淺談激光加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

1、黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文課題名稱: 淺談激光加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用 系 別 機(jī)電工程系 專 業(yè) 模具設(shè)計(jì)與制造 班 級(jí) 模具200704班 姓 名 陳新 學(xué) 號(hào) 200703071418 指導(dǎo)教師 秦訓(xùn)鵬 黃常翼 目錄引言41 模具加工用激光器41.1固體激光器(Nd:YAG激光器)41.1.1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)41.1.2 固體激光器的特點(diǎn)51.2氣體激光器（CO2激光器）52 模具激光制造52.1激光間接成模工藝52.1.1 立體光造形工藝52.1.2 薄層疊片制造工藝62.1.3 選擇性激光燒結(jié)工藝82.2激光直接成模工藝92.2.1 選擇性激光熔化技術(shù)92.2.2 激光工程化凈

2、成形技術(shù)93 模具表面激光改性103.1 激光相變硬化103.1.1 激光相變硬化原理103.1.2 模具激光相變硬化影響因素103.1.3 激光相變硬化特點(diǎn)113.2 激光沖擊強(qiáng)化113.2.1 激光沖擊強(qiáng)化處理的表面改性作用123.2.2 激光沖擊強(qiáng)化的特點(diǎn)123.3 激光熔覆123.3.1 激光熔覆的分類123.3.2 激光熔覆特點(diǎn)133.4 激光合金化134 模具激光修復(fù)134.1 激光熔覆模具修復(fù)144.2 激光沉積焊接模具修復(fù)145 模具激光清洗14總結(jié)14參考文獻(xiàn)15摘要激光加工技術(shù)能有效地利用激光的優(yōu)越性，正在改變著以往模具制造的加工和生產(chǎn)方式，使生產(chǎn)效率大幅度提高，是機(jī)加工在

3、模具制造中最有競(jìng)爭(zhēng)力的一種替代手段。激光加工技術(shù)的應(yīng)用是個(gè)系統(tǒng)工程，它既包括硬件（如激光器、加工機(jī)床、導(dǎo)光聚焦系統(tǒng)等），也包括軟件（如不同工藝的最佳工藝參數(shù)等），同時(shí)還包括激光與物質(zhì)間相互作用機(jī)理。激光器的種類繁多，但目前,適用于在模具制造中的工業(yè)激光器主要有兩大類：固體激光器和氣體激光器。文中將要分析的就是這兩種激光器在模具制造中的模具激光制造、模具表面激光強(qiáng)化和替代、模具激光修復(fù)、模具激光清洗等方面的應(yīng)用。模具激光制造有激光間接成模工藝和激光直接成模工藝兩種。模具表面激光強(qiáng)化和替代主要有激光相變硬化、激光沖擊強(qiáng)化、激光合金化和激光熔覆。模具激光修復(fù)有激光熔覆模具修復(fù)和激光沉積焊接模具修復(fù)這

4、兩種主要修復(fù)方法。模具激光清洗主要是應(yīng)用高能激光脈沖去除模具在使用過程中產(chǎn)生的表面污物。關(guān)鍵詞：激光器 模具激光制造 模具表面激光改性 模具激光修復(fù) 模具激光清洗引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和模具工業(yè)的迅速發(fā)展，人們需不斷地采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果武裝自己，以滿足日新月異的產(chǎn)品的加工要求。因此在傳統(tǒng)模具加工的基礎(chǔ)上涌現(xiàn)出許多新的分支激光技術(shù)就是其中之一。在傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)中,需要大量的模具設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試等工作,成本高,周期長(zhǎng)，已不能適應(yīng)日新月異的市場(chǎng)變化。而激光以高強(qiáng)度、高方向性、高單向性、高相干性的特點(diǎn)使激光加工技術(shù)在模具設(shè)計(jì)制造中得到了很好的應(yīng)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)制造中的不足。1 模具加工

5、用激光器目前,用于模具加工技術(shù)中的工業(yè)激光器主要有兩大類：固體激光器和氣體激光器。其中,固體激光器以Nd:YAG激光器為代表；而氣體激光器則以CO2激光器為代表。隨著激光技術(shù)的發(fā)展,目前人們也開始在某些加工應(yīng)用場(chǎng)合使用大功率光纖激光器和大功率半導(dǎo)體激光器。1.1固體激光器(Nd:YAG激光器)1.1.1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)固體激光器由工作物質(zhì)、泵浦源、聚光腔、光學(xué)諧振腔、冷卻系統(tǒng)、激光電源等組成，主要采用光泵浦，工作物質(zhì)中的激活離子吸收光能，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激光。固體激光器各部分的結(jié)構(gòu)如圖1所示圖1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)摻釹釔鋁石榴石激光器簡(jiǎn)稱為Nd:YAG激光器，是目前應(yīng)用最廣泛的一種

