（光学专业论文）精密模具送丝法激光熔覆修复技术的研究.pdf

摘要 平方向上的分方向与工作台的移动方向相同且与基体成1 5 3 5 电流 i 1 5 5 a 脉冲宽度p w 2 5 m s 熔覆速度v 2 m m s 脉冲频率f 2 5 h z 离焦量 d 一1 0 m m 采用优化工艺参数能得到与基体充分冶金结合 表面平整光滑致密 无气孔和裂纹 稀释低的熔覆层 进一步论证了将激光加工工艺参数简化为单脉 冲能量和重叠率的理论指导意义 实验结果表明 当单脉冲能量为4 4 2 j 重叠 率为9 2 2 7 熔覆质量最好 2 修复后的模具钢横截面显微组织有熔覆层 结合区 基体三部分组成 熔覆层显微组织致密 均匀 熔覆层底部的熔覆材料成长为长的柱状树枝状晶 成长方向与散热方向一致 与基体相比 其显微组织的晶粒更为精细 熔覆层中 部的熔覆材料部分成长为树枝状晶 与熔覆层中部相比 熔覆层底部的晶粒更为 精细 熔覆层顶部的显微组织由树枝状晶和胞状晶组成 熔覆层截面的能谱点扫 描 线扫描和面扫描结果表明 熔覆层c r 元素的含量大于其在基体中的含量 通过试样检测发现激光熔覆的缺陷主要存在形式是裂纹和气孔 分析了产生机理 和预防措施 熔覆层的硬度介于5 5 1 0 5 7 4 1 h v o 2 之间 基体的硬度介于 4 9 3 2 5 0 8 h v o 2 之间 熔覆层的硬度略高于基体 熔覆层和基体之问有一个逐 渐变化的显微硬度分布 实现了与基体之间的缓和过渡 关键词 送丝法 激光熔覆技术 4 c r 5 m o s i v l 模具钢 优化工艺参数 显微组 织 成分分析 显微硬度 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 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t iii 目录 v i 第一章绪论 1 1 1 引言 1 1 2 模具的失效分析 2 1 2 1 断裂失效 3 1 2 2 磨损失效 3 1 2 3 疲劳失效 3 1 2 4 变形失效 3 1 2 5 腐蚀失效 4 1 3 激光熔覆技术概述 4 1 4 送丝法激光熔覆技术的国内外研究现状 5 1 5 课题研究的背景 内容和意义 8 1 5 1 课题研究的背景 8 1 5 2 课题研究的内容 9 1 5 3 课题研究的意义 9 第二章实验材料及方法 11 v i 2 5 显微组织及硬度的检测分析 18 第三章激光熔覆工艺参数对熔覆层质量的影响研究 2 0 3 1 激光单脉冲能量对熔覆质量的影响 2 0 3 1 1 激光器电流 2 1 3 1 2 激光脉冲宽度 2 4 3 2 激光重叠率对熔覆质量的影响 2 5 3 2 1 熔覆速度 2 6 3 2 2 激光脉冲频率 2 7 3 2 3 离焦量 2 8 3 3 辅助气体对熔覆质量的影响 2 9 3 4 送丝方位对熔覆质量的影响 3 0 3 5 本章小结 3 2 第四章激光熔覆层显微组织和力学性能分析 3 4 4 1 熔覆层显微组织分析 3 4 4 2 熔覆层成分分析 3 7 目录 4 2 1 熔覆层不同部位点成分分析 3 7 4 2 2 熔覆层线扫描成分分析 3 8 4 2 3 熔覆层面扫描成分分析 3 9 4 3 熔覆层缺陷分析 4 0 4 3 1 裂纹的成因及控制 4 0 4 3 2 气子l 的成因及控制 4 2 4 3 3 层状偏析的成因及控制 4 3 4 3 4 夹杂物的成因及控制 4 4 4 4 显微硬度 4 5 4 5 本章小结 4 7 第五章结论 4 8 参考文献 5 0 致谢 5 6 攻读硕士期间发表论文与课题研究 5 7 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 