YAG激光熔覆修复塑料模具工艺参数的优化

&’ 试验方法
& ( &’ 试验材料 ! ! 基体材料为 I*AB ， 试样尺寸为 "++ JJ K ,+ JJ K "* JJ； 熔覆材料为 )E:L7E; 系合金粉末， 粉末粒度为 @A M "+@ !J， 其化学成分 （ 质量分数） 为： ",( BH :L N A( #H ; N A( BH 7E N "B( BH O= N +( "H : N )E 余量。 & ( (’ 试验方法及工艺条件 ! ! 采用广州瑞通千里激光设备有限公司 527?A++2: 系列脉冲 )C： D6/ 激光器。激光输出功率为 A++ 2， 预涂在清洗干净的 烧痕法估测激光光束直径为 +( # JJ。将混合均匀的熔覆粉末用特制的粘结剂调制成糊状， 试样表面上， 预涂层厚度 "( + JJ， 空气中自然干燥。在氩气的保护下， 进行单道熔覆试验。试验后， 沿垂直方 向将熔覆层切开， 经研磨、 抛光、 腐蚀后供组织和性能分析。利用 )EP&Q@B++ 数码相机、 -%?"+++ 金属显微硬度 计和 G7<?B$"+ 扫描电镜分别观察、 测量和记录各种参数下熔覆层的成形性、 硬度值或微观组织。试样采用 BH 硝酸酒精溶液腐蚀。
)" 试验结果分析
! ! 根据上述理论分析， 在工艺调整中， 以单脉冲能量、 重叠率为变量， 通过工艺试验确定其最佳值。经过反复 试验， 证明采用预置法在低碳钢基体上熔覆 #, 基合金粉末， 并在单脉冲能量为 ;" < =、 重叠率为 ><" 9) 和单脉 冲能量为 8* =、 重叠率为 ;>" 9) 时可获得良好的熔覆质量。以上述工艺确定的 8 组单脉冲能量和重叠率为定 值， 分别改变各工艺参数来研究它们对熔覆质量的影响。 ! ! 图 8 是当 - ? (: @A， , ? *" : BB C D， # ? :;7 E， ( ? 7" F BB 时， 单脉冲能量为 ;" < =， 重叠率为 ><" 9) ， 通过 改变激光器的电流 $ 和脉冲宽度 ! 得到的熔覆层成型图。
!"#$ 8& 9:; )"3(’#(-57 ’+ ,-./( 图 8& 熔覆层的微观形貌
!"#$ E& !’()* ’+ ,-./(* -0 1"++/(/20 54,*/ +(/K4/23. -21 3,-11"2# *5//1 图 E& 不同激光脉冲频率和熔覆速度下熔覆层的成形图
& & 分别将图 E 中的熔覆层沿垂直方向切开， 经研磨、 抛光后， 用 LG>ABBB 金属显微硬度计在各熔覆层的中部 对应选取 8 点， 分别测量其熔覆层的硬度。表 A 为加载 B$ % M#， 加载时间 A? * 时， 此 8 道熔覆层的硬度值。 & & 从式 （C） 计算得知， 图E （ -） 中熔覆层的重叠率为 C@$ CJ ， 图E （ <） 中熔覆层的重叠率为 C@$ E J ， 图E （ 3） 中 熔覆层的重叠率为 C@$ 8J ， 三者的重叠率近似相同， 只是脉冲频率 $ 与激光熔覆速度 % 不同。但是， 它们熔覆 层的成形性相同 （ 见图 E ） ， 它们的硬度值相近 （ 见表 A ） 。图 E 和表 A 表明： 单脉冲能量和重叠率一定， 改变脉 冲频率和激光的熔覆速度不影响熔覆质量。因此， 可以采用重叠率直接表达脉冲频率、 熔覆速度与光斑直径 8 个工艺参数对工艺过程的影响， 该方法可简化工艺调整过程。
光器输出功率的提高， 脉冲 )C： D6/ 激光熔覆将成为塑料模具精密修复的主要技术。与连续 :1* 激光熔覆不 同， 脉冲 )C： D6/ 激光熔覆的质量由脉冲 )C： D6/ 激光器的电压、 电流、 脉冲宽度、 脉冲频率和激光的扫描速 度、 光斑直径等 , 个工艺参数共同决定。脉冲 )C： D6/ 激光熔覆过程中需要调整的参数多且相互关系复杂， 影响其应用。因此， 为了综合考虑各种参数的影响， 简化工艺调整的过程， 本文引入单脉冲能量的概念及关系 式， 提出重叠率的概念， 并进行理论分析， 建立了重叠率与脉冲频率、 激光的扫描速度、 激光光斑直径相互关系 的方程式， 并通过在低碳钢上熔覆 )E 基合金粉末的试验验证了理论分析的正确性。
有： 喷涂、 电刷镀、 氩弧焊、 激光堆焊、 激光熔覆等， 其中激光熔覆以其输出能量大、 热变形小、 稀释率低、 冶金结
［*?A］ 合及其操作方便灵活、 可准确定位、 修复效率高、 无污染等特点成为模具修复的研究热点， 备受国内外学者关注 。 ［ @］ ! ! 目前， 用于修复的激光熔覆技术主要有连续 :1* 激光熔覆和脉冲 )C： D6/ 激光熔覆 。对于 :1* 激光熔 ［ B?# ］ ； 而关于脉冲 )C： D6/ 激光熔覆的研究相对较 覆， 国内外学者做了大量的研究工作， 并取得了一系列成果 ［ $］ 少。脉冲 )C： D6/ 激光器具有结构紧凑、 体积小、 性能稳定及维护费用低的特点 ， 其激光的脉冲输出使基体 ［ "+ ］ 。随着脉冲 )C： D6/ 激 的热积累少、 熔池凝固快、 熔覆层微观组织细密， 熔覆质量优于连续 :1* 激光熔覆
!