6、激光離子于基質(zhì)晶體組合的固體激光器。工作物質(zhì)Nd:YAG晶體具有優(yōu)良的物質(zhì)、化學(xué)性能，激光性能及熱血性能，可以制成連續(xù)和高重復(fù)頻率器件。1.1.2 固體激光器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： （1）輸出的激光波長(zhǎng)1064nm，是CO2激光波長(zhǎng)10600nm的1/10.波長(zhǎng)較短，對(duì)聚集、光纖傳輸和金屬表面吸收等有利，因此與金屬的耦合效率高，加工性能良好（一臺(tái)800w的YAG激光器的有效功率相當(dāng)于一臺(tái)3kw的CO2激光器功率）。（2）YAG激光器可以在連續(xù)和脈沖兩種狀態(tài)下工作，脈沖輸出加調(diào)Q和鎖模技術(shù)可以得到短脈沖和超短脈沖，峰值功率很高，使其加工范圍比CO2激光器更大。（3）YAG激光器能與光纖耦合，借助時(shí)間分割和

7、功率分割多路系統(tǒng)可以方便地將一束激光傳輸給多個(gè)工位和遠(yuǎn)距離工位，便于激光加工實(shí)現(xiàn)柔性化。（4）YAG激光器結(jié)構(gòu)緊湊，特別是LD泵浦的全固態(tài)激光器，小型化、全固化、長(zhǎng)壽命、工作物質(zhì)熱效應(yīng)減小、使用簡(jiǎn)便可靠，是目前YAG激光器的主要研究和發(fā)展方向。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率比CO2激光器低約一個(gè)數(shù)量級(jí)，僅為百分之幾；工作過程中YAG棒內(nèi)部存在溫度階度，因而會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱透鏡效應(yīng)，輸出功率光束質(zhì)量受到影響；YAG激光器的光束質(zhì)量較差，一般為多模運(yùn)轉(zhuǎn)；每瓦輸出功率的成本費(fèi)比CO2激光器高。1.2氣體激光器（CO2激光器）CO2激光器是一種混合氣體激光器，以CO2、N2和He的混合氣體為工作物質(zhì)。激光躍遷發(fā)生在C

8、O2分子的電子基態(tài)的兩個(gè)振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間。N2作用是提高激光上能級(jí)的激勵(lì)效率，He的作用是有助于激光下能級(jí)的抽空。后兩種的作用都是為兩增強(qiáng)激光的輸出。CO2激光器轉(zhuǎn)換效率較高，同時(shí)激光器工作產(chǎn)生的熱量可以通過對(duì)流或擴(kuò)散迅速傳遞到激光增益區(qū)之外，其激光輸出平均功率可以做到很高的水平（萬瓦以上），滿足大功率激光加工的要求。2 模具激光制造模具激光制造是以激光束作為熱源通過激光與被加工材料之間的相互作用實(shí)現(xiàn)模型，用以制造三維模型的過程。內(nèi)容主要包括：激光間接成模工藝和激光直接成模工藝。2.1激光間接成模工藝2.1.1 立體光造形工藝立體光造形又稱光敏樹脂法或光固成型，英文是 Stereo Lith

9、ography Apparatus，簡(jiǎn)稱SLA。該方法是最早發(fā)展起來的快速成型方法，1988年3D Systems公司最早推出了基于SLA的商品化快速成型機(jī)，它采用紫外激光器在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)光敏樹脂的凝固成型。（1）基本原理立體光造形的快速成型機(jī)由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、CAD平臺(tái)、激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、盛放液態(tài)樹脂的不銹鋼液槽以及精密升降臺(tái)組成。立體光造型的成模過程如圖2所示。液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，紫外激光器（氦鎘激光器或氬離子激光器或三倍頻Nd:YVO4激光器）發(fā)出的紫外激光束在控制系統(tǒng)的控制下按零件的各分層截面信息在光敏樹脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)而固化，形成零件的

