模具的激光修復

摘要：利用激光熔敷合金粉末的方法對模具進(jìn)行了修復。研究了工藝參數對熔敷效果的影響，并對其修復過(guò)程進(jìn)行了分析。結果表明，預處理、送粉量、激光的掃描速度是決定模具修復質(zhì)量的關(guān)鍵。通過(guò)優(yōu)化工藝參數、機體預熱的方法可以提高模具修復質(zhì)量。

 

　　模具使用壽命取決于抗磨損和抗機械損傷能力，一旦磨損過(guò)度或機械損傷，須經(jīng)修復才能恢復使用。目前可采用的修復技術(shù)有電鍍、電弧或火焰堆焊、熱噴涂(火焰、等離子)等。電鍍層一般很薄，不超過(guò)0.3mm，而且與基體結合差，形狀損壞部位難于修復，在堆焊、熱噴涂或噴焊時(shí)，熱量注入大，能量不集中，模具熱影響區大，易畸變甚至開(kāi)裂，噴涂層稀釋率大，降低了基體和材料的性能。

　　利用激光熔覆的方法可實(shí)現對模具的修復。用高功率激光束以恒定功率P與熱粉流同時(shí)入射到模具表面上，一部分入射光被反射，一部分光被吸收，瞬時(shí)被吸收的能量超過(guò)臨界值后，金屬熔化產(chǎn)生熔池，然后快速凝固形成冶金結合的覆層。激光束根據CAD二次開(kāi)發(fā)的應用程序給定的路線(xiàn)，來(lái)回掃描逐線(xiàn)逐層地修復模具。由于激光束的高能密度所產(chǎn)生的近似絕熱的快速加熱，對基體的熱影響較小，引起的畸變可以忽略，特別是經(jīng)過(guò)修復后的模具幾乎不需再加工。

　　1 激光修復系統

　　激光修復技術(shù)是集高功率激光、計算機、數控機床、CAD/ CAM、先進(jìn)材料、數控技術(shù)等多學(xué)科的應用技術(shù)。修復系統主要由硬件設備和制造過(guò)程軟件組成。硬件設備包括激光器、數控系統及工作臺、送粉裝置、光路系統、水冷裝置、保護氣系統和在線(xiàn)控制所涉及的數據采集裝置。軟件系統包括制造零件成型軟件擻據通訊和在線(xiàn)控制軟件。激光修復過(guò)程如圖2所示。CO2激光器發(fā)出的激光經(jīng)CNC數控機床Z軸(垂直工作臺)反射鏡后，進(jìn)入三維光束成形聚焦組合鏡，再進(jìn)入同軸送粉工作頭，組合鏡和工作頭都固定在機床Z軸上，由數控系統統一控制。載氣式送粉器將粉末均勻輸送到分粉器的同軸送粉工作頭。

　　模具位于CNC數控工作臺X-Y平面上，根據CNC指令，工作臺、組合鏡和送粉頭按給定的CAD程序運動(dòng)。同時(shí)加入激光和粉末，逐層熔敷。在溫度檢測和控制系統作用下，使模具恢復原始尺寸。為保證熔覆材料(金屬粉末)和基體(模具)材料實(shí)現冶金結合，以及模具的尺寸精度、表面光潔度和材料性能，需將φ50mm圓形多模1kW-5kW高功率激光束變換成強度均勻分布的圓形光束，光斑尺寸可調(光路系統)，并配有水冷系統和光束頭氣體保護系統，同時(shí)需重點(diǎn)考慮同軸送粉裝置和現場(chǎng)控制系統的設計。
1.1 同軸送粉裝置

　　穩定可靠的粉末輸送系統是金屬零件修復質(zhì)量的重要保證。粉末輸送的波動(dòng)將影響修復的質(zhì)量。激光修復對送粉的基本要求是連續、穩定、均勻和可控地把粉末送入激光熔池。送粉裝置由送粉器和同軸送粉嘴組成。在送粉器的粉斗下部，由于平衡氣壓的作用形成氣固兩相流化，并從導管開(kāi)孔，隨載氣輸送粉末。送粉量由輸送氣體的壓力調節，拓寬了送粉范圍，實(shí)現從5g/min-150g/min均勻連續可調送粉，送粉精度高達±5。設計的載氣同軸粉嘴，消除了氣體壓力波動(dòng)引起的4路送粉不均勻，并使工作距離加大，且連續可調。

　　1.2 模具修復過(guò)程的控制

　　在理論上，熔池溫度場(chǎng)決定修復過(guò)程的宏觀(guān)與微觀(guān)質(zhì)量，因此在激光熔覆層質(zhì)量控制過(guò)程中，表征熔覆層熔池溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)檢測非常重要。采用紅外測溫技術(shù)來(lái)檢測激光加工區域的溫度場(chǎng)，結合溫度場(chǎng)標定結果推導出實(shí)際的溫度場(chǎng)信息，來(lái)控制激光器功率輸出值以及CNC機床的運動(dòng)速度，以保持熔池溫度穩定，避免零件由于過(guò)熱或溫度不均產(chǎn)生裂紋氣孔等缺陷。虛線(xiàn)范圍內所示的是比色測溫儀，光路系統選用單臺相機，切換不同濾色片的單通道圖像記錄方式。濾光片及其控制保證兩個(gè)濾光片(804.5nm和894.6n m)交替置于數字相機圖像記錄光路中，移動(dòng)響應時(shí)間<10ms，由計算機控制的高精度步進(jìn)電機實(shí)現準確定位。軟件包括三部分：①控制濾光片轉入記錄光路機械控制部分;②進(jìn)行實(shí)時(shí)的同步圖像采集、處理以及溫度場(chǎng)標定和計算;③用測量溫度變化量所得到的過(guò)程參數，調節激光功率和機床運動(dòng)速度。

