（光學(xué)專業(yè)論文）精密模具送絲法激光熔覆修復(fù)技術(shù)的研究.pdf

摘要 平方向上的分方向與工作臺(tái)的移動(dòng)方向相同且與基體成1 5 3 5 電流 i 1 5 5 a 脈沖寬度p w 2 5 m s 熔覆速度v 2 m m s 脈沖頻率f 2 5 h z 離焦量 d 一1 0 m m 采用優(yōu)化工藝參數(shù)能得到與基體充分冶金結(jié)合 表面平整光滑致密 無氣孔和裂紋 稀釋低的熔覆層 進(jìn)一步論證了將激光加工工藝參數(shù)簡化為單脈 沖能量和重疊率的理論指導(dǎo)意義 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 當(dāng)單脈沖能量為4 4 2 j 重疊 率為9 2 2 7 熔覆質(zhì)量最好 2 修復(fù)后的模具鋼橫截面顯微組織有熔覆層 結(jié)合區(qū) 基體三部分組成 熔覆層顯微組織致密 均勻 熔覆層底部的熔覆材料成長為長的柱狀樹枝狀晶 成長方向與散熱方向一致 與基體相比 其顯微組織的晶粒更為精細(xì) 熔覆層中 部的熔覆材料部分成長為樹枝狀晶 與熔覆層中部相比 熔覆層底部的晶粒更為 精細(xì) 熔覆層頂部的顯微組織由樹枝狀晶和胞狀晶組成 熔覆層截面的能譜點(diǎn)掃 描 線掃描和面掃描結(jié)果表明 熔覆層c r 元素的含量大于其在基體中的含量 通過試樣檢測發(fā)現(xiàn)激光熔覆的缺陷主要存在形式是裂紋和氣孔 分析了產(chǎn)生機(jī)理 和預(yù)防措施 熔覆層的硬度介于5 5 1 0 5 7 4 1 h v o 2 之間 基體的硬度介于 4 9 3 2 5 0 8 h v o 2 之間 熔覆層的硬度略高于基體 熔覆層和基體之問有一個(gè)逐 漸變化的顯微硬度分布 實(shí)現(xiàn)了與基體之間的緩和過渡 關(guān)鍵詞 送絲法 激光熔覆技術(shù) 4 c r 5 m o s i v l 模具鋼 優(yōu)化工藝參數(shù) 顯微組 織 成分分析 顯微硬度 a b s t r a c t a b s t r a c t ln v e s tig a t10 no nr e p alrin go fp r e cislo n m o u l du sin gl a s e rc l a d din g t e c h n o l o g yw it hwir ef e e din g m a j o r o p t i c s n a m e w e ix u s u p e r v i s o r j i a n h o n gl i a o s o n g h a ol i u w i t hg l o b a lm a n u f a c t u r i n gc e n t e rf u r t h e rt r a n s f e r r i n gt oc h i n a t h ed e m a n do f p r e c i s i o nm o u l da r ei n c r e a s i n g2 5 a n n u a l l y p r e c i s i o nm o u l dh a sb e c o m eo n eo f t h e p i l l a ri n d u s t r i e st h a ts t i m u l a t ed o m e s t i ce c o n o m i c 乒o w t h s e r v i c el i f eo fm o u l di n m a n yd o m e s t i ce n t e r p r i s e s i ss t i l ls h o r tc u r r e n t l y o n l ye q u a l sf r o mo n e f i f t ht o o n e t h i r dt h a to fm o u l di no v e r s e a se n t e r p r i s e s a c c o r d i n gt ot h es t a t i s t i c s a sar e s u l t o fs h o r tl i f eo fm o u l d t h el o s sw a su pt os e v e r a lb i l l i o n sp e ra n n u mc a u s e db yw a s t e o fm o u l ds t e e l w o r k i n gh o u r sa n de n e r g y a sw e l la st h ei m p a c to np r o d u c tq u a l i t y t h e r e f o r er e s e a r c ho ns u r f a c er e p a i rt e c h n i q u ea p p l y i n gi nt h em a n u f a c t u r i n ga n d o p e r a t i n go fp r e c i s i o nm o u l dh a sa b r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t a t p r e s e n t e x i s t i n g l a s e r c l a d d i n gr e p a i r i n gp r o c e s s c a nn o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fr e p a i ro fp r e c i s i o nm o u l di n d u s t r y t h u sc o n s t r a i n st h ed e v e l o p m e n to f p r e c i s i o nm o u l dr e p a i r r i n g i no r d e rt oe x t e n dt h es e r v i c el i f eo fp r e c i s i o nm o u l d a s w e l la sm a k et h es u r f a c ep r o p e r t i e sm e e to re x c e e dt h e i ro r i g i n a ls u r f a c ep r o p e r t i e s f a i l u r em o u l dw a sh i g h s p e e dr e p a i r r e db yl a s e rc l a d d i n gt e c h n i q u ew i t hw i