雷射修復模具疲勞裂紋的方法
2023-06-07 04:51:41
專利名稱：雷射修復模具疲勞裂紋的方法
技術領域：
本發明屬模具修復技術領域，具體涉及模具在急冷急熱、循環受力等工況條件下產生的疲勞裂紋的修複方法。
背景技術：
模具是製造業的重要基礎裝備，它是「無與倫比的利益放大器」。在電子、汽車、電機、家電和通信等行業中，60-80 %的零部件都要依靠模具來完成。模具的質量直接決定著產品的質量，因此模具技術也是衡量一個國家產品生產水平的重要標誌之一。近幾年，我國模具產業總產值保持15%的年增長率，到2011年底模具產值預計達到1300億元。近幾年，世界模具市場的產量一直維持在600-650億美元之間，所以，隨著現代化工業生產的進一步發展，模具會發揮越來越重要的作用。
熱作模具在模具行業中佔有重要地位，在工業生產中應用的熱作模具主要有壓鑄模、錘鍛模、熱擠壓模等。這些模具在服役過程中受模具材料、工藝條件、外界環境等諸多因素的影響會發生失效，失效的基本形式包括以下幾種1.塑性變形失效。由於熱作模具在工作過程中，型腔內壁要與高溫金屬接觸，內壁表層的熱脹冷縮受到內層金屬的制約而產生熱應力，如果熱應力大於材料在該溫度下的屈服強度，塑性變形就會發生，久而久之，塑性變形達到一定程度後，模具由於型腔塌陷、型孔變大、稜角倒塌等使模具誤差變大而失去使用價值。2.疲勞失效。模具在循環載荷作用下，經過一定的服役周期，在一些應力較大區域，尤其是在應力集中區會萌生一些細小裂紋，並逐漸向縱深方向擴展，達到一定尺寸就會影響模具的承載能力而使模具失效。對於在急冷急熱條件下循環工作的熱作模具而言，其表面由於冷熱交替帶來的自由膨脹和收縮受到約束，而產生熱疲勞裂紋。這些裂紋如果不及時修復，裂紋就會沿著長度和寬度方向繼續擴展，如果遇到內部缺陷或應力集中區，也會向縱深方向擴展，嚴重影響模具的表面粗糙度，還會導致模具與高溫金屬粘連，使模具失效。3.磨損失效。模具表面由於與被加工的零件表面相互摩擦，導致其發生磨損，隨著磨損量的增加，模具尺寸偏差過大而無法達到尺寸精度，屬於磨損失效。熱作模具在高溫條件下硬度降低，使其抗磨損性能下降。4.斷裂失效。模具的斷裂失效有兩種，一種是一次斷裂，另一種是疲勞斷裂。由於嚴重超載或者模具嚴重脆化，表面所受拉應力遠遠超過模具當前狀態下的斷裂強度，就會發生一次斷裂。疲勞斷裂往往是由於模具在經過了一定周次的使用後，產生了疲勞裂紋，疲勞裂紋向縱深方向進一步擴展造成的。疲勞失效是熱作模具在服役過程中最為常見的一種失效形式，因此如何修復模具的疲勞裂紋以提高模具壽命是國內外學者一直關注的問題之一。雖然近年來，在模具疲勞裂紋修複方面取得了一定進展，但效果並不理想，修復後的部位往往成為了疲勞裂紋產生的敏感區域。
發明內容
本發明的目的在於根據仿生原理提出一種能有效修復模具疲勞裂紋的工藝方法。在科學技術快速發展的今天，仿生已經成為獲得新材料和新技術最為有效的途徑之一。自然界中的植物和動物在億萬年的進化過程中，不僅完全適應自然，而且其進化程度接近完美。許多科學技術問題都從植物和動物對自然的適應規律中尋找到了答案。同樣，模具疲勞裂紋的修復問題，在竹子和植物秸杆等植物體結構中得到了啟示。通過對竹子和植物秸杆等結構的研究發現，它們有著共同的結構，即都是由關節部位和節間部分組成。以竹子為例，竹子是自然界中存在的典型的具有良好力學性能的生物體之一，在大自然中要經歷風吹雨打以及嚴寒和酷暑，節間部位往往會產生一些裂紋，但是這些裂紋通常是被限制在了兩個相鄰的竹節之間，裂紋很難穿過竹節繼續擴展，這主要是由於節部的強度和韌性遠遠高於節間部分，對裂紋的擴展起到了阻礙作用。本發明中，從竹子和植物秸杆這種特殊結構出發，仿生設計了新型的裂紋修復焊 縫，這種新型的焊縫存在間隔的「關節」，從而起到了阻礙裂紋擴展的作用。