浅谈激光加工技术在模具制造中的应用

黄冈职业技术学院毕业论文课题名称: 浅谈激光加工技术在模具制造中的应用 系 别 机电工程系 专 业 模具设计与制造 班 级 模具班 姓 名 陈新 学 号 8 指导教师 秦训鹏 黄常翼 目录引言41 模具加工用激光器41.1固体激光器(Nd:YAG激光器)41.1.1 固体激光器的基本结构41.1.2 固体激光器的特点51.2气体激光器（CO2激光器）52 模具激光制造52.1激光间接成模工艺52.1.1 立体光造形工艺52.1.2 薄层叠片制造工艺62.1.3 选择性激光烧结工艺82.2激光直接成模工艺92.2.1 选择性激光熔化技术92.2.2 激光工程化净成形技术93 模具表面激光改性103.1 激光相变硬化103.1.1 激光相变硬化原理103.1.2 模具激光相变硬化影响因素103.1.3 激光相变硬化特点113.2 激光冲击强化113.2.1 激光冲击强化处理的表面改性作用123.2.2 激光冲击强化的特点123.3 激光熔覆123.3.1 激光熔覆的分类123.3.2 激光熔覆特点133.4 激光合金化134 模具激光修复134.1 激光熔覆模具修复144.2 激光沉积焊接模具修复145 模具激光清洗14总结14参考文献15摘要激光加工技术能有效地利用激光的优越性，正在改变着以往模具制造的加工和生产方式，使生产效率大幅度提高，是机加工在模具制造中最有竞争力的一种替代手段。激光加工技术的应用是个系统工程，它既包括硬件（如激光器、加工机床、导光聚焦系统等），也包括软件（如不同工艺的最佳工艺参数等），同时还包括激光与物质间相互作用机理。激光器的种类繁多，但目前,适用于在模具制造中的工业激光器主要有两大类：固体激光器和气体激光器。文中将要分析的就是这两种激光器在模具制造中的模具激光制造、模具表面激光强化和替代、模具激光修复、模具激光清洗等方面的应用。模具激光制造有激光间接成模工艺和激光直接成模工艺两种。模具表面激光强化和替代主要有激光相变硬化、激光冲击强化、激光合金化和激光熔覆。模具激光修复有激光熔覆模具修复和激光沉积焊接模具修复这两种主要修复方法。模具激光清洗主要是应用高能激光脉冲去除模具在使用过程中产生的表面污物。关键词：激光器 模具激光制造 模具表面激光改性 模具激光修复 模具激光清洗引言随着科学技术的发展和模具工业的迅速发展，人们需不断地采用现代科学技术成果武装自己，以满足日新月异的产品的加工要求。因此在传统模具加工的基础上涌现出许多新的分支激光技术就是其中之一。在传统的模具设计制造系统中,需要大量的模具设计、制造和调试等工作,成本高,周期长，已不能适应日新月异的市场变化。而激光以高强度、高方向性、高单向性、高相干性的特点使激光加工技术在模具设计制造中得到了很好的应用，弥补了传统模具设计制造中的不足。1 模具加工用激光器目前,用于模具加工技术中的工业激光器主要有两大类：固体激光器和气体激光器。其中,固体激光器以Nd:YAG激光器为代表；而气体激光器则以CO2激光器为代表。随着激光技术的发展,目前人们也开始在某些加工应用场合使用大功率光纤激光器和大功率半导体激光器。1.1固体激光器(Nd:YAG激光器)1.1.1 固体激光器的基本结构固体激光器由工作物质、泵浦源、聚光腔、光学谐振腔、冷却系统、激光电源等组成，主要采用光泵浦，工作物质中的激活离子吸收光能，形成粒子数反转，产生激光。固体激光器各部分的结构如图1所示图1 固体激光器的基本结构掺钕钇铝石榴石激光器简称为Nd:YAG激光器，是目前应用最广泛的一种激光离子于基质晶体组合的固体激光器。工作物质Nd:YAG晶体具有优良的物质、化学性能，激光性能及热血性能，可以制成连续和高重复频率器件。1.1.2 固体激光器的特点优点： （1）输出的激光波长1064nm，是CO2激光波长10600nm的1/10.