（材料加工工程专业论文）cr13mo1si1v1钢模具激光焊接修复工艺研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：鼋磊虏 指导教师签 日期：o o fd 占o 日期幽厂 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：李砖 日期：小( o ，6 、 西华大学硕士学位论文 摘要 模具在现代工业中具有非常重要的作用，其质量直接决定产品的质量，但是模具在 使用过程中容易发生磨损，极大地影响模具的使用寿命。目前模具修复应用较多的是电 弧堆焊、喷涂等方法，这些修复方法难以保证模具的使用寿命。本文采用脉冲n d ：y a g 激光堆焊技术对冷作模具进行修复，主要从工艺参数优化、熔敷层的组织与缺陷分析和 修复性能测试等方面进行了研究，为实际模具修复提供试验依据。 本次试验采用直径分别为0 3 0 r a m 、0 5 0 r a m 的8 4 0 7 激光焊丝，以n d ：y a g 脉冲激 光焊工艺在基体材料c r l 3 m 0 1 s i l v l 钢上堆焊。首先对该钢材进行脉冲激光表面自熔焊， 通过工艺参数的优化及缺陷分析，获得主要工艺参数对c r l 3 m o l s i l v l 这一新型模具材 料的加工范围，制定脉冲激光填丝堆焊工艺。通过对堆焊焊缝形貌以及堆焊层显微组织 分析获得最佳修复工艺。 研究结果表明，n d ：y a g 脉冲激光焊接工艺参数中，脉冲能量和脉冲宽度是关键的 两个参数，主要影响焊点的熔深和直径；脉冲频率和光斑直径对焊缝横断面形状尺寸影 响不大，光斑直径只是用来调节激光辐射区域面积，当脉冲宽度和光斑直径选择较小时， 焊缝容易出现结晶裂纹并带有飞溅产生；堆焊层主要金属组织为针状马氏体+ 隐晶马氏 体+ 弥散分布的细小碳化物+ 残余奥氏体，热影响区主要金属组织为针状马氏体+ 残余奥 氏体+ 剩余碳化物。当功率密度在0 2 9 1 0 6 o 3 1 1 0 s w c m 2 之间( 其中t = 5 0 m s 、 d = 0 7 0 r n m ) 时，对直径d = 0 5 0 r a m 的激光焊丝在基体材料上的铺展状态以及冶金结合 较好，堆焊层和热影响区金属组织与母材相近。因此，功率密度为0 2 9 x 1 0 s w e m 2 ( e = 5 5 j 、t = 5 0 m s 、f = - 1 1 h z 、d = 0 7 0 m m ) 为该实验条件下的最佳修复工艺。 关键词：冷作模具；激光堆焊；工艺参数；显微组织 c r l 3 m o l s i l v l 钢模具激光焊接修复工艺研究 a bs t r a c t m o u l dp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nm o d e r ni n d u s t r y , i td i r e c t l yd e t e r m i n e st h eq u a l i t yo f t h ep r o d u c t s ，b u tt h em o u l di s e a s yt ob ew o r nd u r i n go p e r a t i n gp r o c e s sa n di tg r e a t l y i n f l u e n c e st h el i f eo fd i e s t h em e t h o d su s u a l l yu s e di nm o u l dr e p a i r i n ga r es u r f a c i n g 谢t h s h i e l d e dm e t a la r cw e l d i n gp r o c e s sa n ds p r a y i n gt e c h n o l o g y , t h e ya r ed i f f i c u l tt oe * t i s u r et h e l i f eo fm o u l d b ym e a n so ft h ee x p e r i m e n tu s i n g p u l s e dn d ：y a gl a s e rr e p a i r i n gc o l d w o r k e d m o u l d ，t h es y s t e m a t i ca n a l y s e so nt h eo p t i m i z a t i o no fp a r a m e t e r s ，t h ea n a l y s i so fc l a d d i n g d e f e c t sa n dt h er e p a i r i n gp r o p e r t i e sa r ec a r r i e do u ti n t h