模具是材料成型加工中重要的装备之一 是工业生产的基础工艺装备 因其 生产效率高 产品质量好 材料消耗低 生产成本低而被各行业广泛用于生产最 终产品 模具是现代工业 特别是汽车 摩托车 航空 仪表 仪器 医疗器械 电子通信 兵器 家用电器 五金工具 日用品等工业必不可少的工艺装备 用 模具生产的最终产品的价值将超过模具自身价格的几十倍乃至上百倍 上千倍 被誉为 效益放大器 l 从起步到现在 我国模具工业经历了半个多世纪的发 展 已有了较大的提高 与国外的差距正在进一步缩小 据估算 2 0 0 7 年我国 模具产值达到了8 7 0 亿人民币 排名世界第三 l 1 2 0 0 6 年增长2 1 2 j 纵观我国 的模具工业 既有高速发展的良好势头 又存在精度低 结构欠合理 寿命短等 一系列不足 无法满足整个工业迅速发展的迫切要求 近年来 随着科技的不断 进步 特别是随着电子 通讯等行业的发展 模具行业结构调整步伐加快 主要 表现为精密 复杂模具发展速度高于行业的总体发展速度 3 从我国模具的整体 水平来看 模具的设计和制造水平有了很大提高 但质上还远远无法满足国内企 业对先进模具的需求 近三年来 我国对中高端模具的进口额一直保持在2 0 亿美 元左右 国内的高端模具依然无法替代国外模具进口 模具是强迫金属或非金属在形腔中流动成形的工具 由于模具一方面受到金 属或非金属的摩擦作用 另一方面 被挤压的材料反给模具以较大的压应力 因 此不可避免地会产生失效 目前在我国的许多企业中 模具的使用寿命还比较低 仅相当于国外的1 5 1 3 e 4 5 1 据统计 由于模具寿命低而造成的钢材 工时和能 源浪费 以及对产品质量影响所带来的损失 每年达数十亿元人民币 因此提高 模具寿命是模具制造业中急待解决的问题 由于模具的失效往往是从其表面开 始 表面修复技术在模具修复中起着至关重要的作用 为了提高精密模具的使用 寿命 研究精密模具修复的技术与方法 对制造过程中以及使用过程中失效的模 第一章绪论 具进行修复就显得势在必行 1 2 模具的失效分析 模具失效是指模具工作部分发生严重磨损或损坏而不能用一般修复方法 刃 磨 抛光 使其重新服役的现象 模具的主要失效形式有磨损 断裂 局部崩块 腐蚀 疲劳和变形等 模具在工作过程中可能同时出现多种形式的损伤 各种损 伤之间又相互渗透 相互促进 各自发展 而当某种损伤的发展导致模具失去正 常功能时 则模具失效 模具的失效形式如表1 1 所示 1 表1 1 模具失效形式 失效形式分类特征 塑性断裂失效 脆性断裂失效 断裂失效崩刃 断裂 折断 胀裂等 蠕变断裂失效 应力腐蚀断裂失效 粘着磨损失效 磨粒磨损失效 疲劳磨损失效刀刃钝化 棱角变圆 平面下陷 表面 磨损失效 气蚀磨损失效沟痕 粘膜剥落等 冲蚀磨损失效 腐蚀磨损失效 热疲劳失效 疲劳失效平面龟裂 裂纹 表面破痕 局部断裂 冷疲劳失效 过量弹性变形失效 局部塌陷 型腔胀大 型腔塌陷 型孔 变形失效过量塑性变形失效 扩大 棱角倒塌陷 凸横纵向弯曲 蠕变超限失效 点腐蚀失效 晶间腐蚀失效局部开裂 粘膜剥落 棱角变圆 平面 腐蚀失效 冲刷腐蚀失效下陷 应力腐蚀失效 2 第一章绪论 1 2 1 断裂失效 冷作模具所受的力主要为机械作用力 冲压力 热作模具所受除机械作用 力外 还有热应力和组织应力 有许多热作模具的工作温度较高 又采用强制冷 却 其热应力可远远超过机械应力 因此 许多热作模具的断裂主要与热应力过 大有关 1 2 2 磨损失效 冷挤压模具与其他绝大多数模具一样 都有一个零件公差所允许的磨损范 围 当模具达到磨损极限不能继续使用时 这种磨损属于正常的工具损坏 然而 对于相当一部分模具来说 在尚未达到磨损极限之前 由于许多方面原因 常发 生型腔表面早期损伤失效 1 2 3 疲劳失效 模具的凹凸模在反复交变应力作用下 