10、一個(gè)薄層。一層固化完畢后，工作臺(tái)下移一個(gè)層厚的距離，以使在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，然后刮板將黏度較大的樹脂液面刮平，進(jìn)行下一層的掃描加工，新固化得一層牢固地黏結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直至整個(gè)零件制造完畢，得到一個(gè)三維實(shí)體原型。當(dāng)實(shí)體原型完成后，首先將實(shí)體取出，并將多余的樹脂排凈。去掉支撐后，再將實(shí)體原型放在紫外激光下整體后固化。圖2 立體光造型工藝成型過程（2）技術(shù)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：成型過程自動(dòng)化程度高；尺寸精度高；表面質(zhì)量?jī)?yōu)良；可以制作結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的模型；可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結(jié)構(gòu)的消失模。缺點(diǎn)：成型過程中伴隨著物理和化學(xué)變化，所以制件較易彎曲，需要支撐，否則會(huì)引起

11、制件變形；設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)及維護(hù)成本較高；可使用的材料種類較少；液態(tài)樹脂具有氣味和毒性，并且需要避光保護(hù)，并防止提前發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，選擇時(shí)具有局限性；需要二次固化；液態(tài)樹脂固化后的性能尚不如常用的工業(yè)塑料，一般較脆、易斷裂，不便進(jìn)行機(jī)加工。2.1.2 薄層疊片制造工藝薄層疊片制造英文是Laminated Object Manufacturing，簡(jiǎn)稱LOM。工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等，由美國(guó)Helisys公司于1986年研制成功。通過反復(fù)CO2激光器切割和材料粘貼，得到分層制造的實(shí)體工件。LOM工藝的特點(diǎn)是適合制造大型工件，其精度達(dá)到0.1mm。（1）成型原理如圖3所示為新加坡Kinergy公

12、司生產(chǎn)的ZIPPY型快速成型機(jī)。由圖可知：LOM快速成型機(jī)主要包括激光切割系統(tǒng)、原材料的存儲(chǔ)及進(jìn)給系統(tǒng)、熱粘壓系統(tǒng)、可升降工作臺(tái)和數(shù)控系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，另外，排除加工過程中產(chǎn)生的煙霧的排氣系統(tǒng)也是必不可少的輔助系統(tǒng)。圖3 薄層疊片制造工藝激光快速成型機(jī)組成計(jì)算機(jī)用于接受和儲(chǔ)存工件的三維模型，將模型安高度方向分層，得到放層的輪廓線，控制成型機(jī)協(xié)調(diào)工作。原材料進(jìn)給系統(tǒng)將帶有單面熱熔膠的紙張送至工作臺(tái)的上方，熱粘壓系統(tǒng)的熱壓輥將紙張與先前的紙張壓粘在一起。激光切割系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)給出的該層的輪廓線進(jìn)行切割，并將無輪廓區(qū)切成小網(wǎng)格，以便成型后剝離廢料（圖4）。每切割完一層，升降臺(tái)下降一層，重新送紙，粘

13、合和切割，至到所有的層加工完畢。圖4 薄層疊片制造中的交叉截面線（2）成型材料薄層疊片制造工藝使用的原材料包括薄層材料和熱熔膠兩部分。熱熔膠熱熔膠有以下幾方面的要求：良好的熱熔、冷固特性，要求在室溫下為固態(tài)，在加熱到一定溫度時(shí)熔融；要有穩(wěn)定的物理化學(xué)特性；足夠的黏結(jié)強(qiáng)度；熔融狀態(tài)下與紙材有較好的涂掛性和均勻性。薄層材料：紙材料、陶瓷材料、金屬材料。（3）成型精度影響LOM成型精度的原因：CAD模型前處理造成的誤差；成型過程中誤差；成型后環(huán)境變化引起的誤差；后處理不當(dāng)造成的誤差。改進(jìn)成型精度的措施：改善黏結(jié)壓應(yīng)力和厚度分布的均勻性；改善因濕度和溫度引起的變形。（4）成型特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：原型精度較高，精

