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模具的激光修復(fù)
摘要：利用激光熔敷合金粉末的方法對模具進(jìn)行了修復(fù)。研究了工藝參數(shù)對熔敷效果的影響，并對其修復(fù)過程進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，預(yù)處理、送粉量、激光的掃描速度是決定模具修復(fù)質(zhì)量的關(guān)鍵。通過優(yōu)化工藝參數(shù)、機(jī)體預(yù)熱的方法可以提高模具修復(fù)質(zhì)量。
模具使用壽命取決于抗磨損和抗機(jī)械損傷能力，一旦磨損過度或機(jī)械損傷，須經(jīng)修復(fù)才能恢復(fù)使用。目前可采用的修復(fù)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0.3mm，而且與基體結(jié)合差，形狀損壞部位難于修復(fù)，在堆焊、熱噴涂或噴焊時，熱量注入大，能量不集中，模具熱影響區(qū)大，易畸變甚至開裂，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現(xiàn)對模具的修復(fù)。用高功率激光束以恒定功率P與熱粉流同時入射到模具表面上，一部分入射光被反射，一部分光被吸收，瞬時被吸收的能量超過臨界值后，金屬熔化產(chǎn)生熔池，然后快速凝固形成冶金結(jié)合的覆層。激光束根據(jù)CAD二次開發(fā)的應(yīng)用程序給定的路線，來回掃描逐線逐層地修復(fù)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)過修復(fù)后的模具幾乎不需再加工。
1 激光修復(fù)系統(tǒng)
激光修復(fù)技術(shù)是集高功率激光、計算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、CAD/ CAM、先進(jìn)材料、數(shù)控技術(shù)等多學(xué)科的應(yīng)用技術(shù)。修復(fù)系統(tǒng)主要由硬件設(shè)備和制造過程軟件組成。硬件設(shè)備包括激光器、數(shù)控系統(tǒng)及工作臺、送粉裝置、光路系統(tǒng)、水冷裝置、保護(hù)氣系統(tǒng)和在線控制所涉及的數(shù)據(jù)采集裝置。軟件系統(tǒng)包括制造零件成型軟件擻據(jù)通訊和在線控制軟件。激光修復(fù)過程如圖2所示。CO2激光器發(fā)出的激光經(jīng)CNC數(shù)控機(jī)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(jī)床Z軸上，由數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)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(shù)控工作臺X-Y平面上，根據(jù)CNC指令，工作臺、組合鏡和送粉頭按給定的CAD程序運(yùn)動。同時加入激光和粉末，逐層熔敷。在溫度檢測和控制系統(tǒng)作用下，使模具恢復(fù)原始尺寸。為保證熔覆材料(金屬粉末)和基體(模具)材料實現(xiàn)冶金結(jié)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(qiáng)度均勻分布的圓形光束，光斑尺寸可調(diào)(光路系統(tǒng))，并配有水冷系統(tǒng)和光束頭氣體保護(hù)系統(tǒng)，同時需重點(diǎn)考慮同軸送粉裝置和現(xiàn)場控制系統(tǒng)的設(shè)計。
1.1 同軸送粉裝置
穩(wěn)定可靠的粉末輸送系統(tǒng)是金屬零件修復(fù)質(zhì)量的重要保證。粉末輸送的波動將影響修復(fù)的質(zhì)量。激光修復(fù)對送粉的基本要求是連續(xù)、穩(wěn)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(dǎo)管開孔，隨載氣輸送粉末。送粉量由輸送氣體的壓力調(diào)節(jié)，拓寬了送粉范圍，實現(xiàn)從5g/min-150g/min均勻連續(xù)可調(diào)送粉，送粉精度高達(dá)±5。設(shè)計的載氣同軸粉嘴，消除了氣體壓力波動引起的4路送粉不均勻，并使工作距離加大，且連續(xù)可調(diào)。
1.2 模具修復(fù)過程的控制