r ef e e d i n g t h e r e b yt h er e j e c t i o nr a t eo fm o u l dw a sr e d u c e d q u a l i t yo fp r o d u c t sw e r ei m p r o v e d a b s t r a c t t h ec o s to fe n t e r p r i s e sw a sd e c r e a s e d w h a ti s m o r e t h er e f e r e n c eo ft h e o r ya n d p r a c t i c ew a sp r o v i d e df o rt h ea p p l i c a t i o no fl a s e rc l a d d i n gt e c h n o l o g yi na c t u a l p r o d u c t i o n i nt h i sp a p e r l a s e rc l a d d i n gt e c h n o l o g yw i t hw i r ef e e d i n g s k d 61l a s e rm o u l d r e p a i rw e l d i n gw i r e h a sb e e nd o n et oi n c r e a s et h el i f e t i m eo fm o u l ds t e e ls u b s t r a t e m a d eo f4 c r 5 m o s i v l a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ft h ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t m a i nr e s e a r c hm e t h o d sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 m o u l ds t e e ls u b s t r a t em a d eo f4 c r 5 m o s i v lw a sr e p a i r e db yl a s e rc l a d d i n g t e c h n i q u ew i t h w i r ef e e d i n g s k d 61l a s e rm o u l dr e p a i rw e l d i n gw i r e t h r o u g h c o n t i n u a lp r o c e s st e s t sa n dc o m p a r a t i v ea n a l y s e st oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h eo p t i m u m p r o c e s sp a r a m e t e r sa r ea sf o l l o w s a r g o ng a sp r e s s u r ew h i c hi s0 1m p ai su s e da s a s s i s t a n tg a sb l o w i n gt h r o u g hn o z z l e t h ea n g l eb e t w e e nw i r ef e e d i n gd i r e c t i o na n d s u b s t r a t es u r f a c ei s15 3 5 t h ep a r a m e t e r so fl a s e rp o w e ru s e df o rt h ee x p e r i m e n t s a r e c u r r e n t 15 5 a p u l s ew i d t h 2 5 m s c l a d d i n gs p e e d 2 m m s p u l s ef r e q u e n c y 2 5 h z d e v i t a t i o nd i s t a n c et of o c a ls p o t 一10 r a m t h es o u n dm e t a l l u r g i c a lb o n d i n g c l a dl a y e rw i t h o u tc r a c k sa n dw i t hl o wd i l u t i o n w h i c hh a ss m o o t ha n dd e n s ec l a d s h a p e h a sb e e no b t a i n e dw i t ht h eo p t i m u mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s t h e o r e t i c a l g u i d i n gs i g n i f i c a n c eo fs i m p l i f y i n gt h el a s e rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r st os i n g l ep u l s e e n e r g ya n do v e r l a pw a sf u r t h e rd e m o n s t r a t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ts o u n d c l a dl a y e rc a nb eo b t a i n e dw h e ns i n g l ep u l s ee n e r g yi s4 4 2 ja n do v e r l a pi s9 2 2 7 2 t h em i c r o s t r u c t u r eo fm o u l ds t e e lc r o s s s e c t i o nw a sc o m p o s e do fc l a d d i n g l a y e r b o n d i n gz o n ea n db a s em e t a l t h em i c r o s t r u c t u r eo fc l a d d i n gl a y e rw a sd e n s e a n du n i f o r m c l a d d i n gm a t e r i a li nt h eb o t t o mo fc l a d d i n gl a y e rw a sg r o w ni n t ol o n g c o l u m n a rd