14、度高的原因有：進(jìn)行薄形材料選擇性切割成型時(shí)，在原材料中，只有較薄的一層粘結(jié)劑發(fā)生狀態(tài)變化，而主要的基底材料保持固態(tài)不變，因此翹曲變形較小;采用特殊的顆粒狀態(tài)涂黏結(jié)劑工藝制作的膠紙有較小的翹曲變形;激光切割速度與切割功率的自動(dòng)匹配軟件控制，以及激光切口寬度的自動(dòng)補(bǔ)償，精密數(shù)控系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)的采用，使工件在X和Y方向的精度可達(dá)±（0.10.2）mm，Z方向的精度可達(dá)±（0.20.3）mm。因?yàn)闊o需對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描，且不需考慮支撐，所以容易制作大尺寸的工作，速度快、效率高。制件能承受高達(dá)200攝氏度的溫度，有較高的硬度和較好的力學(xué)性能，可進(jìn)行各種切割加工。無需后固化處理。原材料

15、價(jià)格便宜，制作成本低。缺點(diǎn)：不適合具有封閉腔型結(jié)構(gòu)件的制作。工件（特別是薄壁件）的抗拉強(qiáng)度和彈性不夠好。工件易吸濕膨脹，因此，成型后應(yīng)盡快進(jìn)行表面防潮處理。工件表面有臺(tái)階紋，其高度等于材料的厚度（通常為0.1mm左右），因此，成型后需進(jìn)行表面打磨。薄層疊片制造工藝與其他工藝相比，具有制作效率高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合中、大型件的制作。 2.1.3 選擇性激光燒結(jié)工藝選擇性激光燒結(jié)英文是Selective Laser Sintering，簡(jiǎn)稱SLS。工藝是利用粉末狀材料成形的，由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的于1989年研制成功，通過用高強(qiáng)度的CO2激光器逐層有選擇地掃描燒結(jié)材料粉末而形成

16、三維工件，SLS工藝最大的優(yōu)點(diǎn)在于選材較為廣泛。（1）基本原理圖5 選擇性激光燒結(jié)工藝原理選擇性激光燒結(jié)的系統(tǒng)工作原理如圖5所示，整個(gè)工藝裝置由激光器、掃描偏轉(zhuǎn)鏡、粉末缸、模型缸和鋪粉系統(tǒng)等組成。工作時(shí)送粉缸活塞上升，由鋪粉輥將粉末在模型缸活塞上均勻鋪上以層，計(jì)算機(jī)根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末材料以形成零件的一個(gè)層面。在燒結(jié)之前，整個(gè)工作臺(tái)被加熱至稍低于粉末溶化溫度，以減少熱變形，并利于與前一層面的結(jié)合。粉末完成一層后，模型缸活塞下降一個(gè)層厚，鋪粉系統(tǒng)鋪設(shè)新粉，控制激光束掃描燒結(jié)新層。如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加，就得到三維零件。（2）成型特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：材料適應(yīng)性廣；

17、直接制造金屬功能件；成型工藝比較簡(jiǎn)單；精度較高;材料利用率高。上述三種激光快速成形技術(shù)由于發(fā)展時(shí)間長(zhǎng),技術(shù)相對(duì)比較成熟,在國(guó)內(nèi)外都得到了較為廣泛的應(yīng)用。但上述方法形成的三維工件都不能直接作為模具使用,需要進(jìn)行后續(xù)的處理, 所以稱之為激光間接成模工藝。主要的處理方法有：快速成形工件處理后用作模具。LOM制作的紙模經(jīng)表面處理直接代替砂型鑄造木模；或者用LOM制作的紙模具經(jīng)表面處理直接用作低熔點(diǎn)合金鑄模、注塑模；或失蠟鑄造中蠟?zāi)５某尚文！LS制作的工件經(jīng)滲銅后,作為金屬模具使用。用快速成形件作母模澆注硅橡膠、環(huán)氧樹脂、聚氨脂等材料制作軟模具。用快速成形件翻制硬模具。一種是直接用LOM制作紙基模具,

18、經(jīng)表面金屬電弧噴鍍和拋光后研成金屬模；另一種是金屬面硬背襯模具。上述硬模具可用于砂型鑄造、消失模的壓型制作、注塑模以及簡(jiǎn)易非鋼質(zhì)拉伸模。用上述激光間接成模工藝制作模具,既避開了復(fù)雜的機(jī)械切削加工,又可以保證模具的精度,還可以大大縮短制模時(shí)間、節(jié)省制模費(fèi)用,對(duì)于形狀復(fù)雜的精度模具,其優(yōu)點(diǎn)尤為突出。但是,目前還存在著模具壽命相對(duì)較短的缺點(diǎn),所以上述激光間接成形模具較適合于小批量生產(chǎn)。2.2激光直接成模工藝2.2.1 選擇性激光熔化技術(shù)選擇性激光熔化英文是Selective Laser Melting，簡(jiǎn)稱SLM。選擇性激光熔化技術(shù)是在選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。SLM的特點(diǎn)為：

