CN102995001A - 激光修复模具疲劳裂纹的方法 - Google Patents

Abstract

激光修复模具疲劳裂纹的方法属模具修复技术领域，本发明对宽度小于0.5mm的裂纹，采用激光熔凝、激光填丝堆焊或激光熔覆的方法，在点状区域内施焊、裂纹两端间制备出等间距节点；对宽度等于或大于0.5mm的裂纹，采用激光熔凝、激光填丝堆焊或激光熔覆的方法对加工出的盲孔和盲孔之间的坡口施焊，或对开有坡口的整条焊缝施焊，再在焊缝两端之间等间距加工出点状重熔区域，从而对模具疲劳裂纹实施有效修复；采用本发明修复的模具与传统堆焊修复相比，其寿命提高1.2-3.6倍，由于仅在节点位置采用综合性能好、价格昂贵的材料填充，而节间位置采用性能普通、价格便宜的材料填充，即可保证模具的使用性能要求，故具有良好的性价比。

Description

激光修复模具疲劳裂纹的方法

技术领域

本发明属模具修复技术领域，具体涉及模具在急冷急热、循环受力等工况条件下产生的疲劳裂纹的修复方法。

背景技术

模具是制造业的重要基础装备，它是“无与伦比的利益放大器”。在电子、汽车、电机、家电和通信等行业中，60--80％的零部件都要依靠模具来完成。模具的质量直接决定着产品的质量，因此模具技术也是衡量一个国家产品生产水平的重要标志之一。近几年，我国模具产业总产值保持15％的年增长率，到2011年底模具产值预计达到1300亿元。近几年，世界模具市场的产量一直维持在600--650亿美元之间，所以，随着现代化工业生产的进一步发展，模具会发挥越来越重要的作用。

热作模具在模具行业中占有重要地位，在工业生产中应用的热作模具主要有压铸模、锤锻模、热挤压模等。这些模具在服役过程中受模具材料、工艺条件、外界环境等诸多因素的影响会发生失效，失效的基本形式包括以下几种：

1.塑性变形失效。由于热作模具在工作过程中，型腔内壁要与高温金属接触，内壁表层的热胀冷缩受到内层金属的制约而产生热应力，如果热应力大于材料在该温度下的屈服强度，塑性变形就会发生，久而久之，塑性变形达到一定程度后，模具由于型腔塌陷、型孔变大、棱角倒塌等使模具误差变大而失去使用价值。

2.疲劳失效。模具在循环载荷作用下，经过一定的服役周期，在一些应力较大区域，尤其是在应力集中区会萌生一些细小裂纹，并逐渐向纵深方向扩展，达到一定尺寸就会影响模具的承载能力而使模具失效。对于在急冷急热条件下循环工作的热作模具而言，其表面由于冷热交替带来的自由膨胀和收缩受到约束，而产生热疲劳裂纹。这些裂纹如果不及时修复，裂纹就会沿着长度和宽度方向继续扩展，如果遇到内部缺陷或应力集中区，也会向纵深方向扩展，严重影响模具的表面粗糙度，还会导致模具与高温金属粘连，使模具失效。

3.磨损失效。模具表面由于与被加工的零件表面相互摩擦，导致其发生磨损，随着磨损量的增加，模具尺寸偏差过大而无法达到尺寸精度，属于磨损失效。热作模具在高温条件下硬度降低，使其抗磨损性能下降。

4.断裂失效。模具的断裂失效有两种，一种是一次断裂，另一种是疲劳断裂。由于严重超载或者模具严重脆化，表面所受拉应力远远超过模具当前状态下的断裂强度，就会发生一次断裂。疲劳断裂往往是由于模具在经过了一定周次的使用后，产生了疲劳裂纹，疲劳裂纹向纵深方向进一步扩展造成的。

疲劳失效是热作模具在服役过程中最为常见的一种失效形式，因此如何修复模具的疲劳裂纹以提高模具寿命是国内外学者一直关注的问题之一。虽然近年来，在模具疲劳裂纹修复方面取得了一定进展，但效果并不理想，修复后的部位往往成为了疲劳裂纹产生的敏感区域。

发明内容

本发明的目的在于根据仿生原理提出一种能有效修复模具疲劳裂纹的工艺方法。

在科学技术快速发展的今天，仿生已经成为获得新材料和新技术最为有效的途径之一。自然界中的植物和动物在亿万年的进化过程中，不仅完全适应自然，而且其进化程度接近完美。许多科学技术问题都从植物和动物对自然的适应规律中寻找到了答案。同样，模具疲劳裂纹的修复问题，在竹子和植物秸秆等植物体结构中得到了启示。