i sp a p e ri no r d e rt op r o v i d et h eb a s e s f o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s l a s e r d e p o s i t i n gi sc o n d u c t e db yp u l s e dn d ：y a gl a s e rw e l d i n gp r o c e s so nt h e c r l 3 m 0 1 s i l v ls t e e ls u b s t r a t eu s i n gt h el a s e rw e l d - w i r eo fo 3 0 r a ma n d0 5 0 m mi nd i a m e t e r f i r s t l y ，t h ep u l s e dl a s e ra u t o g e n o u sw e l d i n gi sc a r r i e do u tt oo b t a i nt h ew o r k i n gr a n g eo ft h e m a i np a r a m e t e r so nan e wm o l dm a t e r i a lc r l3 m o ls i l v lb yt h eo p t i m i z a t i o no fp r o c e s s p a r a m e t e r sa n dt h ed e f e c ta n a l y s i s ，t h e nt h ep u l s e dl a s e rd e p o s i t i n gp r o c e d u r ei sd e s i g n e d t h eb e s tr e p a i rp r o c e d u r ei so b t a i n e db ya n a l y z i n gt h ep a t t e r na n dt h em i c r o s t r u c t u r eo f b u i l d u pw e l d i n gl a y e rm e t a l s r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tp u l s ee n e r g ya n d p u l s ew i d t ha r ek e yp a r a m e t e r so ft h en d ： y a gl a s e rw e l d i n gp r o c e s s ，t h e ya f f e c tm a j o r l yd e p t ha n dd i a m e t e ro ft h ew e l d ；t h ep u l s e f r e q u e n c ya n db e a md i a m e t e ra r en o to b v i o u s l ya f f e c tt h es i z ea n dw e l dc r o s ss e c t i o n ；b e a m d i a m e t e ri sj u s tu s e dt o r e g u l a t et h el a s e rr a d i a t i o na r e a t h ec r y s t a lc r a c ka p p e a r s a c c o m p a n y i n gw i t hm e t a ls p l a s hw h e nt h em i n o rp u l s ew i d t ha n db e a md i a m e t e ra r ec h o s e n t h em a i nm e t a lm i c r o s t r u c t u r eo f b u i l d - u pw e l dl a y e ri sa c i c u l a rm a r t e n s i t e + c r y p t o c r y s t a l l i n e m a r t e n s i t e + t i n yc a r b i d e + r e t a i n e da u s t e n i t ea n dt h em a i nm e t a lm i c r o s t r u c t u r eo fh a zi s a c i c u l a rm a r t e n s i t e + r e t a i n e da u s t e n i t e + c a r b i d e w h e nt h e p o w e rd e n s i t y i s 0 2 9 x10 6 - 4 ) 31 x10 6 w e