加工一定数量的工件之后就会产生疲 劳裂纹 随着冲压次数的增加 裂纹不断扩展 致使模具破坏失效 模具疲劳失 效的根本原因就是应力集中和循环载荷 尽管模具受到的载荷有时明显低于其屈 服强度 但由于局部的应力集中 使得低载荷下 在应力集中处仍然会形成微裂 纹 而模具通常都在高强度和低塑性状态下工作 当微裂纹形成之后 在模具所 受的循环载荷作用下 微裂纹便很容易扩展并最终导致疲劳断裂 热作模具长期 经受反复加热和冷却所产生的热应力作用 容易出现热疲劳失效 尤其是压铸模 具 热疲劳失效约占失效总数的6 0 7 0 1 2 4 变形失效 由于冷挤压时 作用在模具上的载荷非常大 直接承受压力作用的工作零件 将产生弹性变形和塑性变形 塑性变形即承受负荷大于屈服强度而产生的变形 第一章绪论 1 2 5 腐蚀失效 在工作中 模具表面与其周围的环境介质发生化学或电化学反应 以及模具 与工件之间的摩擦作用而引起模具表层材料脱落的现象称为腐蚀失效 腐蚀失效 主要发生在热作模具和塑料模具中 在金属压铸模具中比较容易出现冲蚀 1 3 激光熔覆技术概述 目前 国内外对失效模具主要的修复技术有 火焰喷涂 等离子喷涂 电镀 手工氩弧堆焊 这些传统技术在模具修复中发挥了一定的作用 1 0 1 2 1 由于传统 修复方法技术本身的缺陷 已不能胜任精密模具的修复 其主要不足体现在 1 不易实现自动化 工作效率低 2 热量输入大 模具的热影响区大 易变形 3 涂层稀释率大 降低了涂层的性能 4 基体与涂层的冶金结合不够好 涂层 易开裂 剥落 5 不适于精密地修复小型模具 局部受损模具和精密要求高的 模具 6 由于热输入多 涂层与基体不匹配引起了基体新的损伤 激光熔覆修复技术是新兴的一种表面改性技术 通过在基材表面添加熔覆材 料 并利用高能密度激光束辐照加热 使熔覆材料和基材表面薄层发生熔化 并 快速凝固 从而在基材表面形成与其为冶金结合的熔覆层 与传统的模具修复技术相比 激光熔覆技术具有以下显著的优剧1 3 15 1 1 激光束光斑直径小 可以调整到毫米级甚至微米级 能满足精密模具 的修复要求 2 激光熔覆所需材料具有可设计性 可通过混合不同的熔覆材料进行涂 层的设计来得到不同的涂层性能 提高了涂层与基体化学 物理 机械性能的匹 配 其硬度一般相对比较高 耐磨损 耐腐蚀等性能也比较好 3 由于激光作用时间短 激光的峰值功率密度很高 能在百分之几秒或 更短的时间内 使工件表面附近加热处的温度上升到1 0 0 0 以上 当激光束快 速扫描金属表面时 金属表面因吸收光能而被迅速加热或熔化 使得熔覆层稀释 率低 熔覆组织均匀致密 微观缺陷少 高达1 0 6 c s 的冷却速度使凝固组织细 化 甚至产生新性能的组织结构 如亚稳相 超弥散相 非晶相等 4 由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热过程 激光能量 4 第一章绪论 集中在工件表面 加热区温度上升得极快 其热量来不及传导到加热区周围冷的 金属上 对基材的热影响小 引起的变形小 工件表面氧化和脱碳小 熔覆成功 率高 因此 激光修复处理后能保持工件原有的表面粗糙度 省去了修复后因变 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 位置和形状等能够精确控制 激光 可以精确地按照任何复杂的几何图形局部地 有选择性地对金属表面进行修复 且处理深度和处理面积精密可控 原则上 只要是光束可以到达的地方 特别是 内表面的局部 如 盲孔的内壁或底部 工件的拐角 复杂的沟槽 深孔或齿轮 牙等 都可以进行处理 同时 多工位 多自由度的激光加工系统在生产应用 中是由计算机控制 容易实现自动化 6 可以在大气中进行加工 而电子束 离子束表面修复要求较高的真空 