模具的激光修復探討論文

1、模具的激光修復探討論文 1激光修復系統(tǒng) 激光修復技術(shù)是集高功率激光、計算機、數(shù)控機床、CAD/CAM、先進材料、數(shù)控技術(shù)等多學科的應用技術(shù)。修復系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)及工作臺、送粉裝置、光路系統(tǒng)、水冷裝置、保護氣系統(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。激光修復過程如圖2所示。CO2激光器發(fā)出的激光經(jīng)CNC數(shù)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(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

2、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50mm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(diào)(光路系統(tǒng))，并配有水冷系統(tǒng)和光束頭氣體保護系統(tǒng)，同時需重點考慮同軸送粉裝置和現(xiàn)場控制系統(tǒng)的設計。 1.1同軸送粉裝置 穩(wěn)定可靠的粉末輸送系統(tǒng)是金屬零件修復質(zhì)量的重要保證。粉末輸送的波動將影響修復的質(zhì)量。激光修復對送粉的基本要求是連續(xù)、穩(wěn)定、

3、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(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(xù)可調(diào)。 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(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)合溫度場標定結(jié)果推導出實際的溫度場信息，來控制激

4、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(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，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894.6nm)交替置于數(shù)字相機圖像記錄光路中，移動響應時間 1.3激光修復模具工藝參數(shù) 激光修復伴隨著傳熱、輻射、固化、分子取相及結(jié)晶等物理和化學變化，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

5、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(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(diào)節(jié)送粉量實現(xiàn)其最小化

6、。 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80mm60mm10mm，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(nèi)獲得組織均勻、細小致密和性能優(yōu)異的修復層。測量13層硬度變化為85HV0.2。 試

7、驗結(jié)果表明，粉末在與激光相互作用時，如果激光功率P5kW且掃描速度 3.2工藝參數(shù)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(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1mm2mm，可以得到較理想的表面質(zhì)量。為防止出現(xiàn)裂紋，可以對模具進行2002h的預熱處理。在修復過程中可以使用氫氣側(cè)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(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。 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(shù)對熔敷效果的影響，并對其修復過程進行了分析。結(jié)果表明，預處理、送粉量、激光的掃描