再制造是綠色循環(huán)經(jīng)濟科學發(fā)展的必然要求。進入21世紀，保護地球環(huán)境、構建循環(huán)經(jīng)濟、保持社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展已成為世界各國共同關心的話題。目前大力提倡的循環(huán)經(jīng)濟模式是追求更大經(jīng)濟效益、更少資源消耗、更低環(huán)境污染和更多勞動就業(yè)的一種先進經(jīng)濟模式。
    再制造工程以節(jié)約資源、節(jié)省能源、保護環(huán)境為特色，可使廢舊資源中蘊含的價值得到最大限度的開發(fā)和利用，緩解資源短缺與資源浪費的矛盾，減少大量的失效、報廢產品對環(huán)境的危害，是廢舊機電產品資源化的最佳形式和首選途徑，是節(jié)約資源的重要手段。再制造工程高度契合了國家構建循環(huán)經(jīng)濟的戰(zhàn)略需求，并為其提供了關鍵技術支撐，大力開展綠色再制造工程是實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的主要途徑之一。
    1　國內外再制造發(fā)展形勢
    1.1　國內外再制造發(fā)展
    20世紀初期，美國為了打破經(jīng)濟蕭條的困境，首次在汽車維修行業(yè)使用了再制造技術。進入20世紀后期，美國正式提出“再制造”。此后，其他工業(yè)發(fā)達國家開始大力發(fā)展再制造產業(yè)，目前在歐美發(fā)達國家已形成了重要產業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球再制造產業(yè)產值已超過1000億美元，美國的再制造產業(yè)規(guī)模最大，達到750億美元，其中汽車和工程機械等領域占2/3以上，約500億美元。就企業(yè)數(shù)量而言，全球約50%的再制造企業(yè)在美國，約30%在歐洲。美國和歐洲的再制造產品數(shù)量約為5億件，約占世界總量的80%。在再制造產業(yè)中，歷史最悠久和比例最大的是汽車行業(yè)，大約10%的轎車和卡車在其生命周期中需要更換一次發(fā)動機，2005年全世界銷售了大約6000萬件再制造產品。
    我國的再制造產業(yè)發(fā)展至今已有十幾年。目前，我國在實踐的基礎上探索形成了以高新技術為支撐、產學研相結合、循環(huán)經(jīng)濟、自主創(chuàng)新的具有中國特色再制造模式。中國特色再制造模式注重基礎研究與工程實踐結合，創(chuàng)新發(fā)展了再制造關鍵技術，構建了廢舊產品的再制造質量控制體系，保證了再制造產品的性能和可靠性；注重企業(yè)需求與學科建設融合，提升企業(yè)與實驗室核心競爭力，促進了國家循環(huán)經(jīng)濟建設。
    隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針的制定，極大地推動了國內再制造產業(yè)的發(fā)展，部分高校及企業(yè)紛紛開展了對先進再制造技術的開發(fā)應用。為了響應國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針，更好地滿足市場需求以及有效利用國內外先進技術，洛陽大華重型機械有限公司成立了洛陽瑞克循環(huán)利用科技有限公司，與澳大利亞LaserBond公司合作開展了激光熔覆增材制造項目，建立了一條大功率激光熔覆自動化生產線，實現(xiàn)對航空發(fā)動機、燃氣輪機、盾構機、電力機械、冶金機械、礦山機械等大型成套設備及工程機械、醫(yī)療設備、模具等機械零部件的修復再制造。該項目可節(jié)能約60%，節(jié)材約70%，促進循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)境友好型社會的建立。
    1.2　再制造生產面臨的問題
