專利名稱：激光修復(fù)模具疲勞裂紋的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬模具修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及模具在急冷急熱、循環(huán)受力等工況條件下產(chǎn)生的疲勞裂紋的修復(fù)方法。
背景技術(shù)：
模具是制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它是“無(wú)與倫比的利益放大器”。在電子、汽車、電機(jī)、家電和通信等行業(yè)中，60-80 %的零部件都要依靠模具來(lái)完成。模具的質(zhì)量直接決定著產(chǎn)品的質(zhì)量，因此模具技術(shù)也是衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)品生產(chǎn)水平的重要標(biāo)志之一。近幾年，我國(guó)模具產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值保持15%的年增長(zhǎng)率，到2011年底模具產(chǎn)值預(yù)計(jì)達(dá)到1300億元。近幾年，世界模具市場(chǎng)的產(chǎn)量一直維持在600-650億美元之間，所以，隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展，模具會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
熱作模具在模具行業(yè)中占有重要地位，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)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(guò)程中受模具材料、工藝條件、外界環(huán)境等諸多因素的影響會(huì)發(fā)生失效，失效的基本形式包括以下幾種1.塑性變形失效。由于熱作模具在工作過(guò)程中，型腔內(nèi)壁要與高溫金屬接觸，內(nèi)壁表層的熱脹冷縮受到內(nèi)層金屬的制約而產(chǎn)生熱應(yīng)力，如果熱應(yīng)力大于材料在該溫度下的屈服強(qiáng)度，塑性變形就會(huì)發(fā)生，久而久之，塑性變形達(dá)到一定程度后，模具由于型腔塌陷、型孔變大、棱角倒塌等使模具誤差變大而失去使用價(jià)值。2.疲勞失效。模具在循環(huán)載荷作用下，經(jīng)過(guò)一定的服役周期，在一些應(yīng)力較大區(qū)域，尤其是在應(yīng)力集中區(qū)會(huì)萌生一些細(xì)小裂紋，并逐漸向縱深方向擴(kuò)展，達(dá)到一定尺寸就會(huì)影響模具的承載能力而使模具失效。對(duì)于在急冷急熱條件下循環(huán)工作的熱作模具而言，其表面由于冷熱交替帶來(lái)的自由膨脹和收縮受到約束，而產(chǎn)生熱疲勞裂紋。這些裂紋如果不及時(shí)修復(fù)，裂紋就會(huì)沿著長(zhǎng)度和寬度方向繼續(xù)擴(kuò)展，如果遇到內(nèi)部缺陷或應(yīng)力集中區(qū)，也會(huì)向縱深方向擴(kuò)展，嚴(yán)重影響模具的表面粗糙度，還會(huì)導(dǎo)致模具與高溫金屬粘連，使模具失效。3.磨損失效。模具表面由于與被加工的零件表面相互摩擦，導(dǎo)致其發(fā)生磨損，隨著磨損量的增加，模具尺寸偏差過(guò)大而無(wú)法達(dá)到尺寸精度，屬于磨損失效。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。由于嚴(yán)重超載或者模具嚴(yán)重脆化，表面所受拉應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)模具當(dāng)前狀態(tài)下的斷裂強(qiáng)度，就會(huì)發(fā)生一次斷裂。疲勞斷裂往往是由于模具在經(jīng)過(guò)了一定周次的使用后，產(chǎn)生了疲勞裂紋，疲勞裂紋向縱深方向進(jìn)一步擴(kuò)展造成的。疲勞失效是熱作模具在服役過(guò)程中最為常見(jiàn)的一種失效形式，因此如何修復(fù)模具的疲勞裂紋以提高模具壽命是國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直關(guān)注的問(wèn)題之一。雖然近年來(lái)，在模具疲勞裂紋修復(fù)方面取得了一定進(jìn)展，但效果并不理想，修復(fù)后的部位往往成為了疲勞裂紋產(chǎn)生的敏感區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于根據(jù)仿生原理提出一種能有效修復(fù)模具疲勞裂紋的工藝方法。在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，仿生已經(jīng)成為獲得新材料和新技術(shù)最為有效的途徑之一。自然界中的植物和動(dòng)物在億萬(wàn)年的進(jìn)化過(guò)程中，不僅完全適應(yīng)自然，而且其進(jìn)化程度接近完美。許多科學(xué)技術(shù)問(wèn)題都從植物和動(dòng)物對(duì)自然的適應(yīng)規(guī)律中尋找到了答案。同樣，模具疲勞裂紋的修復(fù)問(wèn)題，在竹子和植物秸桿等植物體結(jié)構(gòu)中得到了啟示。