南京中科煜宸研究院副院长孙中刚：激光再制造技术在工业领域的典型应用

2020年8月20日-21日，中国增材制造产业发展芜湖（繁昌）高峰论坛暨2020年中国增材制造产业年会在安徽芜湖市举行，此次年会由工业和信息化部装备工业发展中心、安徽省经济和信息化厅、芜湖市人民政府指导，中国增材制造产业联盟主办，繁昌县人民政府协办，南极熊作为支持媒体对本次会议进行了直播。

△南京中科煜宸激光技术有限公司研究院副院长  孙中刚

在“产业化推广论坛”上，南京中科煜宸激光技术有限公司研究院副院长  孙中刚做了《激光再制造技术在工业领域的典型应用》演讲，下面是现场速记。
△视频：孙中刚《激光再制造技术在工业领域的典型应用》

孙中刚：非常荣幸给大家分享中科煜宸在激光再制造领域的研发成果。前面姚教授已经把激光再制造很多原理性的东西给大家讲得非常多，我从几个简单方面给大家介绍一下。

我的报告内容分为五部分：首先是激光再制造技术作简单回顾。第二个是对激光再制造装备比如近几年来中科煜宸围绕装备所做的工作，因为姚教授他们主要是从机理、再制造过程的控制以及冶金质量提升的原理和基本方式上做了很多工作，中科煜宸这几年最主要的关注点还是在激光再制造的装备开发。第三个内容是激光再制造过程中目前有哪些核心的关键技术值得我们关注的。第四个就是我们在这些领域应用的典型案例。最后再给大家简单汇报中科煜宸的简单情况。

激光再制造技术原理已经讲得很清楚，实际上就是对工作现场很多废旧的零件特别是高附加值的零件的修复，使得它的价值得到进一步利用，激光再制造和修复使它重复焕发生命。零件通过再制造后不仅节约很多的重新制造过程所花费的时间，同时让我们的产品生命力变得更强。所以单纯从再制造和制造的角度来讲，我们通过再制造技术可以大大减少在零件重复再制造一次所需成本。从再制造和重新制造的成本对比，可以看到再制造可以起到非常重要的作用。

激光再制造技术有一个激光熔覆，是目前我们用它进行激光再制造的关键和重要技术。这个技术主要是利用激光作为光源，将不同的材料熔覆到基体材料上，使得我们的产品性能进一步得到提升。通过激光再制造的过程，可以使修复之后的材料与基体之间进行有机结合，也可以显著提高材料表面的耐磨性和耐热性、耐腐蚀性等相关性能。

这个是再制造过程和激光熔覆的基本原理，在整个制造过程中受到激光加热的作用、激光冲击以及激光能量的提升以及在再制造过程中的熔化和凝固的全流程的冶金过程，非常复杂。

激光熔覆的技术和传统的技术相比，它有这些优点，结合强度可以不低于原材料的90%以上，热影响区非常小。还有在激光熔覆的过程中加热温度相对比较低，导致基体过程变形比传统的要小很多，其他还有一些组织的特征，这里也不做详细讲解，前面已经讲过一些。

这幅图是传统的电镀、刷镀的综合性能对比，激光熔覆之后带来的界面结合的强度非常高，同时耐腐蚀性、耐磨性相对传统技术也有大幅度的提升。

除此之外，我们把激光熔覆和超高速熔覆两个技术和传统的电镀、火焰超音速喷涂做了对比。传统的激光熔覆和超高速熔覆厚度是非常薄的，硬度高，冶金结合非常好，总的使用寿命和效果相对来说比传统的其他技术有一定的优势。

前面简单回顾了再制造过程中的基本原理，下面我围绕着中科煜宸在装备领域方面所做的工作汇报一下。

激光熔覆再制造技术它的关键点就在于装备本身，我们的装备主要是有这么几个方面：第一个是要有非常良好的送粉器，还要有非常好的加工头，实现加工品质的提升。在这个过程中，还要有自动化的软件控制，刚才讲过了我们通过和浙工大特别突破了再制造过程中的软件控制和工程开发。第三个是激光熔覆工艺的解决方案，实现整个品质的保障。还有激光熔覆再制造产品的性能专用粉末的开发也是关键的核心技术。同时还有产品的检测和评价标准。

围绕上面所说，我们对于再制造过程的装备进行大规模开发，在现场修复的过程中，它有很多类零件，这类零件有些是非常小的，可以移动的，而且可以拉回工厂进行修复，这类零件相对来说修复非常简单。但是有些大型的结构件特别是电力系统像燃气轮机，还有大型的辊子，如果辊子拆卸以后整个就会受到影响。为了解决远距离的修复问题，我们开发了车载集装箱式移动激光再制造装备，满足大型装备现场修复的需求，对于小型的零件修复我们建立移动小车式激光修复系统，满足快速移动的修复需求。除此之外，我们对于特种再制造为了提升速度开发出了宽带高效熔覆和内孔特殊熔覆装备，现在熔覆的单向深度是1.5米左右，最小可修复的直径是80毫米。还围绕着很多现场的需求，很多大型轧辊和小型轧辊因为现场的量非常大，为了解决大量的修复问题，包括大型的龙门式还有可开放式的修复平台，满足各类修复需求。

