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李會山 楊洗陳 王云山 張大鵬 VY9|8g/ (1.軍事交通學院汽車系 天津 300161 2.天津工業(yè)大學激光工程中心 天津 300160) +s'qcC 摘要:利用激光熔敷合金粉末的方法對模具進行了修復。研究了工藝參數(shù)對熔敷效果的影響，并對其修復過程進行了分析。結果表明，預處理、送粉量、激光的掃描速度是決定模具修復質量的關鍵。通過優(yōu)化工藝參數(shù)、機體預熱的方法可以提高模具修復質量。 Wqu][Wa[Z 關鍵詞:激光熔敷;模具;工藝參數(shù);修復質量 NHCdf* 4 ,|A\dXE 模具使用壽命取決于抗磨損和抗機械損傷能力，一旦磨損過度或機械損傷，須經修復才能恢復使用。目前可采用的修復技術有電鍍、電弧或火焰堆焊、熱噴涂(火焰、等離子)等。電鍍層一般很薄，不超過0.3mm，而且與基體結合差，形狀損壞部位難于修復，在堆焊、熱噴涂或噴焊時，熱量注入大，能量不集中，模具熱影響區(qū)大，易畸變甚至開裂，噴涂層稀釋率大，降低了基體和材料的性能。 r6Hdp 利用激光熔覆的方法可實現(xiàn)對模具的修復。用高功率激光束以恒定功率P與熱粉流同時入射到模具表面上，一部分入射光被反射，一部分光被吸收，瞬時被吸收的能量超過臨界值后，金屬熔化產生熔池，然后快速凝固形成冶金結合的覆層，如圖1所示。圖中α為熔覆層寬度、h為熔覆厚度、hm為熔化深度、α為接觸角。激光束根據(jù)CAD二次開發(fā)的應用程序給定的路線，來回掃描逐線逐層地修復模具。由于激光束的高能密度所產生的近似絕熱的快速加熱，對基體的熱影響較小，引起的畸變可以忽略，特別是經過修復后的模具幾乎不需再加工。 lbtVQW0V;o ]E+deM 1 激光修復系統(tǒng) .#] V5g, 激光修復技術是集高功率激光、計算機、數(shù)控機床、CAD/ CAM、先進材料、數(shù)控技術等多學科的應用技術。修復系統(tǒng)主要由硬件設備和制造過程軟件組成。硬件設備包括激光器、數(shù)控系統(tǒng)及工作臺、送粉裝置、光路系統(tǒng)、水冷裝置、保護氣系統(tǒng)和在線控制所涉及的數(shù)據(jù)采集裝置。軟件系統(tǒng)包括制造零件成型軟件擻據(jù)通訊和在線控制軟件。激光修復過程如圖2所示。CO2激光器發(fā)出的激光經CNC數(shù)控機床Z軸(垂直工作臺)反射鏡后，進入三維光束成形聚焦組合鏡，再進入同軸送粉工作頭，組合鏡和工作頭都固定在機床Z軸上，由數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)一控制。載氣式送粉器將粉末均勻輸送到分粉器的同軸送粉工作頭。模具位于CNC數(shù)控工作臺X-Y平面上，根據(jù)CNC指令，工作臺、組合鏡和送粉頭按給定的CAD程序運動。同時加入激光和粉末，逐層熔敷。在溫度檢測和控制系統(tǒng)作用下，使模具恢復原始尺寸。為保證熔覆材料(金屬粉末)和基體(模具)材料實現(xiàn)冶金結合，以及模具的尺寸精度、表面光潔度和材料性能，需將φ50mm圓形多模1kW-5kW高功率激光束變換成強度均勻分布的圓形光束，光斑尺寸可調(光路系統(tǒng))，并配有水冷系統(tǒng)和光束頭氣體保護系統(tǒng)，同時需重點考慮同軸送粉裝置和現(xiàn)場控制系統(tǒng)的設計。
ByK!r~>Z1Q 1.1 同軸送粉裝置 DP D%8a)? 穩(wěn)定可靠的粉末輸送系統(tǒng)是金屬零件修復質量的重要保證。粉末輸送的波動將影響修復的質量。激光修復對送粉的基本要求是連續(xù)、穩(wěn)定、均勻和可控地把粉末送入激光熔池。送粉裝置由送粉器和同軸送粉嘴組成，如圖3所示。在送粉器的粉斗下部，由于平衡氣壓的作用形成氣固兩相流化，并從導管開孔，隨載氣輸送粉末。送粉量由輸送氣體的壓力調節(jié)，拓寬了送粉范圍，實現(xiàn)從5g/min-150g/min均勻連續(xù)可調送粉，送粉精度高達±5。設計的載氣同軸粉嘴，消除了氣體壓力波動引起的4路送粉不均勻，并使工作距離加大，且連續(xù)可調。 <6s?M1J =k1 ,jn+ 1.2 模具修復過程的控制 #i Ooi9( 在理論上，熔池溫度場決定修復過程的宏觀與微觀質量，因此在激光熔覆層質量控制過程中，表征熔覆層熔池溫度場的實時檢測非常重要。采用如圖4所示的紅外測溫技術來檢測激光加工區(qū)域的溫度場，結合溫度場標定結果推導出實際的溫度場信息，來控制激光器功率輸出值以及CNC機床的運動速度，以保持熔池溫度穩(wěn)定，避免零件由于過熱或溫度不均產生裂紋氣孔等缺陷。圖4中虛線范圍內所示的是比色測溫儀，光路系統(tǒng)選用單臺相機，切換不同濾色片的單通 s2{ d<0x?v 道圖像記錄方式。濾光片及其控制保證兩個濾光片(804.5nm和894.6n m)交替置于數(shù)字相機圖像記錄光路中，移動響應時間<10ms，由計算機控制的高精度步進電機實現(xiàn)準確定位。軟件包括三部分:①控制濾光片轉入記錄光路機械控制部分;②進行實時的同步圖像采集、處理以及溫度場標定和計算;③用測量溫度變化量所得到的過程參數(shù)，調節(jié)激光功率和機床運動速度。 O,kzU,zOs a