e n d r i t i cc r y s t a l t h eg r o w t hd i r e c t i o no fi tw a st h es a m ea s c o o l i n g d i r e c t i o n t h em i c r o s t r u c t u r eg r a i n si nt h eb o t t o mo fc l a d d i n gl a y e ri sf i n e rt h a nt h a ti n b a s em e t a l t h ec l a d d i n gm a t e r i a li nt h em i d d l eo fc l a d d i n gl a y e rw a sg r o w ni n t o d e n d r i t i cc r y s t a lp a r t l y t h em i c r o s t r u c t u r eg r a i n si nt h eb o t t o mo fc l a d d i n gl a y e ri s f i n e rt h a nt h a ti nt h em i d d l e t h em i c r o s t r u c t u r ei nt h et o po fc l a d d i n gl a y e ri s c o n b i n a t i o no fd e n d r i t i cc r y s t a la n dc e l l u l a rc r y s t a l t h er e s u l t so fe n e r g ys p e c t r u m p o i n ts c a n n i n g l i n es c a n n i n ga n da r e as c a n n i n go fc l a dl a y e rc r o s s s e c t i o ns h o w e d i v a b s t r a c t t h a tc re l e m e n to fc l a dl a y e rw a sf a rm o r et h a nt h a to fs u b s t r a t e t h ed e f e c t so fl a s e r c l a d d i n gw e r em a i n l yi nt h ef o r mo fc r a c k sa n dp o r e s t h eg e n e r a t i n gm e c h a n i s ma n d p r e c a u t i o n a r ym e a s u r e sw e r ea n a l y z e d t h em i c r o h a r d n e s so ft h ec l a dl a y e rw e r e f l u c t u a t i n gb e t w e e n5 51 0 5 7 4 1h v 毗 w h i l et h a to fs u b s t r a t eb e t w e e n4 9 3 2 5 0 8 5 h v 0 2 s l i g h t l yh i g h e rt h a nt h a to ft h es u b s t r a t e t h em i c r o h a r d n e s sd i s t r i b u t i o n b e t w e e nc l a dl a y e ra n ds u b t r a t ev a r i e dg r a d u a l l y t h ea l l e v i a t i o nt r a n s i t i o nw i t h s u b s t r a t ew a sa c h i e v e d k e yw o r d s w i r ef e e d i n g l a s e rc l a d d i n gt e c h n i q u e 4 c r s m o s i v lm o u l ds t e e l o p t i m u mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s m i c r o s t r u c t u r e c o m p o s i t i o na n a l y s i s m i c r o h a r d n e s s v 目錄 目錄 摘要 i a b s t r a c t iii 目錄 v i 第一章緒論 1 1 1 引言 1 1 2 模具的失效分析 2 1 2 1 斷裂失效 3 1 2 2 磨損失效 3 1 2 3 疲勞失效 3 1 2 4 變形失效 3 1 2 5 腐蝕失效 4 1 3 激光熔覆技術(shù)概述 4 1 4 送絲法激光熔覆技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5 1 5 課題研究的背景 內(nèi)容和意義 8 1 5 1 課題研究的背景 8 1 5 2 課題研究的內(nèi)容 9 1 5 3 課題研究的意義 9 第二章實(shí)驗(yàn)材料及方法 11 v i 2 5 顯微組織及硬度的檢測分析 18 第三章激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)熔覆層質(zhì)量的影響研究 2 0 3 1 激光單脈沖能量對(duì)熔覆質(zhì)量的影響 2 0 3 1 1 激光器電流 2 1 3 1 2 激光脈沖寬度 2 4 3 2 激光重疊率對(duì)熔覆質(zhì)量的影響 2 5 3 2 1 熔覆速度 2 6 3 2 2 激光脈沖頻率 2 7 3 2 3 離焦量 2 8 3 3 輔助氣體對(duì)熔覆質(zhì)量的影響 2 9 3 4 送絲方位對(duì)熔覆質(zhì)量的影響 3 0 3 5 本章小結(jié) 3 2 第四章激光熔覆層顯微組織和力學(xué)性能分析 3 4 4 1 熔覆層顯微組織分析 3 4 4 2 熔覆層成分分析 3 7 目錄 4 2 1 熔覆層不同部位點(diǎn)成分分析 3 7 4 2 2 熔覆層線掃描成分分析 3 8 4 2 3 熔覆層面掃描成分分析 3 9 4 3 熔覆層缺陷分析 4 0 4 3 1 裂紋的成因及控制 4 0 4 3 2 氣子l 的成因及控制 4 2 4 3 3 層狀偏析的成因及控制 4 3 4 3 4 夾雜物的成因及控制 4 4 4 4 顯微硬度 4 5 4 5 本章小結(jié) 4 7 第五章結(jié)論 4 8 參考文獻(xiàn) 5 0 致謝 5 6 攻讀碩士期間發(fā)表論文與課題研究 5 