CN116083914A - 铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法 - Google Patents

铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法，包括如下步骤：(1)激光熔覆前粗加工；(2)预去应力退火；(3)抛丸处理；(4)激光熔覆前预热；(5)激光熔覆；(6)激光熔覆后去应力退火。本发明有效去除了激光熔覆前模具的铸造应力和加工应力以及激光熔覆后的焊接应力，从根本上解决了焊层开裂的问题，提高了模具的使用寿命；本发明利用激光熔覆焊，具有自动化程度，焊粉利用率高的优点，提高了铜合金玻璃模具的稳定性和使用的可靠性。

Description

铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法
技术领域
本发明涉及玻璃模具制备技术领域，特别是涉及一种铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法。
背景技术
在玻璃瓶罐类制品的成形过程中，玻璃模具不仅是玻璃瓶罐成型的模具，更是高温玻璃溶液与周围环境进行热交换的媒介，用于周期性的将1100℃以上的熔融玻璃液成型为600℃以下的玻璃瓶罐。根据行列机成型工艺的不同以及玻璃模具材质的不同，玻璃瓶罐的成型周期一般在5秒至10秒之间，而玻璃模具在行列机上一般要连续工作几百个小时，在此过程中需要高频率地反复开模和合模。由于长时间的高温作业，玻璃模具需要具有较好的耐高温性能和抗氧化的能力，在此工作过程中还会受到机械撞击和巨大的热应力的作用。在上述高温作业及多种作用力的综合作用下，通常会导致玻璃模具出现开裂氧化等失效情况。特别是在所谓的合缝线、头颈和接线三个区域最容易产生这种失效，导致生产出的玻璃制品因合缝线区域表面质量问题和理化性能不达标而报废。
根据玻璃模具使用工况的特点，为提高玻璃模具耐高温、耐磨损、抗氧化及抗热疲劳等性能，业界通常会对玻璃模具的合缝线、头颈和接线位置进行自熔性镍基合金表面改性，以提高模具性能，延长其使用寿命，以达到提高玻璃厂生产加工效率及可靠性和降低生产成本的目的。
目前，普通玻璃模具一般是以灰铸铁作为制造材料。所采用的表面改性方法有氧-乙炔火焰喷焊，等离子堆焊，包括近年来引进的激光熔覆等表面改性技术。
铜合金玻璃模具，一方面由于铜合金本身的导热率高，玻璃料的热传导快，可以使热传输更加均匀，以提高行列机的生产机速，使生产出的玻璃瓶壁厚均匀，表面质量好；另一方面由于铜合金本身的抗氧化性、耐高温和高温强度等都显著优于铸铁，高温使用寿命约是铸铁的2.5倍。因此近年来随着行业的发展，高端的长线产品，例如高档红酒瓶、饮料瓶等，大都采用铜合金作为模具制造材料。
但是铜合金玻璃模具的表面改性尚处于探究阶段。现有的氧-乙炔火焰喷焊和等离子堆焊法虽然能够在铜合金玻璃模具的基材表面制备合金熔覆层，但存在劳动强度大，严重依赖工人经验，成型质量不稳定等缺点，无法完全满足生产的要求。激光熔覆技术虽然具有节约资源、自动化程度高等特点，但是使用目前已有的技术，对于铸铁玻璃模具有比较好的效果，而对于铜合金玻璃模具则工艺性能非常不稳定。以中国专利CN 113755833 A为例，其公开了一种铜合金初模玻璃模具激光熔覆镍基合金粉末工艺。申请人按照其介绍的方法及工艺条件进行生产，虽然在玻璃模具生产完成后，不能在模具厂检测出其存在激光熔覆焊层方面的问题，但是一旦上行列机使用时，遇到1100℃的高温，玻璃液就会在焊层处出现拉裂的情况，而且这种裂纹会随着上机时间的延长直接延伸到铜合金母材当中，基本上在上机3小时后铜合金模具就会报废。这对于原本正常工作寿命应该达到几千小时的铜合玻璃模具来说是不可接受的。
发明内容
本发明通过提供一种铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法，解决了现有技术中激光熔覆焊铜合金玻璃模具焊层上机后开裂的情况。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法，包括如下步骤：
(1)激光熔覆前粗加工：对铜合金玻璃模具需要进行表面熔覆改性的区域进行机械加工，加工中控制熔覆区域的形状及尺寸；
(2)预去应力退火：将步骤(1)中粗加工后的铜合金玻璃模具半成品置入退火炉中进行预去应力退火处理；
(3)抛丸处理：使用抛丸机对步骤(2)中去应力退火处理后的铜合金玻璃模具半成品的熔覆区域进行抛丸处理；
(4)激光熔覆前预热：将步骤(3)中完成抛丸处理的铜合金玻璃模具半成品置入加热炉内进行预热处理；
(5)激光熔覆：根据熔覆运动轨迹程序，根据步骤(5)中设计的熔覆运动轨迹程序，通过激光熔覆工艺将镍基合金粉熔覆到预热处理后的所述铜合金成模具半成品的熔覆区域；
