煙臺市節(jié)能監(jiān)察支隊(duì) 山東 煙臺 264003 呂海永

山東泰利先進(jìn)制造研究院有限公司 山東 煙臺 264003 邵東強(qiáng)

隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，被稱為“工業(yè)之母”的模具需求量也呈遞增態(tài)勢；據(jù)統(tǒng)計，制造一輛汽車需要的冷沖壓模具在1000 套以上，占汽車零部件的60%以上[1-2]。汽車覆蓋件冷沖壓模具分為拉延模、翻邊模、整形模、沖孔模和修邊模具；常用的模具材料為MoCr 鑄鐵、球墨鑄鐵（GGG70L）、風(fēng)冷鋼（7CrMnSiMoV）以及Cr12 系列（Cr12、Cr12MoV、SKD11）等。在使用過程中，根據(jù)用途的不同，MoCr 鑄鐵和球墨鑄鐵（GGG70L）硬度一般要求高于HRC50，風(fēng)冷鋼（7CrMnSiMoV）硬度高于HRC55，Cr12系列硬度高于HRC58；在新車型研發(fā)或小批量試制過程中，為了節(jié)約研發(fā)或制造成本，一般采用45鋼制造軟模，但是45鋼模具由于其強(qiáng)度、硬度較低，其使用壽命較短。

激光做為一種新的光源，自20世紀(jì)60年代產(chǎn)生以來一直備受研究人員的關(guān)注[3-6]；與其相關(guān)的激光焊接技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光熔覆技術(shù)、激光熱處理、激光快速成形技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)以及激光表面合金化等激光加工技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展[7-13]。近年來，由于激光增材技術(shù)的逐漸成熟，激光熔覆技術(shù)、激光熱處理、激光快速成形以及激光表面合金化技術(shù)逐漸應(yīng)用于汽車覆蓋件沖壓模具的制造、強(qiáng)化以及修復(fù)再制造。

本文介紹了激光熔覆技術(shù)、激光熱處理以及激光表面合金化等激光加工技術(shù)原理及其特點(diǎn)，并對各種激光加工技術(shù)在汽車覆蓋件沖壓模具的制造、強(qiáng)化以及修復(fù)再制造方便進(jìn)行了敘述，評價了激光加工技術(shù)在汽車模具上應(yīng)用的可行性、先進(jìn)性以及發(fā)展前景。

1 激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)做為增材制造技術(shù)的一個重要組成部分，涉及光、機(jī)、電、材料、檢測與控制等多個學(xué)科[14-15]。激光熔覆，通過在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束使之與基材表面一起熔凝，從而形成一層與基體呈冶金結(jié)合的熔覆層，多層熔覆層逐層疊加在一起構(gòu)成了增材制造；根據(jù)添加熔覆材料方式的不同，激光熔覆分為同軸送粉熔覆[16]、旁軸送粉熔覆[17]、旁軸送絲熔覆[18]以及預(yù)置粉末熔覆[19]等，圖1為不同形式的激光熔覆原理示意圖[16-19]。

圖1 激光熔覆原理示意圖

趙士林等[20]采用激光熔覆技術(shù)研究了在Cr12冷作模具鋼基體表面制備Ni60B-WC/Co 復(fù)合涂層，結(jié)果表明：激光熔覆層與金屬基體之間呈冶金結(jié)合，熔覆層主要為細(xì)小的樹枝晶焊核羽毛狀的長條晶為主；并且由于WC硬質(zhì)相的加入，使得激光熔覆層的硬度顯著提高，其最大顯微硬度可以達(dá)到1190HV0.2，顯著提高了Cr12 模具的耐磨性，可以延長模具的使用壽命，并且為Cr12 基模具的修復(fù)再制造提供了基礎(chǔ)。劉健等[21]通過在熔覆材料中添加鑭鈰稀土和石墨烯，進(jìn)一步細(xì)化了激光熔覆層的組織，顯著改善了模具的耐磨性能，大幅度的延長了模具的使用壽命，Cr12MoV精沖模具的壽命從沖壓6827件提高至238915件，壽命呈幾十倍延長。