波长较短，对聚集、光纤传输和金属表面吸收等有利，因此与金属的耦合效率高，加工性能良好（一台800w的YAG激光器的有效功率相当于一台3kw的CO2激光器功率）。（2）YAG激光器可以在连续和脉冲两种状态下工作，脉冲输出加调Q和锁模技术可以得到短脉冲和超短脉冲，峰值功率很高，使其加工范围比CO2激光器更大。（3）YAG激光器能与光纤耦合，借助时间分割和功率分割多路系统可以方便地将一束激光传输给多个工位和远距离工位，便于激光加工实现柔性化。（4）YAG激光器结构紧凑，特别是LD泵浦的全固态激光器，小型化、全固化、长寿命、工作物质热效应减小、使用简便可靠，是目前YAG激光器的主要研究和发展方向。缺点：转换效率比CO2激光器低约一个数量级，仅为百分之几；工作过程中YAG棒内部存在温度阶度，因而会产生热应力和热透镜效应，输出功率光束质量受到影响；YAG激光器的光束质量较差，一般为多模运转；每瓦输出功率的成本费比CO2激光器高。1.2气体激光器（CO2激光器）CO2激光器是一种混合气体激光器，以CO2、N2和He的混合气体为工作物质。激光跃迁发生在CO2分子的电子基态的两个振动-转动能级之间。N2作用是提高激光上能级的激励效率，He的作用是有助于激光下能级的抽空。后两种的作用都是为两增强激光的输出。CO2激光器转换效率较高，同时激光器工作产生的热量可以通过对流或扩散迅速传递到激光增益区之外，其激光输出平均功率可以做到很高的水平（万瓦以上），满足大功率激光加工的要求。2 模具激光制造模具激光制造是以激光束作为热源通过激光与被加工材料之间的相互作用实现模型，用以制造三维模型的过程。内容主要包括：激光间接成模工艺和激光直接成模工艺。2.1激光间接成模工艺2.1.1 立体光造形工艺立体光造形又称光敏树脂法或光固成型，英文是 Stereo Lithography Apparatus，简称SLA。该方法是最早发展起来的快速成型方法，1988年3D Systems公司最早推出了基于SLA的商品化快速成型机，它采用紫外激光器在计算机的控制下实现光敏树脂的凝固成型。（1）基本原理立体光造形的快速成型机由计算机控制系统、CAD平台、激光器、导光系统、盛放液态树脂的不锈钢液槽以及精密升降台组成。立体光造型的成模过程如图2所示。液槽中盛满液态光敏树脂，紫外激光器（氦镉激光器或氩离子激光器或三倍频Nd:YVO4激光器）发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光化学反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，然后刮板将黏度较大的树脂液面刮平，进行下一层的扫描加工，新固化得一层牢固地黏结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。当实体原型完成后，首先将实体取出，并将多余的树脂排净。去掉支撑后，再将实体原型放在紫外激光下整体后固化。图2 立体光造型工艺成型过程（2）技术特点优点：成型过程自动化程度高；尺寸精度高；表面质量优良；可以制作结构十分复杂的模型；可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失模。缺点：成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲，需要支撑，否则会引起制件变形；设备运转及维护成本较高；可使用的材料种类较少；液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，并防止提前发生光化学反应，选择时具有局限性；需要二次固化；液态树脂固化后的性能尚不如常用的工业塑料，一般较脆、易断裂，不便进行机加工。