度 可以使用保护气体 氧化效应极低 工件不变色 后续处理工序少 激光熔覆不但可以改善零件的表面性能 还可以用于报废件的修复 1 睨3 1 以模具修复为例 采用激光熔覆修复技术 能进行形状修复 功能修复和增强功 能修复 是报废的模具重新恢复生机 不仅节约了开模费用 而且争取了制作模 具的大量时间 2 抛8 1 用激光熔覆技术可以节约成本 提高产品的质量 延长相 关零部件的使用寿命 现已广泛用于航天 军事 石油 化工 医疗器械等领域 2 9 3 5 1 4 送丝法激光熔覆技术的国内外研究现状 激光熔覆合金可以采用不同的送料方法 常见的送料法包括预置涂层法 同 步送粉法和送丝法 不同的送料方式会影响激光熔覆过程的能量 动量和质量传 输 最终会影响熔覆过程的冶金行为和涂层性斛珀 预置涂层法 3 h 1 的工艺如图1 1 所示 采用热喷涂 电镀 电沉积 等离子 喷涂或直接粘接 粉末松散铺展等方法将熔覆材料预先粘接在基体表面 然后利 用激光照射 使熔覆层材料和基体材料熔化 凝固 进而实现冶金结合 预置涂 层法研究的较早 优点是经济方便 工艺简单 操作灵活 不受材料的限制 容 易实现复合成分粉末的熔覆 缺点是加热过程中存在熔覆材料的烧损 飞溅 熔 覆层容易产生气孔 变形 开裂 夹渣等现象 难以获得光滑的熔覆层 增加了 5 第一章绪论 后续加工量 熔覆层稀释率难以控制 过程难以自动化 粉末材料在激光照射下 定位难 对熔覆材料的性能影响严重 i 一 扫描方向 预置粉末涂层 扩束 图1 1 预置粉法激光熔覆工艺示意图 同步送粉法 4 2 4 5 的工艺如图1 2 所示 在激光照射基体表面的同时 送粉器 连续地输入熔覆材料粉末 在辅助气体下 基体和熔覆材料同时被加热熔化 迅 速凝固 实现冶金结合形成熔覆层 粉末在激光束中的分布状态 运动时问和激 光束的位相关系都会对熔覆材料和基体的加热过程产生巨大的影响 同步送粉法 最显著的特征是激光束和熔覆材料 基体动态地同时相互作用 同时加热 两者 的加热温度相当 程度可控 同步送粉法熔覆过程中 可调节粉末流速 粉末喷 嘴 激光束聚焦点的位置等参数 其优点有 工艺参数可控 过程容易实现自动 化控制 激光能量吸收率高 稀释率可控 基体和熔覆层材料适用范围广 熔覆 层材料利用率高 熔覆层使用性能 成分和组织结构可控 环境污染小 l基体 l 图1 2 同步送粉法激光熔覆工艺示意图 送丝法的工艺如图1 3 所示 用丝材作为激光熔覆材料 将丝材倾斜指向处 理表面 用高于等离子体形成阈值的功率密度辐照 激光能量主要有等离子体传 6 第一章绪论 递给丝材和工件 舡5 1 1 虽然无论从技术角度 还是生产效率角度 前两种方法 是激光熔覆材料添加方式的主流 但是送丝法激光熔覆技术的优势主要在于 l 可以使用容易离子化的气体作为辅助气体 材料的利用率接近1 0 0 2 送丝法 激光熔覆所需激光功率小 可以用于修复尺寸较小的精密模具 兰 扰体 心 基体 束 丝材 图1 3 送丝法激光熔覆工艺示意图 韩国仁荷大学的j d k i m 和y u np e n g 删研究了送丝法激光熔覆的熔池形貌 及熔覆层的稀释率 在激光熔覆过程中 准稳态之前热量在熔池附近累积 因此 稀释率将越来越大 采用时变有限元法对熔池建立模型 利用二维有限元法计算 了不同时间的稀释率和熔池形貌 同时实验利用与模拟相似的工艺参数 熔覆工 艺参数对熔池和熔覆层稀释率的影响分析表明 结论与有限元法得出的结论一 致 为送丝法激光熔覆在实际当中的应用提供理论参考 韩国仁荷大学的j d k i m 和y u np e r l g 4 7 1 采用送丝法n d y a g 激光熔覆技术 对i n c o n e l6 0 0 材料进行了修复研究 实验结果表明 送丝方向和位置 熔覆时间 熔覆速度对熔覆层的质量有着重要影响 