激光表面強(qiáng)化技術(shù)在汽車模具上的應(yīng)用

——給模具穿上鎧甲
    對模具表面進(jìn)行處理的主要目的在于提高表面的硬度、耐磨性和耐蝕性，激光表面強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用，在很大程度上提高了模具的表面性能。
    對于提高大型模具使用壽命和減少精密模具的熱處理變形，激光表面強(qiáng)化技術(shù)有著極大的技術(shù)優(yōu)勢,主要包括激光表面淬火和激光表面熔覆。
激光表面淬火
    激光表面淬火是一種利用高能量激光束掃描工件使被掃描的區(qū)域表面硬化的技術(shù)。其基本原理為用一定能量密度（103～105W/cm2）的激光照射工件，使被照射的表層區(qū)域被急速加熱至相變點(diǎn)以上，熔點(diǎn)以下的溫度，此時(shí)工件基體仍處于冷態(tài)，加熱區(qū)與基體之間存在很大的溫度梯度，當(dāng)激光束停止照射時(shí)，由于熱傳導(dǎo)的作用，加熱區(qū)會(huì)急速冷卻（106～108℃/s）而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，使工件表層實(shí)現(xiàn)相變硬化。

1.激光淬火的特點(diǎn)
（1）激光淬火是快速加熱、自激冷卻，不需要爐膛保溫和冷卻液淬火，是一種無污染綠色環(huán)保熱處理工藝，可以很容易實(shí)行對大型模具表面進(jìn)行均勻淬火。
（2）由于激光加熱速度快，熱影響區(qū)小，又是表面掃描加熱淬火，即瞬間局部加熱淬火，所以被處理的模具變形很小。
（3）由于激光束發(fā)散角很小，具有很好的指向性，能夠通過導(dǎo)光系統(tǒng)對模具表面進(jìn)行精確的局部淬火。
（4）激光表面淬火的硬化層深度一般為0.3～0.7mm，使其應(yīng)用受到一定的限制。
2.工藝參數(shù)的選擇
    影響激光淬火質(zhì)量的工藝參數(shù)是多方面的，主要有激光功率、掃描速度、光斑尺寸、光束能量分布狀態(tài)、吸光涂層種類與厚度等。衡量激光淬火質(zhì)量的主要指標(biāo)包括硬化層深度、寬度、硬度及硬化層表面粗糙度。其之間主要關(guān)系有以下幾點(diǎn)：
（1）激光在單位時(shí)間上作用于模具的功率密度（即比功率E），將決定激光淬火的效果。激光淬火所需的比功率E為102～104W/cm2·s。比功率E由激光功率P、掃描速度V、光斑尺寸D決定，即E=P·V-1·D-1。
（2）在102～104W/cm2·s的范圍內(nèi)，功率密度的增加、掃描速度減小、將使模具的硬化層深度、硬度及硬化層表面粗糙度增加。如果功率過大，掃描速度太慢，即比功率太大，超出上述范圍，會(huì)造成工件表面熔化、燒損；反之，硬度和硬化層深度會(huì)達(dá)不到技術(shù)要求。
（3）激光淬火硬化層寬度由光斑尺寸決定。大面積淬火必須進(jìn)行多道掃描。寬帶掃描比窄帶掃描效率高。
（4）光束能量分布主要影響硬化層深度、寬度及組織的均勻性。它由光束模式及導(dǎo)光系統(tǒng)決定。通常，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況調(diào)整到最佳狀態(tài)，以保證硬化層的均勻性。
（5）吸光涂層種類及厚度會(huì)影響工件對激光能量的有效吸收。目前應(yīng)用較為成熟的吸光涂層有磷酸鹽涂層、含膠體石墨涂層、氧化物涂層等。在覆蓋工件表面的前提下，涂層厚度越薄越均勻，則效果越好。
3.應(yīng)用實(shí)例
    汽車大型覆蓋件模具一般用合金鑄鐵制造。合金鑄鐵的特性不宜進(jìn)行整體熱處理，傳統(tǒng)工藝采用火焰淬火，其淬火硬度為40～50HRC。改用激光淬火，模具表面硬度可提高到55～65HRC，硬化層有效深度為0.5～0.7mm，模具耐磨性大大提高，零件拉傷問題得到有效控制，模具在線維修率控制在4%以下。以前每批生產(chǎn)完成后均需對拉深模進(jìn)行大面積推磨，現(xiàn)只是需要進(jìn)行簡單維護(hù)保養(yǎng)便可。
激光熔覆
    激光熔覆的研究工作始于20世紀(jì)70年代，1981年成功地應(yīng)用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪片。激光熔覆是利用高能的激光束在金屬表面輻照，使涂覆材料熔化、擴(kuò)展，與基體結(jié)合并迅速凝固，在基材表面形成一層具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的材料。應(yīng)用激光熔覆技術(shù)處理模具表面，既可以是對己加工成坯的制造模具進(jìn)行表面改性，也可以是對成形模具進(jìn)行表面修復(fù)。

