激光熔敷合金粉末修復(fù)模具講解

1、激光熔敷合金粉末修復(fù)模具摘要：利用激光熔敷合金粉末的方法對(duì)模具進(jìn)行了修復(fù)。研究了工藝參數(shù)對(duì)熔 敷效果的影響，并對(duì)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。電鍍層一般很薄摘要：利用激光熔敷合金粉末的方法對(duì)模具進(jìn)行了修復(fù)。研究了工藝參數(shù)對(duì)熔 敷效果的影響，并對(duì)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)

2、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(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)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(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 吸收的能量超過臨界值后

3、，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)CADC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(duì)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(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、CAD/CA M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(tái)、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。CO

4、2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(tái)）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(tái)X-Y平面上，根據(jù)CNC旨令，工作臺(tái)、組合鏡和送粉 頭按給定的CAD程序運(yùn)動(dòng)。同時(shí)加入激光和粉末，逐層熔敷。在溫度檢測(cè)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(shí)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&phi ;50mm圓形多模1kW5kW高功率激光束變換成強(qiáng)度均勻分布的

5、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(shí)需重點(diǎn)考慮同軸送粉裝置和現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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(dòng)將 影響修復(fù)的質(zhì)量。激光修復(fù)對(duì)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(shí)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(jì)的載氣同軸粉嘴，消除 了氣體壓力波

6、動(dòng)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(chǎng)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(chǎng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)非常重要。采用 紅外測(cè)溫技 術(shù)來檢測(cè)激光加工區(qū)域的溫度場(chǎng)，結(jié)合溫度場(chǎng)標(biāo)定結(jié)果推導(dǎo)出實(shí)際的溫度場(chǎng)信 息，來控制激光器功率輸出值以及 CNC機(jī)床的運(yùn)動(dòng)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(cè)溫儀，光路系統(tǒng)選用單臺(tái)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(gè)濾光片（804.5nm和894.6nm）交替置于數(shù)字相機(jī) 圖像記錄光

7、路中，移動(dòng)響應(yīng)時(shí)間&t ;10ms由計(jì)算機(jī)控制的高精度步進(jìn)電機(jī)實(shí) 現(xiàn)準(zhǔn)確定位。軟件包括三部分：控制濾光片轉(zhuǎn)入記錄光路機(jī)械控制部分；進(jìn)行實(shí)時(shí)的同步圖像采集、處理以及溫度場(chǎng)標(biāo)定和計(jì)算；用測(cè)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(dòng)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(gè) 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(huì)對(duì)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(duì)基材的熱輸入量進(jìn)行 控制，將會(huì)使熔敷層與基體結(jié)合程度不理想，或

8、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(shí) 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，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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）C。參考溫度場(chǎng)計(jì)逢，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(shí)現(xiàn)其最小化。2 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)用橫流連續(xù)波5

9、kW-CO2激光器，光束模式為多模，光斑直徑為 4mm基體 材料（模具）為5CrMnM（鋼，試樣尺寸80mM 60mrK 10mm由于Ni合金粉流 動(dòng)性好，與基材相結(jié)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(yàn)選定激光功率P為1.5kW。3試驗(yàn)結(jié)果分析3.1 工藝參數(shù)對(duì)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(cè)量 13 層硬度變化為 85HV0.2。試驗(yàn)結(jié)果表明，粉末

10、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=1kW2kW掃描速度 =2mm/s4mm/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(shí)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(shì)，而隨送粉量 的增大使稀釋率有增加的趨勢(shì)。3.2 工藝參數(shù)對(duì)模具修復(fù)宏觀形貌的影響 試驗(yàn)表明，在P和變化不大時(shí)，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(shì)）， 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(jì)算并結(jié)