基于激光熔覆技術(shù)的鋁合金模具修復(fù)研究*

李金華 張德強(qiáng) 姚芳萍 程 杰

(遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，各種新技術(shù)新方法在模具修復(fù)中得到廣泛推廣和應(yīng)用，其中常用的有堆焊修復(fù)技術(shù)、熱噴涂和熱噴焊修復(fù)技術(shù)、電刷鍍修復(fù)技術(shù)和電火花修復(fù)技術(shù)。近年來，在國內(nèi)外又興起了一種新的零件修復(fù)技術(shù)即激光熔覆。該技術(shù)通常采用預(yù)置粉末或同步送粉方式在基體修復(fù)區(qū)表面加入金屬粉末，利用高能激光束瞬間將基體表面微熔，同時(shí)使其表面的金屬粉末(與基體材質(zhì)相同或相近)全部熔化，激光撤去后快速凝固，獲得與基體呈冶金結(jié)合的致密熔覆層，使零件表面恢復(fù)幾何外形尺寸，并使表面熔覆層強(qiáng)化。模具激光熔覆修復(fù)技術(shù)解決了電弧堆焊、氬弧堆焊、等離子弧堆焊等傳統(tǒng)修復(fù)方法無法解決的工藝過程熱應(yīng)力和熱變形大的難題［1-4］。

本文對(duì)鋁合金模具激光熔覆修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果為該技術(shù)的工程應(yīng)用提供了一定的理論和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)裝置和原理

基于激光熔覆技術(shù)的模具破損區(qū)修復(fù)是在圖1所示的多功能激光加工中心上進(jìn)行的，主要由IPG光纖激光器(型號(hào)YLR -3000)、6 軸KUKA 機(jī)器人(型號(hào)KR30)、PERCITEC YC52 熔覆頭和FHPF -10同軸送粉器等組成。通過西門子PLC 系統(tǒng)利用良好的人機(jī)界面集中控制激光發(fā)射、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、送粉和保護(hù)氣開關(guān)等。同軸送粉器將四路粉末匯聚一點(diǎn)，送入激光束內(nèi)，粉末被加熱至熔化狀態(tài)，并在基體或前一熔覆層上凝固，與其形成冶金結(jié)合。一層熔覆完畢后，激光頭上升一定的高度(對(duì)應(yīng)熔覆層的厚度)，以保持激光光斑大小不變，繼續(xù)進(jìn)行后一層的熔覆修復(fù)。經(jīng)過多次循環(huán)，即可修復(fù)好已磨損的金屬模具。

2 模具激光熔覆修復(fù)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次修復(fù)的模具基體材料為6061 鋁合金。為了提高局部的耐磨性，在磨損區(qū)域激光熔覆鐵基金屬粉末進(jìn)行修復(fù)，因?yàn)槠浔容^適合耐磨且易變形的模具。相對(duì)于鋼模，鋁合金模具的激光熔覆修復(fù)較為困難，主要因?yàn)殇X的熔點(diǎn)較低，僅為660 ℃，而鐵基合金粉末熔點(diǎn)超過1 000 ℃，并且鐵和鋁之間的親和性很差，在高溫下容易導(dǎo)致鋁?；w出現(xiàn)崩塌、蒸發(fā)、燒損以及高稀釋率等問題［5-6］。所以為了避免上述問題，在修復(fù)前期必須進(jìn)行相關(guān)的基礎(chǔ)試驗(yàn)，優(yōu)化工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)鋁合金模具高質(zhì)高效的修復(fù)。

如圖2 所示，在模具基體分型面處有一些磨損的凹槽，本次實(shí)驗(yàn)主要修復(fù)該磨損凹槽。

修復(fù)前首先必須對(duì)模具基體材料進(jìn)行分析，選擇和該模具相同材質(zhì)的鋁板進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)打磨、拋光和去油等處理，放置在干燥無氧的環(huán)境中。然后將處理好的鋁板取出，置于激光試驗(yàn)工作臺(tái)上，設(shè)置原點(diǎn)和方向，進(jìn)行熔覆軌跡編程。最后調(diào)整保護(hù)氣強(qiáng)弱及送粉器輸出粉末速度，檢查各主要環(huán)節(jié)是否符合試驗(yàn)條件，如符合，即進(jìn)行激光熔覆修復(fù)試驗(yàn)。

2.2 修復(fù)試驗(yàn)

經(jīng)過在鋁板上進(jìn)行的正交試驗(yàn)，獲得多組基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)熔覆效果選擇兩組較好工藝參數(shù)，即激光功率為800 W 和1 kW，光斑直徑為2 mm，掃描速度5 mm/s 和10 mm/s，送粉器輸出電壓10 V，氮?dú)獗Ｗo(hù)。

根據(jù)以上兩組參數(shù)，在模具基體上再次進(jìn)行單道單層試驗(yàn)，繼續(xù)對(duì)比試驗(yàn)效果，調(diào)整工藝參數(shù)。修復(fù)過程如圖3 所示。