在理論上，熔池溫度場決定修復(fù)過程的宏觀與微觀質(zhì)量，因此在激光熔覆層質(zhì)量控制過程中，表征熔覆層熔池溫度場的實時檢測非常重要。采用紅外測溫技術(shù)來檢測激光加工區(qū)域的溫度場，結(jié)合溫度場標(biāo)定結(jié)果推導(dǎo)出實際的溫度場信息，來控制激光器功率輸出值以及CNC機(jī)床的運(yùn)動速度，以保持熔池溫度穩(wěn)定，避免零件由于過熱或溫度不均產(chǎn)生裂紋氣孔等缺陷。虛線范圍內(nèi)所示的是比色測溫儀，光路系統(tǒng)選用單臺相機(jī)，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濾光片(804.5nm和894.6n m)交替置于數(shù)字相機(jī)圖像記錄光路中，移動響應(yīng)時間<10ms，由計算機(jī)控制的高精度步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。軟件包括三部分：①控制濾光片轉(zhuǎn)入記錄光路機(jī)械控制部分;②進(jìn)行實時的同步圖像采集、處理以及溫度場標(biāo)定和計算;③用測量溫度變化量所得到的過程參數(shù)，調(diào)節(jié)激光功率和機(jī)床運(yùn)動速度。
1.3 激光修復(fù)模具工藝參數(shù)
激光修復(fù)伴隨著傳熱、輻射、固化、分子取相及結(jié)晶等物理和化學(xué)變化，是個多參數(shù)過程。激光功率P、掃描速度、送粉量、熔池溫度等都會對其產(chǎn)生影響。因此必須把參數(shù)合理地組合，以確保修復(fù)工作是在涂覆特性可知的情況下進(jìn)行。在激光熔敷過程中，如果不采用特殊的工藝過程對基材的熱輸入量進(jìn)行控制，將會使熔敷層與基體結(jié)合程度不理想，或在熔層表面和熔敷層與基材的過渡區(qū)產(chǎn)生裂紋。因此，合理地選擇工藝參數(shù)是激光熔覆技術(shù)用于模具維修的關(guān)鍵因素。
根據(jù)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足實現(xiàn)冶金反應(yīng)所無原則的條件，最終形成幾何外形規(guī)則的熔敷層，見圖1，根據(jù)經(jīng)驗，應(yīng)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)℃。參考溫度場計逄，理論上P取值為1KW-2KW、為2mm/s-4mm/s可滿足上述要求，至于熔覆層表面不平度，可通過調(diào)節(jié)送粉量實現(xiàn)其最小化。
2.2 試驗方法
試驗用橫流連續(xù)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合金粉流動性好，與基材相結(jié)合后表面光潔，價格適中，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(jié)果分析
3. 1工藝參數(shù)對模具修復(fù)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(nèi)各層間組織與層內(nèi)組織稍有差別，層內(nèi)組織均勻細(xì)小致密，層間組織較粗大。由此可知，激光修復(fù)可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)獲得組織均勻、細(xì)小致密和性能優(yōu)異的修復(fù)層。測量1~3層硬度變化為85HV0.2。
試驗結(jié)果表明，粉末在與激光相互作用時，如果激光功率P>5kW且掃描速度<1mm/s，基體因加熱溫度過高而被燒損，表面出現(xiàn)折皺以及氣孔等質(zhì)量問題。究其原因熔覆過程熔池內(nèi)攪拌加劇，基體元素與金屬粉末元素相互擴(kuò)散嚴(yán)重，熔覆層開裂、變形敏感性明顯上升。當(dāng)激光功率P=1kW~2kW、掃描速度=2mm/s~4mm/s范圍內(nèi)均可得到較理想的激光熔覆層。此外，若加熱溫度過低無法充分熔化，難于達(dá)到修復(fù)模具的目的。掃描速度過大時出現(xiàn)熔覆層不連續(xù)現(xiàn)象，其結(jié)合強(qiáng)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(shù)對模具修復(fù)宏觀形貌的影響
試驗表明，在P和變化不大時，激光熔覆表面宏觀形貌與送粉量關(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(diào)節(jié)的方法改善熔覆層表面不平度。
4 結(jié)論
在激光修復(fù)模具過程中，通過理論計算并結(jié)合試驗，在工藝參數(shù) 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(xiàn)裂紋，可以對模具進(jìn)行200℃×2h的預(yù)熱處理。在修復(fù)過程中可以使用氫氣側(cè)吹保護(hù)激光熔覆部位。實際用于模具修復(fù)需要借助于激光修復(fù)系統(tǒng)的控制部分，不斷調(diào)節(jié)送粉量，克服熔覆層表面的凹凸不平。
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