通过对竹子和植物秸秆等结构的研究发现，它们有着共同的结构，即都是由关节部位和节间部分组成。以竹子为例，竹子是自然界中存在的典型的具有良好力学性能的生物体之一，在大自然中要经历风吹雨打以及严寒和酷暑，节间部位往往会产生一些裂纹，但是这些裂纹通常是被限制在了两个相邻的竹节之间，裂纹很难穿过竹节继续扩展，这主要是由于节部的强度和韧性远远高于节间部分，对裂纹的扩展起到了阻碍作用。

本发明中，从竹子和植物秸秆这种特殊结构出发，仿生设计了新型的裂纹修复焊缝，这种新型的焊缝存在间隔的“关节”，从而起到了阻碍裂纹扩展的作用。

本发明的激光修复模具疲劳裂纹的方法包括下列内容：

(1)根据裂纹宽度将裂纹分为两类：A类裂纹为宽度小于0.5mm的裂纹，B类裂纹为宽度等于或大于0.5mm的裂纹；

(2)A类裂纹的修复包括下列步骤：

2.1将裂纹内部及周围清理干净，在裂纹扩展方向的两端，在氩气的保护下，通过激光熔凝、激光填丝堆焊或激光熔覆的方法，在点状区域内施焊，形成阻止裂纹扩展的节点；

施焊具体分为两种：

2.1.1通过激光熔凝修复裂纹，再用与母材同种成分的激光焊丝填充点状区域中形成的凹坑；

2.1.2在裂纹中预置合金粉末，再通过激光熔覆修复裂纹；

其中：合金粉末的成分为Fe30A与WC或SiC的混合粉末、Ni45与WC或SiC的混合粉末、Co50与WC或SiC的混合粉末，WC或SiC粉末所占质量百分比为0--70％；

2.2在氩气的保护下，通过激光熔凝、激光填丝堆焊或激光熔覆的方法，在裂纹两端之间制备出间距为4-10mm的其它节点；

(3)B类裂纹的修复包括两种方法：

3.1)方法一包括下列步骤：

3.1.1将裂纹内部及周围清理干净，根据裂纹宽度和深度开出坡口，然后采用机械加工或激光打孔的方法，在裂纹两端各加工出一个盲孔，两盲孔之间再等间距加工出其他盲孔；

两盲孔的间距为：4--10mm，盲孔的直径大于裂纹宽度2-5mm，盲孔的深度大于裂纹的深度1-3mm，同一条裂纹上盲孔的直径相同。

3.1.2在氩气的保护下，通过激光熔凝的方法向盲孔中填充与模具基体相同成分或不同成分的合金焊丝，焊丝需填满盲孔，并高于模具基体1-2mm；

或向盲孔中填充陶瓷与合金的混合粉末，在氩气的保护下，通过激光熔覆的方法将陶瓷与合金的混合粉末熔化，熔覆过程采取一次或多次进行，凝固后裂纹消失，进而达到修复裂纹的目的.陶瓷与合金的混合粉末需填满盲孔，并高于模具基体1-2mm。

其中：不同成分的合金焊丝的强度、韧性和硬度需优于模具基体材料；陶瓷与合金的混合粉末为：Fe30A与WC或SiC的混合粉末、Ni45与WC或SiC的混合粉末、Co50与WC或SiC的混合粉末，WC或SiC粉末所占质量百分比为0--70％；

3.1.3在氩气的保护下，通过激光熔凝和激光熔覆方法，用与基体同种成分的焊丝填充盲孔与盲孔之间的其他位置，施焊过程通过一次或多次进行，多次进行时采用逐层堆积方式，完成后焊缝高于模具基体1-2mm；

3.2)方法二包括下列步骤：

3.2.1将裂纹内部及周围清理干净，根据裂纹宽度和深度开出坡口，在氩气保护下，通过激光填丝堆焊修复裂纹，激光填丝堆焊的施焊过程一次或多次进行，多次进行时采用逐层堆积方式，完成后焊缝高于模具基体1-2mm；

3.2.2在裂纹修复后的焊缝的两端，采用激光熔凝方法，加工出点状重熔区域，并在两端之间等间距加工出其它点状重熔区域。

本发明的有益效果在于：采用本发明所修复的模具与传统堆焊修复相比，模具使用寿命可提高1.2-3.6倍。由于在本发明中节点位置可以采用综合性能好但价格昂贵的材料填充，而节间位置可以采用性能普通价格便宜的材料填充，在保证模具使用性能要求的同时，极大的节省了材料，经济效果良好。