由于鋁合金暴露在空氣中很容易發(fā)生氧化反應(yīng)，在表面形成熔點(diǎn)達(dá)到2 477 ℃的氧化膜，使得其界面很難發(fā)生冶金反應(yīng)，所以在實(shí)驗(yàn)前必須進(jìn)行預(yù)處理，即采用噴砂處理增大其表面粗糙度值，這會(huì)使熔覆材料與基體更易結(jié)合;也可先預(yù)置粉末，再采用激光重熔法進(jìn)行激光熔覆，也能取得良好的熔覆效果。本實(shí)驗(yàn)采用噴砂處理。

如圖4 所示，當(dāng)激光功率為1 000 W，掃描速度為5 mm/s 時(shí)，在模具基體上熔覆鐵基合金粉末時(shí)，熔覆層和基體結(jié)合處產(chǎn)生了高溫稀釋，導(dǎo)致兩種材料未實(shí)現(xiàn)冶金反應(yīng)，造成了一定程度的過燒。

由圖5 分析可知，從表面形貌上看，當(dāng)激光功率為800 W，鋁合金模具的熔覆修復(fù)在激光掃描速度為5 mm/s 時(shí)得到的熔覆層表面明顯比掃描速度10 mm/s時(shí)要致密，而且從側(cè)面熔覆層與基體的熔接過渡區(qū)也可看出掃描速度較小時(shí)產(chǎn)生的不規(guī)則輪廓起伏更小。

由于此模具的修復(fù)區(qū)域較小，當(dāng)功率一定、激光掃描速度較大時(shí)，在每次覆粉首末都有加減速的過程，而短距離內(nèi)劇烈的速度變化會(huì)造成一定的熔覆波動(dòng)，進(jìn)而影響到熔覆效果，外在主要表現(xiàn)為其表面的不平度升高，所以可通過改變掃描方向和增加過渡區(qū)來改善此問題。

3 模具修復(fù)質(zhì)量檢測

模具修復(fù)后主要通過檢測熔覆層的硬度、厚度和結(jié)合強(qiáng)度來衡量修復(fù)質(zhì)量。熔覆層的表面硬度決定了熔覆后模具的耐磨性，并且此次修復(fù)的區(qū)域?yàn)槟＞叩姆中兔?，長期處于相互摩擦狀態(tài)，耐磨性檢測是最重要的。因此本次實(shí)驗(yàn)在質(zhì)量檢測時(shí)主要進(jìn)行硬度測試。

由于硬度測量對(duì)被測量體表面有一定要求，不能太粗糙，因此在測量之前需要進(jìn)行表面處理，即采用砂輪打磨處理掉熔覆層表面凹凸不平的區(qū)域，以方便測量。

處理后，采用洛氏硬度計(jì)測量其表面硬度。共取10 個(gè)采樣點(diǎn)，測得的HRC 值區(qū)間為［28，75］。繼續(xù)沿熔覆層表面向下打磨一些大致厚度為0.1～0.5 mm的區(qū)域，對(duì)這些區(qū)域再次進(jìn)行硬度測量，測量結(jié)果如圖6 所示。

由圖可知，在鋁合金模具上采用激光熔覆鐵基合金粉末后，熔覆層的硬度并非一致，在最靠近基體的地方硬度相對(duì)較高，這主要是由于過渡區(qū)的冶金結(jié)合使得此處的熔覆區(qū)硬度HRC≈45，高于平均水平的35.5。整個(gè)熔覆層厚度經(jīng)過打磨約為0.5 mm，在其厚度中間區(qū)域HRC≈35.5，且連續(xù)出現(xiàn)35.5、36.5、35.5 幾個(gè)值，該區(qū)域能正確反映此區(qū)間的硬度情況，可將35.5作為此熔覆層的平均硬度。本實(shí)驗(yàn)中鋁合金模具材料為6061 合金，其硬度為HB90 -95≈10HRC，經(jīng)比較可知熔覆層的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體材料硬度，在結(jié)合情況良好的情況下改善了原模具破損區(qū)域機(jī)械及力學(xué)性能。

4 結(jié)語

(1)基于激光熔覆修復(fù)技術(shù)，采用鐵基金屬粉末對(duì)鋁合金模具磨破損區(qū)域進(jìn)行了修復(fù)，修復(fù)區(qū)的鋁合金基體與熔覆層形成了良好的冶金結(jié)合，延長了模具的使用壽命。

(2)由于鋁合金熔點(diǎn)較低，所以激光功率過大時(shí)會(huì)造成模具的燒傷，因此修復(fù)時(shí)不宜采用大功率。此外，掃描速度對(duì)熔覆層表面質(zhì)量影響也較大。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激光功率為800 W 時(shí)的修復(fù)效果明顯好于1 000 W 時(shí);且在激光掃描速度為5 mm/s 時(shí)得到的熔覆層表面明顯比掃描速度10 mm/s 時(shí)致密。

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