鐳射強化技術提高模具使用壽命

關鍵詞：鐳射強化；模具；磨損/壽命

隨著我國汽車、家電工業的迅猛發展，對模具工業提出了更高的要求。如何提高模具的加工質量和使用壽命，一直是人們不斷探索的課題。採用表面強化處理是提高模具質量和使用壽命的重要途徑，它對於改善模具的綜合性能、大幅度降低成本、充分發揮傳統模具的潛力，具有十分重要的意義。常用的模具表面強化處理工藝有化學熱處理***如滲碳、碳氮共滲等***、表面復層處理***如堆焊、熱噴塗、電火花表面強化、PVD和CVD等***、表面加工強化處理***如噴丸等***。這些方法大多工藝較為複雜，處理週期較長，處理後存在較大變形。近年來，隨著大功率鐳射器的出現及鐳射加工技術在工業上的應用日趨廣泛、成熟，為模具表面的強化提供了一種新的技術途徑。

1 激光表面強化處理方法

鐳射用於表面處理的方法多，其中包括：鐳射相變硬化***LTH***，激光表面熔化處理***LSM***，激光表面塗覆及合金化***LSC/LSA***，激光表面化學氣相沉積***LCVD***，鐳射物理氣相沉積***LPVD***，鐳射衝擊***LSH***和鐳射非晶化等，其中已被研究用於提高模具壽命的方法有鐳射相變硬化和激光表面熔覆和合金化，本文主要討論利用鐳射相變硬化技術提高模具壽命的機理和方法。

鐳射相變硬化***鐳射淬火***是利用鐳射輻照到金屬表面，使其表面以很高的升溫速度迅速達到相變溫度而形成奧氏體，當鐳射束離開後，利用金屬本身熱傳導而發生“自淬火”，使金屬表面發生馬氏體轉變。與傳統淬火方法相比，鐳射淬火是在急熱、急冷過程中進行的，溫度梯度高，從而在表面形成了一層硬度極高的特殊淬火組織，如晶粒細化、高位錯密度等。其淬火層的硬度比普通淬火的硬度還高15%～20%。淬硬層深度可達0.1～2.5mm，因而可大大提高模具的耐磨性，延長模具的使用壽命。

2 鐳射強化加工系統的組成

圖1為一個具有多軸聯動的鐳射強化加工系統工作原理示意圖。它由三部分組成：第一部分為鐳射器系統，由鐳射頭、激勵電源、冷卻系統和諧振腔引數變換裝置組成；第二部分為光束傳輸與變換裝置，把鐳射束按加工要求引導到待處理零件表面，同時對鐳射束進行空間強度分佈的變換，以滿足對模具表面不同受力部位進行有效的強化處理。光束經變換後即可在模具表面產生所需的強化單元，通過多軸聯動的數控系統即可對模具的三維曲面進行可控的、快速和有效的強化處理；第三部分為計算機數控系統，控制鐳射工作頭和數控工作臺等多軸運動，其鐳射束相對於工件的運動軌跡決定了強化的帶形狀，以實現複雜模具表面的鐳射強化處理。

3 鐳射強化處理工藝

3.1 工件表面預處理塗層

當鐳射器確定後，金屬材料對鐳射的吸收能力主要取決於其表面狀態。一般需鐳射處理的金屬材料表面都經過機械加工，表面粗糙度值很小，其反射率可達 80%～90%，使大部分鐳射能量被反射掉。為了提高金屬表面對鐳射的吸收率，在鐳射熱處理前要對材料表面進行表面處理***常稱黑化處理***，即在需要鐳射處理的金屬表面塗上一層對鐳射有較高吸收能力的塗料。

表面預處理的方法包括磷化法、提高表面粗糙度法、氧化法、噴***刷***塗料法、鍍膜法等多種方法，其中較為常用的是磷化法和噴***刷***塗料法。常用的塗料骨料有石墨、炭黑、磷酸錳、磷酸鋅、水玻璃等。也有直接使用碳素墨汁和無光漆作為預處理塗料的。對於有些低碳鋼材料，在其表面用炭黑粉末處理，在進行鐳射淬火時可起滲碳作用。我們採用上海光機所研製的黑化溶液***86-1型***，其處理方法簡單，可直接噴刷在工件表面，鐳射吸收率達90%以上。