楊鵬聰?shù)萚22]研究了不同激光掃描速度對球墨鑄鐵Fe基激光熔覆層的影響，結(jié)果表明激光掃描速度在球墨鑄鐵的激光熔覆層制備中發(fā)揮了重要作用，對熔覆層的晶粒長大、裂紋的產(chǎn)生以及熔覆層硬度均有重要影響；通過對激光掃描速度的優(yōu)化設(shè)計，球墨鑄鐵表面的激光熔覆層硬度可達(dá)HRC55.5，完全滿足汽車覆蓋件沖壓模具對球墨鑄鐵材料HRC50 以上的要求。張坤[23]采用激光熔覆技術(shù)以灰鑄鐵HT-250和球墨鑄鐵QT-400 為基體，以自熔性合金粉末為熔覆材料，進(jìn)行了鑄鐵件的再制造技術(shù)研究；結(jié)果表明，激光熔覆技術(shù)修復(fù)存在缺陷的鑄鐵件是可行的，但是激光修復(fù)鑄鐵件還存在一系列問題，需要進(jìn)一步研究，張坤研究的主要為簡單形狀的鑄鐵件，針對具有復(fù)雜型面或型腔的汽車覆蓋件沖壓模具并沒有涉及，但是為復(fù)雜的激光熔覆修復(fù)復(fù)雜的汽車覆蓋件沖壓模具提供了理論支撐，為汽車覆蓋件鑄鐵類模具的激光熔覆修復(fù)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

張德強(qiáng)等[24]采用激光熔覆技術(shù)在45鋼模具的磨損區(qū)域進(jìn)行了激光熔覆再制造；結(jié)果表明激光熔覆層質(zhì)量較高，無裂紋、氣孔等缺陷，硬度顯著提高，熔覆層與基體為冶金結(jié)合比較牢固，采用激光熔覆技術(shù)修復(fù)磨損等失效的45鋼模具具有很好的應(yīng)用價值。

激光熔覆技術(shù)做為一種先進(jìn)的表面技術(shù)，由于其采用能量密度高度集中的激光作為熱源，精度高、對基體材料的熱影響較小，激光熔覆層與集體之間為冶金結(jié)合，強(qiáng)度較高；并且可采用的熔覆材料廣泛，可將異種材料熔覆在基材表面，改善基材表面的性能。通過在失效的汽車沖壓模具失效（磨損、腐蝕、疲勞等）部位熔覆恢復(fù)原有尺寸性能，并在模具型面或型腔通過激光熔覆技術(shù)形成一層組織細(xì)小致密、存在亞穩(wěn)相、超彌散相以及非晶相的熔覆層，可顯著提高模具工作面的耐磨性，這為模具的長壽化、失效模具的再制造以及循環(huán)再利用提供了很好的技術(shù)解決方案。

2 激光熱處理技術(shù)

由于激光光斑小，能量集中，激光束易于聚焦等特點(diǎn)，激光熱處理可以根據(jù)模具使用過程中的具體要求進(jìn)行局部選擇性硬化處理；在激光熱處理過程中，模具由于受熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力較小，并且由于汽車覆蓋件沖壓模具一般較大其受熱產(chǎn)生的變形幾乎可以忽略不計，這就使得精加工后并且研配好的模具進(jìn)行激光處理后直接使用，避免了現(xiàn)有火焰淬火或感應(yīng)淬火處理后需要進(jìn)一步加工或研配而造成淬硬層被損壞的情況。

舒服華[25]采用正交實(shí)驗(yàn)和Vague 集相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法對Cr12MoV 激光淬火工藝進(jìn)行了優(yōu)化；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光淬火層硬度可達(dá)到HRC62.6，明顯高于目前汽車Cr12MoV 類模具對其硬度大于HRC58 的要求，并且磨損實(shí)驗(yàn)表明激光淬火層的磨損量低至1.08μg/h，表現(xiàn)出了激光淬火層優(yōu)異的耐磨性能，此外作者還對激光淬火層的耐腐蝕性進(jìn)行了HCl 溶液腐蝕試驗(yàn)，腐蝕試驗(yàn)表明Cr12MoV 激光淬火層同時具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。

王超[26]等研究了利用不同的激光掃描速度對MoCr鑄鐵表面進(jìn)行激光淬火處理，試驗(yàn)結(jié)果表明：激光淬火后的MoCr 鑄鐵表面硬度成倍提升，超過600HV，激光淬火層組織為細(xì)小的針狀馬氏體，MoCr鑄鐵表面的耐磨性能有了顯著提高，并且激光淬火層的硬度分布均勻，無明顯的硬質(zhì)點(diǎn)或軟點(diǎn)存在；這就解決了目前汽車沖壓模具火焰淬火，淬火層硬度分布不均勻，局部位置硬度較低，模具使用壽命較低的問題。