7 第一章緒論 1 1 引言 第一章緒論 模具是材料成型加工中重要的裝備之一 是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備 因其 生產(chǎn)效率高 產(chǎn)品質(zhì)量好 材料消耗低 生產(chǎn)成本低而被各行業(yè)廣泛用于生產(chǎn)最 終產(chǎn)品 模具是現(xiàn)代工業(yè) 特別是汽車 摩托車 航空 儀表 儀器 醫(yī)療器械 電子通信 兵器 家用電器 五金工具 日用品等工業(yè)必不可少的工藝裝備 用 模具生產(chǎn)的最終產(chǎn)品的價(jià)值將超過模具自身價(jià)格的幾十倍乃至上百倍 上千倍 被譽(yù)為 效益放大器 l 從起步到現(xiàn)在 我國模具工業(yè)經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā) 展 已有了較大的提高 與國外的差距正在進(jìn)一步縮小 據(jù)估算 2 0 0 7 年我國 模具產(chǎn)值達(dá)到了8 7 0 億人民幣 排名世界第三 l 1 2 0 0 6 年增長2 1 2 j 縱觀我國 的模具工業(yè) 既有高速發(fā)展的良好勢頭 又存在精度低 結(jié)構(gòu)欠合理 壽命短等 一系列不足 無法滿足整個(gè)工業(yè)迅速發(fā)展的迫切要求 近年來 隨著科技的不斷 進(jìn)步 特別是隨著電子 通訊等行業(yè)的發(fā)展 模具行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐加快 主要 表現(xiàn)為精密 復(fù)雜模具發(fā)展速度高于行業(yè)的總體發(fā)展速度 3 從我國模具的整體 水平來看 模具的設(shè)計(jì)和制造水平有了很大提高 但質(zhì)上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足國內(nèi)企 業(yè)對(duì)先進(jìn)模具的需求 近三年來 我國對(duì)中高端模具的進(jìn)口額一直保持在2 0 億美 元左右 國內(nèi)的高端模具依然無法替代國外模具進(jìn)口 模具是強(qiáng)迫金屬或非金屬在形腔中流動(dòng)成形的工具 由于模具一方面受到金 屬或非金屬的摩擦作用 另一方面 被擠壓的材料反給模具以較大的壓應(yīng)力 因 此不可避免地會(huì)產(chǎn)生失效 目前在我國的許多企業(yè)中 模具的使用壽命還比較低 僅相當(dāng)于國外的1 5 1 3 e 4 5 1 據(jù)統(tǒng)計(jì) 由于模具壽命低而造成的鋼材 工時(shí)和能 源浪費(fèi) 以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響所帶來的損失 每年達(dá)數(shù)十億元人民幣 因此提高 模具壽命是模具制造業(yè)中急待解決的問題 由于模具的失效往往是從其表面開 始 表面修復(fù)技術(shù)在模具修復(fù)中起著至關(guān)重要的作用 為了提高精密模具的使用 壽命 研究精密模具修復(fù)的技術(shù)與方法 對(duì)制造過程中以及使用過程中失效的模 第一章緒論 具進(jìn)行修復(fù)就顯得勢在必行 1 2 模具的失效分析 模具失效是指模具工作部分發(fā)生嚴(yán)重磨損或損壞而不能用一般修復(fù)方法 刃 磨 拋光 使其重新服役的現(xiàn)象 模具的主要失效形式有磨損 斷裂 局部崩塊 腐蝕 疲勞和變形等 模具在工作過程中可能同時(shí)出現(xiàn)多種形式的損傷 各種損 傷之間又相互滲透 相互促進(jìn) 各自發(fā)展 而當(dāng)某種損傷的發(fā)展導(dǎo)致模具失去正 常功能時(shí) 則模具失效 模具的失效形式如表1 1 所示 1 表1 1 模具失效形式 失效形式分類特征 塑性斷裂失效 脆性斷裂失效 斷裂失效崩刃 斷裂 折斷 脹裂等 蠕變斷裂失效 應(yīng)力腐蝕斷裂失效 粘著磨損失效 磨粒磨損失效 疲勞磨損失效刀刃鈍化 棱角變圓 平面下陷 表面 磨損失效 氣蝕磨損失效溝痕 粘膜剝落等 沖蝕磨損失效 腐蝕磨損失效 熱疲勞失效 疲勞失效平面龜裂 裂紋 表面破痕 局部斷裂 冷疲勞失效 過量彈性變形失效 局部塌陷 型腔脹大 型腔塌陷 型孔 變形失效過量塑性變形失效 擴(kuò)大 棱角倒塌陷 凸橫縱向彎曲 蠕變超限失效 點(diǎn)腐蝕失效 晶間腐蝕失效局部開裂 粘膜剝落 棱角變圓 平面 腐蝕失效 沖刷腐蝕失效下陷 應(yīng)力腐蝕失效 2 第一章緒論 1 2 1 斷裂失效 冷作模具所受的力主要為機(jī)械作用力 沖壓力 熱作模具所受除機(jī)械作用 力外 還有熱應(yīng)力和組織應(yīng)力 有許多熱作模具的工作溫度較高 又采用強(qiáng)制冷 卻 其熱應(yīng)力可遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過機(jī)械應(yīng)力 因此 許多熱作模具的斷裂主要與熱應(yīng)力過 大有關(guān) 1 2 2 磨損失效 冷擠壓模具與其他絕大多數(shù)模具一樣 都有一個(gè)零件公差所允許的磨損范 圍 當(dāng)模具達(dá)到磨損極限不能繼續(xù)使用時(shí) 這種磨損屬于正常的工具損壞 然而 對(duì)于相當(dāng)一部分模具來說 在尚未達(dá)到磨損極限之前 由于許多方面原因 常發(fā) 生型腔表面早期損傷失效 1 2 3 疲勞失效 模具的凹凸模在反復(fù)交變應(yīng)力作用下 加工一定數(shù)量的工件之后就會(huì)產(chǎn)生疲 勞裂紋 隨著沖壓次數(shù)的增加 裂紋不斷擴(kuò)展 致使模具破壞失效 模具疲勞失 效的根本原因就是應(yīng)力集中和循環(huán)載荷 盡管模具受到的載荷有時(shí)明顯低于其屈 服強(qiáng)度 但由于局部的應(yīng)力集中 使得低載荷下 在應(yīng)力集中處仍然會(huì)形成微裂 紋 而模具通常都在高強(qiáng)度和低塑性狀態(tài)下工作 當(dāng)微裂紋形成之后 在模具所 受的循環(huán)載荷作用下 微裂紋便很容易擴(kuò)展并最終導(dǎo)致疲勞斷裂 熱作模具長期 經(jīng)受反復(fù)加熱和冷卻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力作用 容易出現(xiàn)熱疲勞失效 尤其是壓鑄模 具 熱疲勞失效約占失效總數(shù)的6 0 7 0 1 2 4 變形失效 由于冷擠壓時(shí) 作用在模具上的載荷非常大 直接承受壓力作用的工作零件 