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摘要：本文采用YAG固体激光器对模具钢2738进行熔覆修复试验工艺参数研究。得出最优修复工艺，并在此基础上改变工艺参数，进而得出宏、微观形貌组织变化及硬度值变化规律。
关键词：注塑模具；激光熔覆；修复
Abstract：In this paper, YAG solid-state lasers for cladding of 2738 steel mold repair test process parameters studied. For optimal repair process, and on this basis, changes in process parameters, and then come to the macro and micro organizational changes in morphology and hardness variation.
Keywords: injection mold; laser cladding; repair
前言：
随着数控加工装备水平的提高，我国注塑模具的发展速度越来越快，它已渐渐成为模具品种的“新星”。注塑模具在整个模具行业中所占的比重也伴随着中国汽车、电子通信、建筑材料业的快速发展而逐年提高，而且发展速度是其他模具难以企及的。例如：注塑模具在汽车行业的广泛应用，汽车作为现在交通的重要工具，其市场自然是巨大的，十分有潜力的[1]。近年来，随着塑料产品的需求越来越多，对注塑模具的要求也就越来越高。因此，精密、大型、复杂、长寿命注塑模具的发展将会高于总量发展速度 [2] 。
注塑模具作为一种长期性工作的工具，必然也会产生模具本身的失效，由于一些较为精密、复杂的注塑模具生产周期较长、制造费用较高，所以失效后对其进行修复就成了重中之重的问题。而且文献[3]中已明确表明传统的修复模具手段，如：热喷涂、电刷镀、微脉冲MIG焊等已经不能满足那些精密程度高、复杂程度深的模具修复要求了，为此激光熔覆修复技术受到了人们的广泛关注。较其他传统修复手段相比，激光熔覆修复具有以下特点：
（1）激光熔覆可以再低熔点的工件上熔覆一层高硬度的熔覆层，从而大大提高工件表面硬度，这样实现了利益的最大化，而且熔覆层可与基体形成优良的冶金结合，微观结构细密，热影响区小。
（2）在操作过程中可实现对工艺参数的自动化，使得整个过程简单、快捷。熔覆过程中不产生有害气体或物质，防护也很容易 [4] 。
（3）激光的光斑可较容易进入特别细小的区域或是其他修复手段难以接近的区域，而且材料的消耗少，具有很高的性价比 [5] 。
激光熔覆过程是一个极其复杂的过程，而对工艺参数准确的控制更是获得良好修复质量的保障。本文就从
工艺参数的角度出发，得出了熔覆修复注塑模具的最优工艺参数，并在此基础上对工艺参数进行改变，进而得出宏、微观形貌组织变化及硬度值的变化规律。
1实验材料及方法
1.1实验材料
本次试验采用预置丝式熔覆修复注塑模具试验，注塑模具（即基体）材料规格为10mm×10mm×50mm的矩形块，熔覆材料规格为0.5mm×500mm。本篇论文所选基体材料和熔覆材料同为2738钢，成分见表1。
1.2实验方法
首先，根据文献[6]，引入单脉冲能量（W）定义：单脉冲能量是指脉冲激光器输出单个脉冲激光的能量，这部分能量主要用来熔化熔覆材料和基体材料形成熔池。单脉冲能量的方程式为：W=UIτ×3%。W为激光的单脉冲能量，单位为焦耳(J)；U为激光器的外接电压，单位为伏特(V)；I为通过激光器的电流，单位为安培(A)；τ为激光器的脉冲宽度，单位为秒(s)；3%为激光器的总光电转化率。
在引入重叠率的定义：重叠率(OL)定义为前一个脉冲光斑的直径和紧接它后的一个脉冲光斑直径的重叠长度与激光光斑直径(D)的百分比。重叠率的方程为：
其中V为激光的扫描速度(mm/min)，f为激光的脉冲频率(HZ)，D为激光光斑直径(mm)。
