激光表面强化技术提高大型模具使用寿命的应用

    对于提高大型模具使用寿命和减少精密模具的热处理变形，激光表面强化技术有着极大的技术优势,主要包括激光表面淬火和激光表面熔覆。

    激光表面淬火

    激光表面淬火是一种利用高能量激光束扫描工件使被扫描的区域表面硬化的技术。其基本原理为用一定能量密度（103～105W/cm2）的激光照射工件，使被照射的表层区域被急速加热至相变点以上，熔点以下的温度，此时工件基体仍处于冷态，加热区与基体之间存在很大的温度梯度，当激光束停止照射时，由于热传导的作用，加热区会急速冷却（106～108℃/s）而发生马氏体转变，使工件表层实现相变硬化。

    1.激光淬火的特点

    （1）激光淬火是快速加热、自激冷却，不需要炉膛保温和冷却液淬火，是一种无污染绿色环保热处理工艺，可以很容易实行对大型模具表面进行均匀淬火。

    （2）由于激光加热速度快，热影响区小，又是表面扫描加热淬火，即瞬间局部加热淬火，所以被处理的模具变形很小。

    （3）由于激光束发散角很小，具有很好的指向性，能够通过导光系统对模具表面进行精确的局部淬火。

    （4）激光表面淬火的硬化层深度一般为0.3～0.7mm，使其应用受到一定的限制。

    2.工艺参数的选择

    影响激光淬火质量的工艺参数是多方面的，主要有激光功率、扫描速度、光斑尺寸、光束能量分布状态、吸光涂层种类与厚度等。衡量激光淬火质量的主要指标包括硬化层深度、宽度、硬度及硬化层表面粗糙度。其之间主要关系有以下几点：

    （1）激光在单位时间上作用于模具的功率密度（即比功率E），将决定激光淬火的效果。激光淬火所需的比功率E为102～104W/cm2·s。比功率E由激光功率P、扫描速度V、光斑尺寸D决定，即E=P·V-1·D-1。

    （2）在102～104W/cm2·s的范围内，功率密度的增加、扫描速度减小、将使模具的硬化层深度、硬度及硬化层表面粗糙度增加。如果功率过大，扫描速度太慢，即比功率太大，超出上述范围，会造成工件表面熔化、烧损；反之，硬度和硬化层深度会达不到技术要求。

    （3）激光淬火硬化层宽度由光斑尺寸决定。大面积淬火必须进行多道扫描。宽带扫描比窄带扫描效率高。

    （4）光束能量分布主要影响硬化层深度、宽度及组织的均匀性。它由光束模式及导光系统决定。通常，应根据设备的实际情况调整到最佳状态，以保证硬化层的均匀性。

    （5）吸光涂层种类及厚度会影响工件对激光能量的有效吸收。目前应用较为成熟的吸光涂层有磷酸盐涂层、含胶体石墨涂层、氧化物涂层等。在覆盖工件表面的前提下，涂层厚度越薄越均匀，则效果越好。

    3.应用实例

    汽车大型覆盖件模具一般用合金铸铁制造。合金铸铁的特性不宜进行整体热处理，传统工艺采用火焰淬火，其淬火硬度为40～50HRC。改用激光淬火，模具表面硬度可提高到55～65HRC，硬化层有效深度为0.5～0.7mm，模具耐磨性大大提高，零件拉伤问题得到有效控制，模具在线维修率控制在4%以下。以前每批生产完成后均需对拉深模进行大面积推磨，现只是需要进行简单维护保养便可。

    激光熔覆

    激光熔覆的研究工作始于20世纪70年代，1981年成功地应用于喷气发动机叶轮片。激光熔覆是利用高能的激光束在金属表面辐照，使涂覆材料熔化、扩展，与基体结合并迅速凝固，在基材表面形成一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料。应用激光熔覆技术处理模具表面，既可以是对己加工成坯的制造模具进行表面改性，也可以是对成形模具进行表面修复。

    1.激光熔覆的特点

    （1）由于激光的快速加热和冷却过程，激光熔覆层组织细小，结构致密。

    （2）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，激光熔覆对基材的热影响小，引起的变形小。激光熔覆可以有效地修补裂痕、崩角以及磨损的密封边。

    （3）激光束的功率、位置和形状等能够精确控制，易实现选区甚至微区熔覆修复。

    （4）熔覆层的稀释率小，可精确控制，熔覆层成分具有可设计性。

    （5）无接触型处理，能实现自动化和柔性加工。

    2.工艺参数的选择

    影响激光熔覆质量的工艺参数是多方面的，主要有激光功率、扫描速度、光斑尺寸、搭接率、被熔覆材料化学成分以及单位时间熔覆量等。衡量激光熔覆质量的主要指标包括熔覆层厚度、宽度、硬度、平整度、熔覆层表面是否有裂纹及气孔。其之间主要关系有以下几点：

    （1）激光在单位时间上作用于模具的功率密度（即比功率E），是影响激光熔覆的主要工艺参数。激光熔覆所需的比功率E为103～105W/cm2·s。功率密度的增加、扫描速度减小、熔覆层平整度增加、开裂倾向减少。但功率过大，扫描速度太慢，会造成熔覆层合金烧损，稀释率增加，热影响区增大。

    （2）激光熔覆层宽度主要由光斑尺寸决定。大面积熔覆必须进行多道扫描，其搭接率为30%～50%的效果最好。

    （3）被熔覆材料化学成分对熔覆层质量影响最大、最复杂。一般情况下，碳、硼含量高，熔覆层硬度高、开裂倾向大；镍、钴含量高，开裂倾向小。硅、硼含量高，熔覆层平整度高。

    3.应用实例

    近年来激光熔覆用于模具修复的技术发展较快。激光能量密度高，受热范围小，可以熔覆各种金属材料，如S136、718、2344、NAK80、8407、不锈钢、铍铜、铝合金及钛合金等。熔覆层无砂眼、气孔，与基体形成冶金结合，结合强度高、不容易脱落，可对模具进行修补裂痕、崩角、磨痕修补等。

    目前，应用于激光熔覆技术的设备主要是连续CO2激光器和脉冲YAG激光器。连续CO2激光器多用于大型模具的修复（如5CrNiMo和H13钢模具），不适于微小尺寸的修复。脉冲YAG激光器光斑直径能聚焦到0.2～2.0mm，在精密模具的修复中，脉冲YAG激光器具有许多优于连续CO2激光器的良好性能。

    （1）YAG激光器与光纤的藕合效率高，便于远距离操作，易于实现激光加工的柔性化。

    （2）脉冲YAG激光器有着更多的可控参数（脉冲频率、脉宽以及脉冲能量等），有利于提高加工工艺的性能。

    （3）脉冲YAG激光器高重复频率工作时的效果更好，加热速度极快，冷却速度极快，温度梯度大，模具不易变形坍塌。

    结语

    随着我国经济不断发展，汽车的生产能力不断提高，我国汽车模具制造技术、激光器制造技术及激光应用技术也会得到整体提升。可以预见，随着我国制造业整体实力的提高，汽车模具的激光强化技术将会得到快速发展。