摘要：激光熔覆技術(shù)是一項新興的表面改型技術(shù)。具有較低稀釋率、熱影響區(qū)小、與基面形成冶金結(jié)合、熔覆件扭曲變形比較小、過程易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。激光熔覆技術(shù)應(yīng)用到模具表面處理上,可以極大提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕、耐疲勞等機械性能，極大提高材料的使用壽命。同時,還可以用于修復(fù)模具，大量節(jié)約加工成本。 

    I. 激光熔覆 

    激光熔覆興起于20世紀80年代，是一種先進的激光表面改性技術(shù)。它通過預(yù)置或同步方式在基材表面添加具有特定功能的熔覆材料，利用高能量密度（104~106W/cm2）的激光束照射熔覆材料，使之與基材表面薄層一起熔凝成為冶金結(jié)合的添料熔覆層，顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化和抗疲勞等性能。

圖1 同步送粉式激光融覆

    與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有下列優(yōu)點： 

    1）熔覆熱影響區(qū)小，工件變形小，融覆成品率高 

    2）熔覆層稀釋率低，基材的熔化量小，對熔覆層的沖淡率較低。 

    3）層晶粒細小，組織結(jié)構(gòu)致密，故其物理和化學(xué)特性比較好（如硬度一般相對比較高，耐磨損、耐腐蝕等性能也比較好）

    4）涂層與基體結(jié)合好，熔覆質(zhì)量穩(wěn)定 

    5）適合熔覆材料多、粒度及含量變化大 

    6）激光熔覆過程易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

圖2 熔覆層結(jié)構(gòu)

    II. 激光熔覆的材料 

    目前，利用激光熔覆技術(shù)可以制備鐵基、鎳基、鈷基、鋁基、鈦基、鎂基等金屬基復(fù)合材料。從功能上分類：可以制備單一或同時兼?zhèn)涠喾N功能的涂層如：耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等以及特殊的功能性涂層。從構(gòu)成涂層的材料體系看，從二元合金體系發(fā)展到多元體系。多元體系的合金成分設(shè)計以及多功能性是今后激光熔覆制備新材料的重要發(fā)展方向。常見的激光熔覆材料見下表：

表1 常見的激光融覆材料 

    III. 激光熔覆工藝流程 

    同步送粉式激光熔覆的主要工藝流程為：基材表面預(yù)處理---送料激光熔化---后處理，如下圖示：

圖3 同步送粉式激光熔覆主要工藝流程

    IV. 激光熔覆的設(shè)備 

    隨著控制技術(shù)以及計算機技術(shù)的發(fā)展,激光熔覆技術(shù)越來越向智能化、自動化方向前進。目前德國通快提供集成了碟片式激光器、光纖傳導(dǎo)光路系統(tǒng)、自動化可調(diào)粉末輸送系統(tǒng)、光斑直徑大小可調(diào)融覆加工頭、離線編程軟件和全過程參數(shù)檢測系統(tǒng)的五軸聯(lián)動數(shù)控激光熔覆加工機床TruLaser Cell7000和六軸聯(lián)動機器人激光熔覆系統(tǒng)TruLaser Robot 。

圖4 德國通快激光熔覆設(shè)備

    相對傳統(tǒng)的激光熔覆設(shè)備采用的激光器是CO2激光器和燈泵YAG激光器，通快公司采用的是新一代光纖傳導(dǎo)碟片激光器。同等條件下碟片激光器具有如下優(yōu)勢：

圖5 通快TruDisk光纖傳導(dǎo)碟片激光器

    通快提供承受最大4KW激光的同軸送粉頭和承受10KW激光的旁軸送粉頭。值得一提的是通快提供的融覆加工頭具有光斑直徑能夠在0.3mm ~7mm實時可調(diào)功能。這樣進行加工時就能通過編程調(diào)節(jié)激光光斑直徑，既能保證激光熔覆很高的加工精度，又能保證很高的融覆效率。

圖6 光斑直徑實時可調(diào)的激光熔覆加工頭

    V. 激光熔覆在模具再制造中的應(yīng)用 

    利用激光熔覆技術(shù)可以在低成本的金屬基體上制成高性能的表面，從而能夠代替大量的高級合金，以節(jié)約貴重、稀有的金屬材料，提高基材的性能，降低能源消耗，非常適于局部易受磨損、沖擊、腐蝕及氧化的模具再制造中，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

圖7 模具表面強化和修復(fù)示例

     隨著國內(nèi)汽車市場的快速增長，競爭也越加激烈，新車型的平均壽命由之前的5~6年縮短至2~3年。這對汽車模具的制造提出了前所未有的挑戰(zhàn)和機遇。整套汽車模具的開發(fā)周期一般在1年左右，費用高昂。但通常新款車型只是在上一款同系列車型的基礎(chǔ)上進行局部少量更改。因此利用激光融覆技術(shù)對原有汽車模具進行局部熔覆處理，就可把舊模具再制造為新車型的模具，從而大大縮短新車型模具的開發(fā)時間，并節(jié)省大量開發(fā)成本，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。

圖8 利用激光融覆技術(shù)再制造的新車型車門模具

    VI. 激光熔覆在模具再制造中的注意事項 

    激光熔覆是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)冶金過程，熔覆過程中的參數(shù)對熔覆件的質(zhì)量有很大的影響。激光熔覆中的過程參數(shù)主要有激光功率、光斑直徑、離焦量、送粉速度、移動速度、熔池溫度等。它他們的對熔覆層的稀釋率、裂紋、表面粗糙度以及熔覆零件的致密性都有著很大影響。此外融覆前的預(yù)處理，融覆時的溫度控制，也會影響激光熔覆加工的質(zhì)量。這些都是激光熔覆在模具再制造中需要注意的。