張開熙[27]等研究了多種模具材料經(jīng)激光淬火后的硬度和模具的變形量；結(jié)果表明，經(jīng)激光淬火后，45#鋼表面硬度達(dá)到HRC56 以上，風(fēng)冷鋼（7CrMnSiMoV）表面硬度達(dá)到HRC62，球墨鑄鐵QT600的表面硬度則達(dá)到HRC57以上，而變形量則可以很好的控制在0.05mm 以內(nèi)。激光淬火技術(shù)逐漸的被應(yīng)用于汽車覆蓋件沖壓模具制造的熱處理中，很好的解決了目前傳統(tǒng)火焰淬火或感應(yīng)淬火變形開裂的問題，并且激光淬火在提高模具硬度、強(qiáng)度等性能上發(fā)揮了較大的優(yōu)勢，在汽車模具應(yīng)用上具有較大的潛力。

表1 不同材質(zhì)下不同切削深度的激光淬火硬度值[27]

目前，激光淬火技術(shù)逐漸成熟，在國外，激光淬火技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用較為普遍，并制定了多項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；而在國內(nèi)，激光淬火技術(shù)也逐漸開展起來，但是存在各種各樣的不足。與傳統(tǒng)表面淬火工藝相比，激光淬火技術(shù)具有以下獨(dú)特的優(yōu)越性[28-29]：

（1）激光束頻率單一、能量集中密度大，加熱速度極快，通常只需0.1s即可完成淬火過程，依靠基體溫度對淬火層進(jìn)行自冷淬火，減少生產(chǎn)周期，生產(chǎn)效率高；

（2）由于激光加熱速度快，熱影響區(qū)小，且淬火變形小，不需要水或油等淬火介質(zhì)，既可降低消耗，又可避免環(huán)境污染；

（3）淬火后硬度高，耐磨性好；激光表面淬火后可獲得極細(xì)小的馬氏體和碳化物組織；

（4）淬火后表層產(chǎn)生很高的殘余壓應(yīng)力，可大幅度提高零件的疲勞強(qiáng)度；

（5）易實(shí)現(xiàn)表面局部及特殊部位的淬火；激光表面淬火只發(fā)生在激光照射的部位，可改善照射部位的性能，而其他部位無須進(jìn)行防護(hù)；激光束可聚焦到很細(xì)，特別適合小件的局部淬火和特殊部位的淬火，例如槽壁、小孔、深孔、腔體內(nèi)壁等，只要能將激光照射到位即可；

（6）淬火后表面質(zhì)量高；合理的激光淬火工藝幾乎不會改變材料表面粗糙度，只要工藝得當(dāng)，材料表面幾乎無氧化脫碳現(xiàn)象，可以作為工件加工的最后工序；

（7）工藝過程可實(shí)現(xiàn)計算機(jī)控制和生產(chǎn)自動化，淬硬層深度和掃描路徑易于控制，不需要像感應(yīng)淬火那樣根據(jù)不同的零件尺寸設(shè)計相應(yīng)的感應(yīng)線圈，對大型零件的加工也無需受到滲碳淬火等化學(xué)熱處理時爐膛尺寸的限制，因此在很多工業(yè)領(lǐng)域中正逐步取代感應(yīng)淬火和化學(xué)熱處理等傳統(tǒng)工藝。

基于以上激光淬火技術(shù)的優(yōu)越性，汽車沖壓模具型面經(jīng)精加工后可以直接進(jìn)行激光淬火；激光淬火后，模具型面保持原有的粗糙度、無變形，非常適用于模具刃口、圓角部位等。

3 激光表面合金化

激光表面合金化采用高功率密度的激光束加熱基體，使基體表面發(fā)生熔融，同時加入合金化元素，在基體表面形成以基體為溶劑、添加的合金化元素為溶質(zhì)的濃度高、成分均勻的合金層或化合物層，從而改變金屬基體表面的耐磨性、耐腐蝕、耐高溫抗氧化等特殊性能，以達(dá)到材料表面改性的目的[30]。激光表面合金化中添加合金元素的方法有預(yù)置粉末、同步送粉法和激光氣體合金化；其中預(yù)置粉末可以采用熱噴涂或者采用粘結(jié)劑將合金化材料粘結(jié)在基體表面。激光表面合金化的工作原理與激光熔覆的原理基本相似，其區(qū)別在于激光表面合金化的合金化層或化合物層較薄，一般低于1mm，并且合金化材料與基體材料形成了新的合金材料，而激光熔覆的熔覆層厚度可以達(dá)到數(shù)毫米甚至數(shù)厘米，同時激光熔覆層的成分基本上與激光熔覆材料相一致，沒有形成新的合金材料。

