CN104233291A - 一种用于模具的智能化半导体激光制造再制造修复工艺 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于模具的智能化半导体激光制造再制造修复工艺，包括以下工艺步骤：（1）模具表面预处理；（2）合金粉末的选择和自动送粉装置的调节；（3）耐磨涂层激光熔覆；（4）熔覆后探伤检验。本发明显著提高了模具的耐磨性能和使用寿命；用于模具制造和修复再制造降低了生产成本以及提高了产品的质量。

Description

一种用于模具的智能化半导体激光制造再制造修复工艺

 

技术领域

   本发明涉及激光熔覆领域，具体为一种用于模具的智能化半导体激光制造再制造修复工艺。

背景技术

模具是成型加工中重要的装备之一，它直接影响产品的质量、性能和生产周期，模具一般可分为成型模具和变形模具，成型模具主要用于汽车、家电、电子信息产业、集成电路等制造领域，品种多，形状复杂，制造材料多种多样，制造工艺复杂、生产周期长、成本高。目前，我国制造的模具寿命仅为50-100万次，寿命低于国外的160-300万次，模具制造周期仍比国外长2-4倍，制造水平与美国、日本等发达国家相比尚有较大差距，许多高端模具仍依赖进口，供需矛盾突出。而且在使用过程中，一旦模具发生失效，只能停产怠工，增加了企业生产成本，降低了企业的市场竞争力。

激光再制造是一种全新概念的先进修复技术。通过对废旧贵重模具、特种模具进行局部快速制造、重构、修改、修复缺损（形状修复、尺寸修复、功能修复、增强功能修复）、修补裂纹（摩托车模具表面的浅层龟裂）和表面强化（新旧模具和轧辊的易磨损表面），形成具有梯度功能的表层，使模具的局部具备耐磨、耐腐蚀、耐冲击等特性。

激光直接制造技术实质上是计算机控制的三维激光熔覆，它的基本原理是熔化直接喷射到焦点的混合金属粉末，或直接固化高分子材料，在计算机分层软件的控制下根据CAD模型所确定的几何信息，作x，y坐标运动，激光束进行二维扫描，同时工作台按设定值作Z轴步进运动，由二维平面的逐层叠加，堆积成一个三维实体，直接得到成型零件（模具）。这种特殊的造型方法与切削加工相比，能加工出任何特殊的、复杂的三维实体零件，利用激光直接制造技术制作零件，所有制造面积的位置精度均为±0.05mm。根据造型零件的形状和构造，激光束直径可在0.15mm-1.5mm之间选择。层面厚度可在0.05mm-0.3mm之间选择。

由于激光具有的极高功率密度，能在瞬间熔化难熔金属，制造出传统铸造方法无法或难以获得的金属件和模具，其强度甚至超过常规铸造或锻造方法得到的强度，并且还可以制造出具有梯度性能的金属零件和模具，大大缩短了研制新产品样件的周期，降低了研发成本。对于航空航天、星际探索、微电子制造、深海探测、极地考察等极端条件下，需要开发和研制有自主知识产权的特种小批量模具和零件，激光直接制造技术为此提供了独到的解决方案，具有广阔的发展空间。

高功率半导体激光器，具有其体积小、轻便灵活、电光转换效率高、能量分布均匀、与材料交互作用的吸收率高、能实现闭环控制等特点，是激光制造和再制造的新型光源。传统高功率CO₂激光不同，高性能半导体激光器是由许多个半导体激光器以光学的形式被组合到一起。一块激光条形阵列（bar 条），包括了20到25个独立的条，典型的大小约10mm x 0.6mm x 0.1 mm。目前在工业上所使用的这类激光条形阵列所得到的功率约为50W。通过对激光条形阵列适当的堆栈，在波长790-980nm范围内就可以得到几千瓦的功率。 半导体激光器结构紧凑，它们容易被集成到现有的***中，典型的半导体寿命期限可达到10,000小时，电光转换效率高达30-40%。将温度传感器与整套设备集成，通过温度-功率闭环控制，来自动调整功率，解决边角导热能力差处易重熔的问题，实现处理温度的智能化控制过程。

新型半导体激光能采用光纤柔性传输，半导体激光器体积小、重量轻、与机器人配合易实现复杂曲的激光加工，实现处理轨迹智能化控制过程。

半导体激光强化和熔覆新材料的研究和应用，能进一步提高模具表面质量，获得强化层硬度高、硬度均匀、晶粒超细、强韧性好、变形小、强化/修复层耐磨性高等特性，用于模具制造和再制造具有无污染、易操控、节省材料、高效等显著特性。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种用于模具的智能化半导体激光制造再制造修复工艺。本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种用于模具的智能化半导体激光制造再制造修复工艺，包括以下工艺步骤：

（1）模具表面预处理；室温下对模具表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净，采用着色探伤法对其进行检验，要求表面无裂纹、气孔、杂质；

（2）合金粉末的选择和自动送粉装置的调节；选用与基体冶金相容性良好的钴基合金粉末，钴基合金粉末化学成份按重量百分比分别为：W1-5%，Fe2-10%，C0.15-0.55，Ni1-6%，Mo0.5-1.5%，Si0.5-1.5%，余量为Co。调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到1～2mm ；

（3）耐磨涂层激光熔覆；装入激光加工机床，该激光加工机床为半导体激光加工机床( 即，包含半导体激光器的加工机床)。在主轴C的旋转运动及激光头X线性轴的进给运动配合下，在一个工步中送粉与激光熔覆同步进行；半导体激光激光器的输出功率为5000W，从半导体激光器的激光束出口到液压支架的立柱的表面的距离为300mm，激光扫描线速度为500mm/min，激光束为15*3mm 的矩形光斑( 长为15mm，宽为3mm) ；进行扫描熔覆的方式进行熔覆，在模具表面形成均匀致密的激光熔覆层；