2.1.2 薄层叠片制造工艺薄层叠片制造英文是Laminated Object Manufacturing，简称LOM。工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等，由美国Helisys公司于1986年研制成功。通过反复CO2激光器切割和材料粘贴，得到分层制造的实体工件。LOM工艺的特点是适合制造大型工件，其精度达到0.1mm。（1）成型原理如图3所示为新加坡Kinergy公司生产的ZIPPY型快速成型机。由图可知：LOM快速成型机主要包括激光切割系统、原材料的存储及进给系统、热粘压系统、可升降工作台和数控系统以及计算机系统，另外，排除加工过程中产生的烟雾的排气系统也是必不可少的辅助系统。图3 薄层叠片制造工艺激光快速成型机组成计算机用于接受和储存工件的三维模型，将模型安高度方向分层，得到放层的轮廓线，控制成型机协调工作。原材料进给系统将带有单面热熔胶的纸张送至工作台的上方，热粘压系统的热压辊将纸张与先前的纸张压粘在一起。激光切割系统根据计算机给出的该层的轮廓线进行切割，并将无轮廓区切成小网格，以便成型后剥离废料（图4）。每切割完一层，升降台下降一层，重新送纸，粘合和切割，至到所有的层加工完毕。图4 薄层叠片制造中的交叉截面线（2）成型材料薄层叠片制造工艺使用的原材料包括薄层材料和热熔胶两部分。热熔胶热熔胶有以下几方面的要求：良好的热熔、冷固特性，要求在室温下为固态，在加热到一定温度时熔融；要有稳定的物理化学特性；足够的黏结强度；熔融状态下与纸材有较好的涂挂性和均匀性。薄层材料：纸材料、陶瓷材料、金属材料。（3）成型精度影响LOM成型精度的原因：CAD模型前处理造成的误差；成型过程中误差；成型后环境变化引起的误差；后处理不当造成的误差。改进成型精度的措施：改善黏结压应力和厚度分布的均匀性；改善因湿度和温度引起的变形。（4）成型特点优点：原型精度较高，精度高的原因有：进行薄形材料选择性切割成型时，在原材料中，只有较薄的一层粘结剂发生状态变化，而主要的基底材料保持固态不变，因此翘曲变形较小;采用特殊的颗粒状态涂黏结剂工艺制作的胶纸有较小的翘曲变形;激光切割速度与切割功率的自动匹配软件控制，以及激光切口宽度的自动补偿，精密数控系统等先进技术的采用，使工件在X和Y方向的精度可达（0.10.2）mm，Z方向的精度可达（0.20.3）mm。因为无需对整个截面进行扫描，且不需考虑支撑，所以容易制作大尺寸的工作，速度快、效率高。制件能承受高达200摄氏度的温度，有较高的硬度和较好的力学性能，可进行各种切割加工。无需后固化处理。原材料价格便宜，制作成本低。缺点：不适合具有封闭腔型结构件的制作。工件（特别是薄壁件）的抗拉强度和弹性不够好。工件易吸湿膨胀，因此，成型后应尽快进行表面防潮处理。工件表面有台阶纹，其高度等于材料的厚度（通常为0.1mm左右），因此，成型后需进行表面打磨。薄层叠片制造工艺与其他工艺相比，具有制作效率高、速度快、成本低等优点，尤其适合中、大型件的制作。 2.1.3 选择性激光烧结工艺选择性激光烧结英文是Selective Laser Sintering，简称SLS。工艺是利用粉末状材料成形的，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的于1989年研制成功，通过用高强度的CO2激光器逐层有选择地扫描烧结材料粉末而形成三维工件，SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛。（1）基本原理图5 选择性激光烧结工艺原理选择性激光烧结的系统工作原理如图5所示，整个工艺装置由激光器、扫描偏转镜、粉末缸、模型缸和铺粉系统等组成。