激光熔覆技术在行业中的应用
作者:admin  发布日期:2009-11-29

1、涡轮动力设备修复和改造

在冶金、石油、化工、电力、铁路、船舶、矿山、航空等国民经济支柱产业中使用着大量的涡轮转动设备,例如:汽轮机、离心压缩机、轴流风机、螺杆 压缩机、高炉透平发电TRT、烟气轮机、发电机、往复式压缩机、飞机发动机、地面燃机、水轮机、制氧机、水泵、柴油机、工业透平、增速机等等。特别是70 年代末以来引进的大量进口涡轮转动设备(机组),经过长周期各种工况条件下服役,因腐蚀、磨损和疲劳等因素,所有设备(机组)均存在着使用中的损伤失效, 有的则处在报废或即将报废状态。而常规的技术和工艺方法不能,也不敢动及这些关键的、价值贵重的设备(机组),稍有失误将造成设备(机组)失效和破坏,从 而带来的是潜在的巨大的产值和经济损失。
在钢铁冶金行业,涡轮转动设备(机组)是提供能源和动力的载体。钢铁企业拥有的各种规格进口和国产的轴流压缩机(风机),单级、多级离心鼓风 机、引风机、除尘风机、H型氧压机、氮压机、螺杆压缩机、自备电厂的各种型号汽轮机、高炉能量回收使用的单级、双级透平发电TRT机组、各种发电及电动 机、大型水泵等涡轮动力设备。再制造工程技术为这些重大关键设备(机组)提供了安全可靠,质量保障,性能稳定提升的综合技术。激光熔覆仿形技术和激光快速 成形技术在这些关键设备和零部件修复及再造应用,又使再制造工程技术得到发展。例如,2007年11月份,天津大族烨峤激光公司应用再制造工程技术和激光 熔覆仿形技术修复津西钢铁公司AV40-12型轴流压缩机的动、静叶片;2008年3月份,修复津西钢铁公司2MPG4.5-175/145型高炉透平 “一拖二”式TRT机组的动、静叶片并进行两台机组的拆装、调试和检测的全方位“交钥匙”工程。现在,经修复的两台机组已经投入生产服役,运行良好,平稳 可靠。而且,采用激光熔覆仿形技术修复后的两台机组的所有动、静叶片都可比原设计制造的新叶片提高使用寿命50-100%,仅此两台设备可为津西厂节省约 500多万元维修资金。
近两年来,采用再造应用工程技术和激光熔覆技术及快速成形技术等高新技术为宝钢、鞍钢、本钢、首钢、武钢、唐钢、太钢、攀钢、包钢等全国近 95%钢铁企业修复和改造大量的涡轮转动设备(机组),特别是各种进口的关键机组(设备)。为各企业保障设备的正常有效运转,提高了设备的使用寿命,延长 了其服役周期。同时,也为钢铁行业各企业节约了大量维修费用,创造了可观的经济效益。
2、高载荷、低转速、高精度、高合金零部件的修复和强化
钢铁企业炼钢、各种热轧、冷轧生产线、镀锌线等生产过程中使用着大数量的高载荷、低转速、高精度、高合金的承载设备,其零部件在生产工况环境下 服役,产生腐蚀、磨损和疲劳损伤或失效报废。而这些大量的设备零部件在钢铁生产中形成了最大的生产消耗,占据着非常大的生产成本和资源浪费。据初步估算, 全国钢铁行业每年仅各种轧钢生产线上的重要零部件消耗达100亿元。传统办法主要是更换这些设备零部件,甚至因零部件无法使用报废或者更换整机,必须储备 大量的备件,占用巨额的资金和资源。同时,损伤失效和报废的零部件或者整机基本上作为废品处理,如此连锁叠加造成的资源和资金浪费非常惊人。
激光熔覆技术、激光快速成形制造技术、激光纳米合金化和表面强化技术等高科技技术的有效应用,为这类设备和零部件的修复再造开辟了一条崭新的途 径。既能使失效或报废设备及零部件“起死回生”,又可以使新品延长使用寿命,甚至可以达到多寿命周期的效果。例如:在冷、热轧钢各种生产线上使用的传动接 轴、叉头、中间轴、传动齿轮、万向节、扁头套、轧辊轴、飞剪、辊端轴套、卷取机弹簧座箱,减速机齿轮轴和壳体等等大量易磨损和疲劳零部件,经过激光仿形熔 覆技术和快速成形技术修复后,使用性能恢复了原有新件的技术指标。而且,大部分又可以提高其使用寿命周期。有则,可以多次修复,达到多使用寿命周期的效 果。
