矿用机械易损部件激光熔覆再制造可行性研究报告

..word..矿用机械易损部件激光熔覆再制造可行性研究报告2016年4月15日前言目前，国内已有矿用机械易损部件激光熔覆再制造技术的应用，再制造工程可以使得磨损表面得到修复，恢复零部件使用性能。也可在设备使用前将易损部位提前熔覆保护层，增强其耐磨性、耐腐蚀性，使设备的使用寿命更长。再制造工程和产业化可为企业带来巨大利润，成为新的经济增长点。通过再制造产业化方式，企业可以减少设备投资，修旧复用，降低生产成本，节省资金、节能、节材和保护环境，增强企业的市场竞争力，具有良好的经济效益和社会效益。煤炭行业现状目前，在多种因素的作用下，煤炭企业运行十分困难。全国煤企2015年亏损面已经超过八成，且因为产能过剩很严重，2016年仍旧不乐观。目前，相关部门多次强调，要加快对长期亏损、产能过剩严重的“僵尸”企业的重组整合或退出。煤炭行业也因此成为承受重压的行业。2015年以来，煤价已下跌三成，降到不如土豆的价格，坑口吨煤价格甚至卖不过一立方沙子。很多煤企更是巨亏，不得不通过降薪、甚至停薪留职、内部休假等手段来降本增效。但即便如此，煤炭“僵尸”企业为了维持现金流，宁愿亏损也不停产。但实际上，随着煤价不断降低，煤企的资金链已经快顶不住。数据显示，目前煤炭行业平均资产负债率已经达到67.7%，处于2000年以来最高水平。面对经营环境恶化日益严重，坚持可持续性发展已经成为所有煤炭企业的共识。循环经济突破传统观念的束缚，旨在对有限的资源进行高效的重复循环利用。经济发展是建立在维护自然生态系统良性运行的基础上，注重减少资源消耗、降低废弃物排放和提高资源使用率，最大限度地实现资源的有效利用。煤炭企业，作为典型的资产密集型企业，其生产能力、生产效率、企业利润在很大程度上取决于设备完好的水平。其中，设备保养和维修也是重要组成部分。目前煤矿企业的现状，要求煤矿机电设备高效的重复循环利用，延长设备的使用寿命，以节约生产成本。故而加强对煤矿机电设备的维修和重复利用将有广阔的空间和利润。企业集团应鼓励内部企业积极开展设备维修业务，节省资金、提高企业的经济效益和社会效益。二、矿用机械易损部件激光熔覆再制造技术案例分析目前，国内已有矿用机械易损部件激光熔覆再制造技术的应用，再制造工程可以使得磨损表面得到修复，恢复零部件使用性能。也可在设备使用前将易损部位提前熔覆保护层，增强其耐磨性、耐腐蚀性，使设备的使用寿命更长。再制造工程和产业化可为企业带来巨大利润，成为新的经济增长点。通过再制造产业化方式，企业可以减少设备投资，修旧复用，降低生产成本，节省资金、节能、节材和保护环境，增强企业的市场竞争力，具有良好的经济效益和社会效益。（一）、刮板输送机关键零部件的激光熔覆再制造项目刮板输送机使用环境恶劣，工况苛刻，大量零部件工作表面由于磨损失效而造成整机报废，激光熔覆再制造技术可以使刮板输送机关键零部件的磨损表面得到修复，恢复零部件使用性能。刮板输送机关键零部件的重复再制造工程可以最大限度地利用废旧资源中蕴含的价值。有利于缓解煤矿企业设备完好和资金不足的矛盾。1、经济效益分析据不完全统计，目前全国煤机年产值达到1500亿-1600亿，在用采煤设备为1300多套，其中刮板输送机近40万m，每年购置刮板机耗资180亿元左右。全国范围内每年都有大量的煤机装备报废，废旧装备是开展再制造的资源基础。2009年，全国报废刮板输送机195173t；2010年，全国将报废刮板输送机238434t。按照新品价格30%-40%折价计算，预计维修市场每年市场容量为450亿-640亿。据山东新汶矿业集团统计，2013年前，每年新采购、新制刮板输送机、转载机20台左右，耗资1.2亿元。截止目前，设备在用量达到103台。若其中的50％具有修复价值，则可满足产能3亿元人民币的再制造工程的资源供应。1.1中部槽重复再制造经济效益分析全国规模以上煤炭企业已失效报废的中部槽100多万节，再制造可修复使用的中部槽达到50万节之多，利润高达62亿多。按年再制造1200节中部槽，一节新中部槽3万元，再制造费用按新品60%计算，预期可为公司创造利润200余万元（利润按10%计算）。