19、（1）使用高功率密度，小光斑的激光束加工金屬，使得金屬零件具有0.1毫米的尺寸精度；（2）熔化金屬制造出來的零件具有冶金結(jié)合的實(shí)體，相對(duì)密度幾乎能達(dá)到100，大大改善了金屬零件的性能；（3）由于激光光斑直徑很小，因此能以較低的功率熔化高熔點(diǎn)的金屬，使得用單一成分的金屬粉末來制造零件成為可能。2.2.2 激光工程化凈成形技術(shù)激光多層（或稱三維/立體）熔覆直接快速成形技術(shù)是在快速原型技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合同步送料激光熔覆技術(shù)所發(fā)展起來的一項(xiàng)高新制造技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是計(jì)算機(jī)控制下的三維激光熔覆。由于激光熔覆的快速凝固特征，所制造出的金屬零件具有均勻細(xì)密的枝晶組織和優(yōu)良的質(zhì)量，其密度和性能與常規(guī)金屬零件相當(dāng)。激

20、光多層熔覆發(fā)展出了多種方法，其中最具代表性的是美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories）研發(fā)的稱作激光工程化凈成形技術(shù)英文是Laser Engineered Net Shaping，簡(jiǎn)稱LENS的金屬件快速成形技術(shù)。采用該方法已成功制造了不銹鋼，馬氏體時(shí)效鋼，鎳基高溫合金，工具鋼，鈦合金，磁性材料以及鎳鋁金屬間化合物工件，零件致密度達(dá)到近乎100%。選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)和激光工程化凈成形(LENS)技術(shù)由于成形件致密性好，且具有冶金結(jié)合組織及精度高，制成的模具壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，已得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的普遍重視，在國(guó)外已推出了多種設(shè)備樣機(jī)，有的甚至

21、開始商品化了；而國(guó)內(nèi)目前的研究和應(yīng)用還處于起步階段。另外，還有一種基于激光精細(xì)切割的金屬零件分層制造技術(shù)（LOM），具有可快速、低成本制造大型、復(fù)雜形狀的模具的特點(diǎn)。日本中川威雄研究室早在80年代就應(yīng)用金屬薄板 LOM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了金屬模具的分層快速制造。經(jīng)過發(fā)展，金屬薄板LOM技術(shù)已逐漸應(yīng)用于諸如汽車等大型內(nèi)外飾件模具及具有復(fù)雜流道注塑模的制造。3 模具表面激光改性模具表面處理一直是機(jī)械加工領(lǐng)域中所重視的問題。隨著新技術(shù)新工藝的發(fā)展，有許多傳統(tǒng)的處理方式已不太適用。對(duì)形狀復(fù)雜的模具，最理想的表面處理方式是用激光進(jìn)行，它幾乎不變形，表面硬度比常規(guī)處理方式的硬度高，并且更耐磨，使用壽命更長(zhǎng)。3.1

22、激光相變硬化 激光相硬化又稱激光淬火，是激光熱處理中研究最早、最多，進(jìn)展最快，并且得到廣泛應(yīng)用的一種工藝。激光相變硬化過程是復(fù)雜的快速加熱和冷卻過程。硬化層尺寸（深度、寬度）和性能參數(shù)（硬度、耐磨性）主要取決于激光器的工作方式、激光模式、激光功率、光斑尺寸、掃描速度、掃描路徑、保護(hù)氣體等。3.1.1 激光相變硬化原理激光相變硬化以高功率密度（104W/cm2105W/cm2）的激光作為熱源對(duì)材料表面進(jìn)行快速加熱，使材料溫度快速升高（104攝氏度/s106攝氏度/s）到相變溫度以上而又低于溶化溫度時(shí)發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，在激光離開照射部位以后，通過材料自激冷卻作用進(jìn)行淬火，是材料表層快速冷卻（106攝