本發明的雷射修復模具疲勞裂紋的方法包括下列內容(I)根據裂紋寬度將裂紋分為兩類A類裂紋為寬度小於0. 5mm的裂紋，B類裂紋為寬度等於或大於0. 5mm的裂紋；(2)A類裂紋的修復包括下列步驟2.1將裂紋內部及周圍清理乾淨，在裂紋擴展方向的兩端，在氬氣的保護下，通過雷射熔凝、雷射填絲堆焊或雷射熔覆的方法，在點狀區域內施焊，形成阻止裂紋擴展的節佔.施焊具體分為兩種2.1.1通過雷射熔凝修復裂紋，再用與母材同種成分的雷射焊絲填充點狀區域中形成的凹坑；2.1. 2在裂紋中預置合金粉末，再通過雷射熔覆修復裂紋；其中合金粉末的成分為Fe30A與WC或SiC的混合粉末、Ni45與WC或SiC的混合粉末、Co50與WC或SiC的混合粉末，WC或SiC粉末所佔質量百分比為0—70% ；2. 2在氬氣的保護下，通過雷射熔凝、雷射填絲堆焊或雷射熔覆的方法，在裂紋兩端之間製備出間距為4-10mm的其它節點；(3) B類裂紋的修復包括兩種方法3.1)方法一包括下列步驟3.1.1將裂紋內部及周圍清理乾淨，根據裂紋寬度和深度開出坡口，然後採用機械加工或雷射打孔的方法，在裂紋兩端各加工出一個盲孔，兩盲孔之間再等間距加工出其他盲孔；兩盲孔的間距為4--10mm，盲孔的直徑大於裂紋寬度2_5mm，盲孔的深度大於裂紋的深度l_3mm，同一條裂紋上盲孔的直徑相同。3.1. 2在氬氣的保護下，通過雷射熔凝的方法向盲孔中填充與模具基體相同成分或不同成分的合金焊絲，焊絲需填滿盲孔，並高於模具基體l_2mm ；或向盲孔中填充陶瓷與合金的混合粉末，在氬氣的保護下，通過雷射熔覆的方法將陶瓷與合金的混合粉末熔化，熔覆過程採取一次或多次進行，凝固後裂紋消失，進而達到修復裂紋的目的.陶瓷與合金的混合粉末需填滿盲孔，並高於模具基體l_2mm。其中不同成分的合金焊絲的強度、韌性和硬度需優於模具基體材料；陶瓷與合金的混合粉末為Fe30A與WC或SiC的混合粉末、Ni45與WC或SiC的混合粉末、Co50與WC或SiC的混合粉末，WC或SiC粉末所佔質量百分比為0—70% ；3.1. 3在氬氣的保護下，通過雷射熔凝和雷射熔覆方法，用與基體同種成分的焊絲填充盲孔與盲孔之間的其他位置，施焊過程通過一次或多次進行，多次進行時採用逐層堆積方式，完成後焊縫高於模具基體l_2mm ；3. 2)方法二包括下列步驟3.2.1將裂紋內部及周圍清理乾淨，根據裂紋寬度和深度開出坡口，在氬氣保護 下，通過雷射填絲堆焊修復裂紋，雷射填絲堆焊的施焊過程一次或多次進行，多次進行時採用逐層堆積方式，完成後焊縫高於模具基體l_2mm ；3. 2. 2在裂紋修復後的焊縫的兩端，採用雷射熔凝方法，加工出點狀重熔區域，並在兩端之間等間距加工出其它點狀重熔區域。本發明的有益效果在於採用本發明所修復的模具與傳統堆焊修復相比，模具使用壽命可提高1. 2-3. 6倍。由於在本發明中節點位置可以採用綜合性能好但價格昂貴的材料填充，而節間位置可以採用性能普通價格便宜的材料填充，在保證模具使用性能要求的同時，極大的節省了材料，經濟效果良好。
圖1為具有竹子關節形結構焊縫的俯視2為具有竹子關節形結構焊縫的左視3為具有竹子關節形結構焊縫的正視4為H13壓鑄模具表面裂紋的照片圖5為採用雷射修復模具疲勞裂紋的方法對H13壓鑄模具表面裂紋修復後的照片其中1.模具基體 2.節點 3.節間
具體實施例方式下面結合實例具體說明本發明的內容和實施方式實施例一本實施例以H13壓鑄模具澆道口位置上的開口較大，深度較深的疲勞
裂紋為實施對象，採用本發明中B類裂紋的修複方法二實施修復，具體數據為
\ 裂紋寬度裂紋深度節點(盲孔) 節間填充節點(盲孔)模具提高 \\ (mm) (mm)填充材料材料間距(mm)使用壽命
I0.50.5Fe30A100% H13 雷射22 倍
權利要求