林基輝[31]等采用CO2激光器為光源研究了45鋼表面的鉬基激光合金化制備工藝以及硬度，研究結(jié)果表明：經(jīng)激光合金化后，其鉬基合金化層的硬度超過了720HV0.1（相當(dāng)于HRC61），合金化區(qū)厚度接近1mm，組織形態(tài)以等軸晶為主，等軸晶結(jié)構(gòu)致密，各個枝晶結(jié)合得比較牢固，且成分和結(jié)構(gòu)比較均勻一致，因而強(qiáng)度、塑性和韌性都較高，材料性能沒有明顯的方向性。采用激光表面合金化技術(shù)在45鋼表面制備的合金化層其硬度有了顯著提高，由于合金化層組織以等軸晶為主，其強(qiáng)度和韌性等較高，可以延長新車型研發(fā)過程中或小批量生產(chǎn)過程中45鋼軟模的使用壽命，可以大幅度減少新車型的研發(fā)成本，對新車型的研發(fā)或汽車的小批量生產(chǎn)具有重要的應(yīng)用價值。

董吉星[32]采用仿生耦合原理，利用激光合金化技術(shù)對灰鑄鐵進(jìn)行了表面改性研究，研究結(jié)果表明在合金化材料中加入W元素和Cr元素，可以明顯提高灰鑄鐵表面的抗疲勞磨損性能；通過向合金化材料中加入W和Cr元素，合金化層中由于形成了Fe-Cr-W 共晶碳化物+WxCy+CrxCy，其合金化層的硬度有了大幅度的提高，硬度可達(dá)750HV0.2以上（相當(dāng)于HRC62）。由于激光合金化可以顯著提高灰鑄鐵的硬度和抗疲勞磨損性能，可以減少灰鑄鐵模具長期使用產(chǎn)生的疲勞裂紋，減少灰鑄鐵模具在使用過程中修?；蜓心５拇螖?shù)，提高模具的使用效率，延長其使用壽命。

由于激光的高密度能量、激光束易于聚焦、導(dǎo)向，使得激光表面合金化技術(shù)具有加熱速度快的特性，合金化區(qū)和熱影響區(qū)的范圍都較小，同時有利于合金元素完全溶解在表層材料內(nèi)，進(jìn)而促使最后獲得的改性層成分均勻化，并且激光能量集中、熱輸出量較小，使得工件的冷卻快速，對剝落和皸裂等現(xiàn)象傾向不敏感，由于其只在短時間內(nèi)加熱工件表面，工件無變形、不宜產(chǎn)生裂紋。隨著現(xiàn)代對激光加工技術(shù)的研究更加深入，因此對激光合金化技術(shù)的發(fā)展大大的促進(jìn)，使得激光合金化技術(shù)更加成熟，應(yīng)用激光表面合金化工藝可以提高材料表面的硬度和耐磨性，從而提高材料的使用壽命，使其在汽車沖壓模具表面的改性應(yīng)用具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

以高性能激光作為能源的激光加工技術(shù)，由于其快速、先進(jìn)、靈活的加工特點(diǎn)，在汽車工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛；對提高汽車行業(yè)中產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)效率、自動化、無污染、節(jié)約資源減少材料消耗等方面起到了越來越重要的作用。

（1）激光熔覆技術(shù)由于其效率高、速率快、綠色環(huán)保無污染等優(yōu)越性能，在汽車模具的修復(fù)再制造、修舊利廢方面具有十分重要的應(yīng)用，可以在較低成本下恢復(fù)失效汽車模具的原有尺寸及性能，在延長汽車模具的使用壽命上具有重要的作用。

（2）以激光淬火為代表的激光熱處理技術(shù)，可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行局部選擇性淬火處理，工件應(yīng)力和變形微小，可以忽略不計，可以顯著提高耐磨性、耐蝕性、抗氧化性等等，在汽車模具表面的改性上具有巨大的潛在應(yīng)用。

（3）由于激光表面合金化可以改變材料表面的合金成分，使其具有特種合金的耐磨性能，有望代替目前汽車模具常用的TD 處理，減少因TD 處理需要整體加熱而造成模具變形、開裂的情況。