（4）熔覆后探伤检验；用着色探伤法对模具表面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔。

本发明显著提高了模具的耐磨性能和使用寿命；用于模具制造和修复再制造降低了生产成本以及提高了产品的质量。

具体实施方式

为了使得本领域的技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，下面结合实施例进行详细说明。

实施例1

一种用于模具的智能化半导体激光制造再制造修复工艺，包括以下工艺步骤：

（1）模具表面预处理；室温下对模具表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净，采用着色探伤法对其进行检验，要求表面无裂纹、气孔、杂质；

（2）合金粉末的选择和自动送粉装置的调节；选用与基体冶金相容性良好的钴基合金粉末，钴基合金粉末化学成份按重量百分比分别为：W2%，Fe5%，C0.5，Ni5%，Mo0.5%，Si1.5%，余量为Co。调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到1.2mm ；

（3）耐磨涂层激光熔覆；装入激光加工机床，该激光加工机床为半导体激光加工机床( 即，包含半导体激光器的加工机床)。在主轴C的旋转运动及激光头X线性轴的进给运动配合下，在一个工步中送粉与激光熔覆同步进行；半导体激光激光器的输出功率为5000W，从半导体激光器的激光束出口到液压支架的立柱的表面的距离为300mm，激光扫描线速度为500mm/min，激光束为15*3mm 的矩形光斑( 长为15mm，宽为3mm) ；进行扫描熔覆的方式进行熔覆，在模具表面形成均匀致密的激光熔覆层；

（4）熔覆后探伤检验；用着色探伤法对模具表面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔。

实施例2

一种用于模具的智能化半导体激光制造再制造修复工艺，包括以下工艺步骤：

（1）模具表面预处理；室温下对模具表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净，采用着色探伤法对其进行检验，要求表面无裂纹、气孔、杂质；

（2）合金粉末的选择和自动送粉装置的调节；选用与基体冶金相容性良好的钴基合金粉末，钴基合金粉末化学成份按重量百分比分别为：W4%，Fe4%，C0.42，Ni4%，Mo0.8%，Si0.6%，余量为Co。调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到2mm ；

（3）耐磨涂层激光熔覆；装入激光加工机床，该激光加工机床为半导体激光加工机床( 即，包含半导体激光器的加工机床)。在主轴C的旋转运动及激光头X线性轴的进给运动配合下，在一个工步中送粉与激光熔覆同步进行；半导体激光激光器的输出功率为5000W，从半导体激光器的激光束出口到液压支架的立柱的表面的距离为300mm，激光扫描线速度为500mm/min，激光束为15*3mm 的矩形光斑( 长为15mm，宽为3mm) ；进行扫描熔覆的方式进行熔覆，在模具表面形成均匀致密的激光熔覆层；

（4）熔覆后探伤检验；用着色探伤法对模具表面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔。

实施例3

一种用于模具的智能化半导体激光制造再制造修复工艺，包括以下工艺步骤：

（1）模具表面预处理；室温下对模具表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净，采用着色探伤法对其进行检验，要求表面无裂纹、气孔、杂质；

（2）合金粉末的选择和自动送粉装置的调节；选用与基体冶金相容性良好的钴基合金粉末，钴基合金粉末化学成份按重量百分比分别为：W5%，Fe5%，C0.25，Ni5%，Mo1.5%，Si1.5%，余量为Co。调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到1.2mm ；

（3）耐磨涂层激光熔覆；装入激光加工机床，该激光加工机床为半导体激光加工机床( 即，包含半导体激光器的加工机床)。在主轴C的旋转运动及激光头X线性轴的进给运动配合下，在一个工步中送粉与激光熔覆同步进行；半导体激光激光器的输出功率为5000W，从半导体激光器的激光束出口到液压支架的立柱的表面的距离为300mm，激光扫描线速度为500mm/min，激光束为15*3mm 的矩形光斑( 长为15mm，宽为3mm) ；进行扫描熔覆的方式进行熔覆，在模具表面形成均匀致密的激光熔覆层；

（4）熔覆后探伤检验；用着色探伤法对模具表面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔。

Claims (1)

1.一种用于模具的智能化半导体激光制造再制造修复工艺，其特征在于包括以下工艺步骤：

（1）模具表面预处理；室温下对模具表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净，采用着色探伤法对其进行检验，要求表面无裂纹、气孔、杂质；

（2）合金粉末的选择和自动送粉装置的调节；选用与基体冶金相容性良好的钴基合金粉末，钴基合金粉末化学成份按重量百分比分别为：W1-5%，Fe2-10%，C0.15-0.55，Ni1-6%，Mo0.5-1.5%，Si0.5-1.5%，余量为Co；调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到1～2mm；

（3）耐磨涂层激光熔覆；装入激光加工机床，该激光加工机床为半导体激光加工机床( 即，包含半导体激光器的加工机床)；在主轴C的旋转运动及激光头X线性轴的进给运动配合下，在一个工步中送粉与激光熔覆同步进行；半导体激光激光器的输出功率为5000W，从半导体激光器的激光束出口到液压支架的立柱的表面的距离为300mm，激光扫描线速度为500mm/min，激光束为15*3mm 的矩形光斑( 长为15mm，宽为3mm) ；进行扫描熔覆的方式进行熔覆，在模具表面形成均匀致密的激光熔覆层；

（4）熔覆后探伤检验；用着色探伤法对模具表面加工部位进行检验，要求加工部位无裂纹、气孔。