模具的激光修复

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模具使用寿命取决于抗磨损和抗机械损伤能力，一旦磨损过度或机械损伤，须经修复才能恢复使用。目前可采用的修复技术有电镀、电弧或火焰堆焊、热喷涂(火焰、等离子)等。电镀层一般很薄，不超过0.3mm，而且与基体结合差，形状损坏部位难于修复，在堆焊、热喷涂或喷焊时，热量注入大，能量不集中，模具热影响区大，易畸变甚至开裂，喷涂层稀释率大，降低了基体和材料的性能。 利用激光熔覆的方法可实现对模具的修复。用高功率激光束以恒定功率P与热粉流同时入射到模具表面上，一部分入射光被反射，一部分光被吸收，瞬时被吸收的能量超过临界值后，金属熔化产生熔池，然后快速凝固形成冶金结合的覆层，如图1所示。图中α为熔覆层宽度、h为熔覆厚度、hm为熔化深度、α为接触角。激光束根据CAD二次开发的应用程序给定的路线，来回扫描逐线逐层地修复模具。由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热，对基体的热影响较小，引起的畸变可以忽略，特别是经过修复后的模具几乎不需再加工。 1 激光修复系统 激光修复技术是集高功率激光、计算机、数控机床、CAD/ CAM、先进材料、数控技术等多学科的应用技术。修复系统主要由硬件设备和制造过程软件组成。硬件设备包括激光器、数控系统及工作台、送粉装置、光路系统、水冷装置、保护气系统和在线控制所涉及的数据采集装置。软件系统包括制造零件成型软件擞据通讯和在线控制软件。激光修复过程如图2所示。CO2激光器发出的激光经CNC数控机床Z轴(垂直工作台)反射镜后，进入三维光束成形聚焦组合镜，再进入同轴送粉工作头，组合镜和工作头都固定在机床Z轴上，由数控系统统一控制。载气式送粉器将粉末均匀输送到分粉器的同轴送粉工作头。模具位于CNC数控工作台X-Y平面上，根据CNC指令，工作台、组合镜和送粉头按给定的CAD程序运动。同时加入激光和粉末，逐层熔敷。在温度检测和控制系统作用下，使模具恢复原始尺寸。为保证熔覆材料(金属粉末)和基体(模具)材料实现冶金结合，以及模具的尺寸精度、表面光洁度和材料性能，需将φ50mm圆形多模1kW-5kW高功率激光束变换成强度均匀分布的圆形光束，光斑尺寸可调(光路系统)，并配有水冷系统和光束头气体保护系统，同时需重点考虑同轴送粉装置和现场控制系统的设计。 1.1 同轴送粉装置 稳定可靠的粉末输送系统是金属零件修复质量的重要保证。粉末输送的波动将影响修复的质量。激光修复对送粉的基本要求是连续、稳定、均匀和可控地把粉末送入激光熔池。送粉装置由送粉器和同轴送粉嘴组成，如图3所示。在送粉器的粉斗下部，由于平衡气压的作用形成气固两相流化，并从导管开孔，随载气输送粉末。送粉量由输送气体的压力调节，拓宽了送粉范围，实现从5g/min-150g/min均匀连续可调送粉，送粉精度高达±5。设计的载气同轴粉嘴，消除了气体压力波动引起的4路送粉不均匀，并使工作距离加大，且连续可调。 1.2 模具修复过程的控制 在理论上，熔池温度场决定修复过程的宏观与微观质量，因此在激光熔覆层质量控制过程中，表征熔覆层熔池温度场的实时检测非常重要。采用如图4所示的红外测温技术来检测激光加工区域的温度场，结合温度场标定结果推导出实际的温度场信息，来控制激光器功率输出值以及CNC机床的运动速度，以保持熔池温度稳定，避免零件由于过热或温度不均产生裂纹气孔等缺陷。图4中虚线范围内所示的是比色测温仪，光路系统选用单台相机，切换不同滤色片的单通 道图像记录方式。