激光融覆在模具再制造中的应用

激光熔覆技术是一项新兴的表面改型技术。具有较低稀释率、热影响区小、与基面形成冶金结合、熔覆件扭曲变形比较小、过程易于实现自动化等优点。激光熔覆技术应用到模具表面处理上,可以极大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能，极大提高材料的使用寿命。同时,还可以用于修复模具，大量节约加工成本。

I. 激光融覆

激光融覆兴起于20世纪80年代，是一种先进的激光表面改性技术。它通过预置或同步方式在基材表面添加具有特定功能的熔覆材料，利用高能量密度（104~106W/cm2）的激光束照射融覆材料，使之与基材表面薄层一起熔凝成为冶金结合的添料熔覆层，显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化和抗疲劳等性能。

图1 同步送粉式激光融覆

与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有下列优点：

1）融覆热影响区小，工件变形小，融覆成品率高

2）融覆层稀释率低，基材的熔化量小，对融覆层的冲淡率较低。

3）层晶粒细小，组织结构致密，故其物理和化学特性比较好（如硬度一般相对比较高，耐磨损、耐腐蚀等性能也比较好）

4）涂层与基体结合好，融覆质量稳定

5）适合熔覆材料多、粒度及含量变化大

6）激光融覆过程易实现自动化生产。

图2 融覆层结构

II. 激光融覆的材料

目前，利用激光熔覆技术可以制备铁基、镍基、钴基、铝基、钛基、镁基等金属基复合材料。从功能上分类：可以制备单一或同时兼备多种功能的涂层如：耐磨损、耐腐蚀、耐高温等以及特殊的功能性涂层。从构成涂层的材料体系看，从二元合金体系发展到多元体系。多元体系的合金成分设计以及多功能性是今后激光熔覆制备新材料的重要发展方向。常见的激光熔覆材料见下表：

表1 常见的激光融覆材料

III. 激光融覆工艺流程

同步送粉式激光熔覆的主要工艺流程为：基材表面预处理---送料激光熔化---后处理，如下图示：

图3 同步送粉式激光熔覆主要工艺流程

IV. 激光融覆的设备

随着控制技术以及计算机技术的发展,激光熔覆技术越来越向智能化、自动化方向前进。目前德国通快提供集成了碟片式激光器、光纤传导光路系统、自动化可调粉末输送系统、光斑直径大小可调融覆加工头、离线编程软件和全过程参数检测系统的五轴联动数控激光融覆加工机床TruLaser Cell7000和六轴联动机器人激光融覆系统TruLaser Robot 。

图4 德国通快激光融覆设备

相对传统的激光熔覆设备采用的激光器是CO2激光器和灯泵YAG激光器，通快公司采用的是新一代光纤传导碟片激光器。同等条件下碟片激光器具有如下优势：

图5 通快TruDisk光纤传导碟片激光器

通快提供承受最大4KW激光的同轴送粉头和承受10KW激光的旁轴送粉头。值得一提的是通快提供的融覆加工头具有光斑直径能够在0.3mm ~7mm实时可调功能。这样进行加工时就能通过编程调节激光光斑直径，既能保证激光融覆很高的加工精度，又能保证很高的融覆效率。

图6 光斑直径实时可调的激光融覆加工头

V. 激光融覆在模具再制造中的应用

利用激光融覆技术可以在低成本的金属基体上制成高性能的表面，从而能够代替大量的高级合金，以节约贵重、稀有的金属材料，提高基材的性能，降低能源消耗，非常适于局部易受磨损、冲击、腐蚀及氧化的模具再制造中，具有广阔的发展空间和应用前景。

图7 模具表面强化和修复示例

随着国内汽车市场的快速增长，竞争也越加激烈，新车型的平均寿命由之前的5~6年缩短至2~3年。这对汽车模具的制造提出了前所未有的挑战和机遇。整套汽车模具的开发周期一般在1年左右，费用高昂。但通常新款车型只是在上一款同系列车型的基础上进行局部少量更改。因此利用激光融覆技术对原有汽车模具进行局部融覆处理，就可把旧模具再制造为新车型的模具，从而大大缩短新车型模具的开发时间，并节省大量开发成本，产生显著的经济效益。

图8 利用激光融覆技术再制造的新车型车门模具

VI. 激光融覆在模具再制造中的注意事项

激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，熔覆过程中的参数对熔覆件的质量有很大的影响。激光熔覆中的过程参数主要有激光功率、光斑直径、离焦量、送粉速度、移动速度、熔池温度等。它他们的对熔覆层的稀释率、裂纹、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有着很大影响。此外融覆前的预处理，融覆时的温度控制，也会影响激光融覆加工的质量。这些都是激光融覆在模具再制造中需要注意的。

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