3.2 工藝引數優化

鐳射相變硬化工藝引數主要有鐳射器輸出功率P，光斑大小D及掃描速度v，在其它條件一定的條件下，鐳射硬化層的深度H與P、D、v有如下關係：H=P/***D．v***。為了得到最優工藝引數，基本方法是根據已有成功的資料，確定一個工藝引數範圍，再以P、D、v三個因子，各取三個水平，做出正交試驗表在試件上進行試驗研究。圖2為汽車尾燈支架拉深模具所採用的材料Cr-Mo鑄鐵，在不同掃描速度下，鐳射功率與硬化層深的關係曲線。圖3為不同的鐳射功率下，掃描速度與硬化層的關係曲線。圖示表明：在一般情況下，鐳射功率越高，硬化層越深；掃描速度越大，硬化層越淺。圖4為在鐳射功率 P=1200W，掃描速度v=15mm/s，光斑直徑D=4.5mm的工藝引數條件下，淬火層的硬度及硬化層深之間的關係。從中可看出，經鐳射處理後材料表面的硬度有較為顯著的提高。

4 硬化層殘餘應力和耐磨效能

在鐳射硬化處理過程中，金屬材料表面組織結構的變化及表面相對於材料內部溫差的產生和消失，必將產生殘餘應力。殘餘應力的大小和分佈狀況對模具的實用效能有很大影響，鐳射硬化產生的殘餘應力沿淬硬層深的分佈情況如圖5。由圖5可見，鐳射相變硬化在模具表面產生較大的殘餘壓應力，能有效地防止疲勞裂紋的產生，提高模具的疲勞壽命。

模具表面的耐磨效能與材料的顯微結構、晶粒大小、硬度高低、表面狀態等多種因素有關，而這些因素又受處理工藝引數的影響，因而鐳射強化的工藝引數直接影響模具的耐磨效能。圖6和圖7為鐳射功率及掃描速度對35CrMn鋼耐磨效能的影響。由圖可見，在一定範圍內，當掃描速度一定時，提高功率耐磨性有所增加；在功率一定時，掃描速度的提高也有助於提高耐磨性。圖8為42CrMo材料經鐳射處理***P=1200W,v=55mm/s,D=3.5mm***後與常規處理之間的磨損對比，可見採用鐳射強化技術能大大提高材料的耐磨效能。

5 結論

通過對幾種不同的模具材料所進行的鐳射強化處理，並與實際工作情況進行檢查對比，表明採用鐳射強化技術能大幅度提高模具的使用壽命，而冷沖模的強化效果更為明顯。如對T8A鋼製造的衝頭和Cr12Mo鋼製造的凹模進行鐳射硬化處理，鐳射硬化層為0.15mm，硬度為1200HV，使用壽命明顯增加，由衝壓2.5萬件提高到10萬件，即壽命提高3～4倍。採用鐳射強化技術，其優越性在於：

***1***可根據模具的形狀特點、使用要求在指定區域內進行，且對錶面質量沒有任何損傷。經鐳射處理後的模具，不需後續加工即可直接投入生產使用，從而降低了模具的製造成本。

***2***通過編制專用的鐳射強化處理軟體，可實現鐳射處理工藝引數的計算機自動優化、處理過程的計算機模擬模擬和實時監控及鐳射處理後表面組織結構和效能的計算機預測，實現模具的複雜形狀和人工智慧化的表面處理。

***3***採用鐳射熔覆和合金化等技術，可在廉價金屬材料表層得到任意成分的合金和相應的微觀組織，從而獲得良好的綜合機械效能，改善和提高材料表面的耐磨、耐蝕和耐熱效能。這些技術用於報廢模具的修復和強化，具有較為廣泛的市場前景

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