采用合适的送丝方位 丝材能够在熔池 中被熔融金属的热量所熔化 随着熔覆速度的提高 熔覆层的稀释率减小 基材 的热影响区的晶粒尺寸得到有效的控制 此外熔覆层和热影响区的硬度都得到了 提高 通过采用优化的工艺参数 得到了表面光滑 与基底冶金结合 低稀释率 的熔覆层 韩国仁荷大学的j d k i m k h k a n g 署1 j n k i m 4 8 研究了船用螺旋桨的送 丝法激光熔覆修复 提出了解决熔滴过渡的方法 利用优化的工艺参数的得到了 无气孔 无裂纹 低稀释率的熔覆层 提高了船用螺旋桨的使用寿命 意大利米兰理工大学的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 为了延长激光 直接金属烧结制造的硬质合金工具的使用寿命 对其进行了送丝法激光熔覆修复 研究 研究发现 采用优化的工艺参数 可以得到致密无裂纹以及结合良好的多 7 第一章绪论 层熔覆结构 由于基底烧结材料的多气孔的特性以及表面光滑程度导致在熔覆层 中气孔的出现 对基底金属磨光处理可以减少气孔的所占的比例 意大利米兰理工大学的e c a p e l l o 和b p r e v i t a l i 5 0 1 为了克服传统模具修复工 艺的不足 采用了送丝法激光熔覆技术 由于送丝法激光熔覆 l c w 是手工 修复 因此熔覆层的质量由丝材和基底的材料 激光工艺参数以及操作者的熟练 程度决定 研究结果还发现 在操作者手工送丝熟练后 激光功率以及脉宽是影 响熔覆层的最主要因素 美国内布拉斯加州大学的o c e r i no 和e x t r u d eh o n e 公司的研究人员 5 l 对模具 进行了送丝法激光熔覆的表面修复研究 为了测试送丝法的可行性 把高功率二 极管激光器安装在传统的三轴加工机床上 对修复的工艺参数和熔覆形貌的关系 进行了分析 目前还未见国内研究小组对送丝法激光熔覆技术进行相关的研究 基于以上 理论和实验的分析 研究送丝法激光熔覆技术在精密模具的修复应用是必要的 也是可行的 而且还具备一定的创新性 必定能为精密模具的修复提供一种新的 技术手段 1 5 课题研究的背景 内容和意义 1 5 1 课题研究的背景 本论文主要的研究内容来自于2 0 0 8 年广州市科技攻关重点项目 模具激光 精密修复机的研制与开发 编号 2 0 0 7 2 2 一1 0 0 11 随着全球制造重心进一步向我国转移 精密模具的需求量每年呈现2 5 以上 的增长速度 成为拉动国内经济增长的支柱产业之一 与精密模具生产与使用配 套的精密模具修复技术具有广泛的应用前景 必将成为我国经济的增长点 利用 激光可以实现模具的快速修复 减少模具的报废率 提高产品的质量 降低企业 的成本 目前 我国现有的激光加工设备和工艺方法以不能满足精密模具修复的 要求 从而制约了精密模具修复产业的发展 第一章绪论 1 5 2 课题研究的内容 本课题通过研究送丝法激光熔覆修复工艺以获得良好的熔覆层形貌 观察和 分析激光熔覆层及基体的截面微观组织结构 探究显微组织的形成原因 检测熔 覆层和基体显微硬度的变化 通过性能分析得出优化的激光熔覆修复工艺参数 为激光熔覆精密修复技术在实际生产中的应用提供理论和实践的参考 本研究内容采用广州瑞通千里激光设备有限公司l w s 4 0 0 w c 系列脉冲 n d y a g 激光加工系统进行工艺实验 其中基体为4 c r 5 m o s i v l 模具钢 熔覆材 料为s k d 6 1 模具修补焊丝 对实验样品进行金相试样制备 使用扫描电镜检测熔 覆层及基体的形貌和微观组织 利用能谱仪对熔覆层和基体的元素成分变化趋势 进行分析 再用显微硬度计检测其硬度性能的变化 主要研究内容 1 通过不断的工艺实验获得优化的熔覆工艺参数 2 