可能實(shí)現(xiàn)的。 同時(shí),，這種新工藝還可用于全新的材料組合，例如鋁基材料或鑄鐵材 料上涂層的制備,。
四,、國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展介紹
超高速激光熔覆技術(shù)是 2017 年由德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究 所 ILT 和亞琛工業(yè)大學(xué)的研究者共同開(kāi)發(fā)出。德國(guó)于今年年初推出全 球首臺(tái)超高速熔覆激光熔覆,，采用的激光光源為德國(guó) laserline 公司 提供,。該設(shè)備讓尋求新技術(shù)代替電鍍的人們驚喜不已。全世界最知名 的應(yīng)用科學(xué)機(jī)構(gòu) Fraunhofer 定制化開(kāi)發(fā)一定會(huì)配套工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景,。 荷蘭的海洋平臺(tái)管件生產(chǎn)商 IHC 率先采用超高速激光熔覆來(lái)替代原 有電鍍工藝,。該設(shè)備于 2017 年 6 月參展亮相德國(guó)慕尼黑，在技術(shù)表 面處理行業(yè)有著較大的反響,。今年 9 月份,，歐盟國(guó)家開(kāi)始禁止在金屬 部件中使用鍍硬鉻，超高速熔覆激光技術(shù)預(yù)計(jì)在歐洲市場(chǎng)能得到快速 推廣,，可逐步代替原有電鍍工藝,。
我國(guó)激光研究起步較晚，激光工業(yè)應(yīng)用較國(guó)外發(fā)展滯后,，尤其是 激光熔覆,，近幾年才逐漸在國(guó)內(nèi)得到認(rèn)可和推廣,。我國(guó)是工業(yè)超級(jí)大 國(guó)，現(xiàn)階段國(guó)家提出低污染高效能的新型工業(yè)轉(zhuǎn)型號(hào)召,，作為一項(xiàng)可 以取代傳統(tǒng)電鍍工藝的新型綠色技術(shù),，對(duì)于我國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型后期發(fā)展重 要性不言而喻。今年年初中國(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中 心于德國(guó)訂購(gòu)一臺(tái)超高速激光熔覆設(shè)備,，設(shè)備售價(jià)高達(dá) 100 多萬(wàn)美 金,。技術(shù)不能受制于人，核心必須自主攻關(guān),，憑借敏銳的市場(chǎng)洞察力 和多年激光行業(yè)技術(shù)積累,，中科中美與山能重裝聯(lián)手針對(duì)超高速激光 熔覆設(shè)備進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，并于 2017 年 10 月 20 日成功推出我國(guó)首臺(tái) 2KW 超高速激光熔覆裝備,，該裝備標(biāo)志著我國(guó)擁有了并掌握了超高速 熔覆裝備核心技術(shù)和工藝,，同時(shí)中科中美預(yù)期于今年年底推出 6KW 超高速激光熔覆裝備，可滿 80%的市場(chǎng)加工需求,。
中科中美激光科技有限公司 2012 年孵化于中科院西安光學(xué)精密 機(jī)械研究院,，致力于高功率工業(yè)激光器及激光工藝的研發(fā)、生產(chǎn)及制 造,。企業(yè) 2014 年推出我國(guó)首臺(tái) 2KW 高功率熔覆激光器,，2017 年推出 我國(guó)首臺(tái) 6KW 高功率熔覆激光器，先后被中國(guó)經(jīng)濟(jì)網(wǎng),、陜西日?qǐng)?bào)等多 家媒體報(bào)道,。與華北電力大學(xué)、河北再制造協(xié)會(huì)開(kāi)展激光熔覆項(xiàng)目研 究,，針對(duì)礦產(chǎn)截齒修復(fù),、電力鍋爐管熔覆、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片,，進(jìn)行高功率 激光器定制開(kāi)發(fā),，瞄準(zhǔn)我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)再制造發(fā)展應(yīng)用，為高功率激光 熔覆制造提供最核心的激光器部件,。
山能重工為是世界 500 強(qiáng)企業(yè)山東能源集團(tuán)的二級(jí)單位,，是在整 合重組原新礦集團(tuán)、棗礦集團(tuán),、臨礦集團(tuán)礦山裝備制造企業(yè)的基礎(chǔ)上 設(shè)立的,。是國(guó)內(nèi)首家將激光熔覆工藝應(yīng)用于煤礦設(shè)備的修復(fù)與改性， 針對(duì)激光設(shè)備尤其是煤礦設(shè)備的激光修復(fù),，有著豐富的經(jīng)驗(yàn)積累和較 高的工藝水平,。
2016 年底中科中美依托核心的高功率激光器技術(shù)與山能重裝集 團(tuán)簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，目標(biāo)針對(duì)煤礦裝備進(jìn)行激光熔覆全套裝備的研 發(fā)與生產(chǎn)。2017 年 10 月 10 日,，中科中美正式推出我國(guó)首臺(tái)可用于 煤礦液壓立柱等設(shè)備修復(fù)的超高速激光熔覆設(shè)備,。
中科中美 8KW 高速熔覆激光器