(6)激光熔覆后去应力退火：将步骤(6)中完成激光熔覆后的所述铜合金成模具半成品置入退火炉中进行去应力退火处理，得到所述铜合金玻璃模具。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤(2)中，所述预去应力退火处理的工艺条件为：以低于100℃/h的升温速度从室温升温至600～650℃，恒温保持3～4小时，再以低于30℃/h的速度降温至200～250℃，出炉，空冷至室温。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤(4)中，所述预热处理的工艺条件为：温度为200～250℃，时间为1～12h。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤(5)中，所述激光熔覆工艺的条件为：激光输出功率1800～3000W，焦点光斑直径为5.0mm，镍基合金粉末的送粉量为26～28g/min。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤(6)中，所述激光熔覆后去应力退火处理的工艺条件为：以低于100℃/h的升温速度从室温升温至600～650℃，恒温保持3～4小时，再以低于30℃/h的速度降温至200～250℃，出炉，空冷至室温。
本发明的有益效果是：本发明一种铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法，通过预去应力退火、抛丸处理、激光熔覆和激光熔覆后去应力退火工序的设计，有效去除了激光熔覆前模具的铸造应力和加工应力以及激光熔覆后的焊接应力，通过抛丸处理提高了焊层与母材的结合力，从根本上解决了焊层开裂的问题，提高了模具的使用寿命；本发明利用激光熔覆焊，具有自动化程度，焊粉利用率高的优点，提高了铜合金玻璃模具的稳定性和使用的可靠性。
附图说明
图1是本发明一种铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1，本发明实施例包括：
实施例1
本发明公开了一种铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法，具体为红酒瓶用铜合金玻璃模具，包括如下步骤：
(1)激光熔覆前粗加工：对铜合金玻璃模具需要进行表面熔覆改性的区域进行机械加工，加工中控制熔覆区域的形状及尺寸，表面熔覆改性的区域通常为合缝线、头颈和接线三个区域，也可以为其他区域或整个模具内腔；
(2)预去应力退火：将步骤(1)中粗加工后的铜合金玻璃模具半成品置入退火炉中进行预去应力退火处理，其目的是消除铜合金玻璃模具铸件自身的存在的铸造应力和机械粗加工产生的加工应力；
所述去应力退火处理的工艺条件为：以低于100℃/h的升温速度从室温升温至650℃，恒温保持4小时，再以低于30℃/h的速度降温至250℃，出炉，空冷至室温；
(3)丸处理：采用旋转式抛丸机，使用1mm直径的钢丸对完成预去应力退火的铜合金玻璃模具半成品的激光熔覆区进行抛丸处理；
抛丸处理的目的：
一是去除机械加工不可避免产生的毛刺和预去应力退火过程产生的氧化层，毛刺在激光熔覆过程中会稀释到焊层中，导致焊层变硬，增加焊层开裂的风险，增大后续机械加工的难度；氧化层会影响焊层和铜合金母材的结合，导致出现熔渣、焊层气孔，甚至焊层脱落等问题。
二是降低铜合金玻璃模具半成品熔覆区域的表面粗糙度。由于铜合金材质本身的属性问题，机械加工完后，其表面形成镜面的粗糙度比较小，这导致激光熔覆时出现镜面反射，降低了激光能量的吸收，从而影响焊层的熔覆基于母材的结合。通过抛丸处理能增大粗糙度，使激光照射到其表面形成漫反射，增加了激光功率的吸收率，有助于提高熔覆镍基合金和母材的结合力和可靠性。
(4)激光熔覆前预热：将步骤(3)中完成表面处理的铜合金玻璃模具半成品置入加热炉内，在200℃下进行预热处理3h；
由于在相同温度下，铜合金的导热率是铸铁的1.5倍以上，不经预热的铜合金半成品直接进行激光熔覆，激光焊能量照射到铜合金母材表面形成熔池，同时利用送粉气，经激光送粉嘴喷射出的熔融状态的自溶性镍基合金粉射入熔池与母材结合，形成的高温熔池达到1300℃以上的高温，而铜合金熔池区域外的母材是室温温度，熔池局部与母材整体之间的温度差梯度在1300℃以上，并且由于激光熔覆的自身属性，扫描过程中的温度是骤升骤降，在5秒钟左右的时间内，会迅速从室温上升至1300℃以上，接着下降到150℃左右。之后再缓慢下降。这种工艺情况导致产生的熔覆焊接应力巨大，是导致熔覆焊层上机开裂的根本原因。因此，通过对准备激光熔覆的铜合金半成品进行预热，并将预热温度控制在200～250℃之间，一方面在这个温度区间内，铜合金不会产生氧化层，另一方面佩戴普通防烫手套可以直接进行操作，无需专用的夹钳等额外工具，操作简便。