    由于再制造使用的是經(jīng)過長期服役的舊零部件，其損傷失效形式復雜多樣，殘余應力、內部裂紋和疲勞層的存在也導致壽命評估與服役周期復雜難測，再制造還要在保持廢舊零部件材質和形狀基本不變的前提下，采用高技術恢復原產品的尺寸標準，達到或超過原產品的性能指標、實現(xiàn)原產品的功能升級，同時，采用正規(guī)化、規(guī)�；�的加工手段，因此加工工藝更為復雜。
    1.3　再制造行業(yè)的發(fā)展模式
    從國內外制造及再制造產業(yè)的發(fā)展歷程看，“技術產業(yè)化”是一個普遍的發(fā)展模式。我國的再制造產業(yè)在這一環(huán)節(jié)上采取企業(yè)試點模式，總體上是分散化運作，產業(yè)集群能力明顯不足。鑒于再制造產業(yè)獨特的技術和相應的政策法規(guī)環(huán)境，建設再制造產業(yè)基地或園區(qū)成為再制造產業(yè)發(fā)展的一個重要模式。這一模式總體遵從“技術產業(yè)化、產業(yè)集聚化、集聚規(guī)模化、規(guī)模園區(qū)化、園區(qū)科學化”的建設理念，既可以有效地彌補當前再制造產業(yè)企業(yè)試點模式的不足，也可以帶動多支點產業(yè)的發(fā)展。通過再制造產業(yè)基地的建設，進一步加速現(xiàn)代裝備制造業(yè)基地建設步伐，著力提升工業(yè)核心競爭力，切實推動產業(yè)升級和結構轉型，實現(xiàn)制造和再制造產業(yè)的協(xié)調發(fā)展。
    2　激光再制造技術發(fā)展及其應用
    2.1　激光加工技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
    激光是20世紀的重大發(fā)明之一，具有巨大的技術潛力。激光加工是激光應用最有發(fā)展前途的領域，國外已開發(fā)出了20多種激光加工技術。激光的空間控制性和時間控制性很好，加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動化加工。激光加工系統(tǒng)與計算機數(shù)控技術相結合可構成高效自動化加工設備，為優(yōu)質、高效和低成本的加工生產開辟了廣闊的前景。
    激光加工技術是綠色再制造技術的重要支撐之一，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。激光加工技術的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在材料研發(fā)、工藝控制、加工系統(tǒng)智能化與機械化，以及新一代工業(yè)激光器研發(fā)等幾個方面。在材料研發(fā)方面，針對激光焊接、激光熔覆的材料種類，分別研制不同材料的激光焊接和熔覆材料及工藝。在工藝控制方面，對于激光焊接、熔覆而言，其發(fā)展趨勢是開發(fā)基于激光焊接、熔覆的在線監(jiān)控系統(tǒng)，對激光焊接、熔覆過程進行實時監(jiān)控，研發(fā)與激光焊接、熔覆相配套的復合工藝(如激光-電弧復合焊接)，提高激光焊接、熔覆的效率。在加工系統(tǒng)智能化與機械化方面，系統(tǒng)集成不僅指加工本身，而且還帶有實時監(jiān)測與反饋處理，加工系統(tǒng)智能化已成為必然的發(fā)展趨勢。為了提高激光焊接、切割、熔覆的工作效率，研發(fā)低成本智能化機器人并使其逐步得到推廣應用是必由之路。
    2.2　激光表面改性技術
    激光表面改性技術是在普通基材表面實現(xiàn)高性能的表面改性技術之一。通過激光與材料表面的相互作用，可以改變表面性能。用激光淬火、合金化及熔覆技術，實現(xiàn)耐磨性、耐蝕性及耐高溫性能。該技術克服了原來基材采用整體高合金帶來的制造工藝上的難題，實現(xiàn)了高性能低成本制造。針對不同工件、不同功能要求，采用不同的激光改性技術，實現(xiàn)工件的表面強化改性，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的表面處理工藝，對發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建立節(jié)約型社會起到重要作用。