m 2 ( i n c l u d i n g t = 5 0 m s 、d = 0 7 0 m m ) ，t h es p r e a d i n g s t a t ea n d m e t a l l u r g i c a lb o n d i n g o fb u l km a t e r i a la r eo fg o o df o rt h el a s e rf i l l e rw i r ed i a m e t e rd = 0 5 0 r a i n ，t h em i c r o s t r u c t u r eo fb u i l d - u pw e l dl a y e ra n dh a za r es i m i l a rt ot h eb a s em e t a l s t h e r e f o r e ，t h ep o w e rd e n s i t yo f o 2 9 x 1 06 、：v c r n z ( e = 5 5 j ，t = 5 0 m s ，f = 1 1 h z ，d = 0 7 0 r a m ) i st h e o p t i m u mr e p a i r i n gt e c h n o l o g yi nt h i se x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：c o l d - w o r k e dm o u l d ；l a s e rd e p o s i t i n g ；p r o c e s s i n gp a r a m e t e r ； m i e r o s l r u c t u r e i i 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 引言17 7l苗1 1 绪论2 1 1 冷作模具2 1 1 1 冷作模具概述2 1 1 2 冷作模具材料的分类3 1 1 3 模具失效形式5 1 1 4 模具失效分析及其预防措施7 1 2 激光堆焊技术8 1 2 1 激光堆焊技术原理与特点8 1 2 2 激光熔覆材料设计的一般原则1 0 1 2 3 熔覆材料的分类及特点，1 1 1 2 4 金属材料的激光焊接特性1 4 1 2 5 激光焊接精密修复技术1 9 1 3 课题研究的背景、内容及意义2 0 1 3 1 课题研究的背景2 0 1 3 2 国内外现状和发展趋势2 1 1 3 3 课题研究内容与意义：2 1 2 试验材料、设备及方法2 3 2 1 试验材料：2 3 2 2 试验设备2 4 2 3 试验方法和检测分析2 4 2 3 1激光表面自熔焊工艺参数的选择2 4 2 3 2 激光表面自熔焊工艺参数的优化2 5 2 3 3 激光填丝焊工艺参数的选择2 6 2 3 4 采用激光填丝焊接修复模拟的失效模具一2 7 3 试验结果与分析2 9 3 1 激光表面自熔焊工艺参数对焊缝横断面形状尺寸的影响2 9 3 1 1 脉冲能量2 9 3 1 2 脉冲宽度3 0 i i i c r l3 m o ls i1 v 1 钢模具激光焊接修复工艺研究 3 1 3 脉冲频率：3 2 3 1 4 光斑直径3 2 3 2 激光表面自熔焊工艺参数优化3 4 3 2 1 脉冲能量与焊缝熔深的关系3 4 3 2 2 功率密度范围的确定3 8 3 2 - 3焊缝裂纹缺陷分析3 9 3 3 激光填丝焊工艺参数对焊缝横断面形状尺寸的影响4 0 3 3 1 功率密度对焊丝铺展状态的影响。4 0 3 3 2 激光焊丝直径对焊丝铺展状态的影响4 3 3 3 3不同填丝焊工艺参数下接头组织分析4 6 3 4 采用激光填丝焊接修复模拟的失效模具5 0 参考文献5 2 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况5 5 致 谢- 一5 6 西华大学硕士学位论文 引言 在现代生产中，模具己成为大批量生产各种工业品和日常生活品的重要工艺装备之 一。因此，模具在现代工业中具有极其重要的作用，它的质量直接决定产品的质量。提 高模具的使用寿命和精度，缩短模具的制造周期，是许多企业急需解决的技术问题，但 在模具使用过程中经常会出现塌角、变形、磨损、甚至折断等失效形式。因此，对模具 的修复也是必要的。传统修复模具的方法很多，如钳工镶块嵌入法和镶块粘接法、电镀、 电火花工艺、热喷涂、堆焊技术等等。但用钳工镶块嵌入法和镶块粘接法对工人的技术 要求高，费工费时，难以普遍使用；用电镀的方法得到的镀层很薄( 一般不超过0 3 m m ) ， 而且与集体结合不牢固，对形状损坏部位难于修复；用热喷涂方法得到的喷涂层稀释率 大，降低了基体和材料的性能；采用传统堆焊方法，热量注入大，能量不集中，模具的 热影响区域大，容易产生畸变甚至开裂。