滤光片及其控制保证两个滤光片(804.5nm和894.6n m)交替置于数字相机图像记录光路中，移动响应时间<10ms，由计算机控制的高精度步进电机实现准确定位。软件包括三部分:①控制滤光片转入记录光路机械控制部分;②进行实时的同步图像采集、处理以及温度场标定和计算;③用测量温度变化量所得到的过程参数，调节激光功率和机床运动速度。 1.3 激光修复模具工艺参数 激光修复伴随着传热、辐射、固化、分子取相及结晶等物理和化学变化，是个多参数过程。激光功率P、扫描速度、送粉量、熔池温度等都会对其产生影响。因此必须把参数合理地组合，以确保修复工作是在涂覆特性可知的情况下进行。在激光熔敷过程中，如果不采用特殊的工艺过程对基材的热输入量进行控制，将会使熔敷层与基体结合程度不理想，或在熔层表面和熔敷层与基材的过渡区产生裂纹。因此，合理地选择工艺参数是激光熔覆技术用于模具维修的关键因素。 根据物理冶金原理，熔敷材料和基体材料必须加热到足够高的温度才能满足实现冶金反应所无原则的条件，最终形成几何外形规则的熔敷层，见图1，根据经验，应尽可能使熔敷材料加热到较低的温度，这样可以减小熔敷裂纹、畸变倾向，也可避免熔敷材料的烧损和蒸发，需控制熔化材料的熔点(取基体、粉末材料两者最高熔点)Tm+(50-100)℃。参考温度场计逄，理论上P取值为1KW-2KW、为2mm/s-4mm/s可满足上述要求，至于熔覆层表面不平度，可通过调节送粉量实现其最小化。 2 试验方法 试验用横流连续波5kW-CO2激光器，光束模式为多模，光斑直径为4mm，基体材料(模具)为5CrMnMo钢，试样尺寸80mm×60mm×1Omm，由于Ni合金粉流动性好，与基材相结合后表面光洁，价格适中，故选用了Ni60镍基合金粉末材料，其化学成分见表1。试验选定激光功率P为1.5kW ,和的不同的取值范围对熔覆层截面尺寸的影响见表2。当P为1.5kW、为3.2mm/s、为310mg/s时，Ni60合金粉末激光多层熔覆组织如图5所示。 3 试验结果分析 3. 1工艺参数对模具修复性能的影响 从图5熔覆层组织可以看出，激光与粉末材料相互作用充分，稀释率适中，在熔覆层内各层间组织与层内组织稍有差别，层内组织均匀细小致密，层间组织较粗大。由此可知，激光修复可以在相当宽的范围内获得组织均匀、细小致密和性能优异的修复层。测量图5的1~3层硬度变化为85HV0.2。 试验结果表明，粉末在与激光相互作用时，如果激光功率P>5kW且扫描速度<1mm/s，基体因加热温度过高而被烧损，表面出现折皱以及气孔等质量问题。究其原因熔覆过程熔池内搅拌加剧，基体元素与金属粉末元素相互扩散严重，熔覆层开裂、变形敏感性明显上升。当激光功率P=1kW~2kW、扫描速度=2mm/s~4mm/s范围内均可得到较理想的激光熔覆层。此外，若加热温度过低无法充分熔化，难于达到修复模具的目的。扫描速度过大时出现熔覆层不连续现象，其结合强度不够。稀释率随扫描速度的增加，呈减小的趋势，而随送粉量的增大使稀释率有增加的趋势。 3.2 工艺参数对模具修复宏观形貌的影响 试验表明，在P和变化不大时，激光熔覆表面宏观形貌与送粉量关系密切，在其它条件相同的情况下，随的增大，熔覆层宽度有所变化(有变小的趋势)，而熔覆层厚度明显增加，接触角加大，如表2所示。完全可以利用调节的方法改善熔覆层表面不平度。 4 结论 在激光修复模具过程中，通过理论计算并结合试验，在工艺参数P=1.5kW, gs1 =3.2mm/s ,=310mg/s，熔覆层厚度1mm~2mm，可以得到较理想的表面质量。为防止出现裂纹，可以对模具进行200℃×2h的预热处理。在修复过程中可以使用氢气侧吹保护激光熔覆部位。实际用于模具修复需要借助于激光修复系统的控制部分，不断调节送粉量，克服熔覆层表面的凹凸不平。