    隨著我國制造業(yè)的崛起和發(fā)展，激光表面改性的市場需求正在快速增長。在“十一五”期間，隨著大功率工業(yè)型CO2激光器及其成套設備的發(fā)展，使激光表面合金化技術、激光誘導沉積技術、激光熔覆技術等激光再制造技術獲得飛速發(fā)展，在先進制造與再制造領域發(fā)揮重要作用，為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建設節(jié)約型社會提供技術支撐。
    2.2.1　激光熔覆技術
    激光熔覆是在工件表面加入熔覆材料(送粉、送絲等)，如圖1所示，通過高能激光加熱，使熔覆材料和基體表面薄層金屬熔化，此時靠工件自身的導熱，快速凝固為熔覆層，獲得工件所要求的具有各種特性的改性層或修復層。
    圖片
    圖1　激光熔覆示意
    激光熔覆加工過程依靠激光熔覆設備來實現(xiàn)，主要包括激光器(CO2激光器、YAG激光器、半導體激光器、光纖激光器等)、送粉系統(tǒng)(送粉器、粉末傳輸通道和噴嘴)、激光加工平臺、多軸機器人(通過程序控制實現(xiàn)自動化熔覆工藝)、氣體保護系統(tǒng)、跟蹤檢測與反饋系統(tǒng)，如圖2所示。
    1.示教器　2.機器人控制系統(tǒng)　3.計算機　4.激光器
    5.光纖輸出口　6.焊接機器人　7.機械臂　8.傳導光纖
    9.視覺跟蹤器　10.加工平臺　11.送粉頭　12.激光鏡頭
    13.顯微輸出端　14.送粉系統(tǒng)　15.送氣系統(tǒng)
    激光熔覆技術同其他表面強化技術相比，有如下優(yōu)點：
    (1)冷卻速度快，產生快速凝固組織，容易得到細晶組織或產生平衡態(tài)所無法得到的新相；
    (2)熱輸入小，畸變小，熔覆層稀釋率低；
    (3)合金粉末選擇幾乎沒有任何限制；
    (4)針對復雜件及難以接近的區(qū)域，激光熔覆工藝過程易實現(xiàn)自動化。
    2.2.2　激光合金化技術
    激光合金化技術是在工件表面加入合金元素，通過激光束加熱，使合金元素迅速融入已熔化的基體表面，快速凝固為合金層，達到工件所要求的耐磨、耐蝕、耐高溫等性能。其與激光熔覆最大的區(qū)別在于激光合金化是一種稀釋率很高的熔覆工藝，可使添加的合金元素和基材表層在液態(tài)下充分混合形成新的合金化層，從而獲得新的性能。
    激光合金化技術具有以下特性：
    (1)合金元素分布均勻，生產周期短；
    (2)可實現(xiàn)局部選取合金化，節(jié)省合金材料，降低制造成本；
    (3)與傳統(tǒng)的滲碳、滲氮、鍍鉻等技術相比，強化效果優(yōu)異，性價比較高；
    (4)通過激光合金化，可以抑制中間相的析出，擴大熱平衡相的固溶性和形成亞穩(wěn)晶體相，甚至形成非晶態(tài)合金組織。
    2.2.3　激光相變硬化技術
    激光相變硬化技術(激光淬火技術)是利用激光對工件表面的高速加熱和高速冷卻的性質，使基材中的珠光體組織迅速轉變?yōu)閵W氏體組織，通過自身熱傳導以104~106℃/s的速率快速冷卻，奧氏體組織通過無擴散過程轉變?yōu)榧毿〉鸟R氏體組織。
    激光相變硬化技術與常規(guī)硬化技術相比，雖然發(fā)展時間較短，但卻有著其他技術所不能比擬的優(yōu)勢：
    (1)激光淬火對工件表面的高速加熱和高速冷卻，有利于提高掃描速度及相應的生產效率；
    (2)激光淬火處理后，工件表面硬度比常規(guī)淬火高15%~20%，可獲得較細組織結構和硬化層；
    (3)激光加熱速度快，熱影響區(qū)小，工件變形小，產生的壓應力有助于提高工件的疲勞強度；
    (4)激光淬火可對工件的局部特殊位置進行硬化處理，也可以對同一工件不同部位進行不同的硬化處理；
    (5)激光淬火無需冷卻介質，對環(huán)境無污染。
    3　激光熔覆技術在再制造領域的主要應用