轧钢生产线上的各种轧辊、输送辊、支承辊、竖辊、导向辊、沉浮辊等辊轴类零部件,采用各种锻合金钢、铸合金钢、合金铸铁、球墨铸铁等不同材质制 造。各种轧辊类件均使用在具有高温、高变载荷、冷热交变、腐蚀、磨损及疲劳工况条件下。据初步统计,全国钢铁企业每年各种轧辊消耗约80-100亿元。采 用激光纳米陶瓷合金化和激光复合强化技术进行表面强化处理,提高了表面的强度、硬度、耐磨、热稳定性和红硬性及耐腐蚀、耐疲劳等性能指标,有效地提高轧辊 的过钢量。经多家钢铁企业应用,一般使轧辊等各种辊类使用寿命可提高50%至数倍。
例如:轧制中厚钢板和薄板的冷热生产线上大量使用的支承辊,重量从30多吨至120多吨,支承辊分别由铸钢和锻钢制造。目前其中大型支承辊很多 依赖进口。支承辊属于被动辊,在其工作服役中承受复杂的应力作用。运行时其前方受挤,正下方受压,后方受拉,深层受剪切应力作用。因此,支承辊在工作时, 接触点附近承受挤、压、拉、切等交变载荷作用,辊身工作部位产生剥落,产生剥落的部位是辊身最大受力部位。已经失效的小型支承辊传统的维修方法是采用电弧 堆焊。经此种方法修复后的支承辊使用性能和使用寿命都无法达到新辊的水平。大型支承辊目前采用常规的电弧堆焊方法还无法修复,只能做报废处理。采用激光快 速成形技术可以修复各种规格和材料制造的支承辊,可以根据各类型支承辊的材质和使用性能要求,设计和使用优于原辊身材质的激光快速成形用合金材料,使修复 后支承辊身强度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳性等指标和使用寿命均优于制造新支承辊。国内按目前每年产钢4.7亿吨计算,每年消耗支承辊约10亿元。激光快速 成形技术和再制造工程技术可以创造非常可观的经济效益及深远的社会效益。
实践证明,如果将轧辊表面进行激光淬火处理,其硬度可由原来的68HSD上升到78~82HSD,轧辊寿命也原来的8小时更换一次提高到24小 时更换一次,仅此一项就可以降低钢铁企业轧辊消耗成本约50%,提高钢铁企业轧钢产量5%~10%,这一效益根据轧钢的规模不同效益在8000万元到3亿 元之间。根据测算,武汉大族金石凯激光公司生产的一套10kW轧辊激光热处理熔覆设备一年的运行成本约为127.7万元,而每套设备一年可处理轧辊面积约 7560平方米,单位处理成本约为0.17元/平方厘米。以一根直径为35厘米,长250厘米的轧辊为例,一次激光淬火成本不超过4700元,而使用时间 则可延长三倍。而通过对废旧轧辊的熔覆修复处理更可以使其变废为新,给企业带来巨大的经济效益。
3、汽车覆盖件大型模具激光修复与强化
在汽车工业中,汽车覆盖件如驾驶室、引擎盖等部件都是通过冲压成型的,而机械冲压对模具的磨损和破坏性很大。模具一旦磨损,冲压出来的产品质量 就会下降,为此必须更换新的模具,从而造成模具的浪费和消耗很大,如何提高模具的使用寿命成为该类企业降低生产成本、提高经济效益的重要途径和方法。此 前,由于该类模具比较大,进行热处理比较困难。很多企业往往不进行热处理或采用火焰法进行处理,效果往往很不理想。而受到技术条件的限制,激光热处理方法 在此类大型模具上也少有应用。
