激光熔覆技术再制造汽车发动机的应用研究

徐素明，孙维汉，李 娜

(南京交通职业技术学院汽车工程学院，江苏 南京 211188)

汽车工业的发展，导致了巨大的汽车报废量。报废的汽车发动机直接丢弃，不仅会对环境造成污染而且浪费资源。利用再制造技术对报废发动机进行再生和改进，能够使废旧发动机得以高质量地再生，而且成本只有新品的50%。与新制造发动机相比，节能60%，节材70%，对环境的不良影响降低 80%[1]，由此可见，再制造发动机具有显著的经济效益和社会效益。20世纪中期，发达国家已经通过再制造技术对汽车发动机进行再制造，经过60多年的发展形成了足够的规模，从技术标准、加工设备、生产工艺到销售和售后服务，已形成一套完整的体系。在我国，汽车发动机再制造还处于起步阶段，刚刚建立起汽车发动机再制造生产线，再制造技术水平还有待提升。

发动机再制造的质量水平，主要取决于表面工程技术。激光熔覆技术作为一种先进的表面工程技术，具有优质、高效、节能、节材、环保等优点。经过近半个世纪的发展，目前已经应用于航空航天、船舶工程、模具和轧辊等领域。目前，激光熔覆技术已初步进入汽车再制造领域，并显示出其他表面工程技术难以比拟的优点。

1 激光熔覆技术

激光熔覆是一种表面改性技术[2]。它通过不同的添料方式在被熔覆基体表面放置涂层材料，经激光辐照使之和基体表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低、与基体成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能[3]。

1.1 激光熔覆特点

激光熔覆采用高能量激光束(104～106W/cm2)使涂层材料(一般是粉末)瞬间熔化并凝固，涂层下面的基体金属也随之熔化，在很窄的范围内两种金属的界面迅速产生原子或者分子级的交互。该技术有如下特点[4-5]：1)熔覆层与基体冶金结合；2)消耗少，热输入和畸变小，涂层稀释度低；3)冷却快，凝固快速，容易得到细晶组织；4)采用光束瞄准，能够修复难以接近的区域。

1.2 激光熔覆设备

激光熔覆设备由激光器、工作台、送粉机构、数控系统等组成[5]，如图1所示。激光器产生激光束，通过光路系统和激光工作头作用于裂纹表面，产生高温；同时，送粉机构将金属粉末送入要修复的裂纹处，金属粉末和基体金属在激光作用下快速熔化、快速冷却，从而让两者结合在一起达到填补裂纹的效果。工作台采用计算机控制，可以根据裂纹的形状和大小自动而准确地移动，从而使修复的精度和质量达到合适的工艺水平。温度监测系统实时监测金属融化处的温度，并根据温度的变化及时调整激光功率，以保证修复对象达到最佳状态。

图1 激光熔覆设备

激光器是激光熔覆系统的核心部分，直接决定熔覆层的质量。当前最常用的激光器是CO2激光器、YAG固体激光器和准分子激光器。各种激光器的性能指标见表1。

表1 激光器的主要性能指标

1.3 激光工艺参数

影响熔覆层性能的因素非常多，包括激光工艺参数、熔覆材料、使用环境和加工工艺水平等。再制造过程应根据基体特性和熔覆材料，来确定激光工艺参数，同时通过调节传送粉速率和激光的扫描速度来控制熔覆层的质量[4-8]。

在汽车发动机的再制造过程中，调节各参数达到以下数值：激光输出功率为3.5kW，扫描速度为6mm/min，送粉率为10g/min，光斑直径为0.6 mm。在这样的激光参数与送粉速率下，熔覆层修复的效果都比较好。熔覆层的宽度由激光光斑的尺寸决定，在一定范围内，随激光的扫描速度的提高而变窄。熔覆层的高度与扫描速度和送粉率相关：激光的扫描速度增加，熔覆层高度降低；送粉率加大，熔覆层高度增加。在基体和粉末性质不变的条件下，送粉率决定熔覆层的表面张力的大小，粉末输送越快，熔覆层的表面张力越低。

2 汽车发动机再制造方案

2.1 发动机再制造的经济效益

利用再制造技术对报废产品进行再生和改进，能够使废旧发动机得以高质量的再生，创造出新的价值，并减少材料和能源的浪费，减少环境污染。表2中列出了旧汽车发动机再制造创造的经济利益。可见，发动机的再制造能创造更大的经济价值和环境价值，是社会可持续发展的方向，是具有强大生命力的新兴产业。

表2 典型发动机部件修复的经济效益表

2.2 发动机再制造方案

1)发动机拆卸。

再制造的前提是发动机的拆卸。发动机拆卸设计的准则：结构上可拆卸、拆卸工作量要小、容易拆卸。

2)发动机修复。

发动机的修复流程如图2所示。首先将拆卸零部件分为报废件、可再使用件和可再制造件。第二步对各部件进行分类处理：报废件根据不同情形回炉或者填埋；可再制造件通过表面工程技术进行修复；对可再使用件则评价其预期寿命，如果不达标，亦需对其进行改造修复。第三步对再制造后的各部件进行检验，需以高于新品标准检测再制造件。最后一步是重新装配发动机并检验其性能。

图2 发动机再制造的方案

总之，发动机再制造的原则是：对影响发动机寿命的主要零件(如曲轴、轴瓦、缸套、活塞环、凸轮与气门调整盘等)做重点处理，对相关配件(电机、水泵、机油泵等)做强化处理，并注意延长使用寿命后可能出现的其他情况 (如积碳、水垢等现象)。