    激光熔覆技術是未來先進制造業(yè)中潛力最大的技術之一，目前廣泛用于礦山行業(yè)、鋼鐵行業(yè)、煤炭電力、機械制造等領域中，并取得了很好的經(jīng)濟和社會效益。結合洛陽瑞克循環(huán)利用科技有限公司與澳大利亞LaserBond合作建立的激光熔覆再制造項目，對激光再制造技術的應用情況及效果進行介紹。
    3.1　礦山機械行業(yè)
    礦山機械主要任務是為煤炭、鋼鐵、有色金屬、化工、建材等部門的礦山開采，以及為鐵路、公路、水電等大型工程的施工提供先進、高效的技術裝備。礦山機械在經(jīng)濟建設和社會發(fā)展中占有非常重要的作用，礦山機械制造業(yè)是國家建立獨立工業(yè)體系的基礎，也是衡量一個國家工業(yè)實力的重要標志，屬于國民經(jīng)濟的支柱行業(yè)。
    礦山機械行業(yè)由于其行業(yè)性質的特殊性，每年產生大量的廢舊零部件，據(jù)統(tǒng)計預測，到2020年，礦山機械平均報廢量將達近百萬噸，因此礦山機械再制造越來越受國家與企業(yè)的重視，這對推動我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義。隨著再制造技術的不斷發(fā)展完善，越來越多的礦山機械零部件通過再制造得以重新利用，變廢為寶，不僅減少了資源和能源的浪費，而且對于整個社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展起到積極的推動作用。
    3.1.1　破碎機主軸激光熔覆再制造
    破碎機在工作中，電動機通過傳動軸驅動主軸帶動動錐在偏心套的迫動下做旋擺運動，使物料在破碎腔內不斷受到?jīng)_擊、擠壓和彎曲作用，從而達到破碎物料的目的，這使得破碎機主軸在持續(xù)的高強度交變應力下工作。長期的摩擦及交變應力導致主軸表面組織受損，存在不同程度的磨損、燒傷及疲勞裂紋。
    洛陽瑞克循環(huán)利用科技有限公司采用激光熔覆再制造技術，結合先進的探傷儀器及機械加工手段，針對各系列受損破碎機主軸實現(xiàn)高效、高質量修復(見圖3)，解決了傳統(tǒng)修復手段所帶來的熱影響區(qū)淬硬、熱變形大、焊層晶粒組織粗大等問題。激光再制造修復后破碎機主軸使用壽命可提高2~3倍。
    3.1.2　鉆孔穩(wěn)定器
    鉆孔穩(wěn)定器是一種專用的機械鉆井工具。鉆桿柱在孔內高速回轉時，鉆孔穩(wěn)定器保持細長鉆桿平穩(wěn)運轉，使鉆頭軸線盡可能接近鉆孔中心線，減輕鉆桿柱彈性系統(tǒng)在孔內徑向和軸向的劇烈振動，減少鉆頭和鉆桿偏磨，保證鉆孔質量。
    穩(wěn)定器的材質為高強鋼，表面通常都經(jīng)過強化。在工作過程中，穩(wěn)定器在極其惡劣的環(huán)境中受到嚴重的磨損，從而使得穩(wěn)定效果下降，導致鉆孔質量下降。通過激光熔覆技術在表面熔覆耐磨合金層，提高基材表面的抗沖擊性能和耐磨耐蝕性能，延長了穩(wěn)定器的使用壽命，極大提高了鉆孔效率。
    3.1.3　液壓支架立柱激光熔覆再制造
    液壓支架是煤炭開采的核心設備之一，保證開采工作安全進行。液壓支架約占工作面成套設備成本的60%。立柱是液壓支架系統(tǒng)的關鍵零部件，起到重要的載荷傳遞作用。在持續(xù)高負荷工作過程中，由于井下環(huán)境惡劣，長期受到酸堿介質腐蝕，造成立柱腐蝕、電鍍層脫落、磨損，從而導致失效甚至報廢。
    通常采用傳統(tǒng)的鍍鉻手段對立柱表面進行防腐蝕強化，由于鍍層較薄，結合力不強，一般情況下，立柱維修2次后，無法再恢復到新品尺寸，不能再循環(huán)利用。徹底報廢的立柱需回爐冶煉，且鍍鉻工藝本身對環(huán)境污染較為嚴重，不符合國家提倡的節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展方針。
    激光熔覆再制造不受修復厚度及修復次數(shù)的限制，使用壽命長，且基本可避免回爐冶煉的工序。采用最新的激光熔覆再制造技術，使用高性能的合金粉末對立柱進行激光熔覆修復(見圖4)，修復后表面硬度高達50~55HRC，極大提高了立柱的耐磨耐蝕性能，使用壽命相比傳統(tǒng)工藝約提高3倍。據(jù)統(tǒng)計，全國報廢液壓支架立柱約為45萬t/a，如果采用激光熔覆再制造技術代替鍍鉻，可以節(jié)約用于廢棄回爐冶煉的標準煤19萬t/a，顯著減少大氣污染。
