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，不僅滿足國內(nèi)各種工程機(jī)械、煤礦支柱等使用， 而且出口美國、德國、澳大利亞、俄羅斯、印度、東南亞等國。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，在制造和維修兩個方面每年需要處理的量就有近百萬平方米之 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，通過新 技術(shù)新工藝的研發(fā)應(yīng)用，從根本上提升制造過程的環(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似，也屬于傳統(tǒng)型污染制造，對 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。最關(guān)鍵是國家 現(xiàn)在嚴(yán)格控制電鍍，環(huán)保方面過不了關(guān)，與國家政策背道而馳。
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，基材并沒有融化，故粉末與基材沒 有合二為一，而熔覆是基材和粉末兩者同時融化的，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噴至基體表面，因此對光束與 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
（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)工過程 無需應(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有硬鉻層里常見的氣孔和裂紋缺陷，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)方法因熱輸過高，這在之前是不可能實(shí)現(xiàn)的。 同時，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)的研究者共同開發(fā)出。德國于今年年初推出全 球首臺超高速熔覆激光熔覆，采用的激光光源為德國 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 定制化開發(fā)一定會配套工業(yè)應(yīng)用場景。 荷蘭的海洋平臺管件生產(chǎn)商 IHC 率先采用超高速激光熔覆來替代原 有電鍍工藝。該設(shè)備于 2017 年 6 月參展亮相德國慕尼黑，在技術(shù)表 面處理行業(yè)有著較大的反響。今年 9 月份，歐盟國家開始禁止在金屬 部件中使用鍍硬鉻，超高速熔覆激光技術(shù)預(yù)計在歐洲市場能得到快速 推廣，可逐步代替原有電鍍工藝。
我國激光研究起步較晚，激光工業(yè)應(yīng)用較國外發(fā)展滯后，尤其是 激光熔覆，近幾年才逐漸在國內(nèi)得到認(rèn)可和推廣。我國是工業(yè)超級大 國，現(xiàn)階段國家提出低污染高效能的新型工業(yè)轉(zhuǎn)型號召，作為一項(xiàng)可 以取代傳統(tǒng)電鍍工藝的新型綠色技術(shù)，對于我國工業(yè)轉(zhuǎn)型后期發(fā)展重 要性不言而喻。今年年初中國機(jī)械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中 心于德國訂購一臺超高速激光熔覆設(shè)備，設(shè)備售價高達(dá) 100 多萬美 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 日成功推出我國首臺 2KW 超高速激光熔覆裝備，該裝備標(biāo)志著我國擁有了并掌握了超高速 熔覆裝備核心技術(shù)和工藝，同時中科中美預(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 年推出我國首臺 2KW 高功率熔覆激光器，2017 年推出 我國首臺 6KW 高功率熔覆激光器，先后被中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)、陜西日報等多 家媒體報道。與華北電力大學(xué)、河北再制造協(xié)會開展激光熔覆項(xiàng)目研 究，針對礦產(chǎn)截齒修復(fù)、電力鍋爐管熔覆、發(fā)動機(jī)葉片，進(jìn)行高功率 激光器定制開發(fā)，瞄準(zhǔn)我國激光產(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首臺可用于 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