1.3 激光修復模具工藝參數

　　激光修復伴隨著(zhù)傳熱、輻射、固化、分子取相及結晶等物理和化學(xué)變化，是個(gè)多參數過(guò)程。激光功率P、掃描速度、送粉量、熔池溫度等都會(huì )對其產(chǎn)生影響。因此必須把參數合理地組合，以確保修復工作是在涂覆特性可知的情況下進(jìn)行。在激光熔敷過(guò)程中，如果不采用特殊的工藝過(guò)程對基材的熱輸入量進(jìn)行控制，將會(huì )使熔敷層與基體結合程度不理想，或在熔層表面和熔敷層與基材的過(guò)渡區產(chǎn)生裂紋。因此，合理地選擇工藝參數是激光熔覆技術(shù)用于模具維修的關(guān)鍵因素。

　　根據物理冶金原理，熔敷材料和基體材料必須加熱到足夠高的溫度才能滿(mǎn)足實(shí)現冶金反應所無(wú)原則的條件，最終形成幾何外形規則的熔敷層，見(jiàn)圖1，根據經(jīng)驗，應盡可能使熔敷材料加熱到較低的溫度，這樣可以減小熔敷裂紋、畸變傾向，也可避免熔敷材料的燒損和蒸發(fā)，需控制熔化材料的熔點(diǎn)(取基體、粉末材料兩者最高熔點(diǎn))Tm+(50-100)℃。參考溫度場(chǎng)計逄，理論上P取值為1KW-2KW、為2mm/s-4mm/s可滿(mǎn)足上述要求，至于熔覆層表面不平度，可通過(guò)調節送粉量實(shí)現其最小化。
2.2 試驗方法

　　試驗用橫流連續波5kW-CO2激光器，光束模式為多模，光斑直徑為4mm，基體材料(模具)為5CrMnMo鋼，試樣尺寸 80mm×60mm×10mm，由于Ni合金粉流動(dòng)性好，與基材相結合后表面光潔，價(jià)格適中，故選用了Ni60鎳基合金粉末材料。試驗選定激光功率P為 1.5kW 。

　　3 試驗結果分析

　　3. 1工藝參數對模具修復性能的影響

　　從熔覆層組織可以看出，激光與粉末材料相互作用充分，稀釋率適中，在熔覆層內各層間組織與層內組織稍有差別，層內組織均勻細小致密，層間組織較粗大。由此可知，激光修復可以在相當寬的范圍內獲得組織均勻、細小致密和性能優(yōu)異的修復層。測量1~3層硬度變化為85HV0.2。

　　試驗結果表明，粉末在與激光相互作用時(shí)，如果激光功率P>5kW且掃描速度<1mm/s，基體因加熱溫度過(guò)高而被燒損，表面出現折皺以及氣孔等質(zhì)量問(wèn)題。究其原因熔覆過(guò)程熔池內攪拌加劇，基體元素與金屬粉末元素相互擴散嚴重，熔覆層開(kāi)裂、變形敏感性明顯上升。當激光功率P=1kW~2kW、掃描速度=2mm/s~4mm/s范圍內均可得到較理想的激光熔覆層。此外，若加熱溫度過(guò)低無(wú)法充分熔化，難于達到修復模具的目的。掃描速度過(guò)大時(shí)出現熔覆層不連續現象，其結合強度不夠。稀釋率隨掃描速度的增加，呈減小的趨勢，而隨送粉量的增大使稀釋率有增加的趨勢。

　　3.2 工藝參數對模具修復宏觀(guān)形貌的影響

　　試驗表明，在P和變化不大時(shí)，激光熔覆表面宏觀(guān)形貌與送粉量關(guān)系密切，在其它條件相同的情況下，隨的增大，熔覆層寬度有所變化(有變小的趨勢)，而熔覆層厚度明顯增加，接觸角加大。完全可以利用調節的方法改善熔覆層表面不平度。

　　4 結論

　　在激光修復模具過(guò)程中，通過(guò)理論計算并結合試驗，在工藝參數 P=1.5kW， gs1 =3.2mm/s ，=310mg/s，熔覆層厚度1mm~2mm，可以得到較理想的表面質(zhì)量。為防止出現裂紋，可以對模具進(jìn)行200℃×2h的預熱處理。在修復過(guò)程中可以使用氫氣側吹保護激光熔覆部位。實(shí)際用于模具修復需要借助于激光修復系統的控制部分，不斷調節送粉量，克服熔覆層表面的凹凸不平。

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