1.激光熔覆的特點(diǎn)
（1）由于激光的快速加熱和冷卻過程，激光熔覆層組織細(xì)小，結(jié)構(gòu)致密。
（2）由于激光束的高能密度所產(chǎn)生的近似絕熱的快速加熱過程，激光熔覆對基材的熱影響小，引起的變形小。激光熔覆可以有效地修補(bǔ)裂痕、崩角以及磨損的密封邊。
（3）激光束的功率、位置和形狀等能夠精確控制，易實(shí)現(xiàn)選區(qū)甚至微區(qū)熔覆修復(fù)。
（4）熔覆層的稀釋率小，可精確控制，熔覆層成分具有可設(shè)計(jì)性。
（5）無接觸型處理，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和柔性加工。
2.工藝參數(shù)的選擇
    影響激光熔覆質(zhì)量的工藝參數(shù)是多方面的，主要有激光功率、掃描速度、光斑尺寸、搭接率、被熔覆材料化學(xué)成分以及單位時(shí)間熔覆量等。衡量激光熔覆質(zhì)量的主要指標(biāo)包括熔覆層厚度、寬度、硬度、平整度、熔覆層表面是否有裂紋及氣孔。其之間主要關(guān)系有以下幾點(diǎn)：
（1）激光在單位時(shí)間上作用于模具的功率密度（即比功率E），是影響激光熔覆的主要工藝參數(shù)。激光熔覆所需的比功率E為103～105W/cm2·s。功率密度的增加、掃描速度減小、熔覆層平整度增加、開裂傾向減少。但功率過大，掃描速度太慢，會(huì)造成熔覆層合金燒損，稀釋率增加，熱影響區(qū)增大。
（2）激光熔覆層寬度主要由光斑尺寸決定。大面積熔覆必須進(jìn)行多道掃描，其搭接率為30%～50%的效果最好。
（3）被熔覆材料化學(xué)成分對熔覆層質(zhì)量影響最大、最復(fù)雜。一般情況下，碳、硼含量高，熔覆層硬度高、開裂傾向大；鎳、鈷含量高，開裂傾向小。硅、硼含量高，熔覆層平整度高。
3.應(yīng)用實(shí)例
    近年來激光熔覆用于模具修復(fù)的技術(shù)發(fā)展較快。激光能量密度高，受熱范圍小，可以熔覆各種金屬材料，如S136、718、2344、NAK80、8407、不銹鋼、鈹銅、鋁合金及鈦合金等。熔覆層無砂眼、氣孔，與基體形成冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高、不容易脫落，可對模具進(jìn)行修補(bǔ)裂痕、崩角、磨痕修補(bǔ)等。
    目前，應(yīng)用于激光熔覆技術(shù)的設(shè)備主要是連續(xù)CO2激光器和脈沖YAG激光器。連續(xù)CO2激光器多用于大型模具的修復(fù)（如5CrNiMo和H13鋼模具），不適于微小尺寸的修復(fù)。脈沖YAG激光器光斑直徑能聚焦到0.2～2.0mm，在精密模具的修復(fù)中，脈沖YAG激光器具有許多優(yōu)于連續(xù)CO2激光器的良好性能。
（1）YAG激光器與光纖的藕合效率高，便于遠(yuǎn)距離操作，易于實(shí)現(xiàn)激光加工的柔性化。
（2）脈沖YAG激光器有著更多的可控參數(shù)（脈沖頻率、脈寬以及脈沖能量等），有利于提高加工工藝的性能。
（3）脈沖YAG激光器高重復(fù)頻率工作時(shí)的效果更好，加熱速度極快，冷卻速度極快，溫度梯度大，模具不易變形坍塌。
結(jié)語
    隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，汽車的生產(chǎn)能力不斷提高，我國汽車模具制造技術(shù)、激光器制造技術(shù)及激光應(yīng)用技術(shù)也會(huì)得到整體提升�？梢灶A(yù)見，隨著我國制造業(yè)整體實(shí)力的提高，汽車模具的激光強(qiáng)化技術(shù)將會(huì)得到快速發(fā)展。