武汉大族金石凯激光系统有限公司开发的大型模具激光热处理设备,采用高功率CO2激光结合数控机床等设备对各种重型汽车 拉深、翻边、修边等模具进行表面淬火,以及对各种模具在使用过程中出现的裂纹、划伤、磨损、崩塌进行激光熔凝、合金化熔覆等表面强化工艺处理,使其抗磨损 性能及损伤阀值得到较大提高,硬度比淬火前提高约2.5倍,并得到0.2~0.4mm的淬火层深,从而提高了工件的耐磨性能3~5倍,大幅延长模具的使用 寿命,减少模具的消耗;同时,该设备还能对表面已经损伤或出现裂纹、崩塌的模具进行激光熔覆修复,使其重新得以利用,变废为新。
因此,激光熔覆技术的应用能大幅降低汽车覆盖件的生产成本,提高产品质量,是汽车零配件生产企业的重要技术装备。其普遍应用,对推进我国汽车零配件行业及相关其它行业的技术改造、提高经济效益、提高我国这些行业加入WTO后的竞争力具有非常重要的意义。
4、矿山机械零件的激光强化与修复
采掘机截齿
截齿是采掘机组上直接切割煤岩的关键零件,属易损件。其失效方式主要是磨损失效,磨损失效的主要形式为截齿端部基体磨损,导致合金头剥落。一般 的国内普通截齿抗磨损性能较差和较短的使用寿命较短的特点,从而加大了井下作业的强度,降低了生产效率。因此,研制一种工艺先进、技术稳定,并能提高截齿 端部的耐磨性,进而延长使用寿命的表面处理技术是十分必要的。
采用激光熔覆技术后,截齿平均显微硬度为HV800,洛氏硬度为65HRC;激光合金化截齿的平均显微硬度为HV1099,洛氏硬度为70HRC;激光淬火截齿的平均显微硬度为HV750,洛氏硬度为62HRC。激光熔覆和合金化工艺涂层与基体为冶金结合,结合强度高。
2008年,大族金石凯激光公司和合作伙伴采用6KW激光热处理熔覆设备激光强化截齿,并在新矿集团协庄煤矿掘进工作面进行工业应用实验。
实验巷道203运输巷为半煤岩巷道,硬度为5-6,断面尺寸为9.8m²;1403回风巷为半煤岩巷道,硬度为5-6,断面尺寸为11 m²。
激光熔覆截齿在203巷道掘进90米,后在1403巷道掘进60米,共开挖半煤岩1542m³。
表面合金化截齿在1403巷道掘进260米,开挖半煤岩2860 m³。
普通截齿在这种煤岩层只可以掘进30-50米。
经试验,激光强化截齿端头表面硬度、耐磨度有明显提高,截齿使用寿命显著延长。与普通截齿相比,激光熔覆截齿寿命延长了3-4倍,表面合金化截齿寿命延长5-6倍。
激光技术在截齿表面工程技术上的应用,是利用激光束能量高度集中、方向高度集中的特性,在大气环境下进行无污染操作,在廉价金属材料表面形成一 层硬度高、无裂纹,且与基体呈冶金结合的高性能涂层,将金属良好的坚韧性和涂层材料的高硬度、高化学稳定性、高耐磨性结合起来,创新了高性能涂层的生产工 艺。
应用抗磨损新型激光强化截齿,可以减少截齿更换检修时间、提高生产效率,同时又能节约大量的资金,对于建设节约性社会有着广泛而深远的意义。
矿用大型液压支架立柱
国内普通立柱是通过表面镀烙方法,来实现表面防生锈、防腐蚀,因为镀烙层耐磨性差,其寿命为1-1.5年,镀烙层会出现起皮、脱皮的现象,从而乳化液就会腐蚀立柱表面,影响液压支架的使用效果。
通过激光强化处理后的立柱,其基体表面硬度达到HV410。激光技术在立柱表面工程技术上的应用,是利用激光束能量高度集中、方向高度集中的特 性,在大气环境下进行无污染操作,在廉价金属材料表面形成一层硬度高、无裂纹,且与基体呈冶金结合的高性能涂层,将金属良好的坚韧性和涂层材料的高硬度、 高化学稳定性、高耐磨性结合起来,创新了高性能涂层的生产工艺。

新型激光强化不锈钢立柱使用寿命是国内立柱的5-6倍,具有技术先进、安全性能高、生产能力强等突出特点。应用新型激光强化不锈钢立柱,可以减少立柱更换检修时间、提高生产效率,同时又能节约大量的资金,对于建设节约型社会有着广泛而深远的意义。