(5)激光熔覆：选择固液相范围较广的自熔性镍基合金粉，采用离线编程软件Robotmaster进行三维模拟的轨迹编程，生成熔覆运动轨迹程序，然后下载至激光熔覆系统中，根据生成的熔覆运动轨迹程序，通过激光熔覆工艺将镍基合金粉熔覆到预热处理后的所述铜合金成模具半成品的熔覆区域；所述激光熔覆工艺的条件为：激光输出功率2300W，焦点光斑直径为5.0mm，在氩气气氛下，镍基合金粉末的送粉量为28g/min，熔覆头送粉嘴工作距离为20mm；
(6)激光熔覆后去应力退火：将步骤(6)中完成激光熔覆后的所述铜合金成模具半成品置入退火炉中进行去应力退火处理，得到所述铜合金玻璃模具。所述激光熔覆后去应力退火处理的工艺条件为：以低于100℃/h的升温速度从室温升温至650℃，恒温保持4小时，再以低于30℃/h的速度降温至250℃，出炉，空冷至室温。再根据实际需要进行精加工。
通过上述方法制备得到的红酒瓶用铜合金玻璃模具用在行列机上进行生产红酒玻璃瓶，经试生产，连续工作300h后，模具仍完好，无焊层开裂及母材拉裂的情况，总工作时间达到1600小时，之后因其他原因报废，仍然无焊层开裂及母材拉裂的情况。
本发明一种铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法，具有如下优点：
1、采用预先去应力热处理的方法，减少了由于铜合金铸件本身存在的铸造应力和机械粗加工产生的加工应力，防止两者在进行激光熔覆的时候与焊接应力共同叠加作用，对焊层拉裂起推波助澜的作用。
2、通过抛丸表面处理增加了铜合金加工表面的粗糙度，防止对激光形成镜面反射，提高了固定功率激光发生器的利用率，同时避免使用大功率激光输入造成镍基自熔性焊层的稀释率过大而导致焊层和母材开裂的问题。
3、通过在激光熔覆前进行低温预热，降低了铜合金母材基体与铜合金熔池局部之间的温度梯度，减小因激光熔覆而产生的焊接应力，防止焊接过程中开裂，从而减轻焊接的残留应力。
4、通过对激光熔覆完成的铜合金玻璃模具进行去应力退火，将焊接的残留应力尽可能去除，保证在后续的机械加工和玻璃厂上机使用铜合金玻璃模具产品时候出现焊层和母材的拉裂的情况，确保了铜合金玻璃模具成模使用的稳定性和可靠性。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)激光熔覆前粗加工：对铜合金玻璃模具需要进行表面熔覆改性的区域进行机械加工，加工中控制熔覆区域的形状及尺寸；
(2)预去应力退火：将步骤(1)中粗加工后的铜合金玻璃模具半成品置入退火炉中进行预去应力退火处理；
(3)抛丸处理：使用抛丸机对步骤(2)中去应力退火处理后的铜合金玻璃模具半成品的熔覆区域进行抛丸处理；
(4)激光熔覆前预热：将步骤(3)中完成表面处理的铜合金玻璃模具半成品置入加热炉内进行预热处理；
(5)激光熔覆：根据熔覆运动轨迹程序，通过激光熔覆工艺将镍基合金粉熔覆到预热处理后的所述铜合金成模具半成品的熔覆区域；
(6)激光熔覆后去应力退火：将步骤(5)中完成激光熔覆后的所述铜合金成模具半成品置入退火炉中进行去应力退火处理，得到所述铜合金玻璃模具。
2.根据权利要求1所示的铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述预去应力退火处理的工艺条件为：以低于100℃/h的升温速度从室温升温至600～650℃，恒温保持3～4小时，再以低于30℃/h的速度降温至200～250℃，出炉，空冷至室温。
3.根据权利要求1所示的铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述预热处理的工艺条件为：温度为200～250℃，时间为1～12h。
4.根据权利要求1所示的铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述激光熔覆工艺的条件为：激光输出功率1800～3000W，焦点光斑直径为5.0mm，镍基合金粉末的送粉量为26～28g/min。
5.根据权利要求1所示的铜合金玻璃模具激光熔覆自熔性镍基合金粉末的方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所述激光熔覆后去应力退火处理的工艺条件为：以低于100℃/h的升温速度从室温升温至600～650℃，恒温保持3～4小时，再以低于30℃/h的速度降温至200～250℃，出炉，空冷至室温。
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