工作时送粉缸活塞上升，由铺粉辊将粉末在模型缸活塞上均匀铺上以层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。在烧结之前，整个工作台被加热至稍低于粉末溶化温度，以减少热变形，并利于与前一层面的结合。粉末完成一层后，模型缸活塞下降一个层厚，铺粉系统铺设新粉，控制激光束扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，就得到三维零件。（2）成型特点优点：材料适应性广；直接制造金属功能件；成型工艺比较简单；精度较高;材料利用率高。上述三种激光快速成形技术由于发展时间长,技术相对比较成熟,在国内外都得到了较为广泛的应用。但上述方法形成的三维工件都不能直接作为模具使用,需要进行后续的处理, 所以称之为激光间接成模工艺。主要的处理方法有：快速成形工件处理后用作模具。LOM制作的纸模经表面处理直接代替砂型铸造木模；或者用LOM制作的纸模具经表面处理直接用作低熔点合金铸模、注塑模；或失蜡铸造中蜡模的成形模。SLS制作的工件经渗铜后,作为金属模具使用。用快速成形件作母模浇注硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等材料制作软模具。用快速成形件翻制硬模具。一种是直接用LOM制作纸基模具,经表面金属电弧喷镀和抛光后研成金属模；另一种是金属面硬背衬模具。上述硬模具可用于砂型铸造、消失模的压型制作、注塑模以及简易非钢质拉伸模。用上述激光间接成模工艺制作模具,既避开了复杂的机械切削加工,又可以保证模具的精度,还可以大大缩短制模时间、节省制模费用,对于形状复杂的精度模具,其优点尤为突出。但是,目前还存在着模具寿命相对较短的缺点,所以上述激光间接成形模具较适合于小批量生产。2.2激光直接成模工艺2.2.1 选择性激光熔化技术选择性激光熔化英文是Selective Laser Melting，简称SLM。选择性激光熔化技术是在选择性激光烧结(SLS)技术的基础上发展起来的。SLM的特点为：（1）使用高功率密度，小光斑的激光束加工金属，使得金属零件具有0.1毫米的尺寸精度；（2）熔化金属制造出来的零件具有冶金结合的实体，相对密度几乎能达到100，大大改善了金属零件的性能；（3）由于激光光斑直径很小，因此能以较低的功率熔化高熔点的金属，使得用单一成分的金属粉末来制造零件成为可能。2.2.2 激光工程化净成形技术激光多层（或称三维/立体）熔覆直接快速成形技术是在快速原型技术的基础上结合同步送料激光熔覆技术所发展起来的一项高新制造技术，其实质是计算机控制下的三维激光熔覆。由于激光熔覆的快速凝固特征，所制造出的金属零件具有均匀细密的枝晶组织和优良的质量，其密度和性能与常规金属零件相当。激光多层熔覆发展出了多种方法，其中最具代表性的是美国Sandia国家实验室（Sandia National Laboratories）研发的称作激光工程化净成形技术英文是Laser Engineered Net Shaping，简称LENS的金属件快速成形技术。采用该方法已成功制造了不锈钢，马氏体时效钢，镍基高温合金，工具钢，钛合金，磁性材料以及镍铝金属间化合物工件，零件致密度达到近乎100%。选择性激光熔化(SLM)技术和激光工程化净成形(LENS)技术由于成形件致密性好，且具有冶金结合组织及精度高，制成的模具寿命长的特点，已得到了工业界和学术界的普遍重视，在国外已推出了多种设备样机，有的甚至开始商品化了；而国内目前的研究和应用还处于起步阶段。另外，还有一种基于激光精细切割的金属零件分层制造技术（LOM），具有可快速、低成本制造大型、复杂形状的模具的特点。