中部槽的激光熔覆采用激光器，激光功率为7千瓦，每节中部槽激光熔覆约需要0.7小时，每节中部槽需要采用激光熔覆专用粉末约2.5公斤，熔覆层厚度约为1.5mm，熔覆后无需机械加工即可使用。每节中部槽激光熔覆成本大致如下：粉末成本：200元/公斤（粉末成本）×3.5公斤=700元/节电费：15（激光设备每小时耗电）×0.7（每节需要熔覆时间）≈10元/节激光器输出窗口镜、外光路聚焦镜片和干燥剂费用：10元/小时×0.7（每节需要熔覆时间）=7元/节激光加工设备折旧和维护成本：30元/小时×0.7（每节需要熔覆时间）=21元/节人工费（含工人、技术员、管理员和销售员等）：70元/小时×0.7（每节需要熔覆时间）=49元/节推广宣传和运输等：300元/节厂房建设和维护费用、水电费：100元/节杂费（包含抹布、砂纸、清洗剂、打磨机和冷水机组用蒸馏水等）3元/小时×0.7（每平米需要熔覆时间）=21元/节每节中部槽激光熔覆成本合计：700+10+7+21+49+300+100+21≈1208元/节每节中部槽激光熔覆总加工费：3000元/节目前年均中部槽激光熔覆加工节数：1200节目前年均中部槽激光熔覆加工总额：3000元/节×1200节=360万元目前年均中部槽激光熔覆加工利润约：（3000-1208）×1200节≈215万元同时，每节中部槽一次熔覆强化后，即可节约1.5吨钢材，经多次激光熔覆强化处理，该中部槽可以循环利用，使用寿命可延长2-3倍。提高煤炭产量的同时，显著减少煤炭企业更换中部槽的成本。1.2新制中部槽与再制造对比经济效益对比分析新制中部槽与再制造对比分析成本过煤量吨煤成本新制730中部槽2万120万吨166.7元/万吨再制造730中部槽1.2万150万吨80元/万吨新制1米中部槽4万290万吨137.9元/万吨再制造1米中部槽2.4万260万吨92.3元/万吨1.3.刮板重复再制造经济效益分析易磨损件刮板占刮板输送机、转载机总重量的4％，对其进行再制造修复，则可创利216万元。新生产、再制造维修刮板基础数据如下：平均一个刮板的重量：50kg年再制造维修刮板数量：2000个一个刮板价格：1800元平均一个刮板再制造费用：新品×60%其中，粉末成本：220元/公斤×3公斤=660元经济效益=2000×1800×60%=216万元再制造利润最高的为刮板输送机、转载机中的链轮轴组传动部分，如链轮、轴等，都可以进行再制造修复。2、社会效益分析目前国内激光熔覆再制造技术基本成熟，再制造产业已初具规模，再制造各类废旧零部件数量逐年增加，效益十分显著。刮板输送机关键零部件的重复再制造项目完成后，能够直接为煤矿机械行业创益，首先缓解公司的经济压力；能够降低煤矿生产成本，缓解煤矿压力，减少煤矿机械报废量；再制造关键零部件在刮板机上的应用真正做到节能环保，从很大程度上降低环境保护的压力。同时该项目将相应创造大量的工作岗位，缓解社会就业压力。3、环境效益分析刮板输送机关键零部件的激光熔覆重复再制造后的产品各项指标达到或超过新机标准。同时，激光熔覆再制造技术几乎不产生固体废物，大气污染物排放量比制造新刮板输送机关键零部件降低80%以上。环境效益非常明显。4、再制造溜槽、轴、链轮、刮板等图片再制造溜槽图片轴再制造前后对比图片再制造刮板图片再制造链轮图片、再制造轴图片（二、）液压支架立柱激光熔覆再制造项目液压支架立柱是煤矿机械关键设备，立柱长期在酸性腐蚀介质中工作，立柱表面承受着腐蚀、磨损和冲击。目前立柱修复主要采用电镀工艺，该工艺存在修复后的立柱使用寿命短、可修复次数少和环境污染严重等问题，因此，需要一种新修复技术取代电镀修复技术。相比较于电镀、电焊和氩弧焊等传统表面涂层技术，激光熔覆技术具有如下一些优点:①涂层与基体为牢固的冶金结合;②加热和冷却速度快，涂层组织致密;③基体热变形和稀释率小。国内2009年已开始规模采用激光熔覆技术用于立柱的再制造，并在煤矿井下现场试用，通过近六年的生产与使用，获得大量相关的实践经验数据。1激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱的性能比较电镀修复是目前主要的立柱修复技术，而激光熔覆再制造是新型的立柱修复技术。