將產(chǎn)生彈性變形和塑性變形 塑性變形即承受負(fù)荷大于屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的變形 第一章緒論 1 2 5 腐蝕失效 在工作中 模具表面與其周圍的環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng) 以及模具 與工件之間的摩擦作用而引起模具表層材料脫落的現(xiàn)象稱為腐蝕失效 腐蝕失效 主要發(fā)生在熱作模具和塑料模具中 在金屬壓鑄模具中比較容易出現(xiàn)沖蝕 1 3 激光熔覆技術(shù)概述 目前 國內(nèi)外對(duì)失效模具主要的修復(fù)技術(shù)有 火焰噴涂 等離子噴涂 電鍍 手工氬弧堆焊 這些傳統(tǒng)技術(shù)在模具修復(fù)中發(fā)揮了一定的作用 1 0 1 2 1 由于傳統(tǒng) 修復(fù)方法技術(shù)本身的缺陷 已不能勝任精密模具的修復(fù) 其主要不足體現(xiàn)在 1 不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 工作效率低 2 熱量輸入大 模具的熱影響區(qū)大 易變形 3 涂層稀釋率大 降低了涂層的性能 4 基體與涂層的冶金結(jié)合不夠好 涂層 易開裂 剝落 5 不適于精密地修復(fù)小型模具 局部受損模具和精密要求高的 模具 6 由于熱輸入多 涂層與基體不匹配引起了基體新的損傷 激光熔覆修復(fù)技術(shù)是新興的一種表面改性技術(shù) 通過在基材表面添加熔覆材 料 并利用高能密度激光束輻照加熱 使熔覆材料和基材表面薄層發(fā)生熔化 并 快速凝固 從而在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的熔覆層 與傳統(tǒng)的模具修復(fù)技術(shù)相比 激光熔覆技術(shù)具有以下顯著的優(yōu)劇1 3 15 1 1 激光束光斑直徑小 可以調(diào)整到毫米級(jí)甚至微米級(jí) 能滿足精密模具 的修復(fù)要求 2 激光熔覆所需材料具有可設(shè)計(jì)性 可通過混合不同的熔覆材料進(jìn)行涂 層的設(shè)計(jì)來得到不同的涂層性能 提高了涂層與基體化學(xué) 物理 機(jī)械性能的匹 配 其硬度一般相對(duì)比較高 耐磨損 耐腐蝕等性能也比較好 3 由于激光作用時(shí)間短 激光的峰值功率密度很高 能在百分之幾秒或 更短的時(shí)間內(nèi) 使工件表面附近加熱處的溫度上升到1 0 0 0 以上 當(dāng)激光束快 速掃描金屬表面時(shí) 金屬表面因吸收光能而被迅速加熱或熔化 使得熔覆層稀釋 率低 熔覆組織均勻致密 微觀缺陷少 高達(dá)1 0 6 c s 的冷卻速度使凝固組織細(xì) 化 甚至產(chǎn)生新性能的組織結(jié)構(gòu) 如亞穩(wěn)相 超彌散相 非晶相等 4 由于激光束的高能密度所產(chǎn)生的近似絕熱的快速加熱過程 激光能量 4 第一章緒論 集中在工件表面 加熱區(qū)溫度上升得極快 其熱量來不及傳導(dǎo)到加熱區(qū)周圍冷的 金屬上 對(duì)基材的熱影響小 引起的變形小 工件表面氧化和脫碳小 熔覆成功 率高 因此 激光修復(fù)處理后能保持工件原有的表面粗糙度 省去了修復(fù)后因變 形而需要的校正和精加工工序 5 激光的可控性好 激光束的功率 位置和形狀等能夠精確控制 激光 可以精確地按照任何復(fù)雜的幾何圖形局部地 有選擇性地對(duì)金屬表面進(jìn)行修復(fù) 且處理深度和處理面積精密可控 原則上 只要是光束可以到達(dá)的地方 特別是 內(nèi)表面的局部 如 盲孔的內(nèi)壁或底部 工件的拐角 復(fù)雜的溝槽 深孔或齒輪 牙等 都可以進(jìn)行處理 同時(shí) 多工位 多自由度的激光加工系統(tǒng)在生產(chǎn)應(yīng)用 中是由計(jì)算機(jī)控制 容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 6 可以在大氣中進(jìn)行加工 而電子束 離子束表面修復(fù)要求較高的真空 度 可以使用保護(hù)氣體 氧化效應(yīng)極低 工件不變色 后續(xù)處理工序少 激光熔覆不但可以改善零件的表面性能 還可以用于報(bào)廢件的修復(fù) 1 睨3 1 以模具修復(fù)為例 采用激光熔覆修復(fù)技術(shù) 能進(jìn)行形狀修復(fù) 功能修復(fù)和增強(qiáng)功 能修復(fù) 是報(bào)廢的模具重新恢復(fù)生機(jī) 不僅節(jié)約了開模費(fèi)用 而且爭取了制作模 具的大量時(shí)間 2 拋8 1 用激光熔覆技術(shù)可以節(jié)約成本 提高產(chǎn)品的質(zhì)量 延長相 關(guān)零部件的使用壽命 現(xiàn)已廣泛用于航天 軍事 石油 化工 醫(yī)療器械等領(lǐng)域 2 9 3 5 1 4 送絲法激光熔覆技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 激光熔覆合金可以采用不同的送料方法 常見的送料法包括預(yù)置涂層法 同 步送粉法和送絲法 不同的送料方式會(huì)影響激光熔覆過程的能量 動(dòng)量和質(zhì)量傳 輸 最終會(huì)影響熔覆過程的冶金行為和涂層性斛珀 預(yù)置涂層法 3 h 1 的工藝如圖1 1 所示 采用熱噴涂 電鍍 電沉積 等離子 噴涂或直接粘接 粉末松散鋪展等方法將熔覆材料預(yù)先粘接在基體表面 然后利 用激光照射 使熔覆層材料和基體材料熔化 凝固 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合 預(yù)置涂 層法研究的較早 優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)方便 工藝簡單 操作靈活 不受材料的限制 容 易實(shí)現(xiàn)復(fù)合成分粉末的熔覆 缺點(diǎn)是加熱過程中存在熔覆材料的燒損 飛濺 熔 覆層容易產(chǎn)生氣孔 變形 開裂 夾渣等現(xiàn)象 難以獲得光滑的熔覆層 增加了 5 第一章緒論 后續(xù)加工量 熔覆層稀釋率難以控制 過程難以自動(dòng)化 粉末材料在激光照射下 定位難 對(duì)熔覆材料的性能影響嚴(yán)重 i 一 掃描方向 預(yù)置粉末涂層 擴(kuò)束 圖1 1 預(yù)置粉法激光熔覆工藝示意圖 同步送粉法 4 2 4 5 的工藝如圖1 2 所示 在激光照射基體表面的同時(shí) 送粉器 