23、氏度/s108攝氏度/s）得到淬火組織。激光相變硬化能過獲得細(xì)晶馬氏體組織，位錯(cuò)密度比常規(guī)加熱淬火顯著提高，硬度顯著提高，位錯(cuò)強(qiáng)化和固熔強(qiáng)化是激光相變硬化的主要強(qiáng)化機(jī)制。激光淬火使材料表面的綜合性能得到很大改善，耐磨性顯著提高。激光相變硬化適應(yīng)性強(qiáng)，可以對(duì)深孔、內(nèi)孔、盲孔和凹槽等部位進(jìn)行局部處理。3.1.2 模具激光相變硬化影響因素如圖所示給出了影響模具激光表面淬火的主要因素。激光淬火時(shí)熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)化層斷裂、模具變形或在模具內(nèi)部留有殘余應(yīng)力，此時(shí)希望調(diào)整激光加工工藝參數(shù)減少熱應(yīng)力以避免開裂、減少變形并控制熱變形為最小或得到適當(dāng)?shù)臍堄鄩簯?yīng)力以提高模具的耐疲勞性能。開展激光加工過程中熱應(yīng)力、熱應(yīng)

24、變的行為及其變化規(guī)律的研究，對(duì)于加強(qiáng)控制手段、穩(wěn)定加工工藝、提高制品質(zhì)量和性能優(yōu)著重要意義。圖 影響模具激光表面淬火的主要因素3.1.3 激光相變硬化特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)化效果好；能夠獲得極細(xì)的硬化層組織，而且淬硬層深度可以控制；變形?。贿m應(yīng)性廣泛且靈活；工藝周期短；對(duì)環(huán)境無污染。缺點(diǎn)：由于是表面局部硬化處理，工作芯部的性能沒有得到改善；硬化面積小，硬化層較淺，一般在1mm以下，部適用于重負(fù)型工件；設(shè)備一次性投入費(fèi)用以及維護(hù)費(fèi)用偏高。3.2 激光沖擊強(qiáng)化激光沖擊強(qiáng)化是高功率密度、短脈沖的激光束與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊波來改變材料表面物理及機(jī)械性能的技術(shù)。在激光沖擊過程中，由于激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波峰值

25、應(yīng)力大于材料的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力，從而使材料產(chǎn)生密集、均勻以及穩(wěn)定的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，使金屬表面發(fā)生塑性變形，并形成較深殘余壓應(yīng)力，從而提高金屬零件的強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性和疲勞壽命，如圖。圖 激光沖擊強(qiáng)化加工示意圖3.2.1 激光沖擊強(qiáng)化處理的表面改性作用（1）表面硬度金屬或合金的激光沖擊強(qiáng)化是重要的表面改善措施。激光沖擊加工會(huì)在整個(gè)激光輻照區(qū)域使金屬表面硬度提高。表面硬化的幅度取決于激光沖擊加工的參數(shù)、合金類型與金屬的顯微組織。（2）疲勞性能改善合金表面的疲勞性能是激光沖擊加工應(yīng)用的另一重要方面。激光沖擊加工的有益作用源自表面壓縮應(yīng)力和表面質(zhì)量。（3）其他性能激光表面沖擊強(qiáng)化液擴(kuò)展至改善耐磨性能和耐腐蝕

26、性能。研究表明，激光沖擊加工產(chǎn)生的圍繞夾雜的純力學(xué)效應(yīng)改善含鹽介質(zhì)中316L不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能，亦使100Cr6工具鋼的磨損率下降。此外，2024-T351鋁合金的疲勞開裂行為也因激光沖擊的加工硬化和殘余應(yīng)力效應(yīng)得到改善。3.2.2 激光沖擊強(qiáng)化的特點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)：沖擊壓力高，強(qiáng)化深度達(dá)到傳統(tǒng)的噴丸強(qiáng)化深度48倍；能夠加工傳統(tǒng)工藝不能處理的部位，如小槽、小孔以及輪廓線之類；激光沖擊強(qiáng)化后的金屬表面不產(chǎn)生畸變和機(jī)械損傷，無熱應(yīng)力損傷，不會(huì)引起相變等。（2）缺點(diǎn)：火口的形成和隨之帶來的物理表面質(zhì)量的惡化。3.3 激光熔覆激光熔覆是一種新興的零件表面改性技術(shù)，又稱激光涂覆或激光熔覆。其實(shí)質(zhì)是將具有特殊