方程单脉冲能量和重叠率分别将三个参数的影响归结为一个参数的影响，这样简化了工艺参数，有利于工艺参数的调整。为确保基体与熔覆层形成较好的冶金结合，单脉冲能量是保证，而重叠率是得到平整、光滑、均匀熔覆层的前提。单脉冲能量和重叠率相结合，相互制约，当取得最佳值时，就能获得理想的熔覆层。
1.3实验结果与分析
1.3.1最优工艺参数的选取
在熔覆过程中，以单脉冲能量和重疊率为变量，通过一些列实验设计，最后得出最佳工艺参数。工艺参数及熔覆层修复质量见表2。
根据经验当单脉冲能量的值小于7.5 J时无论重叠率的值选取多少都不能保证熔覆层成型，所以说单脉冲能量是成型的重要保障。
工艺由1到3可知：单脉冲能量继续增大，重叠率过大时，显微组织观察都未能形成良好的热影响区，而工艺2由于重叠率过低使得形成的熔覆层不太理想。工艺4和5表明所形成最优熔覆层的要求是：单脉冲能量为：15J，重叠率为：85%。工艺由6到11，表明由于单脉冲能量继续增大，超过了最优值后，熔覆层或是热影响区都不能很好地匹配起来。
综上所述，当单脉冲能量为：15J，重叠率为：85%时，可获得良好的熔覆质量，它们即为该实验熔覆修复注塑模具最优工艺参数。
1.3.2 以单脉冲能量为参数改变电流和脉冲宽度实验结果与分析
当U=380V、f=12Hz、V=79.5mm/min、D=0.5mm在最优工艺的基础上，通过适当地调节激光器电流I和脉冲宽度τ，观察熔覆层宏、微观变化情况并得出硬度值变化规律。变化参数后宏观熔覆形貌如图1所示。
1：I=160A τ=8.7ms 2：I=170A τ=8.6ms
3：I=180A τ=8.5ms 4：I=190A τ=8.4ms
图1 不同参数下熔覆层宏观成型图
由图1可知，在最佳工艺的基础上，适当地改变激光器的电流（依次增大）和脉冲宽度（依次减小），对熔覆层的宏观形貌影响不大，进一步研究变参数后熔覆层的微观组织结构及显微硬度变化规律。最优工艺参数下（记为0号）及变化参数后试样2和4熔覆层在扫描电镜下的微观形貌如图
2所示。
图2 扫描电镜下熔覆层的微观形貌2000X
分别将变参数后的试样1、2、3、4及取得最优工艺参数的试样的熔覆层沿垂直方向将它们切开，研磨、抛光后，在各个试样的熔覆层的相同位置选取一点，用 FM700显微硬度计测量熔覆层上的每个点的硬度，加载砝码为0.2kg、加载保持时间15s。显微硬度曲线如图3所示。
图3 熔覆层显微硬度曲线
由图3可知，熔覆层的硬度值变化规律是：先下降，然后在一定范围内趋于稳定，最后急剧下降。
由图2试样熔覆层扫描电子显微图片观察可知，随着激光器电流的增大，脉冲宽度的减小，熔覆层的微观组织结构逐渐从均匀、细密向针状、粗大的方向发展。当到达一定的界限后，硬度值开始急剧下降。这一过程主要是由于电流起着决定作用，当电流增大时，输入的能量就越高，使得熔覆层温度过高造成组织长大倾向过大，从而形成了针状、粗大的一些组织，同时电流过大会使得熔覆层组织烧毁严重，这些都将会造成显微硬度值得下降，工作中我们应该避免，积极地寻求各参数间的最优配比。
2结论
（1）激光修复注塑模具最佳工艺参数
为：单脉冲能量为：15J，重叠率为85%。
（2）在最佳工艺基础上，适当调节电流和脉宽，对熔覆层的宏观形貌及尺寸的影响不大。
（3）在最佳工艺基础上，适当增加电流值和减小脉宽值后，熔覆层的硬度值先下降，然后在一定范围内趋于稳定，最后急剧下降，电流升高越多，最后硬度的下降就更加越明显。
参考文献
[1]王孝弟.塑料模具成为诱人的“奶酪”[J].中国化工报,2007,第005版.
[2]金陵,杨峤.未来塑料模具将向大、精、长寿命发展[J].中国化工报,2003.
[3]常明,张庆茂,廖健宏,刘颂豪.塑料模具精密修复技术的评述及展望[J].金属热处理,2006,31(7).
[4]周杰.CO2激光熔覆修复冷作模具表面的组织及性能研究[D].吉林大学硕士学位论文,2010.
[5] 张光钧,吴培桂,许佳宁,等.激光熔覆的应用基础研究进展[J].金属热处理，2011，36(1).