1.一種雷射修復模具疲勞裂紋的方法，其特徵在於包括下列內容(1)根據裂紋寬度將裂紋分為兩類A類裂紋為寬度小於O.5mm的裂紋，B類裂紋為寬度等於或大於O. 5mm的裂紋；(2)A類裂紋的修復包括下列步驟2.1將裂紋內部及周圍清理乾淨，在裂紋擴展方向的兩端，在氬氣的保護下，通過雷射熔凝、雷射填絲堆焊或雷射熔覆的方法，在點狀區域內施焊，形成阻止裂紋擴展的節點；施焊具體分為兩種2.1.1通過雷射熔凝修復裂紋，再用與母材同種成分的雷射焊絲填充點狀區域中形成的凹坑；2.1. 2在裂紋中預置合金粉末，再通過雷射熔覆修復裂紋；其中合金粉末的成分為Fe30A與WC或SiC的混合粉末、Ν 45與WC或SiC的混合粉末、Co50與WC或SiC的混合粉末，WC或SiC粉末所佔質量百分比為0—70% ；2.2在氬氣的保護下，通過雷射熔凝、雷射填絲堆焊或雷射熔覆的方法，在裂紋兩端之間製備出間距為4-10mm的其它節點；(3)B類裂紋的修復包括兩種方法3.1)方法一包括下列步驟3.1.1將裂紋內部及周圍清理乾淨，根據裂紋寬度和深度開出坡口，然後採用機械加工或雷射打孔的方法，在裂紋兩端各加工出一個盲孔，兩盲孔之間再等間距加工出其他盲孔；3.1. 2在氬氣的保護下，通過雷射熔凝的方法向盲孔中填充與模具基體相同成分或不同成分的合金焊絲，焊絲需填滿盲孔，並高於模具基體l_2mm ；或向盲孔中填充陶瓷與合金的混合粉末，在氬氣的保護下，通過雷射熔覆的方法將陶瓷與合金的混合粉末熔化，熔覆過程採取一次或多次進行，陶瓷與合金的混合粉末需填滿盲孔，並高於模具基體l_2mm ；其中不同成分的合金焊絲的強度、韌性和硬度需優於模具基體材料；陶瓷與合金的混合粉末為Fe30A與WC或SiC的混合粉末、Ν 45與WC或SiC的混合粉末、Co50與WC或SiC的混合粉末，WC或SiC粉末所佔質量百分比為0—70% ；3.1. 3在氬氣的保護下，通過雷射熔凝和雷射熔覆方法，用與基體同種成分的焊絲填充盲孔與盲孔之間的其他位置，施焊過程通過一次或多次進行，多次進行時採用逐層堆積方式，完成後焊縫高於模具基體l_2mm ；3.2)方法二包括下列步驟3.2.1將裂紋內部及周圍清理乾淨，根據裂紋寬度和深度開出坡口，在氬氣保護下，通過雷射填絲堆焊修復裂紋，雷射填絲堆焊的施焊過程一次或多次進行，多次進行時採用逐層堆積方式，完成後焊縫高於模具基體l_2mm ；3.2. 2在裂紋修復後的焊縫的兩端，採用雷射熔凝方法，加工出點狀重熔區域，並在兩端之間等間距加工出其它點狀重熔區域。
2.按權利要求1所述的雷射修復模具疲勞裂紋的方法，其特徵在於步驟3.1.1所述的盲孔，其兩盲孔的間距為4-10mm，盲孔的直徑大於裂紋寬度2_5mm，盲孔的深度大於裂紋的深度l_3mm，同一條裂紋上盲孔的直徑相同。
全文摘要
雷射修復模具疲勞裂紋的方法屬模具修復技術領域，本發明對寬度小於0.5mm的裂紋，採用雷射熔凝、雷射填絲堆焊或雷射熔覆的方法，在點狀區域內施焊、裂紋兩端間製備出等間距節點；對寬度等於或大於0.5mm的裂紋，採用雷射熔凝、雷射填絲堆焊或雷射熔覆的方法對加工出的盲孔和盲孔之間的坡口施焊，或對開有坡口的整條焊縫施焊，再在焊縫兩端之間等間距加工出點狀重熔區域，從而對模具疲勞裂紋實施有效修復；採用本發明修復的模具與傳統堆焊修復相比，其壽命提高1.2-3.6倍，由於僅在節點位置採用綜合性能好、價格昂貴的材料填充，而節間位置採用性能普通、價格便宜的材料填充，即可保證模具的使用性能要求，故具有良好的性價比。
文檔編號B23K26/34GK102995001SQ20111026975
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月13日 優先權日2011年9月13日
發明者周宏 , 叢大龍, 任露泉, 周倜, 張鵬, 王傳偉, 孟超 申請人:吉林大學