常! 明， ! 张庆茂， ! 廖健宏， ! 刘颂豪
（ 华南师范大学 光子信息技术广东省高等学校重点实验室，广州 B"+,A" ）
! ! 摘! 要： ! 激光器的电压、 电流、 脉冲宽度、 脉冲频率与激光的扫描速度、 光斑直径等工艺参数直接影响着 D6/ 激光熔覆质量。为了简化工艺调整过程， 提出了重叠率的概念， 并进行了理论推导， 建立了重叠 脉冲 )C： 率与脉冲频率、 激光扫描速度、 激光光斑直径相互关系的方程式。利用预置法在低碳钢基体上熔覆 )E 基合金 粉末， 获得了 * 组最佳工艺参数， 即单脉冲能量、 重叠率分别为 ,( F G， $F( @H 和 *" G， ,$( @H 。研究表明： 在单脉 冲能量和重叠率一定的条件下， 改变电流、 脉宽、 脉冲频率及熔覆速度不会影响熔覆质量。 ! ! 关键词： ! 塑料模具； ! 修复； ! 脉冲 )C： D6/ 激光熔覆； ! 工艺参数； ! 重叠率 ! ! 中图分类号： ! 9/"B$( $$! ! ! ! 文献标识码： ! 6
*++B?"*?", ； ! ! 修订日期： *++,?+F?*+ ! 收稿日期： 作者简介： 常! 明 （ "$#* —） ， 男， 硕士研究生， 从事激光表面强化技术研究；RJSTUVQWX ",A( T&J。
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强
激
光 *F 卷
!" 脉冲 #$： %&’ 激光熔覆工艺参数的优化
! ! 塑料模具在塑料成型加工中起着重要作用， 其制造工艺复杂， 生产周期长， 加工成本高。尤其是精密、 复杂 模具或大型模具仅制造费用就高达十几万元甚至数百万元。模具失效， 可造成企业减产或停产， 给企业带来经
［ "］ 济损失。因此， 对失效模具进行修复再利用， 无疑有着显著的经济效益 。目前， 失效模具的修复技术主要
+,-" *! ./01 023456/ 图 *! 光斑重叠示意图
! ! 式 （;） 表明重叠率与脉冲频率、 扫描速度、 激光光斑直径有直接关系。将脉冲频率、 扫描速度、 激光光斑直 径这 ( 种因素归结为重叠率， 这样有利于工艺参数的调整。在工艺调整中， 能够以重叠率为依据， 调整脉冲频 率、 扫描速度及激光光斑直径。
第@ 期
常& 明等：脉冲 N1： OHP 激光熔覆修复塑料模具工艺参数的优化
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!"#$ %& !’()* ’+ ,-./(* -0 1"++/(/20 34((/20 -21 54,*/ 6"107 图 %& 不同电流和脉宽下熔覆层的成形图
& & 选择图 % 中 （ <） ， （ 3） 试样， 将它们的熔覆层分别沿垂 直方向切开， 经研磨、 抛光、 腐蚀后， 用 =9;>?@AB 扫描电镜 观察并记录其微观形貌， 见图 8 。 & & 由式 （A） 可计算出， 第 A 组的单脉冲能量为 C$ CC =， 第 % 组的单脉冲能量为 C$ D =， 第 8 组的单脉冲能量为 C$ DA =， 第 E 组的单脉冲能量为 C$ D =。后 8 组的单脉冲能量近似 相等， 只是电流 ! 和脉冲宽度 ! 不同。图 % 各试样均获得 良好的成型性且形状相同。图 8 为熔覆层典型的扫描电镜 图。观察、 分析表明： 在最佳的工艺参数下， 获得的熔覆层 宏微观无裂纹， 且与基体呈冶金结合。上述情况表明： 单脉 冲能量和重叠率一定， 改变电流、 脉宽不影响熔覆层的质 量。同时， 验证了将激光器的电压、 电流、 脉冲宽度 8 个工艺参数综合考虑为单脉冲能量是可行的， 正确的。 & & 图 E 是当 " F ?CB G， ! F %?B H， # F B$ I )) 时， 单脉冲能量为 %A =、 重叠率为 C@$ EJ 的条件下， 通 ! F ? )*， 过改变脉冲频率 $ 与激光的熔覆速度 % 得到的熔覆层成型图。
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第 %8 卷
表 !" 各熔覆层的显微硬度值 #$%&’ !" ()*+,-$+./’00 ,1 &$2’+0
!"# +,-."/0.12344（ 56） 0:3.0;3（ 56）