模拟试验和实际应用已经证明，激光熔覆再制造立柱的性能远高于电镀修复立柱的性能。图1激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱模拟对比试验是按照中国煤炭行业标准MT313－92，模拟液压支架立柱实际工作环境，对激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱的性能(密封性能、耐久性能和强度等)进行对比检测试验，可见，在模拟环境下，激光熔覆再制造立柱使用寿命是电镀修复立柱使用寿命的6倍。图2激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱实际使用寿命对比是激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱在同一煤矿同一工作条件下的实际使用寿命对比，应当说明的是，电镀修复立柱使用寿命约为1年－1．5年，激光熔覆再制造立柱，使用时间已近6年，所有立柱尚未出现明显生锈和密封性能下降等质量问题，因此目前无法准确得知激光熔覆再制造立柱的实际使用寿命。据保守估计，在实际工作环境下，激光熔覆再制造立柱实际使用寿命至少应为电镀修复立柱实际使用寿命的6倍。激光熔覆再制造立柱的性能远高于电镀修复立柱性能的原因在于:①激光熔覆层与立柱基体是牢固的冶金结合层;②在成分和组织方面经过专门设计的激光熔覆不锈钢涂层组织致密，无裂纹和气孔;③熔覆层厚，强韧性好。因此激光熔覆再制造立柱具有很好的耐腐蚀、耐磨和抗冲击性能，而电镀镀层与立柱基体结合强度低，镀层中微裂纹和针孔多，耐腐蚀和耐磨损性能低镀层薄而且脆不耐冲击。经济效益分析2．1目前立柱的激光熔覆再制造和电镀修复各环节费用和市场售价的比较无论是立柱的激光熔覆再制造还是立柱的电镀修复，其市场价格主要由以下6个部分决定:拆装、运输、清洗、激光熔覆或电镀、机械加工和利润。以上各部分的大致费用见表1，由该表可见，对于立柱的修复或再制造而言，无论采用何种工艺，拆装、运输、清洗、机械加工的成本相差不大。上述两种工艺主要不同之处在于:①激光熔覆或电镀部分。单一激光熔覆部分的成本(约为3000元/m2)大致为单一电镀部分成本(约为500元/m2)的6倍;②利润部分和市场售价。由于激光熔覆再制造立柱的使用寿命约为电镀修复立柱使用寿命的6倍，因此，如表1所示，目前单位表面积激光熔覆再制造立柱的市场售价和利润比电镀修复立柱的市场售价和利润高出很多。应当说明的是，表1主要是根据外地公司情况而言，表1中各个因素的数值显然会随立柱修理时运输距离和修理厂家等情况的不同而有所不同，因此，表1中的数据是大致的，并非精确数值。表1(2015年)单位表面积两种工艺各部分成本和市场售价的比较(元/m2)2．2激光熔覆再制造立柱经济效益发展趋势激光熔覆再制造立柱是一种新的技术，该技术已应用时间较短，其成本和利润随时间会有较大改变。图3显示了激光熔覆再制造立柱整个过程中激光熔覆环节的成本随时间变化而变化的情况，该图显示在激光熔覆再制造立柱技术应用初期(即2009年)，激光熔覆成本非常高，约为8500元/m2。目前(即2016年)，激光熔覆成本已降低到3000元/m2，预计到2018年，激光熔覆成本可降低到2500元/m2。从长远发展而言，除去通货膨胀因素，预计到2025年后，激光熔覆成本可降低到2000元/m2左右。激光熔覆成本不断下降的主要原因在于:在该技术应用初期，激光加工设备投资和研发成本很高，粉末总需求量少，加工量很少，因此激光熔覆成本很高;目前，设备投资和研发成本相对明显降低，部分二氧化碳激光器被大功率半导体激光器取代，生产过程中用电和用气费用下降，而粉末的大量生产导致粉末单位成本明显下降，激光熔覆加工量明显增多，成本明显降低;未来几年，随着大功率半导体激光器全面取代二氧化碳激光器作为激光熔覆主要加工设备，生产过程中用电和用气费用继续下降，激光熔覆成本会继续下降;从长远发展来看，随着大功率半导体激光器和光纤激光器等新型高性能激光器的规模化生产、性能提升和国产化，激光器的购置和运行成本继续降低，激光熔覆生产效率持续增加，激光熔覆再制造立柱也会彻底取代电镀修复立柱导致加工量显著增加，规模化效益显著，激光熔覆成本会继续下降到一定程度。