激光焊接修补模具技术是一种高新的表面处理 技术，它利用激光束能量，使填充材料熔覆于工件表面而形成抗腐蚀层或抗磨层等预定 的性能，提高工件的使用寿命。激光修复模具主要具有以下优点：能进行形状修复、尺 寸修复、功能修复和增强功能修复；具有较低稀释率，热影响区小，熔覆件扭曲变形小， 与基面形成冶金结合牢固；经过修复后的模具几乎不需要再加工；工艺过程易于实现自 动化等。激光修补主要用于精密电子模具的修复【l 一1 0 】。 c r l 3 m 0 1 s i l v l 钢模具激光焊接修复工艺研究 1绪论 1 1冷作模具 1 1 1冷作模具概述 冷作模主要包括：冲模、冷镦模、冷挤压模、拉深模、拉丝模、滚丝模、剪切模等。 冷作模具工作条件不完全相同，其主要特点是：模具工作温度不高，工作部分受到很大 的压力、摩接力、拉力、冲击力。尤其是模具刀口部位受到强烈的摩擦和挤压。 冷作模具的正常失效形式主要是磨损。但如果模具的选材、热处理或结构设计不当， 常会因变形、崩刃、开裂而出现早期失效。一般各类失效所占比例是：热处理为5 2 2 ： 原材料为1 7 ；使用为1 0 ；机械加工为8 9 ；锻造为7 8 ；设计为3 3 。 为了保证冷作模具的使用寿命，冷作模具材料应具备以下基本力学性能【9 j 。 ( 1 ) 高硬度硬度是模具材料的一个重要的性能指标。根据冷作模具的工作条件不 同，硬度值可在5 4 6 4 h r c 范围内选择。一般韧性要求高的取下限，要求强韧性好的宜 取中限。 ( 2 ) 高耐磨性由于冷作模具的正常失效多数是由磨损造成的，因此，高耐磨性是 冷作模具的一个基本性能要求。冷作模具的磨损主要为磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损。 一般硬度高，耐磨性就好。但对疲劳磨损而言，当冲击载荷较大时，过高的硬度反而会 加快磨损( 这时需要适当的硬度和韧性) 。钢的组织中以下贝氏体和马氏体基体上分布着 细小、均匀的碳化物组织的耐磨性为最好。 ( 3 ) 高强度和足够的韧性为防止冷作模具的变形、崩刃、开裂，材料必须有很高 的强度和足够的韧性。冷作模具材料常用抗压、抗弯强度作为强度指标( 因压缩试验较 接近模具的受力形式，而弯曲试验更适合于塑性较低的冷作模具材料) 。有时也用抗拉 强度作为强度指标。 由于材料的韧性是由强度和塑性共同决定的。强度相等时，塑性好的材料一般韧性 较高。低塑性的冷作摸具钢常用断裂挠毛评定塑性大小，并用毛间接反映材料的韧性差 别。对于承受大冲击载荷的模具钢，常用冲击吸收功a k 比较不同材料的韧性。此外， 由于模具材料中难免存在裂纹( 尤其是大尺寸模具) ，且冷作模具材料多为高强度低塑性 材料，微小的裂纹就容易造成低应力脆断，所以还应对冷作模具材料( 至少对重要的大 尺寸模具) 的断裂韧度提出要求。 2 西华大学硕士学位论文 ( 4 ) 热处理变形要小冷作模具材料应具有良好的淬透性和淬硬性，以保证冷作模 具能在较缓和的冷却介质中淬火硬化和减少模具变形、开裂的倾向性，这对形状复杂的 模具尤为重要。 ( 5 ) 适当的热稳定性虽然冷作模具是在室温下工作，但对于高速冲裁或剧烈摩擦 磨损的冷作模具，表面温度往往上升很快，如果材料的热稳定性差，模具就会因温度升 高而造成工作部位软化。 此外，冷作模具材料还应有较好的可锻性和切削加工性能，以满足模具加工制造的 要求。 为满足上述要求，冷作模具材料大多含碳量较高，碳的质量分数一般在0 5 也之 间，对于高耐磨的冷作模具钢，碳的质量分数高达2 以上。为了增加冷作模具钢的淬 透性，主要加入c r 、n i 、m n 、s i 等合金元素，为了提高冷作模具钢的耐回火性和耐磨 性，主要加入w 、m o 、v 等合金元素。 冷作模具钢的热处理，通常采用淬火加低温回火，但对于工作温度较高的冷作模具 则采用淬火加高温回火处理。 冷作模具常用的制造工艺路线如下。 ( 1 ) 一般模具，锻造球化退火机加工成型淬、回火钳修、装配。 ( 2 ) 对于成型磨削或电加工成型的模具，锻造球化退火机械粗加工淬 或电加工成型钳修。 ( 3 ) 高精度高模具，锻造球化迟火+ 粗加工去应力退火或调质加工 成型_ 淬、回火叶精加工，钳修、装配。 冷作模具钢在工作时，由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分承受很 大的压力、弯曲力、冲击力及摩擦力。因此，冷作模具的正常报废原因一般都是磨损， 也有因断裂、崩裂和变形超差而提前失效的。冷作模具钢与刃具钢相比，有许多共同点。 即要求模具有高的硬度和耐磨性、高的抗弯强度和足够的韧性，以保证冲压过程的顺利 进行。其不同之处在于模具形状及加工工艺复杂，而且摩擦面积大，磨损可能性大。所 以修磨起来困难。因此要求具有更高的耐磨化模具工作时承受压力大，又由于形状复杂 易于产生应力集中，所以要求具有较高的韧性；模具尺寸、形状复杂，所以要求较高的 淬透性、较小的变形及开裂倾向性。