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模具的激光修复探讨论文
模具的激光修复探讨论文 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。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。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894.6nm)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。
2.2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×10mm，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。
试验选定激光功率P为1.5kW。
3试验结果分析 3.1工艺参数对模具修复性能的影响从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P5kW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。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。
摘要：利用激光熔敷合金粉末的方法对模具进行了修复。研究了工艺参数 对熔敷效果的影响，并对其修复过程进行了分析。结果表明，预处理、送粉量、 激光的扫描速度是决定模具修复质量的关键。通过优化工艺参数、机体预热的方 法可以提高模具修复质量。