图3单位表面积立柱的激光熔覆成本变化趋势图4激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱的成本、利润和市场售价随时间变化趋势1—激光熔覆再制造立柱的市场售价2—立柱激光熔覆再制造立柱的成本3—激光熔覆再制造立柱的利润4—电镀修复立柱的市场售价5—电镀修复立柱的利润6—电镀修复立柱的成本图4显示了激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱的成本、利润和市场售价(即客户愿支付的价格)随时间变化而变化的情况。激光熔覆再制造立柱或电镀修复立柱的成本包括拆装、运输、清洗、激光熔覆或电镀和机械加工这五个部分的成本。由图4可见:①电镀修复立柱的成本、利润和市场售价基本保持不变，其原因在于电镀修复立柱的技术和市场已经成熟和稳定;②激光熔覆再制造立柱的成本最初(2009年)很高，达8500元/m2，成本随时间明显下降，(2015年)达3000元/m2，到2018年预计达2000元/m2，到2025年预计低于2000元/m2，其后由于激光熔覆再制造各环节的技术和市场趋于稳定，成本变化不大;激光熔覆再制造立柱的利润最初(2009年)仅约500元/m2，随后几年(2010－2012年)，由于市场售价基本不变，而成本下降显著，2012年利润高达3000元/m2，2012年后，市场售价下降明显，而成本下降相对较小，单位表面积利润相对2012年有所减少，基本保持在1000元/m2左右。尽管由于市场竞争的原因，未来几年单位表面积激光熔覆再制造立柱的利润会有所降低，但由于该技术的性价比持续增加，该技术市场会明显增加，使用该技术的加工企业的总利润应继续增加。图5激光熔覆再制造立柱性价比和电镀修复立柱性价比的发展趋势2．3激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱性价比的比较图5显示了激光熔覆再制造立柱性价比和电镀修复立柱性价比随时间变化而变化的情况，性价比用再制造或修复后的立柱使用寿命(年)除以市场售价来衡量。图5表明:①电镀修复立柱性价比基本不随时间变化，保持在0．66左右;②激光熔覆再制造立柱性价比在2009年－2012年保持在0．75左右，随后，性价比随时间逐渐增加，2014年达1．25左右，预计到2018年达1．36左右，到2025年达1．5左右。可见，目前(2015年)激光熔覆再制造立柱性价比(1．25)相对电镀修复立柱性价比(0．66)已有相当优势，随时间增加，前者相对后者会有绝对优势。因此，激光熔覆再制造立柱技术将来取代电镀修复立柱技术是不可避免的。3环境利益分析激光熔覆再制造立柱的主要环境利益应从防止报废立柱回炉冶炼和消除电镀污染两个方面来分析:3．1防止报废立柱回炉冶炼由于电镀层厚度的限制，立柱维修2次－3次后由于厚度无法再恢复到新品尺寸就无法再使用，从而彻底报废。报废立柱一般会回炉冶炼重新利用，这显然需要大量的煤作为能源，也会带来CO2和SO2的污染。由于激光熔覆再制造不受修复厚度和修复次数的限制，而且激光熔覆再制造立柱的使用寿命长，因此，一般而言，如果立柱均采用激光熔覆再制造技术，就不会存在报废立柱回炉冶炼的情况。据估计，全国每年报废液压支架立柱约45万吨。如果激光熔覆再制造立柱技术在全国得以应用，则每年可以节约的煤和可以减少的CO2和SO2污染排放量见表2。3．2减少电镀污染电镀过程中会产生大量危害人体健康的含六价铬废水，另外，电镀前需要对工件进行酸洗，会产生大量酸洗废水和清洗废水，激光熔覆再制造立柱所有过程中则不会产生污染环境的废水。若全国立柱均用激光熔覆再制造取代电镀修复，则每年可以消除的废水大致数量见表2。表2激光熔覆再制造立柱的环境利益统计表4.结论激光熔覆再制造立柱技术相对电镀修复立柱技术在性能、经济效益和环境效益方面有着明显优势。在立柱修复行业中，激光熔覆再制造技术将会逐渐取代电镀修复技术。5、激光熔覆液压支柱图片立柱熔覆设备立柱熔覆过程中立柱熔覆前后对比立柱熔覆后清理三、激光熔覆技术介绍