連續(xù)地輸入熔覆材料粉末 在輔助氣體下 基體和熔覆材料同時(shí)被加熱熔化 迅 速凝固 實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合形成熔覆層 粉末在激光束中的分布狀態(tài) 運(yùn)動(dòng)時(shí)問和激 光束的位相關(guān)系都會(huì)對(duì)熔覆材料和基體的加熱過程產(chǎn)生巨大的影響 同步送粉法 最顯著的特征是激光束和熔覆材料 基體動(dòng)態(tài)地同時(shí)相互作用 同時(shí)加熱 兩者 的加熱溫度相當(dāng) 程度可控 同步送粉法熔覆過程中 可調(diào)節(jié)粉末流速 粉末噴 嘴 激光束聚焦點(diǎn)的位置等參數(shù) 其優(yōu)點(diǎn)有 工藝參數(shù)可控 過程容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 化控制 激光能量吸收率高 稀釋率可控 基體和熔覆層材料適用范圍廣 熔覆 層材料利用率高 熔覆層使用性能 成分和組織結(jié)構(gòu)可控 環(huán)境污染小 l基體 l 圖1 2 同步送粉法激光熔覆工藝示意圖 送絲法的工藝如圖1 3 所示 用絲材作為激光熔覆材料 將絲材傾斜指向處 理表面 用高于等離子體形成閾值的功率密度輻照 激光能量主要有等離子體傳 6 第一章緒論 遞給絲材和工件 舡5 1 1 雖然無論從技術(shù)角度 還是生產(chǎn)效率角度 前兩種方法 是激光熔覆材料添加方式的主流 但是送絲法激光熔覆技術(shù)的優(yōu)勢主要在于 l 可以使用容易離子化的氣體作為輔助氣體 材料的利用率接近1 0 0 2 送絲法 激光熔覆所需激光功率小 可以用于修復(fù)尺寸較小的精密模具 蘭 擾體 心 基體 束 絲材 圖1 3 送絲法激光熔覆工藝示意圖 韓國仁荷大學(xué)的j d k i m 和y u np e n g 刪研究了送絲法激光熔覆的熔池形貌 及熔覆層的稀釋率 在激光熔覆過程中 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)之前熱量在熔池附近累積 因此 稀釋率將越來越大 采用時(shí)變有限元法對(duì)熔池建立模型 利用二維有限元法計(jì)算 了不同時(shí)間的稀釋率和熔池形貌 同時(shí)實(shí)驗(yàn)利用與模擬相似的工藝參數(shù) 熔覆工 藝參數(shù)對(duì)熔池和熔覆層稀釋率的影響分析表明 結(jié)論與有限元法得出的結(jié)論一 致 為送絲法激光熔覆在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用提供理論參考 韓國仁荷大學(xué)的j d k i m 和y u np e r l g 4 7 1 采用送絲法n d y a g 激光熔覆技術(shù) 對(duì)i n c o n e l6 0 0 材料進(jìn)行了修復(fù)研究 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 送絲方向和位置 熔覆時(shí)間 熔覆速度對(duì)熔覆層的質(zhì)量有著重要影響 采用合適的送絲方位 絲材能夠在熔池 中被熔融金屬的熱量所熔化 隨著熔覆速度的提高 熔覆層的稀釋率減小 基材 的熱影響區(qū)的晶粒尺寸得到有效的控制 此外熔覆層和熱影響區(qū)的硬度都得到了 提高 通過采用優(yōu)化的工藝參數(shù) 得到了表面光滑 與基底冶金結(jié)合 低稀釋率 的熔覆層 韓國仁荷大學(xué)的j d k i m k h k a n g 署1 j n k i m 4 8 研究了船用螺旋槳的送 絲法激光熔覆修復(fù) 提出了解決熔滴過渡的方法 利用優(yōu)化的工藝參數(shù)的得到了 無氣孔 無裂紋 低稀釋率的熔覆層 提高了船用螺旋槳的使用壽命 意大利米蘭理工大學(xué)的e c a p e l l o d c o l o m b o 和b p r e v i t a l i l 4 9 為了延長激光 直接金屬燒結(jié)制造的硬質(zhì)合金工具的使用壽命 對(duì)其進(jìn)行了送絲法激光熔覆修復(fù) 研究 研究發(fā)現(xiàn) 采用優(yōu)化的工藝參數(shù) 可以得到致密無裂紋以及結(jié)合良好的多 7 第一章緒論 層熔覆結(jié)構(gòu) 由于基底燒結(jié)材料的多氣孔的特性以及表面光滑程度導(dǎo)致在熔覆層 中氣孔的出現(xiàn) 對(duì)基底金屬磨光處理可以減少氣孔的所占的比例 意大利米蘭理工大學(xué)的e c a p e l l o 和b p r e v i t a l i 5 0 1 為了克服傳統(tǒng)模具修復(fù)工 藝的不足 采用了送絲法激光熔覆技術(shù) 由于送絲法激光熔覆 l c w 是手工 修復(fù) 因此熔覆層的質(zhì)量由絲材和基底的材料 激光工藝參數(shù)以及操作者的熟練 程度決定 研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn) 在操作者手工送絲熟練后 激光功率以及脈寬是影 響熔覆層的最主要因素 美國內(nèi)布拉斯加州大學(xué)的o c e r i no 和e x t r u d eh o n e 公司的研究人員 5 l 對(duì)模具 進(jìn)行了送絲法激光熔覆的表面修復(fù)研究 為了測試送絲法的可行性 把高功率二 極管激光器安裝在傳統(tǒng)的三軸加工機(jī)床上 對(duì)修復(fù)的工藝參數(shù)和熔覆形貌的關(guān)系 進(jìn)行了分析 目前還未見國內(nèi)研究小組對(duì)送絲法激光熔覆技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的研究 基于以上 理論和實(shí)驗(yàn)的分析 研究送絲法激光熔覆技術(shù)在精密模具的修復(fù)應(yīng)用是必要的 也是可行的 而且還具備一定的創(chuàng)新性 必定能為精密模具的修復(fù)提供一種新的 技術(shù)手段 1 5 課題研究的背景 內(nèi)容和意義 1 5 1 課題研究的背景 本論文主要的研究內(nèi)容來自于2 0 0 8 年廣州市科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目 模具激光 精密修復(fù)機(jī)的研制與開發(fā) 編號(hào) 2 0 0 7 2 2 一1 0 0 11 隨著全球制造重心進(jìn)一步向我國轉(zhuǎn)移 精密模具的需求量每年呈現(xiàn)2 5 以上 的增長速度 