总之，冷作模具钢在淬透性、耐磨性与韧性等方面 的要求较刃具钢高一些。 1 1 2 冷作模具材料的分类 通常按冷作模具的使用条件，可以将钢种选择分为以下四种情况【1 0 】： 3 c r l 3 m o l s i l v l 钢模具激光焊接修复工艺研究 ( 1 ) 尺寸小、形状简单、轻负荷的冷作模具。例如小冲头，剪落钢板的剪 刀等可选用t 7 a 、t 8 a 、t 10 a 、t 1 2 a 等碳素工具钢制造。这类钢的优点是；可 加工性好、价格便宜、来源容易。但其缺点是：淬透性低、耐磨性差、淬火变大。 因此，只适于制造一些尺寸小、形状简单、轻负荷的工具以及要求硬化层不深并 保持高韧性的冷像模等。 ( 2 ) 尺寸大、形状复杂、轻负荷的冷作模具。常用的钢种有9 s i c r 、c r w m n 、 g c r l 5 及9 m n 2 v 等低合金刃具钢。这些钢在油中的淬透直径大体上可达4 0 r a m 以 上。其中9 m n 2 v 钢是我国近年来发展的一种不含c r 的冷作模具用钢，可代替或 部分代替含c r 的钢。9 m n 2 v 钢的碳化物不均匀性和淬火开裂倾向性比c r w m n 钢 小、脱碳倾向性比9 s i c r 钢小，而淬透性比碳素工具钢大其价格只比后者高约 3 0 因此是一个值得推广使用的钢种。但9 m n 2 v 钢也存在一些缺点如冲击韧性不 高，在生产使用中发现有碎裂现象。另外回火稳定性较差，回火温度一般不超过 18 0 在2 0 0 回火时抗弯强度及韧性开始出现低值。9 m n 2 v 钢可在硝盐、热油等 冷却能力较为缓和的淬火介质中淬火。对于一些变形要求严格而硬度要求又不很 高的模具，可采用奥氏体等温淬火。 ( 3 ) 尺寸大、形状复杂重负荷的冷作模具。须采用中合金或高合金钢，如 c r l 2 m o 、c r l 2 m o v 、c r 6 w vc r 4 w 2 m o v 等，另外也有选用高速钢的。近年来用 高速钢做冷作模具的倾向日趋增大，但应指出，此时己不再是利用高速钢所特有 的硬性长处，而用它的高淬透性和高耐磨性。为此，在热处理工艺上也应有所区 别。选用高速钢做冷模具时，应采用低温淬火，以提高韧性。例如w 18 c r 4 v 钢做 刃具时常用的淬火温度为1 2 8 0 1 2 9 0 。而做冷作模具时，则应采用1 1 9 0 的低温 淬火。又如w 6 m 0 5 c r 4 v 2 钢，采用低温淬火后可使寿命大大提高、特别是显著减 少了折损率。 ( 4 ) 受冲击负荷且刀间单薄的冷作模具。如上所述，前三类冷作模具用钢的 使用性能要求均以高耐磨性为主为此均采用高碳过共析钢乃至马氏体钢。而对有 的冷作模具加切边楼、冲裁模等，其对口单薄，使用时又受冲击负荷作用则应以 要求高的冲击韧性为主。为了解决这一矛盾，可采取以下措施：a 、降低合碳量； 采用亚共折钢，以避免由于一次及二次碳化物而引起钢的韧性下降；b 、加入s i 、 c r 等合金元素，以提高钢的回火稳定性和回火温度( 2 4 0 2 7 0 回火) 这样有利于 充分消除淬火应力使韧性提高，而又不致降低硬度；c 、加入w 等形成难熔碳化物 的元素以细化晶粒、提高韧性。常用的高韧性冷作模具用钢有6 s i c r 、4 c r w 2 s i 、 5 c r w 2 s i 等。冷作模具钢按工艺性能和承载能力分类如表1 1 。 4 西华大学硕士学位论文 表1 1 冷作模具钢分类【9 】 t a b l e l 1c l a s s i f i c a t i o no fc o l d 。w o r k e dm o u l d 类别钢号 低淬透性冷作模具钢 低变形冷作模具钢 高耐磨微变形冷作模具钢 高强度、高耐磨冷作模具钢 高强韧性冷作模具钢 高耐磨、高韧性冷作模具钢 特殊性能冷作模具钢 t 7 a 、t 8 a 、t 1 2 a 、8 m n s i 、g c r l 5 c r w m n 、9 m n 2 v 、9 m n 2 、9 c r 、m n 、m n c r w v 、s i m n m o c r l 2 、c r l 2 m o v 、c r l 2 m 0 1 v l 、c r 5 m 0 1 v 、c “w 2 m o v 、 w18 c r 4 v 、w 6 m 0 5 c r 4 v 2 、w12 m 0 3 c r 4 v 3 n 6 c r 4 w 3 m 0 2 v - n b ( 6 5 n b ) 、7 c r 7 m 0 2 v 2 s i ( l d ) 、7 c r s 2 m n m o v 9 c r 6 w 3 m 0 2 v 2 、c r 8 m o w v 3 s i 9 c r l8 、c r l8 m o v 、c r l8 n i 9 t i 1 1 3 模具失效形式 模具成型具有效率高、质量好、节约原材料、降低成本等许多优点，从而被广泛应 用于各个领域。