讲一下高速熔覆。高速激光熔覆是这几年发展起来的激光熔覆技术中的一种，主要是面向大型数量众多的回转体，通过大批量的回转体，因为它要求修复的速度非常快，而且要求修复精度也非常高，所以我们开发出高速激光熔覆技术。这个技术可以实现这几类：一个是涂层厚度可以从0.1-1毫米自由选择，熔覆效率根据厚度不一样效率也不一样，为了解决加工效率的问题设计不同的激光功率的装备。通过熔覆厚度和熔覆效率以及装备的匹配满足不同的回转体大批量的结构件的修复制造问题。这是我们这几年开发出的高速熔覆的激光再制造装备以及小型化的激光再制造装备。

除了上面这些装备之外，我们认为激光再制造方面影响质量问题主要是这几方面：一个是材料体系。市场上的粉末体系非常多，而且粉末质量参差不齐，为了解决这个问题中科煜宸在设备的基础上开发出了针对不同领域、针对不同修复状态进行不同粉末体系的开发和验证，已经形成不同类型的专用粉末。第二个是开发出了粉末生产线。第三是激光加工专家工艺数据库，现场加工粉末量非常大，而且基体的种类也非常多，为了解决基体的不同类型，以及在实际中的不同需求我们做了专家工艺数据库，为你选择所需要的材料并形成相应的工艺。同时我们在修复过程中开发出了修复专用的CAM软件。

第三个是我们做了自主研发的智能监控软件，可以进行加工变化以及温度等变化情况的实时监测。

这是我们自主研发的熔池在线监测系统，对我们的工艺参数做一些调整，这个软件近期逐渐推向市场，并且开始实施工程化应用。

同时对于再制造过程中由于受到各种情况限制，我们也开展了一些温度，并结合数据软件，用我们的工艺提供一些支持。

最为核心的技术就是加工头的设计，为了满足不同再制造的需求，我们开展多款多种类型的激光加工头，来解决在熔覆过程中的粉末汇聚和均匀性的问题。这是我们的核心器件送粉喷头的研发过程，目前中科煜宸的送粉喷头粉末的汇聚性比较好，而且也得到市场很多应用厂家的反馈。这一块还有智能化的送粉器。除了加工头以外，我们的送粉器从单筒、两筒到三筒的送粉器解决不同粉末的需求，特别是对于现在有多种材料混合成形的特种制造的需求，解决不同材料同步送粉，实现一次性均匀性的熔化成形的过程，我们开发出不同的送粉器。这是核心送粉器的一些情况。同时为了解决在熔覆过程中会出现热裂纹的现象，所以对粉末进行一定的预热模块，实现在加热过程中减少热裂纹问题。同时现场还可以有切换的双料桶，实现粉末的连续输送。

第四个部分简单讲一下这几年的应用案例。

首先是机械、电力行业激光再制造应用，主要是蝶阀、电机转子，以及耐辐射件和耐磨件，像橡塑机械的螺旋件。这是我们在激光再制造修复过程中的现场图片，可以看到我们八字形机筒内孔激光熔覆做得比较好，以及电机转子轴已经得到大量应用。

另外一个是模具行业激光再制造应用。用激光再制造技术通过对它进行修复，同时进行局部激光强化，可以提供很好的应用保证它的性能。这是整个修复情况。

还有一些在钢铁行业各种杂辊的修复现场，这是磨损件的修复。还有石油化工的应用，不同行业修复案例可以简单看一下。

这是我们在煤机行业的液压立柱修复的典型案例。

值得一提的是在铝板轧制铜辊表面熔覆获得比较好的修复，在铜的表面进行修复是比较难的，我们通过在装备的改善和现场工艺的调整过程中，在铜的杂辊表面实现修复，使得杂辊寿命得到大幅度提升。这是熔覆以后的结合强度的比较，这是表面粗糙度的比较。

这是中科煜宸的简单情况。

经过这几年的发展目前来说可以从各个领域都有很多突破，这是我们的专利情况。特别是我们这几年从金属材料体系、工艺数据、智能化的软件、送粉器以及专用装备各个领域都取得非常不错的成绩，也形成我们系列化的产品。这是这几年在3D打印包括送粉打印，以及激光再制造等方向取得了非常不错的成绩，我们各种类型的系列化产品已经在市场上起到非常好的反响。

这是我们的主要核心器件以及合作伙伴，建立了一整套的装备到客户应用和验证形成一整套体系。

这是我们这几年的发展，除了在南京以外，我们在各个地方先后建立我们的研究院和研究中心支持对应的客户，这是主要的客户情况。

我的汇报就到这里，谢谢大家。