日本中川威雄研究室早在80年代就应用金属薄板 LOM技术实现了金属模具的分层快速制造。经过发展，金属薄板LOM技术已逐渐应用于诸如汽车等大型内外饰件模具及具有复杂流道注塑模的制造。3 模具表面激光改性模具表面处理一直是机械加工领域中所重视的问题。随着新技术新工艺的发展，有许多传统的处理方式已不太适用。对形状复杂的模具，最理想的表面处理方式是用激光进行，它几乎不变形，表面硬度比常规处理方式的硬度高，并且更耐磨，使用寿命更长。3.1 激光相变硬化 激光相硬化又称激光淬火，是激光热处理中研究最早、最多，进展最快，并且得到广泛应用的一种工艺。激光相变硬化过程是复杂的快速加热和冷却过程。硬化层尺寸（深度、宽度）和性能参数（硬度、耐磨性）主要取决于激光器的工作方式、激光模式、激光功率、光斑尺寸、扫描速度、扫描路径、保护气体等。3.1.1 激光相变硬化原理激光相变硬化以高功率密度（104W/cm2105W/cm2）的激光作为热源对材料表面进行快速加热，使材料温度快速升高（104摄氏度/s106摄氏度/s）到相变温度以上而又低于溶化温度时发生奥氏体转变，在激光离开照射部位以后，通过材料自激冷却作用进行淬火，是材料表层快速冷却（106摄氏度/s108摄氏度/s）得到淬火组织。激光相变硬化能过获得细晶马氏体组织，位错密度比常规加热淬火显著提高，硬度显著提高，位错强化和固熔强化是激光相变硬化的主要强化机制。激光淬火使材料表面的综合性能得到很大改善，耐磨性显著提高。激光相变硬化适应性强，可以对深孔、内孔、盲孔和凹槽等部位进行局部处理。3.1.2 模具激光相变硬化影响因素如图所示给出了影响模具激光表面淬火的主要因素。激光淬火时热应力会导致强化层断裂、模具变形或在模具内部留有残余应力，此时希望调整激光加工工艺参数减少热应力以避免开裂、减少变形并控制热变形为最小或得到适当的残余压应力以提高模具的耐疲劳性能。开展激光加工过程中热应力、热应变的行为及其变化规律的研究，对于加强控制手段、稳定加工工艺、提高制品质量和性能优着重要意义。图 影响模具激光表面淬火的主要因素3.1.3 激光相变硬化特点优点：强化效果好；能够获得极细的硬化层组织，而且淬硬层深度可以控制；变形小；适应性广泛且灵活；工艺周期短；对环境无污染。缺点：由于是表面局部硬化处理，工作芯部的性能没有得到改善；硬化面积小，硬化层较浅，一般在1mm以下，部适用于重负型工件；设备一次性投入费用以及维护费用偏高。3.2 激光冲击强化激光冲击强化是高功率密度、短脉冲的激光束与物质相互作用产生的强冲击波来改变材料表面物理及机械性能的技术。在激光冲击过程中，由于激光诱导产生的冲击波峰值应力大于材料的动态屈服应力，从而使材料产生密集、均匀以及稳定的位错结构，使金属表面发生塑性变形，并形成较深残余压应力，从而提高金属零件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命，如图。图 激光冲击强化加工示意图3.2.1 激光冲击强化处理的表面改性作用（1）表面硬度金属或合金的激光冲击强化是重要的表面改善措施。激光冲击加工会在整个激光辐照区域使金属表面硬度提高。表面硬化的幅度取决于激光冲击加工的参数、合金类型与金属的显微组织。（2）疲劳性能改善合金表面的疲劳性能是激光冲击加工应用的另一重要方面。激光冲击加工的有益作用源自表面压缩应力和表面质量。（3）其他性能激光表面冲击强化液扩展至改善耐磨性能和耐腐蚀性能。研究表明，激光冲击加工产生的围绕夹杂的纯力学效应改善含盐介质中316L不锈钢的耐点蚀性能，亦使100Cr6工具钢的磨损率下降。此外，2024-T351铝合金的疲劳开裂行为也因激光冲击的加工硬化和残余应力效应得到改善。