成為拉動(dòng)國內(nèi)經(jīng)濟(jì)增長的支柱產(chǎn)業(yè)之一 與精密模具生產(chǎn)與使用配 套的精密模具修復(fù)技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景 必將成為我國經(jīng)濟(jì)的增長點(diǎn) 利用 激光可以實(shí)現(xiàn)模具的快速修復(fù) 減少模具的報(bào)廢率 提高產(chǎn)品的質(zhì)量 降低企業(yè) 的成本 目前 我國現(xiàn)有的激光加工設(shè)備和工藝方法以不能滿足精密模具修復(fù)的 要求 從而制約了精密模具修復(fù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 第一章緒論 1 5 2 課題研究的內(nèi)容 本課題通過研究送絲法激光熔覆修復(fù)工藝以獲得良好的熔覆層形貌 觀察和 分析激光熔覆層及基體的截面微觀組織結(jié)構(gòu) 探究顯微組織的形成原因 檢測熔 覆層和基體顯微硬度的變化 通過性能分析得出優(yōu)化的激光熔覆修復(fù)工藝參數(shù) 為激光熔覆精密修復(fù)技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論和實(shí)踐的參考 本研究內(nèi)容采用廣州瑞通千里激光設(shè)備有限公司l w s 4 0 0 w c 系列脈沖 n d y a g 激光加工系統(tǒng)進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn) 其中基體為4 c r 5 m o s i v l 模具鋼 熔覆材 料為s k d 6 1 模具修補(bǔ)焊絲 對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行金相試樣制備 使用掃描電鏡檢測熔 覆層及基體的形貌和微觀組織 利用能譜儀對(duì)熔覆層和基體的元素成分變化趨勢 進(jìn)行分析 再用顯微硬度計(jì)檢測其硬度性能的變化 主要研究內(nèi)容 1 通過不斷的工藝實(shí)驗(yàn)獲得優(yōu)化的熔覆工藝參數(shù) 2 使用掃描電鏡檢測和分析熔覆層及其基體截面的形貌和顯微組織 3 利用能譜儀對(duì)熔覆層和基體的元素成分進(jìn)行檢測和分析 4 通過對(duì)顯微組織和化學(xué)成分的分析 結(jié)合顯微硬度的檢測 探討硬度性 能與顯微組織和化學(xué)成分之間的關(guān)系 1 5 3 課題研究的意義 研究利用激光技術(shù)精密修復(fù)失效模具及其工藝方法 對(duì)生產(chǎn)使用過程因磨 損 變形 斷裂等形式失效的模具進(jìn)行快速 精密修復(fù) 大幅度延長模具的使用 壽命 是一項(xiàng)具有重要經(jīng)濟(jì)意義 符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的工程 可以為企業(yè)節(jié)約 大量的資金和資源 同時(shí)利用激光技術(shù)修復(fù)精密模具 具有材料適應(yīng)范圍廣 生 產(chǎn)效率高 質(zhì)量穩(wěn)定可靠 性能提高幅度大 清潔化生產(chǎn)等特點(diǎn) 該工藝方法的 試驗(yàn)成功 將促進(jìn)精密模具修復(fù)技術(shù)的快速發(fā)展 符合創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)的要求 必將形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn) 為汽車 家電 電子 信息等支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提夠技 術(shù)支撐 帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 綜上所述 激光熔覆技術(shù)己展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景 利用激光技術(shù)修復(fù)模具 是未來模具修復(fù)發(fā)展的趨勢 隨著激光熔覆技術(shù)系統(tǒng)的數(shù)控化 自動(dòng)化和智能化 9 第一章緒論 必將促進(jìn)激光熔覆技術(shù)在精密模具修復(fù)中的廣泛應(yīng)用 同時(shí)通過工藝參數(shù)優(yōu)化 顯微組織和元素成分的分析 顯微硬度的測量 闡述熔覆層性能變化規(guī)律 為其 在工業(yè)中的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持 為今后激光熔覆技術(shù)修復(fù)精密模具的產(chǎn)業(yè) 化奠定基礎(chǔ) l o 第二章實(shí)驗(yàn)材料及方法 2 1 實(shí)驗(yàn)材料 2 1 1 基體材料 第二章實(shí)驗(yàn)材料及方法 本實(shí)驗(yàn)所用基材為4 c r 5 m o s i v l 鋼 是一種常見的熱作模具鋼 其化學(xué)成分 詳見表2 1 激光熔覆試樣的尺寸為8 0m m 6 0m m x1 2 m m 試樣待熔覆表面經(jīng) 磨削加工至平整光滑 激光熔覆前用金相砂紙由粗到細(xì)進(jìn)行打磨 以去除表面氧 化層 使其表面達(dá)一定光潔度 并用無水乙醇和丙酮清洗 然后用電吹風(fēng)吹干 4 c r 5 m o s i v l 模具鋼廣泛應(yīng)用在熱鍛模 壓鑄模 熱擠壓模等方面 主要應(yīng) 用于制造熱擠壓模具和芯棒 模鍛錘的鍛模 鍛造壓力機(jī)模具 精鍛機(jī)用模具鑲 塊以及合金的壓鑄模 4 c r 5 m o s i v l 模具鋼以c r m o v 為主要強(qiáng)化元素 使其 具有良好的強(qiáng)韌性 同時(shí)保持較高的熱疲勞抗力 因而能夠承受高溫拉 壓沖擊 作用 還可承受高溫磨損 氧化及激冷激熱周期性溫度變化等惡劣的工作環(huán)境 由于4 c r 5 m o s i v i 鋼在模具工業(yè)中應(yīng)用廣泛 因此有大量用這種鋼制造的模具失 效 為此本文對(duì)4 c r 5 m o s i v l 模具鋼進(jìn)行送絲法激光熔覆 探討激光熔覆技術(shù)在 4 c r 5 m o s i 失效模具中的應(yīng)用 表2 一l4 c r 5 m o s i v l 鋼的化學(xué)成分 叭 cs im nc rm ovp s o 3 2 0 8 0 o 2 0 4 7 5 1 1 0 0 8 0 0 