3 激光再制造发动机的质量控制

3.1 再制造产品的检验项目

再制造过程的检测项目包括：再制造毛坯检测、再制造成品检测和破坏性抽检。再制造毛坯是再制造生产的原料，因此要检测毛坯的性能和形状，并对其质量进行检测，这是再制造质量控制的第一个关键环节。再制造成品检测是指在出厂或入库前的最后检验，包括对其外观、精度、性能及包装等的综合检测，其中最重要的是性能检测。破坏性抽检是指按一定比例抽出成品进行破坏性的性能检验，由于此项检验对产品具有破坏性，这个比例一般很小。

对再制造成品进行性能检测，最有效的方式是无损检测。无损检测技术包括超声检测、射线检测、红外检测等。它以不损坏被检测物体内部结构为前提，检测被检测物体内是否存在缺陷，从而评判被检测物是否合格，评价其适用性[9]。

3.2 再制造产品的性能分析与评估

再制造发动机的性能检测结果是判定其是否可以再应用的重要依据。零件经过修复后，不仅要求其外观和尺寸不变，性能方面也必须达到或超出原有零件的水平。性能分析主要是对再制造产品进行形貌分析、硬度检测、金相分析和耐蚀性分析等，验证其各方面的性能[10]。以下为相关的性能检测试验数据。

1)硬度检测。

使用硬度测量仪对激光熔覆再制造后的斯太尔发动机缸体进行硬度测试(取3个点测量硬度值)，对比熔覆前后的硬度值，结果见表3。从表3可以看出，未修复前试样的表面平均硬度为312.72HV0.2，修复后熔覆层的平均硬度达到782.60HV0.2，明显高出修复前的硬度。熔覆后的热影响区硬度略优于基体；基体的硬度基本上没有变化。这说明修复后的发动机的硬度得到了提升。

表3 发动机构件修复前后表面平均硬度

2)成分分析。

在材料为40Cr钢的曲轴表面熔覆Nr60粉末，并对熔覆层进行能谱分析，得到表4所示的能谱扫描定量结果。由表4可见，熔覆层中Ni元素含量最高，质量百分比(Wt%)为6.48%，原子百分比(At%)为5.75。基体和合金中都存在少量的Si和Cr，但所占的比例较少，这说明熔覆层杂质的含量并不是很多，质量较为稳定。

表4 熔覆层能谱扫描定量结果

3)耐腐蚀检测。

对熔覆Nr60粉末的40Cr钢曲轴进行耐腐蚀性测试，得到表5所示的结果。可以看出，曲轴经激光熔覆后的自腐蚀电位约为-581mV，电流密度为2.321μA/cm2；激光熔覆前的自腐蚀电位为-787mV，腐蚀电流密度为6.211μA/cm2。熔覆后自腐蚀电位增大，腐蚀电流密度降低，说明再制造产品的耐腐蚀性得到提升。

表5 激光熔覆前后电位及电流密度

综上数据表明，通过激光熔覆技术再制造的汽车发动机，其硬度、化学成分、耐腐蚀性等方面能够达到并优于原品的水平。因此，激光熔覆技术能够应用于汽车发动机的再制造生产，是一种发展前景广阔的再制造技术。

4 存在的问题与展望

目前，激光熔覆技术还未真正进入汽车发动机再制造领域。究其原因，存在以下问题：

1)激光熔覆层的质量不够稳定。激光熔覆过程中，由于加热和冷却速度极快，同时熔覆材料与基体材料之间在热膨胀系数、熔点以及润湿性等性能方面存在差异，使得熔覆层的表面和界面搭接处极易产生裂纹。

2)激光熔覆过程中的在线检测和自动化控制不够成熟。

3)激光熔覆技术“准入门槛高”。熔覆设备成本高，一次性投入大；同时，激光熔覆技术涉及到多学科的理论与知识，一定程度上限制了其推广。

激光熔覆技术尚需在基础理论研究、熔覆设备的研制与开发、激光熔覆材料的研制等方面进行深入的研究和探讨[3]。然而，激光熔覆作为一种先进的表面工程技术，具有优质、高效、节能、节材、环保等优点，一旦关键技术得到了解决，必将在汽车再制造领域中发挥重要的作用。激光熔覆技术未来必然会向着提升熔覆层质量、提升生产效率，以及提升自动化水平方向发展。

[1] 徐滨士,朱胜,史佩京.绿色再制造技术的创新发展[J].焊接技术,2016,45(5)：11-14.

[2] 徐滨士,刘世参.表面工程新技术[M].北京:国防工业出版社, 2002.

[3] 王东生,田宗军,沈理达,等.激光熔覆技术研究现状及其发展[J].应用激光,2012,32(6)：538-544.

[4] 张坚，邱斌，赵龙志. 激光熔覆技术研究进展[J].热加工工艺，2011,40(8)：116-119.

[5] 王立文.汽车发动机曲轴激光熔覆再制造工艺研究[D].重庆：重庆交通大学，2014.

[6] 蒋培红,高文斌. 激光表面处理技术应用[J]. 光电子技术与信息，1999(10):31-37.

[7] 徐恒钧. 国外激光表面处理的进展[J]. 北京工业大学学报，1998(9):130-136.

[8] 王新洪,邹增大,曲仕尧.表面熔融凝固强化技术——热喷图与堆焊技术[M].北京: 化学工业出版社，2005.

[9] 鲁春艳.无损检测技术在汽车工业上的应用[J].上海汽车，2006(12)：35-37.

[10] FOKES J A. Developments in laser surface modification and coating[J]. Surface and Coatings Technology, 1994,63(2)：65-71.