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 摘要

激光熔覆技術(shù)是一項(xiàng)新興的表面改型技術(shù)。具有較低稀釋率、熱影響區(qū)小、與基面形成冶金結(jié)合、熔覆件扭曲變形比較小、過程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。激光熔覆技術(shù)應(yīng)用到模具表面處理上,可以極大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞等機(jī)械性能，極大提高材料的使用壽命。同時(shí),還可以用于修復(fù)模具，大量節(jié)約加工成本。

I. 激光融覆

激光融覆興起于20世紀(jì)80年代，是一種先進(jìn)的激光表面改性技術(shù)。它通過預(yù)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，使之與基材表面薄層一起熔凝成為冶金結(jié)合的添料熔覆層，顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化和抗疲勞等性能。

圖1   同步送粉式激光融覆

與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有下列優(yōu)點(diǎn)：

1）融覆熱影響區(qū)小，工件變形小，融覆成品率高

2）融覆層稀釋率低，基材的熔化量小，對(duì)融覆層的沖淡率較低。

3）層晶粒細(xì)小，組織結(jié)構(gòu)致密，故其物理和化學(xué)特性比較好（如硬度一般相對(duì)比較高，耐磨損、耐腐蝕等性能也比較好）

4）涂層與基體結(jié)合好，融覆質(zhì)量穩(wěn)定

5）適合熔覆材料多、粒度及含量變化大

6）激光融覆過程易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

圖2 融覆層結(jié)構(gòu)

II. 激光融覆的材料

目前，利用激光熔覆技術(shù)可以制備鐵基、鎳基、鈷基、鋁基、鈦基、鎂基等金屬基復(fù)合材料。從功能上分類：可以制備單一或同時(shí)兼?zhèn)涠喾N功能的涂層如：耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等以及特殊的功能性涂層。從構(gòu)成涂層的材料體系看，從二元合金體系發(fā)展到多元體系。多元體系的合金成分設(shè)計(jì)以及多功能性是今后激光熔覆制備新材料的重要發(fā)展方向。常見的激光熔覆材料見下表：

表1  常見的激光融覆材料

III. 激光融覆工藝流程

同步送粉式激光熔覆的主要工藝流程為：基材表面預(yù)處理---送料激光熔化---后處理，如下圖示：

圖3 同步送粉式激光熔覆主要工藝流程

IV. 激光融覆的設(shè)備

隨著控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,激光熔覆技術(shù)越來越向智能化、自動(dòng)化方向前進(jìn)。目前德國(guó)通快提供集成了碟片式激光器、光纖傳導(dǎo)光路系統(tǒng)、自動(dòng)化可調(diào)粉末輸送系統(tǒng)、光斑直徑大小可調(diào)融覆加工頭、離線編程軟件和全過程參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控激光融覆加工機(jī)床TruLaser Cell7000和六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人激光融覆系統(tǒng)TruLaser Robot 。

圖4 德國(guó)通快激光融覆設(shè)備

相對(duì)傳統(tǒng)的激光熔覆設(shè)備采用的激光器是CO2激光器和燈泵YAG激光器，通快公司采用的是新一代光纖傳導(dǎo)碟片激光器。同等條件下碟片激光器具有如下優(yōu)勢(shì)：

圖5通快TruDisk光纖傳導(dǎo)碟片激光器

通快提供承受最大4KW激光的同軸送粉頭和承受10KW激光的旁軸送粉頭。值得一提的是通快提供的融覆加工頭具有光斑直徑能夠在0.3mm ~7mm實(shí)時(shí)可調(diào)功能。這樣進(jìn)行加工時(shí)就能通過編程調(diào)節(jié)激光光斑直徑，既能保證激光融覆很高的加工精度，又能保證很高的融覆效率。

圖6 光斑直徑實(shí)時(shí)可調(diào)的激光融覆加工頭

V. 激光融覆在模具再制造中的應(yīng)用

利用激光融覆技術(shù)可以在低成本的金屬基體上制成高性能的表面，從而能夠代替大量的高級(jí)合金，以節(jié)約貴重、稀有的金屬材料，提高基材的性能，降低能源消耗，非常適于局部易受磨損、沖擊、腐蝕及氧化的模具再制造中，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

圖7  模具表面強(qiáng)化和修復(fù)示例

隨著國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，競(jìng)爭(zhēng)也越加激烈，新車型的平均壽命由之前的5~6年縮短至2~3年。這對(duì)汽車模具的制造提出了前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。整套汽車模具的開發(fā)周期一般在1年左右，費(fèi)用高昂。但通常新款車型只是在上一款同系列車型的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部少量更改。因此利用激光融覆技術(shù)對(duì)原有汽車模具進(jìn)行局部融覆處理，就可把舊模具再制造為新車型的模具，從而大大縮短新車型模具的開發(fā)時(shí)間，并節(jié)省大量開發(fā)成本，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

圖8  利用激光融覆技術(shù)再制造的新車型車門模具

VI. 激光融覆在模具再制造中的注意事項(xiàng)

激光熔覆是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)冶金過程，熔覆過程中的參數(shù)對(duì)熔覆件的質(zhì)量有很大的影響。激光熔覆中的過程參數(shù)主要有激光功率、光斑直徑、離焦量、送粉速度、移動(dòng)速度、熔池溫度等。它他們的對(duì)熔覆層的稀釋率、裂紋、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有著很大影響。此外融覆前的預(yù)處理，融覆時(shí)的溫度控制，也會(huì)影響激光融覆加工的質(zhì)量。這些都是激光融覆在模具再制造中需要注意的。