電纜成型模具激光再制造工藝分析和應(yīng)用

林凱生，李福海，陳興馳，王岳亮，馬文有

（廣東省新材料研究所激光制造研究室，廣東 廣州 510650）

電纜行業(yè)涉及到的模具有：拉絲模、絞合模、緊壓成型模、成纜模、擠出模等。其中緊壓成型模、成纜模、擠出模屬于塑料模具，是塑料擠出全過(guò)程中最后的熱壓作用裝置，直接決定電纜加工的品質(zhì)，塑料模具使用的材料有碳素工具鋼、合金鋼、不銹鋼等。其中，碳素工具鋼由于經(jīng)濟(jì)性高，應(yīng)用最為廣泛。在注塑成型時(shí)，注塑模具型腔的溫度高于300℃，某些塑料中還加人了玻纖、無(wú)機(jī)填料及固體顏料，固態(tài)添加劑和塑料熔體一起在流道、模腔中髙速流動(dòng)，對(duì)模具接觸表面產(chǎn)生很大的摩擦，從而導(dǎo)致模具產(chǎn)生磨損。

再制造是利用各種技術(shù)手段對(duì)廢舊產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)和改造，再制造過(guò)程中能夠節(jié)能50%、節(jié)材60%、節(jié)約總成本70%以上，再制造的本質(zhì)是發(fā)掘生產(chǎn)過(guò)程中的“富礦”。激光熔覆技術(shù)是再制造所采用的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于激光器系統(tǒng)性價(jià)比的提高、材料體系的完善和工藝技術(shù)的成熟，是“增材制造”、3D打印技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。其中，同軸送粉式激光熔覆“增材制造”技術(shù)，由于工藝可靠性、生產(chǎn)效率高和柔性制造的特點(diǎn)，是發(fā)展的重點(diǎn)。

因此，本文針對(duì)磨損失效的電纜成型模具，采用“激光再制造”技術(shù)，快速恢復(fù)模具的使用效用，為傳統(tǒng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步尋求一種可靠的高技術(shù)保證。

1 設(shè)備、工藝、模具材料及方法

磨損的電纜成型模具—交聯(lián)外屏分流套模具，其尺寸特點(diǎn)是圓錐的內(nèi)表面，可以明顯看出，內(nèi)錐面局部有2-3mm的磨損，從而導(dǎo)致了生產(chǎn)的線纜包套厚度不均勻，影響了產(chǎn)品質(zhì)量而報(bào)廢。模具的材料是40Cr，熱處理硬度45 HRc。

激光熔覆設(shè)備采用Trumpf6006激光器，如圖1所示，其配置了6+2軸KuKa機(jī)械手，送粉頭采用3路同軸送粉；主要的激光工藝參數(shù)為：光斑4-6mm圓光斑，熔覆速度600mm/min，多道多層搭接，搭接率50%；熔覆材料采用Fe-Cr-B-Si系自熔合金粉末，選取了1、2、3種不同硬度的粉末進(jìn)行試驗(yàn)，粉末粒度+5-125微米；試驗(yàn)過(guò)程偉首先采用優(yōu)化工藝參數(shù)在試樣上進(jìn)行熔覆，分析熔覆層的組織和性能并進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，然后在模具表面制作激光熔覆層，熔覆層經(jīng)過(guò)后加工，檢測(cè)尺寸精度和表面光潔度，達(dá)到新模具的要求，上機(jī)試驗(yàn)。

圖1 激光再制造系統(tǒng)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 光學(xué)顯微鏡觀察。