    3.1.4　截齒激光熔覆再制造
    掘進機依靠截齒剝離煤巖表面進行掘進作業(yè)。截齒磨損、刀頭脫落或破碎等原因會造成截齒損壞報廢。截齒使用壽命決定設備的工作效率及開采成本。
    采用激光熔覆技術對截齒的硬質合金頭進行增材制造(見圖5)，截齒硬度可達65HRC以上。激光熔覆工藝涂層與基體結合良好，使得激光強化區(qū)域對硬質合金頭起到充分的保護作用。與普通截齒相比，其耐磨性、強度、抗剪性等各方面性能得到明顯提高，使用壽命是普通處理后截齒的6~7倍。
    3.2　鋼鐵行業(yè)
    軋輥是軋材企業(yè)生產中的耗材。2012年，國內鋼鐵企業(yè)消耗的輥材已超過200萬t，是鋼鐵行業(yè)中設備最主要的耗材。鋼鐵企業(yè)熱軋工藝應用較多，熱軋輥須具備優(yōu)異的抗磨性，軋輥材質組織緊密，硬度分布均勻，具有較低的熱膨脹系數(shù)及較高的散熱能力，以及高溫穩(wěn)定性能、抗氧化及抗高溫蠕變性能。軋輥質量直接影響著軋機的效率及產品質量，因此對修復具有很高的技術要求。
    通常軋輥的失效方式有熱龜裂、剝落、疲勞磨損、磨料磨損等。采用激光熔覆技術，針對軋輥材質、工作環(huán)境、技術要求，選擇對應的熔覆合金粉末及熔覆工藝，熔覆層與基材實現(xiàn)良好的冶金結合，熔覆層組織致密細小，表面硬度可達到50~60HRC，起到了很好的強化修復作用(見圖6)。修復后的軋輥表面耐磨耐沖擊等使用性能相比傳統(tǒng)修復工藝提高數(shù)倍，價格約為新軋輥的1/3。
    3.3　機械制造行業(yè)
    3.3.1　減速機驅動軸激光熔覆再制造
    減速機驅動軸長時間使用后磨損嚴重，導致失效甚至報廢。若直接更換減速機驅動軸，周期長，價格昂貴，較好的方法是選擇適當?shù)墓に噷δ�損區(qū)域進行激光熔覆修復。
    洛陽瑞克循環(huán)利用科技有限公司通過現(xiàn)場技術交流及材質檢測，針對減速機驅動軸的使用技術要求及材質，建立了一套合理完善的修復方案，采用引進的澳大利亞LaserBond激光熔覆技術，使用進口激光熔覆專用合金粉末對其進行修復(見圖7)，不僅恢復原始尺寸，更起到了表面強化作用。修復后表面硬度達51~53HRC，極大提高了耐磨耐蝕性能。
    3.3.2　螺旋輸送器
    螺旋輸送器主要是靠螺桿的轉動，將物料向前傳送。在工作過程中，螺桿與物料之間發(fā)生摩擦碰撞，螺桿表面會出現(xiàn)較為嚴重的磨損現(xiàn)象，降低了物料輸送效率。采用激光熔覆技術，在其表面進行耐磨耐腐蝕熔覆(見圖8)，可大大提高其耐沖擊、耐磨及耐蝕性能，是傳統(tǒng)修復方法使用壽命的4倍。
    4　存在的問題
    激光再制造技術是一項多學科交叉的新興領域，還有許多問題需要探索。要實現(xiàn)更加廣泛的應用，需要解決以下問題：
    (1)提升國產工業(yè)型大功率CO2和YAG激光器的質量；
    (2)加快研發(fā)激光表面改性質量控制系統(tǒng)；
    (3)研究解決激光表面改性技術存在的殘余應力及裂紋機理問題；
    (4)建立實用性的專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，探索更優(yōu)的工藝流程，提高技術穩(wěn)定性。
    5　結語
    基于國內外再制造產業(yè)發(fā)展基礎，中國的再制造產業(yè)發(fā)展應圍繞科技創(chuàng)新為本，全面建設再制造配套服務體系，為再制造產業(yè)發(fā)展創(chuàng)造優(yōu)良的環(huán)境。激光再制造技術是未來工業(yè)應用潛力最大的技術之一，會在各行業(yè)得到更為廣泛的應用。隨著激光表面改性技術的不斷發(fā)展，將在我國先進制造及再制造領域發(fā)揮重要作用，為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建立節(jié)約型社會提供有力的技術支撐。