[6]常明.塑料模具激光精密修复技术的研究[J].中国激光,2007,34(s1):70-73.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：注塑模具；激光熔覆；修复
Abstract：In this paper, YAG solid-state lasers for cladding of 2738 steel mold repair test process parameters studied. For optimal repair process, and on this basis, changes in process parameters, and then come to the macro and micro organizational changes in morphology and hardness variation.
Keywords: injection mold; laser cladding; repair
前言：
随着数控加工装备水平的提高，我国注塑模具的发展速度越来越快，它已渐渐成为模具品种的“新星”。注塑模具在整个模具行业中所占的比重也伴随着中国汽车、电子通信、建筑材料业的快速发展而逐年提高，而且发展速度是其他模具难以企及的。例如：注塑模具在汽车行业的广泛应用，汽车作为现在交通的重要工具，其市场自然是巨大的，十分有潜力的[1]。近年来，随着塑料产品的需求越来越多，对注塑模具的要求也就越来越高。因此，精密、大型、复杂、长寿命注塑模具的发展将会高于总量发展速度 [2] 。
注塑模具作为一种长期性工作的工具，必然也会产生模具本身的失效，由于一些较为精密、复杂的注塑模具生产周期较长、制造费用较高，所以失效后对其进行修复就成了重中之重的问题。而且文献[3]中已明确表明传统的修复模具手段，如：热喷涂、电刷镀、微脉冲MIG焊等已经不能满足那些精密程度高、复杂程度深的模具修复要求了，为此激光熔覆修复技术受到了人们的广泛关注。较其他传统修复手段相比，激光熔覆修复具有以下特点：
（1）激光熔覆可以再低熔点的工件上熔覆一层高硬度的熔覆层，从而大大提高工件表面硬度，这样实现了利益的最大化，而且熔覆层可与基体形成优良的冶金结合，微观结构细密，热影响区小。
（2）在操作过程中可实现对工艺参数的自动化，使得整个过程简单、快捷。熔覆过程中不产生有害气体或物质，防护也很容易 [4] 。
（3）激光的光斑可较容易进入特别细小的区域或是其他修复手段难以接近的区域，而且材料的消耗少，具有很高的性价比 [5] 。
激光熔覆过程是一个极其复杂的过程，而对工艺参数准确的控制更是获得良好修复质量的保障。本文就从
工艺参数的角度出发，得出了熔覆修复注塑模具的最优工艺参数，并在此基础上对工艺参数进行改变，进而得出宏、微观形貌组织变化及硬度值的变化规律。
1实验材料及方法
1.1实验材料
本次试验采用预置丝式熔覆修复注塑模具试验，注塑模具（即基体）材料规格为10mm×10mm×50mm的矩形块，熔覆材料规格为0.5mm×500mm。本篇论文所选基体材料和熔覆材料同为2738钢，成分见表1。
1.2实验方法
首先，根据文献[6]，引入单脉冲能量（W）定义：单脉冲能量是指脉冲激光器输出单个脉冲激光的能量，这部分能量主要用来熔化熔覆材料和基体材料形成熔池。单脉冲能量的方程式为：W=UIτ×3%。W为激光的单脉冲能量，单位为焦耳(J)；U为激光器的外接电压，单位为伏特(V)；I为通过激光器的电流，单位为安培(A)；τ为激光器的脉冲宽度，单位为秒(s)；3%为激光器的总光电转化率。
在引入重叠率的定义：重叠率(OL)定义为前一个脉冲光斑的直径和紧接它后的一个脉冲光斑直径的重叠长度与激光光斑直径(D)的百分比。重叠率的方程为：
其中V为激光的扫描速度(mm/min)，f为激光的脉冲频率(HZ)，D为激光光斑直径(mm)。
方程单脉冲能量和重叠率分别将三个参数的影响归结为一个参数的影响，这样简化了工艺参数，有利于工艺参数的调整。为确保基体与熔覆层形成较好的冶金结合，单脉冲能量是保证，而重叠率是得到平整、光滑、均匀熔覆层的前提。单脉冲能量和重叠率相结合，相互制约，当取得最佳值时，就能获得理想的熔覆层。