1、激光熔覆是指在母材表面冶金结合上一层功能涂层，类似于堆焊，可用于零部件修复或使用前强化，提高零部件的强度、韧性、耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能，延长设备的使用寿命。激光辐射的能量释放迅速，点焊过程只有几毫秒；能量密度很高，热量集中，作用时间很短；激光可用反射镜或偏转棱镜将其在任何方向上弯曲或聚焦，可以用光导纤维引导到难以接近的部位；激光可对绝缘材料直接焊接。激光焊接特别适合微型，精密，排列非常密集和热敏感材料的焊件。激光焊接原理

激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104~105W/cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105~107W/cm2时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。

2、激光深熔焊接的原理：激光深熔焊接一般采用连续激光光束完成材料的连接，其冶金物理过程与电子束焊接极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”（Key-hole）结构来完成的。在足够高的功率密度激光照射下，材料产生蒸发并形成小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体，几乎吸收全部的入射光束能量，孔腔内平衡温度达25000C左右，热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周包围着固体材料（而在大多数常规焊接过程和激光传导焊接中，能量首先沉积于工件表面，然后靠传递输送到内部）。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外的材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定状态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属充填着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快，使焊接速度很容易达到每分钟数米。3、激光深熔焊接的本质特征为小孔效应：

当高功率密度激光束入射到金属表面时，材料被迅速加热，由于热传导作用，材料将产生熔化、蒸发。如果材料蒸发速度足够高，激光束将在金属中打出一个小孔，在小孔内，金属蒸气反冲压力与液态静压力、表面张力之间的作用的动态平衡将维持小孔的存在。在激光深熔焊接中，由于存在小孔，激光束能深入到材料内部，被熔化的液态金属环绕在小孔的周围，激光对材料的热输入主要是在小孔壁上的液化界面上，随着激光束的移动，小孔前沿的金属被熔化、汽化，而在小孔后部，液态金属重新凝固形成焊缝。由于小孔附近的很大温度梯度，使小孔周围的金属熔体产生很大的表面张力梯度，其相应的金属蒸气反冲压力使小孔前沿产生强烈的环流。熔池前端穿透焊件而形成一个小孔，焰流穿过母材而喷出，称为“小孔效应”。

4、激光深熔焊的特征：

1)高的深宽比。熔融金属围着圆柱形高温蒸气腔体形成并延伸向工件，焊缝就变成深而窄。

2)最小热输入。小孔内的温度非常高，熔化过程发生得极快，输入工件热量很低，热变形和热影响区很小。

3)高致密性。充满高温蒸气的小孔有利于焊接熔池搅拌和气体逸出，导致生成无气孔的熔透焊缝。焊后高的冷却速度又易使焊缝组织细微化。

4)强固焊缝。炽热热源和对非金属组分的充分吸收，降低杂质含量、改变夹杂尺寸和其在熔池中的分布。焊接过程无需电极或填充焊丝，熔化区受污染少，使得焊缝强度、韧性至少相当于甚至超过母体金属。

5)精确控制。聚焦光点很小，焊缝可以高精确定位。激光输出无“惯性”，可在高速下急停和重新起始，用数控光束移动技术则可焊接复杂工件。

6)非接触大气焊接过程。因为能量来自光子束，与工件无物理接触，所以没有外力施加工件。另外，磁和空气对激光都无影响。

5、激光熔覆技术应用

1）激光熔覆技术，是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法。

2）如对60#钢进行碳钨激光熔覆后，硬度最高达2200HV以上，耐磨损性能为基体60#钢的20倍左右。在Q235钢表面激光熔覆CoCrSiB合金后，将其耐磨性与火焰喷涂的耐蚀性进行了对比，发现前者的耐蚀性明显高于后者。

3）激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节约贵重稀有金属材料，因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视.6、.激光熔覆工艺特点

激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类：粉末预置法和同步送粉法。两种方法效果相似，同步送粉法具有易实现自动化控制，激光能量吸收率高，无内部气孔，尤其熔覆金属陶瓷，可以显著提高熔覆层的抗开裂性能，使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点。

7、.激光熔覆优点

1）冷却速度快（高达106K/s），属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等。

2）涂层稀释率低（一般小于5%），与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控；

3）热输入和畸变较小，尤其是采用高HYPE