附图说明

图1为具有竹子关节形结构焊缝的俯视图

图2为具有竹子关节形结构焊缝的左视图

图3为具有竹子关节形结构焊缝的正视图

图4为H13压铸模具表面裂纹的照片

图5为采用激光修复模具疲劳裂纹的方法对H13压铸模具表面裂纹修复后的照片

其中：1.模具基体    2.节点    3.节间

具体实施方式

下面结合实例具体说明本发明的内容和实施方式：

实施例一 本实施例以H13压铸模具浇道口位置上的开口较大，深度较深的疲劳裂纹为实施对象，采用本发明中B类裂纹的修复方法二实施修复，具体数据为：

实施例二 本实施例的实施对象是H13压铸模具表面疲劳裂纹

参照图4，裂纹的宽度约2mm，深度约1mm。采用本发明B类裂纹的修复方法修复，孔的直径3mm，孔间距5mm，孔中和孔间的填充材料均为H13焊丝。

修复后的效果参照图5，采用本发明的方法修复后的该模具使用寿命与传统堆焊修复相比提高了3倍。

B类裂纹修复方法二的步骤3.2.2中，在裂纹修复后的焊缝的两端，采用激光熔凝方法，加工出点状重熔区域，并在两端之间等间距加工出其它点状重熔区域，激光熔凝的参数为：

电流10-220A，脉冲宽度：4-10ms，频率：4-8Hz，离焦量：5-6mm。相邻节点间的距离为4-10mm。

本发明采用激光加工设备对焊丝及陶瓷与合金的混合粉末进行熔化，激光参数如下：单脉冲能量：8-20J、光斑直径：0.4-0.6mm、脉冲频率：4-8Hz、扫面速度：0.3-1mm/s。

Claims (2)

1.一种激光修复模具疲劳裂纹的方法，其特征在于包括下列内容：

(1)根据裂纹宽度将裂纹分为两类：A类裂纹为宽度小于0.5mm的裂纹，B类裂纹为宽度等于或大于0.5mm的裂纹；

(2)A类裂纹的修复包括下列步骤：

2.1将裂纹内部及周围清理干净，在裂纹扩展方向的两端，在氩气的保护下，通过激光熔凝、激光填丝堆焊或激光熔覆的方法，在点状区域内施焊，形成阻止裂纹扩展的节点；

施焊具体分为两种：

2.1.1通过激光熔凝修复裂纹，再用与母材同种成分的激光焊丝填充点状区域中形成的凹坑；

2.1.2在裂纹中预置合金粉末，再通过激光熔覆修复裂纹；

其中：合金粉末的成分为Fe30A与WC或SiC的混合粉末、Ni45与WC或SiC的混合粉末、Co50与WC或SiC的混合粉末，WC或SiC粉末所占质量百分比为0--70％；

2.2在氩气的保护下，通过激光熔凝、激光填丝堆焊或激光熔覆的方法，在裂纹两端之间制备出间距为4-10mm的其它节点；

(3)B类裂纹的修复包括两种方法：

3.1)方法一包括下列步骤：

3.1.1将裂纹内部及周围清理干净，根据裂纹宽度和深度开出坡口，然后采用机械加工或激光打孔的方法，在裂纹两端各加工出一个盲孔，两盲孔之间再等间距加工出其他盲孔；

3.1.2在氩气的保护下，通过激光熔凝的方法向盲孔中填充与模具基体相同成分或不同成分的合金焊丝，焊丝需填满盲孔，并高于模具基体1-2mm；

或向盲孔中填充陶瓷与合金的混合粉末，在氩气的保护下，通过激光熔覆的方法将陶瓷与合金的混合粉末熔化，熔覆过程采取一次或多次进行，陶瓷与合金的混合粉末需填满盲孔，并高于模具基体1-2mm；

其中：不同成分的合金焊丝的强度、韧性和硬度需优于模具基体材料；陶瓷与合金的混合粉末为：Fe30A与WC或SiC的混合粉末、Ni45与WC或SiC的混合粉末、Co50与WC或SiC的混合粉末，WC或SiC粉末所占质量百分比为0--70％；

3.1.3在氩气的保护下，通过激光熔凝和激光熔覆方法，用与基体同种成分的焊丝填充盲孔与盲孔之间的其他位置，施焊过程通过一次或多次进行，多次进行时采用逐层堆积方式，完成后焊缝高于模具基体1-2mm；

3.2)方法二包括下列步骤：

3.2.1将裂纹内部及周围清理干净，根据裂纹宽度和深度开出坡口，在氩气保护下，通过激光填丝堆焊修复裂纹，激光填丝堆焊的施焊过程一次或多次进行，多次进行时采用逐层堆积方式，完成后焊缝高于模具基体1-2mm；

3.2.2在裂纹修复后的焊缝的两端，采用激光熔凝方法，加工出点状重熔区域，并在两端之间等间距加工出其它点状重熔区域。

2.按权利要求1所述的激光修复模具疲劳裂纹的方法，其特征在于步骤3.1.1所述的盲孔，其两盲孔的间距为：4--10mm，盲孔的直径大于裂纹宽度2-5mm，盲孔的深度大于裂纹的深度1-3mm，同一条裂纹上盲孔的直径相同。

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