可是，模具在生产应用过程种，经常发生各种不同情况的失效，浪费大 量的人力、物力，影响了生产进度和经济效益。因此，预防模具失效，提高模具的使用 寿命，是许多企业急需解决的技术问题【3 。】。以下是现代模具失效的主要几种基本失效 形式。 ( 1 ) 过载失效 过载失效指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷作用而引起的失效。若材料韧性 不足，则易产生脆断、开裂失效：若强度不够，则易产生变形、镦粗失效。 材料韧性不够引起的失效是一种失稳态下的断裂失效，常见的有冲头模具折断、开 裂，甚至会产生爆裂，这种失效的特征是失效前无明显塑变征兆，断裂很突然，宏观断 口无剪切唇，且比较平坦，造成模具不可修复的永久失效。 强度不够产生变形失效，也叫塑性变形失效，如凹模出现塌陷、型孔扩大、棱角倒 塌以及凸模出现镦粗、纵向弯曲等。尤其是热作模具，其工作表面与高温材料接触，使 型腔表面温度往往超过热作模具钢的回火温度，型槽内壁由于软化而被压塌或压堆。低 淬透性的钢种用于冷镦模时，模具在淬火加热后，对内孔进行喷水冷却产生一个硬化层。 模具在使用时，如冷镦力过大，硬化层下面的基底抗压屈服强度不高，模具孔腔便被压 塌。模具钢的屈服强度一般随碳的含量及某些合金元素的增多而升高，在硬度相同情况 下，不同化学成分的钢具有不同抗压强度，当钢硬度为6 3 h r c 时，下列4 种钢的抗屈 服强度由高到低一次排列为：w 18 c r 4 v c r l 2 c r 6 w v 5 c r w v 5 c r n i w 。 5 c r l 3 m o ls i l v l 钢模具激光焊接修复工艺研究 ( 2 ) 磨损失效 磨损失效是指刃口钝化、棱角变园、平面下陷、表面沟痕、剥落粘膜( 在摩擦中模 具工作表面粘了一些配料金属) 。另外，凸模在工作中，由于润滑剂燃烧后转化为高压 气体，对凸模表面进行剧烈冲刷，形成气蚀。 冷冲时，如果负荷不大，磨损类型主要为氧化，也有某种程度的咬合磨损，当刃口 部分变钝或冲压负荷较大时，咬合磨损的情况会变得严重，而使磨损加快。模具钢的耐 磨性不仅取决于其硬度，还决定于碳化物的性质、大小、分布和含量，在模具钢中，目 前高速钢和高铬钢的耐磨性较高。但在钢中存在严重的碳化物偏析或大颗粒碳化物的情 况下，这些碳化物易剥落，而引起磨粒磨损，使磨损加快。较经冷作模具钢( 薄板冲裁、 拉伸、弯曲等) 的冲击，载荷不大，主要为静磨损。在静磨损条件下模具钢的含碳量多， 耐磨性就强。在冲击磨损条件下( 如冷镦、冷挤、热锻等) ，模具钢中过多的碳化物无 助于提高耐磨性，反而因冲击磨粒磨损，而降低耐磨性。研究表明，在冲击磨粒磨损条 件下，模具钢含碳量以o 6 为上限，冷镦模在冲击载荷条件下工作，如模具钢中碳化 物过多，容易因冲击磨损而出现表面剥落。这些剥落的硬粒子将成为磨粒，加快磨损速 度。热作模具的型腔表面，由于高温软化而使耐磨性降低。 ( 3 ) 疲劳失效 疲劳失效的特征为模具某些部位经过一定的服役期，萌生了细小的裂纹，并逐渐向 纵深扩展，扩展倒一定尺寸时，严重削弱模具的承载能力而引起断裂。疲劳裂纹萌生于 应力较大部位，特别是应力集中部位( 尺寸过渡、缺口、刀痕、磨损裂纹等处) 。疲劳 断裂时断口分两部分：一部分为疲劳裂纹发展形成的疲劳处断裂断面，呈现贝壳状，疲 劳源位于贝壳项点；另一部分为突然断裂，呈现不平整粗糙断面。使模具发生疲劳损伤 的根本原因为循环载荷，凡可促使表面拉应力增大的因素均能加速疲劳裂纹的萌生。 冷作模具在高硬状态下工作时，模具钢具有很高的屈服强度和很低的断裂韧性。高 的屈服强度有利于推迟疲劳裂纹的产生，但低的断裂韧性使疲劳裂纹的扩展速率加快和 临界长度减小，使疲劳裂纹扩展循环数大大缩小，因此，冷作模具疲劳寿命主要取决于 疲劳裂纹萌生时间。 热作模具一般在中等或较低的硬度状态下服役，模具断裂韧性比冷作模具高得多， 因此，在热作模具钢中，疲劳裂纹的扩展速度低于冷作模具，临界长度大于冷作模具， 热作模具疲劳裂纹的亚i 临界扩展周期较冷作模具长得多。但热作模具表面受急冷、急热 很易产生冷热疲劳裂纹，热作模具的疲劳裂纹萌生时间比冷作模具短得多。因此，许多 热作模具疲劳断裂收买那个主要取决于疲劳裂纹扩展的时间。 ( 4 ) 断裂失效 6 西华大学硕士学位论文 断裂失效常见形式有：崩刃、崩齿、劈裂、折断、账裂等，不同模具断裂的驱动力 不同。冷作模具所受的主要为机械作用力( 冲压力) 。热作模具除受机械力外，还有热 应力和组织应力，有许多热作模具的工作温度较高，又采用强制冷却，其内应力可远远 超过机械应力，因此，许多热作模具的断裂主要于内应力过大有关。 模具断裂按过程有两种：一次性断裂和疲劳断裂。一次性断裂为模具在冲压时突然 断裂，裂纹一旦萌生，后即失稳、扩展。它主要原因为严重超载荷或模具材料严重脆化 ( 如过热、回火不足、严重应力集中等) 。 