激光沉积焊接技术--一种模具修复方法

 激光沉积焊接是与许多传统的模具修复方法不同的另一种重要的方法。它早已立足欧洲，现在又开始为其他地区的模具工厂所接受。  

    激光沉积焊接技术开始在模具修改和修复领域找到其用武之地。典型的用途是用于采用冷加工钢制造的注塑模具的修复，这种模具由于加工玻璃纤维增强的材料而导致严重磨损。磨损区域可以用激光沉积焊接来填充裂纹，所用焊丝的直径为0.4mm。修复之后，模具和插件的使用寿命至少与全新的部件相当。焊接沉积物的高度大约为0.5mm，硬度为洛氏硬度52度。硬度达到洛氏硬度60度也是可能的。  

    例如，一个成功的用户便是Tech Group公司，他们目前正采用激光沉积焊接法来修复模具。Grand Rapids工厂有58名雇员，使用30台28～250t的注塑机，专门从事医疗器械的生产。这些器械包括用于开胸心脏手术、微创手术和儿科手术，器械通常都是小型、精密、不耐用的产品。整个车间是在100,000级清洁厂房的条件下进行操作的。  

    该工厂包括一个工具车间，有4名全职的模具制作工。因为是生产医疗器械的，制造模具所用的工具合金钢必须完全不含铍。采用激光沉积焊接技术的好处是这种工艺除了适用于不锈钢、标准工具钢和铝之外，也适用于无铍合金钢。  

    据David Guth-rie说，Tech Group公司的模具工80～90％工作量都是做小的零部件，比如滑块上的塞子和模心销钉。以前，该公司的激光焊接工作都是外包给别的公司干，但是为了节省时间和成本，也为了减少麻烦，现在公司把设备买回来了。根据该公司的报告，他们自己有了设备之后，以前需要好几天才能完成的模具工程修改和修复工作，现在几个小时内就可完成了。一个模具零件在进行焊接修复之后，要返回工具车间进行最后的机加工，然后再装回到的模具上去。一般只有损坏的零件才需要从模具上拆下来进行修复，因此模具仍可留在注塑机上。 

激光束和焊丝

    Tech Group所使用的由Rofin-Sinar公司制造的StarWeld焊接机是一台使用丝状填充材料的激光沉积焊机。它采用在I类激光壳体里产生的脉冲Nd:YAG焊接激光，带电动x-y-z工作台和立体显微镜。模具的缺陷用激光束和丝状填充材料来填补。焊丝是自动导入的，以便激光束使焊丝和工件的表面同时熔化。所需沉积物的总高度是通过多层焊接的方法来达到的。焊接完毕，模具部件再加工成最终尺寸。  

    与氩弧焊或者微等离子体焊接相比较，本方法的优点是加热和冷却速度快，并且熔化区域小。基材所受到的热效应极小，从而大大减少了变形、弱化和产生裂缝的危险。此外，通过生成细颗粒的结构或者使用具有不同合金特性的填充材料，可以获得特性更好的沉积层。因为焊丝的直径可以细至100微米，所以可以得到细小得多颗粒结构。  

    这项工作一般用钨极惰性气体保护焊或者微等离子体焊接方法进行焊接。另外，对于模具修理来说，在需要低的内聚力时，适于采用粉状电阻粘结料。  

    市场上相对较新技术是采用高功率（2～4kW）CO2和YAG激光的直接金属沉积焊（DMD）。  

    用激光进行沉积焊与其它三种方法相比较具有一些优点。激光束可以聚焦得非常细，因此对工件和填充金属（焊丝）的加热区域非常精确。工件的加热程度可以减少，其结果是变形较小。机加工的工作量减少至最小。此外，硬度可以达到洛氏硬度60度，不过这还取决于基材的种类。 

激光硬件

    StarWeld激光焊接机有两个大的滑动门，门洞为800mm。重达350kg、体积125L的工件可以用*车从前面或者用吊车从上面放到机器里。滑动门和侧盖板都可以取下来，以便可以把更大的工件放进机器里去。  

    操作者可以用手动的方法喂焊丝，并通过在符合人体工程学的位置设置的袖孔来操作操纵杆。工件的位置在一个x-y工作台上进行调整。工件借助于立体显微镜和操纵杆进行精确定位。操纵杆是比例控制的（操纵杆运动的程度决定着轴的速度）。当操纵杆转动时，z-轴就横向运动。当显微镜里的图像最清晰时，焊接区域就到达正确位置了。所设定的激光参数被输入到立体显微镜里。利用操纵杆可以呼出多达50组预先编程和记录的参数。  

    操作者可以在眼睛不离开显微镜、手不离开工件护栏的情况下，随时检查和修改这些参数。激光装置的所有功能，例如激光脉冲、快门控制、功率单元控制、温度控制、聚焦、保安电路、数据记录的储存以及常规诊断和测试等，都是由高性能微处理器完成的。机器上装有一个薄膜键盘，用于输入各种数据。电容器箱的电压值、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲能量、每厘米的脉冲能量（与焊接有关的表面能量）、脉冲形状、文本信息、以及其他数据都可以在屏幕上显示出来。  

    激光束的光源是Nd:YAG激光，其平均功率为100W。根据材质不同，沉积焊接所需的脉冲时间在2至10毫秒之间。脉冲功率达500W，工件表面的最大脉冲密度可以达到几十毫瓦/cm。这对于快速加工工作，甚至在使用比较粗的焊丝的情况下，也是足够的了。机器出厂时带有一个完整的水/空气冷却系统和一个焊接烟尘过滤器。  

    可以在两根轴上都装一个受到专利保护的光学系统，这样就可以在竖壁上和下口内进行焊接工作。最好的、误差最小的焊接质量来自一个特殊的激光谐振腔。机器具有很大的焦深，容许工件表面可以在竖直方向上相对于焦点有较大的波动范围。焊丝的通常用量已在具体的软件模式里提供。在对工件进行手动加工的过程中，此模式容许通过脉冲频率与焊丝喂入速率相互偶联的方法使各焊接脉冲之间的重叠关系保持恒定。  

    激光辅助的、使用丝状填充材料的沉积焊接工艺是一种比较新的技术。在工艺质量和加工精度方面，它都比传统方法优越。它可以安装在简单、操作安全性很好的手动形式的系统里，所以它的使用，特别是在小型和中型工厂里，正变得越来越普遍。