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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，并對其修復過程進行了分析。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量的關鍵。通過優化工藝參數、機體預熱的方法可以提高模具修復質量。
模具使用壽命取決于抗磨損和抗機械損傷能力，一旦磨損過度或機械損傷，須經修復才能恢復使用。目前可采用的修復技術有電鍍、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，而且與基體結合差，形狀損壞部位難于修復，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二次開發的應用程序給定的路線，來回掃描逐線逐層地修復模具。由于激光束的高能密度所產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，特別是經過修復后的模具幾乎不需再加工。
1 激光修復系統
激光修復技術是集高功率激光、計算機、數控機床、CAD/ CAM、先進材料、數控技術等多學科的應用技術。修復系統主要由硬件設備和制造過程軟件組成。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控制軟件。激光修復過程如圖2所示。CO2激光器發出的激光經CNC數控機床Z軸(垂直工作臺)反射鏡后，進入三維光束成形聚焦組合鏡，再進入同軸送粉工作頭，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。同時加入激光和粉末，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，同時需重點考慮同軸送粉裝置和現場控制系統的設計。
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量的重要保證。粉末輸送的波動將影響修復的質量。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 模具修復過程的控制
在理論上，熔池溫度場決定修復過程的宏觀與微觀質量，因此在激光熔覆層質量控制過程中，表征熔覆層熔池溫度場的實時檢測非常重要。采用紅外測溫技術來檢測激光加工區域的溫度場，結合溫度場標定結果推導出實際的溫度場信息，來控制激光器功率輸出值以及CNC機床的運動速度，以保持熔池溫度穩定，避免零件由于過熱或溫度不均產生裂紋氣孔等缺陷。虛線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，移動響應時間<10ms，由計算機控制的高精度步進電機實現準確定位。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進行實時的同步圖像采集、處理以及溫度場標定和計算;③用測量溫度變化量所得到的過程參數，調節激光功率和機床運動速度。
1.3 激光修復模具工藝參數
激光修復伴隨著傳熱、輻射、固化、分子取相及結晶等物理和化學變化，是個多參數過程。激光功率P、掃描速度、送粉量、熔池溫度等都會對其產生影響。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行控制，將會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渡區產生裂紋。因此，合理地選擇工藝參數是激光熔覆技術用于模具維修的關鍵因素。
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足實現冶金反應所無原則的條件，最終形成幾何外形規則的熔敷層，見圖1，根據經驗，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，需控制熔化材料的熔點(取基體、粉末材料兩者最高熔點)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，可通過調節送粉量實現其最小化。
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合金粉流動性好，與基材相結合后表面光潔，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，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，表面出現折皺以及氣孔等質量問題。究其原因熔覆過程熔池內攪拌加劇，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，若加熱溫度過低無法充分熔化，難于達到修復模具的目的。掃描速度過大時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
在激光修復模具過程中，通過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量。為防止出現裂紋，可以對模具進行200℃×2h的預熱處理。在修復過程中可以使用氫氣側吹保護激光熔覆部位。實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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