1 1 4 模具失效分析及其预防措施 ( 1 ) 结构设计不合理 尖锐转角( 此处应力集中高于平均应力1 0 倍以上) 和过大的截面变化造成应力集 中，常常成为许多模具早期失效的根源。并且在热处理淬火过程中，尖锐转角引起残余 拉应力，缩短模具寿命。 预防措施：凸模各部的过渡应平缓圆滑，任何小的刀痕都会引起强烈的应力集中， 其直径与长度应符合一定要求。 ( 2 ) 模具材料质量差 模具材料内部缺陷，如疏松、缩孔、夹杂成分偏析、碳化物分布不均匀、原表面缺 陷( 如氧化、脱碳、折叠、疤痕等) 等影响钢材性能。 a 、夹杂物过多；钢中存在夹杂物是模具内部产生裂纹的根源，尤其是脆性氧化物 和硅酸盐等，在热压力加工中不发烧塑性变形，只会引起脆性的破裂而形成微裂纹。在 以后的热处理和使用过程中该裂纹进一步扩展，而引起模具的开裂。 b 、表面脱碳；模具钢在热压力加工和退火时，常常由于加热温度过高，保温时间 过长，而造成钢材表面脱碳，严重脱碳的钢材在机械加工后，有时仍残留有脱碳层，这 样在淬火时，由于内外层组织的不同( 表面脱碳层为铁素体，内部为珠光体) 造成组织 转变不一致，而产生裂纹。 c 、碳化物分布不均；c r l 2 、c r l 2 m o v 等模具钢含碳量和合金元素较高，形成了许 多共晶碳化物，这些碳化物在锻造比较小时，易呈现带状和网状析出，导致淬火时常出 现沿带状碳化物分布的裂纹，造成模具开裂失效。 预防措施：1 ) 钢在锻轧时，模具应反复多方向锻造，使钢中的共晶碳化物击碎得 更细小均匀，保证钢碳化物不均匀度级别要求。2 ) 为防止脱碳可采用真空炉加热工件 或使工件在保护气氛中加热并严格控温，谨防过烧。 ( 3 ) 模具的机加工不当；现代模具主要的机加工方法有切削、电加工和磨削加工等。 切削加工时，模具的型腔部位和凸模的圆角部位因进刀太深使局部留下刀痕，造成应力 c r l 3 m o l s i l v l 钢模具激光焊接修复工艺研究 集中，当进行淬火处理时，应力集中部位极易产生微裂纹。因此，在零件粗加工的最后 一道切削中，应尽量减少进刀量，提高模具表面光洁度。电加工时，由于放电产生大量 的热，使模具被加工部位加热到很高温度，组织发生变化，形成所谓的电加工异常层。 在异常层表面，由于高温发生熔融，然后很快低凝固，该层在显微镜下呈白色，内部有 许多微细的裂纹，白色层下的区域发生淬火，叫淬火层，再往里由于热影响区减弱，温 度不高只发生回火，称回火层。 1 ) 预置式 1 。2 激光堆焊技术 向 图i i 激光熔覆原理示意图【刀 f i g 1 1l a s e rc l a d d i n gp r i n c i p l ed i a g r a m m a t i c f o ) 同步式 1 2 1 激光堆焊技术原理与特点 激光堆焊包括激光熔敷、激光合金化等工艺。激光熔覆是材料表面熔融强化技术的 一种重要方法，它是利用高能密度激光束将具有不同成分、性能的合金与基体表面快速 熔化，在基体表面形成与基体具有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程。激光 熔覆技术与激光合金化不同的是要求基体对表层合金的稀释度小。通常将硬度高，以及 耐磨性好、抗热、抗腐蚀和抗疲劳性能的材料选择用作熔覆材料。这种工艺与传统的熔 覆工艺相比具有以下优点：合金层和基体可以形成冶金结合，极大地提高了熔覆层与基 体的结合强度；由于加热速度快，熔覆层的组织均匀致密，微观缺陷少，性能优于其他 工艺；熔覆层的稀释度小，且可以精确控制，基体热影响区以及基体的变形均可减少至 最低程度【l 训。 8 西华大学硕士学位论文 根据合金供应方式的不同，激光熔覆工艺可以分为两种( 如图1 1 所示) ，即合金预 置法和合金同步送料法。 合金预置法是指将待熔覆的合金材料通过某种方式( 如粘接、喷涂、电镀、预置丝 材或板材等方法) 预先覆盖在基体表面，然后采用激光束在合金预覆层表面扫描，合金 预覆层表面吸收激光能量使温度升高并熔化，同时通过热传导将表面热量向内部传递， 使整个合金预覆层及一部分基体熔化，激光束离开后熔化的金属快速凝固而在基体表面 形成冶金结合的合金熔覆层。 表1 2 几种常用熔覆工艺和激光熔覆的对比阴 t a b l e l 2c o m p a r i s o no fs e v e r a lc o m m o nc l a d d i n gp r o c e s sa n dl a s e rc l a d d i n g 合金材料可以是粉末，也可以是丝材或板材。对于粉末类合金材料，主要采用热喷 徐或粘接等进行预置。热喷涂包括火焰喷涂和等离子体喷涂，其主要优点是喷涂效率高， 涂层厚度均匀且与基体结合牢固，不足之处是粉末利用率低，需要专门的设备和技术。 粘接法是采用猫结剂将合金粉末调和成膏状涂在基体表面，该方法的主要缺点是效率 低，且难以获得厚度均匀的涂层，故通常只在实验室里采用。 