使用扫描电镜检测和分析熔覆层及其基体截面的形貌和显微组织 3 利用能谱仪对熔覆层和基体的元素成分进行检测和分析 4 通过对显微组织和化学成分的分析 结合显微硬度的检测 探讨硬度性 能与显微组织和化学成分之间的关系 1 5 3 课题研究的意义 研究利用激光技术精密修复失效模具及其工艺方法 对生产使用过程因磨 损 变形 断裂等形式失效的模具进行快速 精密修复 大幅度延长模具的使用 寿命 是一项具有重要经济意义 符合可持续发展战略的工程 可以为企业节约 大量的资金和资源 同时利用激光技术修复精密模具 具有材料适应范围广 生 产效率高 质量稳定可靠 性能提高幅度大 清洁化生产等特点 该工艺方法的 试验成功 将促进精密模具修复技术的快速发展 符合创建节约型社会的要求 必将形成新的经济增长点 为汽车 家电 电子 信息等支柱产业的发展提够技 术支撑 带动相关产业的发展 综上所述 激光熔覆技术己展现出广阔的应用前景 利用激光技术修复模具 是未来模具修复发展的趋势 随着激光熔覆技术系统的数控化 自动化和智能化 9 第一章绪论 必将促进激光熔覆技术在精密模具修复中的广泛应用 同时通过工艺参数优化 显微组织和元素成分的分析 显微硬度的测量 阐述熔覆层性能变化规律 为其 在工业中的应用提供理论和技术支持 为今后激光熔覆技术修复精密模具的产业 化奠定基础 l o 第二章实验材料及方法 2 1 实验材料 2 1 1 基体材料 第二章实验材料及方法 本实验所用基材为4 c r 5 m o s i v l 钢 是一种常见的热作模具钢 其化学成分 详见表2 1 激光熔覆试样的尺寸为8 0m m 6 0m m x1 2 m m 试样待熔覆表面经 磨削加工至平整光滑 激光熔覆前用金相砂纸由粗到细进行打磨 以去除表面氧 化层 使其表面达一定光洁度 并用无水乙醇和丙酮清洗 然后用电吹风吹干 4 c r 5 m o s i v l 模具钢广泛应用在热锻模 压铸模 热挤压模等方面 主要应 用于制造热挤压模具和芯棒 模锻锤的锻模 锻造压力机模具 精锻机用模具镶 块以及合金的压铸模 4 c r 5 m o s i v l 模具钢以c r m o v 为主要强化元素 使其 具有良好的强韧性 同时保持较高的热疲劳抗力 因而能够承受高温拉 压冲击 作用 还可承受高温磨损 氧化及激冷激热周期性温度变化等恶劣的工作环境 由于4 c r 5 m o s i v i 钢在模具工业中应用广泛 因此有大量用这种钢制造的模具失 效 为此本文对4 c r 5 m o s i v l 模具钢进行送丝法激光熔覆 探讨激光熔覆技术在 4 c r 5 m o s i 失效模具中的应用 表2 一l4 c r 5 m o s i v l 钢的化学成分 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 分为丝材与粉末两种 熔覆材料要根据使用要求与基体的状 况来选配 即在满足所需表面改性要求的同时又要考虑到熔覆层与基体线膨胀系 数的匹配 5 2 熔覆层与基体熔点的匹配和熔覆材料对基材的浸润性 总结起来 熔覆材料应具有以下几点要求 5 6 第二章实验材料及方法 1 应具有所要求的使用性能 如耐磨 耐腐蚀 耐疲劳 耐高温 抗氧化 高硬度等特殊的力学性能 2 材料的线膨胀系数 导热性应尽可能与基体材料相接近 以减少熔覆层 中的残余应力 减少修复过程产生的缺陷 3 材料应具有良好的浸润性 浸润性与表面张力有关 表面张力越小 浸 润角越小 液态流动性越好 越易于得到平整光滑的熔覆层 4 应有良好的造渣 除气 隔气性能 材料在制造过程和使用过程中 不 可避免地受到氧化 也会在熔化过程中溶解一些气体 因此合金在熔化状态时应 有良好的脱氧 除气能力 其脱氧产物应形成密度小 熔点低的熔渣覆盖在液态 金属表面 对表面起保护作用 以防止产生夹渣 气孔 