通過(guò)對(duì)竹子和植物秸桿等結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，它們有著共同的結(jié)構(gòu)，即都是由關(guān)節(jié)部位和節(jié)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(xué)性能的生物體之一，在大自然中要經(jīng)歷風(fēng)吹雨打以及嚴(yán)寒和酷暑，節(jié)間部位往往會(huì)產(chǎn)生一些裂紋，但是這些裂紋通常是被限制在了兩個(gè)相鄰的竹節(jié)之間，裂紋很難穿過(guò)竹節(jié)繼續(xù)擴(kuò)展，這主要是由于節(jié)部的強(qiáng)度和韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于節(jié)間部分，對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到了阻礙作用。本發(fā)明中，從竹子和植物秸桿這種特殊結(jié)構(gòu)出發(fā)，仿生設(shè)計(jì)了新型的裂紋修復(fù)焊 縫，這種新型的焊縫存在間隔的“關(guān)節(jié)”，從而起到了阻礙裂紋擴(kuò)展的作用。本發(fā)明的激光修復(fù)模具疲勞裂紋的方法包括下列內(nèi)容(I)根據(jù)裂紋寬度將裂紋分為兩類A類裂紋為寬度小于0. 5mm的裂紋，B類裂紋為寬度等于或大于0. 5mm的裂紋；(2)A類裂紋的修復(fù)包括下列步驟2.1將裂紋內(nèi)部及周圍清理干凈，在裂紋擴(kuò)展方向的兩端，在氬氣的保護(hù)下，通過(guò)激光熔凝、激光填絲堆焊或激光熔覆的方法，在點(diǎn)狀區(qū)域內(nèi)施焊，形成阻止裂紋擴(kuò)展的節(jié)占.施焊具體分為兩種2.1.1通過(guò)激光熔凝修復(fù)裂紋，再用與母材同種成分的激光焊絲填充點(diǎn)狀區(qū)域中形成的凹坑；2.1. 2在裂紋中預(yù)置合金粉末，再通過(guò)激光熔覆修復(fù)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粉末所占質(zhì)量百分比為0—70% ；2. 2在氬氣的保護(hù)下，通過(guò)激光熔凝、激光填絲堆焊或激光熔覆的方法，在裂紋兩端之間制備出間距為4-10mm的其它節(jié)點(diǎn)；(3) B類裂紋的修復(fù)包括兩種方法3.1)方法一包括下列步驟3.1.1將裂紋內(nèi)部及周圍清理干凈，根據(jù)裂紋寬度和深度開(kāi)出坡口，然后采用機(jī)械加工或激光打孔的方法，在裂紋兩端各加工出一個(gè)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，盲孔的直徑大于裂紋寬度2_5mm，盲孔的深度大于裂紋的深度l_3mm，同一條裂紋上盲孔的直徑相同。3.1. 2在氬氣的保護(hù)下，通過(guò)激光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，并高于模具基體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(hù)下，通過(guò)激光熔覆的方法將陶瓷與合金的混合粉末熔化，熔覆過(guò)程采取一次或多次進(jìn)行，凝固后裂紋消失，進(jìn)而達(dá)到修復(fù)裂紋的目的.陶瓷與合金的混合粉末需填滿盲孔，并高于模具基體l_2mm。其中不同成分的合金焊絲的強(qiáng)度、韌性和硬度需優(yōu)于模具基體材料；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粉末所占質(zhì)量百分比為0—70% ；3.1. 3在氬氣的保護(hù)下，通過(guò)激光熔凝和激光熔覆方法，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(guò)程通過(guò)一次或多次進(jìn)行，多次進(jìn)行時(shí)采用逐層堆積方式，完成后焊縫高于模具基體l_2mm ；3. 2)方法二包括下列步驟3.2.1將裂紋內(nèi)部及周圍清理干凈，根據(jù)裂紋寬度和深度開(kāi)出坡口，在氬氣保護(hù) 下，通過(guò)激光填絲堆焊修復(fù)裂紋，激光填絲堆焊的施焊過(guò)程一次或多次進(jìn)行，多次進(jìn)行時(shí)采用逐層堆積方式，完成后焊縫高于模具基體l_2mm ；3. 2. 2在裂紋修復(fù)后的焊縫的兩端，采用激光熔凝方法，加工出點(diǎn)狀重熔區(qū)域，并在兩端之間等間距加工出其它點(diǎn)狀重熔區(qū)域。本發(fā)明的有益效果在于采用本發(fā)明所修復(fù)的模具與傳統(tǒng)堆焊修復(fù)相比，模具使用壽命可提高1. 2-3. 6倍。由于在本發(fā)明中節(jié)點(diǎn)位置可以采用綜合性能好但價(jià)格昂貴的材料填充，而節(jié)間位置可以采用性能普通價(jià)格便宜的材料填充，在保證模具使用性能要求的同時(shí)，極大的節(jié)省了材料，經(jīng)濟(jì)效果良好。


圖1為具有竹子關(guān)節(jié)形結(jié)構(gòu)焊縫的俯視2為具有竹子關(guān)節(jié)形結(jié)構(gòu)焊縫的左視3為具有竹子關(guān)節(jié)形結(jié)構(gòu)焊縫的正視4為H13壓鑄模具表面裂紋的照片圖5為采用激光修復(fù)模具疲勞裂紋的方法對(duì)H13壓鑄模具表面裂紋修復(fù)后的照片其中1.模具基體 2.節(jié)點(diǎn) 3.節(jié)間
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例具體說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容和實(shí)施方式實(shí)施例一本實(shí)施例以H13壓鑄模具澆道口位置上的開(kāi)口較大，深度較深的疲勞