对于丝类合金材料，既可以采用专门的热喷涂设备进行喷涂沉积，也可以采用粘接 法预置；而板类合金材料主要采用粘接法或者将合金板材与基体预压在一起。 合金同步送料法是指采用专门的送科系统在激光熔覆过程中将合金材料直接送人 激光作用区，在激光的作用下合金材料和基体材料的一部分同时熔化，然后冷却结晶形 成合金熔覆层，亦称一步法。合金同步送料法工艺过程简单，合金材料利用率高，可控 性好，可以熔覆甚至直接成型复杂三维形状的部件，是熔覆技术工业应用的首选方法。 合金同步送料法所使用的合金材料也可以是粉末、丝材或板材。 激光熔覆的主要目的是在廉价金属材料表面形成高性能的合金层，达到降低成本、 提高零件表面耐磨、耐蚀及耐高温抗氧化等的综合性能。因此，激光熔覆的稀释率大小 9 c r l 3 m o l s i l v l 钢模具激光焊接修复工艺研究 将直接影响到表面性能。希望该合金层处于最能保持其本身性能的状态，即在保证与基 体冶金结合的同时，最少地被基体稀释。表1 2 列出了几种常用表面熔覆工艺的特征， 从中可以看出激光熔覆工艺在稀释率、热影响区大小等方面的优越性。采用激光熔覆， 表面平整较其他熔覆工艺好，一般为4 0 - t m ，其后的典型加工余量为0 6 k g m 2 。通过 调整工艺参数可以得到锻有内部气孔的致密熔覆层。激光熔覆后表面存在残余应力，热 影响区约为1 2 m m ，零件的变形小。与熔覆层硬度有关的开裂问题可以通过基体预热 和调整工艺参数的方法予以减少。激光熔覆根据工件的工况要求，熔覆各种设计成分的 金属或者非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表 面覆层。 1 2 2 激光熔覆材料设计的一般原则 激光熔覆材料要根据使用要求与基体的状况来选配。对一定工作环境，对于某一基 体而言，存在一最佳涂层合金。目前，对于涂层材料与基体材料的许多物理性质无法知 道，因此如何去度量涂层材料与基体是否具有良好的匹配关系，成为激光熔覆技术的一 个重点。另外，在设计时不能一味地追求涂层材料的使用性能，还要考虑涂层材料是否 具有良好的涂覆工艺性，尤其是与基体线膨胀系数、熔点等热物理性质上是否具有良好 的匹配关系。 ( 1 ) 激光熔覆材料与基材线膨胀系数的匹配 激光熔覆层中产生开裂、裂纹的重要原因之一是熔覆合金与基材之间的线膨胀系数 的差异，所以在选择涂层材料时首先要考虑涂层与基材在线膨胀系数上的匹配，考虑涂 层与基材的线膨胀系数差异对涂层的结合强度、抗热震性能，特别是抗开裂性能的影响。 目前，大多数研究都是根据激光熔覆层与基材线膨胀系数的匹配原则进行熔覆材料的选 择及成分设计的。传统的观点认为，为防止涂层开裂和剥落，涂层和基材的线膨胀系数 应满足同一性原则，即二者应尽可能地接近，考虑到激光熔覆的工艺特点，基材和涂层 的加热和冷却过程不同步，熔覆层的线膨胀系数在一定范围内越小，熔覆层对开裂越不 敏感。 ( 2 ) 激光熔覆材料与基材熔点的匹配 在激光熔覆技术中，需要对涂层材料关注的另一重要的热物理性质是其熔点。熔覆 合金与基体材料的熔点之间差异过大，形成不了良好的冶金结合。若是熔覆材料熔点过 高，加热时熔覆材料熔化少，会使得涂层表面粗糙度高且基体表层过烧，严重污染熔覆 层；反之，熔覆材料熔点过低，则使熔覆层过烧，且与基体问产生孔洞和夹杂。因而， 力求采用相对于基体材料具有适宜熔点的涂层材料。 ( 3 ) 激光熔覆材料对基材的润湿性 1 0 西华大学硕士学位论文 除了考虑熔覆材料的热物理性能外，还应考虑其在激光快速加热下的流动性、化学 稳定性，硬化相质点与黏结相金属的润湿性以及高温快冷时的相变特性等。熔覆过程中， 润湿性也是一个重要的因素。特别是要获得满意的金属陶瓷涂层，必须保证金属相和陶 瓷相具有良好的润湿性。在提高润湿性方面，主要基于以下原则。 选择适宜的激光熔覆工艺参数，如提高熔覆温度，以降低覆层金属液体的表面能。 改变基体的化学成分。最有效的方法是向基体中添加合金元素，如在c u a 1 体系 中加入t i 提高相间润湿性，在基体中添加活性元素h f 等也有利于提高基体与颗粒之间 的润湿性。 改善陶瓷粒子的表面状态和结构，即对熔覆用陶瓷颗粒进行表面处理，以提高其 表面能。常用的处理方法有机械、物理和化学清洗、电化学抛光和涂覆等。如在a l 基 复合材料中，用a g 浸润于陶瓷表面形成胶状熔体而构成a g 涂层，而a g 与砧有很好 的润湿性，从而形成了越与陶瓷间良好的润湿与结合。 1 2 3 熔覆材料的分类及特点 激光熔覆采用的材料主要是热喷涂类材料和热喷焊类材料，这些材料包括自熔性合 金材料、碳化物弥散或者复合材料、陶瓷材料等，这些材料具有优异的耐磨、耐腐蚀性 能，并通常以粉末的形式使用，熔覆时采用火焰喷焊，可以获得表面光滑并且与基材结 合较好的熔覆层。 ( 1 )自熔性合金材料 自熔性合金材料原理是合金被重熔时，硅和硼分别形成s i 0 2 和b 2 0 2 ，并在熔覆层 表面形成薄膜。这种薄膜一方面能防止合金中的