氧化等缺陷 5 熔覆材料的熔点不宜太高 材料熔点越低 越易控制熔覆层的稀释率 所获得的熔覆层质量越好 熔点越低 液态流动性越好 对获得平整光滑的熔覆 层越有利 6 采用送粉法激光熔覆修复时 材料应具有很好的固态流动性 材料的流 动性与材料的形状 粒度分布 表面状态及材料的温度等因素有关 模具修复就是为了延长模具的使用寿命 并达到或超过原来模具的使用性 能 根据以上的熔覆材料的选择要求 本实验使用的是化学成分与基体相近 直 径为o 5 m m 型号为s k d 6 1 的意大利进口 t r a d e r 模具修补激光焊丝 其化 学成分详见表2 2 表2 2s k d 6 1 模具修复焊丝的化学成分 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 当光束焦点在 基体内时称为负离焦 d o 且大小合适时 基体表面的能量合适 在基体表面以下部分能量密度较低 主要 靠热传导累积热量 因而热影响区较大 不利于模具的精密修复 当d o 时 基 体表面的能量密度高 熔覆过程反应剧烈 有较多的飞溅 熔覆层表面易氧化 当d o 时 基体表面的能量密度合适 但是在基体表面以下部分能量密度越来越 大 如果能够保证基体表面的能量密度 能够有效地提高熔覆特性 因此本实验 研究了大小不同的负离焦量对熔覆质量的影响 在实验中使用o 1 m p a 的氩气作 为辅助气体避免熔覆层在高温时被氧化 其他工艺参数为 电流i 1 5 5 a 脉冲 宽度p w 2 5 m s 熔覆速度v 2 m m s 脉冲频率f 2 5 h z 送丝方向在水平方向上 分方向与工作台的移动方向相同且与基体成1 5 3 5 第三章激光熔覆 艺参数对熔覆层质量的影响研究 a d l o m m b d 7 m m c d 4 m m 图3 8 离焦量不同时熔覆层形貌图 5 0 离焦量不同时熔覆层的表面形貌如图3 8 所示 当负离焦量越来越小时 熔 覆质量越来越差 由于光斑直径小 能量密度较大 基体材料熔化后飞溅到熔覆 层表面 如图3 8 b 所示 随着负离焦量的迸一步减小 能量密度过高 导致熔 覆层表面出现过烧现象 有明显的气孔和裂纹 并有严重的氧化 负离焦量增大 时 表面逐渐平整光滑 与基体成型变好 但也并不是越大越好 必须保证基体 表面的能量密度达到一定的值 工艺试验表明 当d 一l o n h n 时 熔覆效果最 好 采用烧痕法测量发现此时光斑直径d 0 7 m m 3 3 辅助气体对熔覆质量的影响 激光熔覆是在高能密度 大于1 0 4 w 锄2 的激光束作用下迅速将熔覆材料和 基体熔化 扩散及快速凝固 在基体表面得到无裂纹气孔的冶金结合层 从而强 化或修复表面的工艺 由于激光束是近似绝热的快速加热过程 高温熔化的材料 易于周围的空气发生氧化反应 如图3 9 c 所示 熔覆过程中不使用辅助气体 导致熔覆层氧化严重 此外辅助气体还可以起到冷却熔覆层的效果 使其凝固效 果更好 在工业实际应用中 一般采用价格比较便宜的氩气作为辅助气体 辅助 气的吹气方式对熔覆效果也会产生重要的影响 如图3 9 a 所示 采用右侧吹气 的方法 发现在熔覆层表面有熔化的熔覆材料吹动的痕迹 从而影响修复效果 第三章激光熔覆工艺参数对熔覆层质量的影响研究 而且 侧吹气只对局部有保护作用 实验结果表明 采用从激光喷嘴吹气的方式 最佳 如图3 9 b 所示 熔覆层表面光滑平整 所有区域颜色均为银灰色 说明 这种吹气方式对熔覆过程起到了全面的保护作用 a 侧吹气 b 从激光喷嘴吹气 c 不吹气 图3 9 吹气方式对熔覆层质量的影响 5 0 3 4 送丝方位对熔覆质量的影响 选择合理的送丝方位对熔覆层的质量有着重要的影响 如图3 1 0 所示 当 焊丝与基体的角度很小时 送丝过程势必受到凝固过程中的熔覆层