裂紋為實(shí)施對(duì)象，采用本發(fā)明中B類裂紋的修復(fù)方法二實(shí)施修復(fù)，具體數(shù)據(jù)為
\ 裂紋寬度裂紋深度節(jié)點(diǎn)(盲孔) 節(jié)間填充節(jié)點(diǎn)(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 激光22 倍
權(quán)利要求
1.一種激光修復(fù)模具疲勞裂紋的方法，其特征在于包括下列內(nèi)容(1)根據(jù)裂紋寬度將裂紋分為兩類A類裂紋為寬度小于O.5mm的裂紋，B類裂紋為寬度等于或大于O. 5mm的裂紋；(2)A類裂紋的修復(fù)包括下列步驟2.1將裂紋內(nèi)部及周圍清理干凈，在裂紋擴(kuò)展方向的兩端，在氬氣的保護(hù)下，通過(guò)激光熔凝、激光填絲堆焊或激光熔覆的方法，在點(diǎn)狀區(qū)域內(nèi)施焊，形成阻止裂紋擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)；施焊具體分為兩種2.1.1通過(guò)激光熔凝修復(fù)裂紋，再用與母材同種成分的激光焊絲填充點(diǎn)狀區(qū)域中形成的凹坑；2.1. 2在裂紋中預(yù)置合金粉末，再通過(guò)激光熔覆修復(fù)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粉末所占質(zhì)量百分比為0—70% ；2.2在氬氣的保護(hù)下，通過(guò)激光熔凝、激光填絲堆焊或激光熔覆的方法，在裂紋兩端之間制備出間距為4-10mm的其它節(jié)點(diǎn)；(3)B類裂紋的修復(fù)包括兩種方法3.1)方法一包括下列步驟3.1.1將裂紋內(nèi)部及周圍清理干凈，根據(jù)裂紋寬度和深度開(kāi)出坡口，然后采用機(jī)械加工或激光打孔的方法，在裂紋兩端各加工出一個(gè)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(hù)下，通過(guò)激光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，并高于模具基體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(hù)下，通過(guò)激光熔覆的方法將陶瓷與合金的混合粉末熔化，熔覆過(guò)程采取一次或多次進(jìn)行，陶瓷與合金的混合粉末需填滿盲孔，并高于模具基體l_2mm ；其中不同成分的合金焊絲的強(qiáng)度、韌性和硬度需優(yōu)于模具基體材料；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粉末所占質(zhì)量百分比為0—70% ；3.1. 3在氬氣的保護(hù)下，通過(guò)激光熔凝和激光熔覆方法，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(guò)程通過(guò)一次或多次進(jìn)行，多次進(jìn)行時(shí)采用逐層堆積方式，完成后焊縫高于模具基體l_2mm ；3.2)方法二包括下列步驟3.2.1將裂紋內(nèi)部及周圍清理干凈，根據(jù)裂紋寬度和深度開(kāi)出坡口，在氬氣保護(hù)下，通過(guò)激光填絲堆焊修復(fù)裂紋，激光填絲堆焊的施焊過(guò)程一次或多次進(jìn)行，多次進(jìn)行時(shí)采用逐層堆積方式，完成后焊縫高于模具基體l_2mm ；3.2. 2在裂紋修復(fù)后的焊縫的兩端，采用激光熔凝方法，加工出點(diǎn)狀重熔區(qū)域，并在兩端之間等間距加工出其它點(diǎn)狀重熔區(qū)域。
2.按權(quán)利要求1所述的激光修復(fù)模具疲勞裂紋的方法，其特征在于步驟3.1.1所述的盲孔，其兩盲孔的間距為4-10mm，盲孔的直徑大于裂紋寬度2_5mm，盲孔的深度大于裂紋的深度l_3mm，同一條裂紋上盲孔的直徑相同。
全文摘要
激光修復(fù)模具疲勞裂紋的方法屬模具修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明對(duì)寬度小于0.5mm的裂紋，采用激光熔凝、激光填絲堆焊或激光熔覆的方法，在點(diǎn)狀區(qū)域內(nèi)施焊、裂紋兩端間制備出等間距節(jié)點(diǎn)；對(duì)寬度等于或大于0.5mm的裂紋，采用激光熔凝、激光填絲堆焊或激光熔覆的方法對(duì)加工出的盲孔和盲孔之間的坡口施焊，或?qū)﹂_(kāi)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(diǎn)狀重熔區(qū)域，從而對(duì)模具疲勞裂紋實(shí)施有效修復(fù)；采用本發(fā)明修復(fù)的模具與傳統(tǒng)堆焊修復(fù)相比，其壽命提高1.2-3.6倍，由于僅在節(jié)點(diǎn)位置采用綜合性能好、價(jià)格昂貴的材料填充，而節(jié)間位置采用性能普通、價(jià)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(jià)比。
文檔編號(hào)B23K26/34GK102995001SQ20111026975
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者周宏 , 叢大龍, 任露泉, 周倜, 張鵬, 王傳偉, 孟超 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)