1.3实验结果与分析
1.3.1最优工艺参数的选取
在熔覆过程中，以单脉冲能量和重疊率为变量，通过一些列实验设计，最后得出最佳工艺参数。工艺参数及熔覆层修复质量见表2。
根据经验当单脉冲能量的值小于7.5 J时无论重叠率的值选取多少都不能保证熔覆层成型，所以说单脉冲能量是成型的重要保障。
工艺由1到3可知：单脉冲能量继续增大，重叠率过大时，显微组织观察都未能形成良好的热影响区，而工艺2由于重叠率过低使得形成的熔覆层不太理想。工艺4和5表明所形成最优熔覆层的要求是：单脉冲能量为：15J，重叠率为：85%。工艺由6到11，表明由于单脉冲能量继续增大，超过了最优值后，熔覆层或是热影响区都不能很好地匹配起来。
综上所述，当单脉冲能量为：15J，重叠率为：85%时，可获得良好的熔覆质量，它们即为该实验熔覆修复注塑模具最优工艺参数。
1.3.2 以单脉冲能量为参数改变电流和脉冲宽度实验结果与分析
当U=380V、f=12Hz、V=79.5mm/min、D=0.5mm在最优工艺的基础上，通过适当地调节激光器电流I和脉冲宽度τ，观察熔覆层宏、微观变化情况并得出硬度值变化规律。变化参数后宏观熔覆形貌如图1所示。
1：I=160A τ=8.7ms 2：I=170A τ=8.6ms
3：I=180A τ=8.5ms 4：I=190A τ=8.4ms
图1 不同参数下熔覆层宏观成型图
由图1可知，在最佳工艺的基础上，适当地改变激光器的电流（依次增大）和脉冲宽度（依次减小），对熔覆层的宏观形貌影响不大，进一步研究变参数后熔覆层的微观组织结构及显微硬度变化规律。最优工艺参数下（记为0号）及变化参数后试样2和4熔覆层在扫描电镜下的微观形貌如图
2所示。
图2 扫描电镜下熔覆层的微观形貌2000X
分别将变参数后的试样1、2、3、4及取得最优工艺参数的试样的熔覆层沿垂直方向将它们切开，研磨、抛光后，在各个试样的熔覆层的相同位置选取一点，用 FM700显微硬度计测量熔覆层上的每个点的硬度，加载砝码为0.2kg、加载保持时间15s。显微硬度曲线如图3所示。
图3 熔覆层显微硬度曲线
由图3可知，熔覆层的硬度值变化规律是：先下降，然后在一定范围内趋于稳定，最后急剧下降。
由图2试样熔覆层扫描电子显微图片观察可知，随着激光器电流的增大，脉冲宽度的减小，熔覆层的微观组织结构逐渐从均匀、细密向针状、粗大的方向发展。当到达一定的界限后，硬度值开始急剧下降。这一过程主要是由于电流起着决定作用，当电流增大时，输入的能量就越高，使得熔覆层温度过高造成组织长大倾向过大，从而形成了针状、粗大的一些组织，同时电流过大会使得熔覆层组织烧毁严重，这些都将会造成显微硬度值得下降，工作中我们应该避免，积极地寻求各参数间的最优配比。
2结论
（1）激光修复注塑模具最佳工艺参数
为：单脉冲能量为：15J，重叠率为85%。
（2）在最佳工艺基础上，适当调节电流和脉宽，对熔覆层的宏观形貌及尺寸的影响不大。
（3）在最佳工艺基础上，适当增加电流值和减小脉宽值后，熔覆层的硬度值先下降，然后在一定范围内趋于稳定，最后急剧下降，电流升高越多，最后硬度的下降就更加越明显。
参考文献
[1]王孝弟.塑料模具成为诱人的“奶酪”[J].中国化工报,2007,第005版.
[2]金陵,杨峤.未来塑料模具将向大、精、长寿命发展[J].中国化工报,2003.
[3]常明,张庆茂,廖健宏,刘颂豪.塑料模具精密修复技术的评述及展望[J].金属热处理,2006,31(7).
[4]周杰.CO2激光熔覆修复冷作模具表面的组织及性能研究[D].吉林大学硕士学位论文,2010.
[5] 张光钧,吴培桂,许佳宁,等.激光熔覆的应用基础研究进展[J].金属热处理，2011，36(1).
[6]常明.塑料模具激光精密修复技术的研究[J].中国激光,2007,34(s1):70-73.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。