3.2.2 激光冲击强化的特点（1）优点：冲击压力高，强化深度达到传统的喷丸强化深度48倍；能够加工传统工艺不能处理的部位，如小槽、小孔以及轮廓线之类；激光冲击强化后的金属表面不产生畸变和机械损伤，无热应力损伤，不会引起相变等。（2）缺点：火口的形成和随之带来的物理表面质量的恶化。3.3 激光熔覆激光熔覆是一种新兴的零件表面改性技术，又称激光涂覆或激光熔覆。其实质是将具有特殊性能（如耐磨、耐腐蚀、耐疲劳、抗氧化等）的粉末预先喷涂在基材表面或者与激光束同步送粉，使其在高能密度（大于104W/cm2）的激光束作用下迅速熔化、扩展及快速凝固，在基材表面的都无裂纹气孔的冶金结合层，从而形成与常规性能不同的优异合金层的工艺技术。3.3.1 激光熔覆的分类根据熔覆材料的供给方式，激光熔覆可分为两大类：预置式激光熔覆和同步送粉式激光熔覆。（1）预置式激光熔覆预置式激光熔覆是将熔覆材料预先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束辐照扫描使其熔化（如图8）。熔覆材料以粉末、丝和板材的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。其主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理预置熔覆材料预热处理激光熔覆后热处理。图8 预置式激光熔覆横截面示意图（2）同步送粉式激光熔覆同步送粉式激光熔覆是将熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用线材或板材同步送料。其主要工艺流程为：基材熔覆表面预处理送料激光熔覆后热处理。3.3.2 激光熔覆特点（1）熔覆层经光束照射升温快、温度高。（2）熔覆层成分可以精确控制且具有与基体材料性质完全不同的性质。（3）熔覆层宽度、厚度可以精确控制，且基体的稀释率很低（一般小于5%）。（4）可以在大气中进行加工，而电子束、离子束表面改性都要求有较高的真空度。（5）可以进行局部加工，材料消耗少，具有很高的价格性能比。（6）熔覆层组织细小均匀，无裂纹气孔。（7）对粉末的选择几乎没有任何限制，可以再低熔点金属表面熔覆高熔点合金。3.4 激光合金化激光表面合金化是一种材料表面改性技术。把合金元素或化合物直接或间接结合到基体材料表面，然后在高能激光束的加热下快速熔化、混合，使金属元素或化合物均匀分散并熔渗于液化层（熔池）中，形成厚度为101000um的表面熔化层。熔化层能在很短的时间内（502000us）形成具有符合某种要求的深度和化学成分或组成相的新表面合金覆盖层，这种合金化层与基体之间有很强的结合力。激光表面合金化能够进行局部表面处理，而且变形小、速度快。它能使廉价的金属材料，无论是碳钢、合金钢，或者是有色金属及其合金表层，都能够得到任意成分的合金和相应的微观组织，从而获得良好的物理、化学及综合力学性能。4 模具激光修复模具的失效事实上均因其表层局部材料磨损等原因而报废，而且金属模具的加工周期长、加工费用高。模具使用寿命取决于抗磨损和抗机械损伤能力，一旦磨损过度或机械损伤，须经修复才能恢复使用。目前常采用的维修技术有电镀、堆焊和热喷涂等。电镀层较薄，而且与基体结合差，形状损坏部位难于修复；在堆焊、喷涂时，热量注入大，模具热影响区大。而应用激光进行模具维修，由于激光束的高能量密度所产生的近似绝热的快速加热，对基体的热影响较小，引起的畸变可以忽略。模具的激光修复可采用的方法主要有两种：激光沉积焊接模具修复和激光熔覆模具修复。4.1 激光熔覆模具修复利用激光熔覆的方法实现对模具的修复。用高功率CO2激光束以恒定功率与金属粉流同时入射到模具表面上，金属熔化产生熔池，然后快速凝固形成冶金结合的覆层。此方法一般采用大功率CO2激光器作为热源，适用于体积较大、磨损面积较大的模具修复，以及象钢铁