27、性能（如耐磨、耐腐蝕、耐疲勞、抗氧化等）的粉末預(yù)先噴涂在基材表面或者與激光束同步送粉，使其在高能密度（大于104W/cm2）的激光束作用下迅速熔化、擴(kuò)展及快速凝固，在基材表面的都無裂紋氣孔的冶金結(jié)合層，從而形成與常規(guī)性能不同的優(yōu)異合金層的工藝技術(shù)。3.3.1 激光熔覆的分類根據(jù)熔覆材料的供給方式，激光熔覆可分為兩大類：預(yù)置式激光熔覆和同步送粉式激光熔覆。（1）預(yù)置式激光熔覆預(yù)置式激光熔覆是將熔覆材料預(yù)先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照掃描使其熔化（如圖8）。熔覆材料以粉末、絲和板材的形式加入，其中以粉末的形式最為常用。其主要工藝流程為：基材熔覆表面預(yù)處理預(yù)置熔覆材料預(yù)熱處理激光熔覆后

28、熱處理。圖8 預(yù)置式激光熔覆橫截面示意圖（2）同步送粉式激光熔覆同步送粉式激光熔覆是將熔覆材料直接送入激光束中，使供料和熔覆同時(shí)完成。熔覆材料主要也是以粉末的形式送入，有的也采用線材或板材同步送料。其主要工藝流程為：基材熔覆表面預(yù)處理送料激光熔覆后熱處理。3.3.2 激光熔覆特點(diǎn)（1）熔覆層經(jīng)光束照射升溫快、溫度高。（2）熔覆層成分可以精確控制且具有與基體材料性質(zhì)完全不同的性質(zhì)。（3）熔覆層寬度、厚度可以精確控制，且基體的稀釋率很低（一般小于5%）。（4）可以在大氣中進(jìn)行加工，而電子束、離子束表面改性都要求有較高的真空度。（5）可以進(jìn)行局部加工，材料消耗少，具有很高的價(jià)格性能比。（6）熔覆層組

29、織細(xì)小均勻，無裂紋氣孔。（7）對(duì)粉末的選擇幾乎沒有任何限制，可以再低熔點(diǎn)金屬表面熔覆高熔點(diǎn)合金。3.4 激光合金化激光表面合金化是一種材料表面改性技術(shù)。把合金元素或化合物直接或間接結(jié)合到基體材料表面，然后在高能激光束的加熱下快速熔化、混合，使金屬元素或化合物均勻分散并熔滲于液化層（熔池）中，形成厚度為101000um的表面熔化層。熔化層能在很短的時(shí)間內(nèi)（502000us）形成具有符合某種要求的深度和化學(xué)成分或組成相的新表面合金覆蓋層，這種合金化層與基體之間有很強(qiáng)的結(jié)合力。激光表面合金化能夠進(jìn)行局部表面處理，而且變形小、速度快。它能使廉價(jià)的金屬材料，無論是碳鋼、合金鋼，或者是有色金屬及其合金表層

30、，都能夠得到任意成分的合金和相應(yīng)的微觀組織，從而獲得良好的物理、化學(xué)及綜合力學(xué)性能。4 模具激光修復(fù)模具的失效事實(shí)上均因其表層局部材料磨損等原因而報(bào)廢，而且金屬模具的加工周期長(zhǎng)、加工費(fèi)用高。模具使用壽命取決于抗磨損和抗機(jī)械損傷能力，一旦磨損過度或機(jī)械損傷，須經(jīng)修復(fù)才能恢復(fù)使用。目前常采用的維修技術(shù)有電鍍、堆焊和熱噴涂等。電鍍層較薄，而且與基體結(jié)合差，形狀損壞部位難于修復(fù)；在堆焊、噴涂時(shí)，熱量注入大，模具熱影響區(qū)大。而應(yīng)用激光進(jìn)行模具維修，由于激光束的高能量密度所產(chǎn)生的近似絕熱的快速加熱，對(duì)基體的熱影響較小，引起的畸變可以忽略。模具的激光修復(fù)可采用的方法主要有兩種：激光沉積焊接模具修復(fù)和激光熔覆模具修復(fù)。4.1 激光熔覆模具修復(fù)利用激光熔覆的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)模具的修復(fù)。用高功率CO2激光束以恒定功率與金屬粉流同時(shí)入射到模具表面上，金屬熔化產(chǎn)生熔池，然后快速凝固形成冶金結(jié)合的覆層。此方法