随着现代科技的飞速发展，各种新技术新方法在模具修复中得到广泛推广和应用，其中常用的有堆焊修复技术、热喷涂和热喷焊修复技术、电刷镀修复技术和电火花修复技术。近年来，在国内外又兴起了一种新的零件修复技术即激光熔覆。该技术通常采用预置粉末或同步送粉方式在基体修复区表面加入金属粉末，利用高能激光束瞬间将基体表面微熔，同时使其表面的金属粉末(与基体材质相同或相近)全部熔化，激光撤去后快速凝固，获得与基体呈冶金结合的致密熔覆层，使零件表面恢复几何外形尺寸，并使表面熔覆层强化。模具激光熔覆修复技术解决了电弧堆焊、氩弧堆焊、等离子弧堆焊等传统修复方法无法解决的工艺过程热应力和热变形大的难题。
本文对铝合金模具激光熔覆修复技术进行了试验研究，研究结果为该技术的工程应用提供了一定的理论和技术支持。
基于激光熔覆技术的模具破损区修复是在图1所示的多功能激光加工中心上进行的，主要由IPG光纤激光器(型号YLR-3000)、6轴KUKA机器人(型号KR30)、PERCITEC YC52熔覆头和FHPF-10同轴送粉器等组成。通过西门子PLC系统利用良好的人机界面集中控制激光发射、机器人运动、送粉和保护气开关等。同轴送粉器将四路粉末汇聚一点，送入激光束内，粉末被加热至熔化状态，并在基体或前一熔覆层上凝固，与其形成冶金结合。一层熔覆完毕后，激光头上升一定的高度(对应熔覆层的厚度)，以保持激光光斑大小不变，继续进行后一层的熔覆修复。经过多次循环，即可修复好已磨损的金属模具。
本次修复的模具基体材料为6061铝合金。为了提高局部的耐磨性，在磨损区域激光熔覆铁基金属粉末进行修复，因为其比较适合耐磨且易变形的模具。相对于钢模，铝合金模具的激光熔覆修复较为困难，主要因为铝的熔点较低，仅为660℃，而铁基合金粉末熔点超过1000℃，并且铁和铝之间的亲和性很差，在高温下容易导致铝模基体出现崩塌、蒸发、烧损以及高稀释率等问题。所以为了避免上述问题，在修复前期必须进行相关的基础试验，优化工艺参数，以实现铝合金模具高质高效的修复。
如图2所示，在模具基体分型面处有一些磨损的凹槽，本次实验主要修复该磨损凹槽。
修复前首先必须对模具基体材料进行分析，选择和该模具相同材质的铝板进行预处理，经打磨、抛光和去油等处理，放置在干燥无氧的环境中。然后将处理好的铝板取出，置于激光试验工作台上，设置原点和方向，进行熔覆轨迹编程。最后调整保护气强弱及送粉器输出粉末速度，检查各主要环节是否符合试验条件，如符合，即进行激光熔覆修复试验。
经过在铝板上进行的正交试验，获得多组基础实验数据，根据熔覆效果选择两组较好工艺参数，即激光功率为800 W和1 kW，光斑直径为2 mm，扫描速度5 mm/s和10 mm/s，送粉器输出电压10 V，氮气保护。
根据以上两组参数，在模具基体上再次进行单道单层试验，继续对比试验效果，调整工艺参数。修复过程如图3所示。
由于铝合金暴露在空气中很容易发生氧化反应，在表面形成熔点达到2477℃的氧化膜，使得其界面很难发生冶金反应，所以在实验前必须进行预处理，即采用喷砂处理增大其表面粗糙度值，这会使熔覆材料与基体更易结合;也可先预置粉末，再采用激光重熔法进行激光熔覆，也能取得良好的熔覆效果。本实验采用喷砂处理。
如图4所示，当激光功率为1000 W，扫描速度为5 mm/s时，在模具基体上熔覆铁基合金粉末时，熔覆层和基体结合处产生了高温稀释，导致两种材料未实现冶金反应，造成了一定程度的过烧。
由图5分析可知，从表面形貌上看，当激光功率为800 W，铝合金模具的熔覆修复在激光扫描速度为5 mm/s时得到的熔覆层表面明显比扫描速度10 mm/s时要致密，而且从侧面熔覆层与基体的熔接过渡区也可看出扫描速度较小时产生的不规则轮廓起伏更小。
由于此模具的修复区域较小，当功率一定、激光扫描速度较大时，在每次覆粉首末都有加减速的过程，而短距离内剧烈的速度变化会造成一定的熔覆波动，进而影响到熔覆效果，外在主要表现为其表面的不平度升高，所以可通过改变扫描方向和增加过渡区来改善此问题。
模具修复后主要通过检测熔覆层的硬度、厚度和结合强度来衡量修复质量。熔覆层的表面硬度决定了熔覆后模具的耐磨性，并且此次修复的区域为模具的分型面，长期处于相互摩擦状态，耐磨性检测是最重要的。因此本次实验在质量检测时主要进行硬度测试。
由于硬度测量对被测量体表面有一定要求，不能太粗糙，因此在测量之前需要进行表面处理，即采用砂轮打磨处理掉熔覆层表面凹凸不平的区域，以方便测量。
处理后，采用洛氏硬度计测量其表面硬度。共取10个采样点，测得的HRC值区间为[28，75]。继续沿熔覆层表面向下打磨一些大致厚度为0.1～0.5 mm的区域，对这些区域再次进行硬度测量，测量结果如图6所示。
由图可知，在铝合金模具上采用激光熔覆铁基合金粉末后，熔覆层的硬度并非一致，在最靠近基体的地方硬度相对较高，这主要是由于过渡区的冶金结合使得此处的熔覆区硬度HRC≈45，高于平均水平的35.5。整个熔覆层厚度经过打磨约为0.5 mm，在其厚度中间区域HRC≈35.5，且连续出现35.5、36.5、35.5几个值，该区域能正确反映此区间的硬度情况，可将35.5作为此熔覆层的平均硬度。本实验中铝合金模具材料为6061合金，其硬度为HB90-95≈10HRC，经比较可知熔覆层的硬度远远高于基体材料硬度，在结合情况良好的情况下改善了原模具破损区域机械及力学性能。
(1)基于激光熔覆修复技术，采用铁基金属粉末对铝合金模具磨破损区域进行了修复，修复区的铝合金基体与熔覆层形成了良好的冶金结合，延长了模具的使用寿命。
(2)由于铝合金熔点较低，所以激光功率过大时会造成模具的烧伤，因此修复时不宜采用大功率。此外，扫描速度对熔覆层表面质量影响也较大。经过多次实验发现激光功率为800 W时的修复效果明显好于1000 W时;且在激光扫描速度为5 mm/s时得到的熔覆层表面明显比扫描速度10 mm/s时致密。
作者：李金华等
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