P20钢表面毫米级缺陷大功率CO2激光修复研究

摘要

I运用表面技术对模具进行修复是一种新型而有效的延长模具寿命的方法,有着显著的经济和社会效益。目前P20塑料模具的激光修复大多采用小型YAG激光器,依靠技术工人手动送丝采用多道熔覆的方法进行；依赖工人技术且修复效率低下。本文主要用大功率CO2激光器欲在获得良好性能的熔覆层的同时提高修复效率；从激光修复工艺出发,研究了预置P20焊丝法连续CO2激光修复P20模具钢中P20焊丝半径、激光功率、激光扫描速度、离焦量等工艺参数的影响规律,找出最佳工艺参数组合；并对试样进行修复前预热处理,获得了综合性能良好的熔覆修复层。本文首先设计了模拟实际中P20工作面的毫米级缺陷的试样尺寸；考察不同半径焊丝(或者欲修复缺陷尺寸)对激光修复工艺的影响；通过胶带固定将P20焊丝预置在沟槽中,避免了因技术工人手动送丝带来的各种不稳定因素且提高了修复效率。对工艺参数影响规律的研究表明固定其他参数下,增大激光功率或者减小扫描速度熔覆层深度和宽度都相应增加；但功率过大或者扫描速度过慢使得熔覆层深度很深、母材熔化量过多且在熔覆层中容易产生气孔、裂纹等缺陷从而使修复试样熔覆区硬度下降、性能恶化。对离焦量的研究表明改变离焦量的大小可以实现从深熔焊模式到热导焊模式的转变,其表现是熔覆层截面从图钉状变为半球状；分析表明它是通过改变激光光斑大小以及试样表面功率密度大小来实现这两种模式的转变。通过试验得出最优工艺参数组合：激光功率P=8KW,扫描速度V=2.25m,离焦量为10mm,保护气体He流量28L/min。对微观组织的分析表明,大功率CO2激光修复P20模具钢熔覆层中熔覆区和结合区的主要组织为板条马氏体和隐针马氏体；而母材为粒状贝氏体组织；这就解释了熔覆层截面显微硬度的分布规律：从母材到热影响区再到熔覆区硬度值先增大后减小,在细晶区硬度有一最高值Hmax,它是细晶区细晶强化作用的结果。对试样预热处理的激光修复试验表明,预热后激光修复试验可以获得无裂纹等缺陷的熔覆层；预热温度分别为60℃、130℃、200℃与未预热试样母材(基体)相比最高硬度值分别下降了13.7%、15.6%、14.8%；熔覆区硬度值分别下降了13.2%、15.4%、16.3%。这说明预热处理可以使得细晶区Hmax值以及熔覆层硬度值有不同程度的下降,且随着预热温度在一定范围的升高,预热试样熔覆区硬度与未预热试样熔覆区相比下降的更多；而预热后的激光熔覆层的熔覆区硬度值与母材硬度值更加接近。对其微观组织的分析表明随着预热温度的增加熔覆层中有碳化物颗粒析出,这也解释了硬度的变化规律。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 塑料模具材料

1.2.1 塑料模具的分类

1.2.2 塑料模具的服役条件

1.2.3 塑料模具的失效形式

1.2.4 塑料模具用钢的分类

1.2.5 P20 预硬型塑料模具钢

1.3 塑料模具的修复技术

1.4 激光加工技术与激光熔覆修复技术发展现状

1.4.1 激光加工技术

1.4.2 激光加工技术的发展以及应用现状

1.4.3 激光加工技术的发展趋势

1.4.4 激光熔覆修复技术

1.5 本文主要研究内容

第二章 试验方法

2.1 试验材料

2.1.1 基体材料与熔覆修复材料

2.1.2 试样尺寸设计

2.2 试验设备

2.2.1 激光熔覆系统

2.2.2 试样方案

2.3 分析测试方法

2.3.1 熔覆层截面形貌以及微观组织观察

2.3.2 硬度测试

2.3.3 熔覆修复试验拉伸测试

第三章 P20 钢表面毫米级缺陷激光修复试验

3.1 不同半径焊丝的激光修复试验

3.1.1 试验参数

3.1.2 试验结果

3.1.3 分析与讨论

3.2 激光功率的影响

3.2.1 试验参数

3.2.2 试验结果

3.2.3 分析与讨论

3.3 扫描速度的影响

3.3.1 试验参数

3.3.2 试验结果

3.3.3 分析与讨论

3.4 离焦量ΔF 的影响

3.4.1 试验参数

3.4.2 试验结果

3.4.3 分析与讨论

3.5 对试样进行预热处理的熔覆修复试验

3.5.1 试验参数

3.5.2 试验结果

3.5.3 分析与讨论

3.6 本章小结

第四章 激光熔覆层中的缺陷以及应对措施

4.1 熔覆层质量判断

4.1.1 裂纹的产生以及应对

4.1.2 气孔的产生以及应对措施

4.1.3 夹杂物的存在原因以及应对措施[2]

4.1.4 偏析的形成及控制

4.2 本文试验中裂纹等缺陷的控制方法

第五章 结论

参考文献

攻读硕士期间发表或已录用的学术论文

致谢