40Cr鋼的表面經(jīng)過(guò)激光再制造Fe基合金后，在鋼材的表面形成明顯不同于基體的金相組織。如圖2所示。由表及里，最表面一層為熔覆層；其下次是熱影響區(qū)；再往里是鋼材的原始基體組織。熔覆層具有非常細(xì)膩的結(jié)構(gòu)，在圖中呈現(xiàn)白亮的特征，這是因?yàn)槠湓谙跛峋凭治g液的耐腐蝕性能明顯好于基體材料，組織細(xì)小均勻、沒(méi)有孔洞、裂紋等缺陷；從圖3可以看出，熔覆層與基體具有緊密的結(jié)合，產(chǎn)生了局部的焊接冶金結(jié)合，這是因?yàn)槿鄹矊拥讓硬糠质欠勰┎牧吓c基體共同熔化凝固后所新生成的，沒(méi)有孔洞、裂紋等缺陷，而且熱影響區(qū)的范圍最大為101.10微米，非常細(xì)小，說(shuō)明激光熔覆過(guò)程對(duì)基體的影響非常小。

圖2 激光再制造Fe基合金層

圖3 激光再制造Fe基合金層結(jié)合界面

2.2 熔覆層的性能分析

（1）熔覆層顯微硬度。表1列出了樣品熔覆層與基體的顯微硬度，可以看出，可以看出，激光熔覆層硬度分比較均勻，1號(hào)粉末熔覆層平均硬度為485，2號(hào)粉末熔覆層平均硬度為350，3號(hào)粉末熔覆層平均硬度為381，基體材料的顯微硬度均值約為422，3號(hào)粉末的硬度與基體最為接近，因此選擇其再制造模具產(chǎn)品。

表1 熔覆層硬度值表（Hv200，15）

（2）熔覆層耐腐蝕。測(cè)試了3號(hào)熔覆層極化曲線，試驗(yàn)后的試樣上出現(xiàn)了點(diǎn)蝕現(xiàn)象，但基體產(chǎn)生了明顯的溶解腐蝕；得出結(jié)論激光熔覆層電位較低，會(huì)產(chǎn)生明顯的鈍化現(xiàn)象，鈍化電位高于基體的電壓，因此比基體耐腐蝕性強(qiáng)。

鹽霧試驗(yàn)是評(píng)價(jià)熔敷層的有效驗(yàn)證試驗(yàn)，圖4是熔覆層經(jīng)過(guò)3天鹽霧試驗(yàn)的試樣外觀，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，基體在1天后就出現(xiàn)了腐蝕，3天后出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕，而熔覆層在連續(xù)的1周試驗(yàn)期內(nèi)也沒(méi)有任何腐蝕，因此熔覆層比基體的耐腐蝕性更強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，熔覆層也沒(méi)有出現(xiàn)紅點(diǎn)，證明熔覆層沒(méi)有貫穿的缺陷。

圖4 熔覆層鹽霧腐蝕試樣表面形貌（a不封基體；b封閉基體）

2.3 模具激光再制造的經(jīng)濟(jì)性分析

全新模具加工周期為1-1.5月，價(jià)格在數(shù)萬(wàn)元；而激光再制造的加工周期僅為3天左右，費(fèi)用約為0.3萬(wàn)元，再制造模具的時(shí)間消耗和費(fèi)用消耗僅為新模具的10%以下；激光再制造后的模具如圖5所示，隨后，再制造模具在企業(yè)的生產(chǎn)線上得到應(yīng)用，達(dá)到了新模具的效果。

圖5 激光再制造的模具（a熔覆后的模具；b再制造后的模具）

3 結(jié)論

（1）碳素工具鋼上激光熔覆Fe-Cr-B-Si熔覆層組織均勻細(xì)膩、沒(méi)有氣孔、裂紋、孔洞等缺陷，與基體達(dá)到冶金結(jié)合，熱影響區(qū)低于0.2mm。

（2）激光熔覆Fe-Cr-B-Si熔覆層可依據(jù)硬度需要進(jìn)行選擇，熔覆層在腐蝕環(huán)境中具有鈍化效果，具有更好的耐腐蝕性能；鹽霧試驗(yàn)結(jié)果表明熔覆層內(nèi)沒(méi)有貫穿的孔隙，可在耐腐蝕環(huán)境中長(zhǎng)期保證結(jié)構(gòu)的完整性。

（3）激光再制造比新制造模具能夠節(jié)約10倍以上的生產(chǎn)制造周期和成本，可靠性高，具有極大的推廣應(yīng)用前景。