4 5 1 2 0o 5 05 5 01 7 51 2 0 o 0 3 o 0 3 2 1 2 熔覆材料 激光熔覆材料 分為絲材與粉末兩種 熔覆材料要根據(jù)使用要求與基體的狀 況來選配 即在滿足所需表面改性要求的同時(shí)又要考慮到熔覆層與基體線膨脹系 數(shù)的匹配 5 2 熔覆層與基體熔點(diǎn)的匹配和熔覆材料對(duì)基材的浸潤性 總結(jié)起來 熔覆材料應(yīng)具有以下幾點(diǎn)要求 5 6 第二章實(shí)驗(yàn)材料及方法 1 應(yīng)具有所要求的使用性能 如耐磨 耐腐蝕 耐疲勞 耐高溫 抗氧化 高硬度等特殊的力學(xué)性能 2 材料的線膨脹系數(shù) 導(dǎo)熱性應(yīng)盡可能與基體材料相接近 以減少熔覆層 中的殘余應(yīng)力 減少修復(fù)過程產(chǎn)生的缺陷 3 材料應(yīng)具有良好的浸潤性 浸潤性與表面張力有關(guān) 表面張力越小 浸 潤角越小 液態(tài)流動(dòng)性越好 越易于得到平整光滑的熔覆層 4 應(yīng)有良好的造渣 除氣 隔氣性能 材料在制造過程和使用過程中 不 可避免地受到氧化 也會(huì)在熔化過程中溶解一些氣體 因此合金在熔化狀態(tài)時(shí)應(yīng) 有良好的脫氧 除氣能力 其脫氧產(chǎn)物應(yīng)形成密度小 熔點(diǎn)低的熔渣覆蓋在液態(tài) 金屬表面 對(duì)表面起保護(hù)作用 以防止產(chǎn)生夾渣 氣孔 氧化等缺陷 5 熔覆材料的熔點(diǎn)不宜太高 材料熔點(diǎn)越低 越易控制熔覆層的稀釋率 所獲得的熔覆層質(zhì)量越好 熔點(diǎn)越低 液態(tài)流動(dòng)性越好 對(duì)獲得平整光滑的熔覆 層越有利 6 采用送粉法激光熔覆修復(fù)時(shí) 材料應(yīng)具有很好的固態(tài)流動(dòng)性 材料的流 動(dòng)性與材料的形狀 粒度分布 表面狀態(tài)及材料的溫度等因素有關(guān) 模具修復(fù)就是為了延長模具的使用壽命 并達(dá)到或超過原來模具的使用性 能 根據(jù)以上的熔覆材料的選擇要求 本實(shí)驗(yàn)使用的是化學(xué)成分與基體相近 直 徑為o 5 m m 型號(hào)為s k d 6 1 的意大利進(jìn)口 t r a d e r 模具修補(bǔ)激光焊絲 其化 學(xué)成分詳見表2 2 表2 2s k d 6 1 模具修復(fù)焊絲的化學(xué)成分 叭 cs im nc rm ovps o 3 5 0 8 0 o 3 0 4 8 0 一1 2 0 0 5 0 一 o 當(dāng)光束焦點(diǎn)在 基體內(nèi)時(shí)稱為負(fù)離焦 d o 且大小合適時(shí) 基體表面的能量合適 在基體表面以下部分能量密度較低 主要 靠熱傳導(dǎo)累積熱量 因而熱影響區(qū)較大 不利于模具的精密修復(fù) 當(dāng)d o 時(shí) 基 體表面的能量密度高 熔覆過程反應(yīng)劇烈 有較多的飛濺 熔覆層表面易氧化 當(dāng)d o 時(shí) 基體表面的能量密度合適 但是在基體表面以下部分能量密度越來越 大 如果能夠保證基體表面的能量密度 能夠有效地提高熔覆特性 因此本實(shí)驗(yàn) 研究了大小不同的負(fù)離焦量對(duì)熔覆質(zhì)量的影響 在實(shí)驗(yàn)中使用o 1 m p a 的氬氣作 為輔助氣體避免熔覆層在高溫時(shí)被氧化 其他工藝參數(shù)為 電流i 1 5 5 a 脈沖 寬度p w 2 5 m s 熔覆速度v 2 m m s 脈沖頻率f 2 5 h z 送絲方向在水平方向上 分方向與工作臺(tái)的移動(dòng)方向相同且與基體成1 5 3 5 第三章激光熔覆 藝參數(shù)對(duì)熔覆層質(zhì)量的影響研究 a d l o m m b d 7 m m c d 4 m m 圖3 8 離焦量不同時(shí)熔覆層形貌圖 5 0 離焦量不同時(shí)熔覆層的表面形貌如圖3 8 所示 當(dāng)負(fù)離焦量越來越小時(shí) 熔 覆質(zhì)量越來越差 由于光斑直徑小 能量密度較大 基體材料熔化后飛濺到熔覆 層表面 如圖3 8 b 所示 隨著負(fù)離焦量的迸一步減小 能量密度過高 導(dǎo)致熔 覆層表面出現(xiàn)過燒現(xiàn)象 有明顯的氣孔和裂紋 并有嚴(yán)重的氧化 負(fù)離焦量增大 時(shí) 表面逐漸平整光滑 與基體成型變好 但也并不是越大越好 必須保證基體 表面的能量密度達(dá)到一定的值 工藝試驗(yàn)表明 當(dāng)d 一l o n h n 時(shí) 熔覆效果最 好 采用燒痕法測量發(fā)現(xiàn)此時(shí)光斑直徑d 0 7 m m 3 3 輔助氣體對(duì)熔覆質(zhì)量的影響 激光熔覆是在高能密度 大于1 0 4 w 鋤2 的激光束作用下迅速將熔覆材料和 基體熔化 擴(kuò)散及快速凝固 在基體表面得到無裂紋氣孔的冶金結(jié)合層 從而強(qiáng) 化或修復(fù)表面的工藝 由于激光束是近似絕熱的快速加熱過程 高溫熔化的材料 易于周圍的空氣發(fā)生氧化反應(yīng) 如圖3 9 c 所示 熔覆過程中不使用輔助氣體 導(dǎo)致熔覆層氧化嚴(yán)重 此外輔助氣體還可以起到冷卻熔覆層的效果 使其凝固效 果更好 在工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中 一般采用價(jià)格比較便宜的氬氣作為輔助氣體 輔助 氣的吹氣方式對(duì)熔覆效果也會(huì)產(chǎn)生重要的影響 如圖3 9 a 所示 采用右側(cè)吹氣 的方法 發(fā)現(xiàn)在熔覆層表面有熔化的熔覆材料吹動(dòng)的痕跡 從而影響修復(fù)效果 第三章激光熔覆工藝參數(shù)對(duì)熔覆層質(zhì)量的影響研究 而且 側(cè)吹氣只對(duì)局部有保護(hù)作用 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 采用從激光噴嘴吹氣的方式 最佳 如圖3 9 b 所示 熔覆層表面光滑平整 所有區(qū)域顏色均為銀灰色 說明 這種吹氣方式對(duì)熔覆過程起到了全面的保護(hù)作用 a 側(cè)吹氣 b 從激光噴嘴吹氣 c 不吹氣 圖3 9 吹氣方式對(duì)熔覆層質(zhì)量的影響 5 0 3 4 送絲方位對(duì)熔覆質(zhì)量的影響 選擇合理的送絲方位對(duì)熔覆層的質(zhì)量有著重要的影響 如圖3 1 0 所示 當(dāng) 焊絲與基體的角度很小時(shí) 送絲過程勢必受到凝固過程中的熔覆層