激光熔覆技术在拉深模镶件中的应用.pdf

模具工业 2023年第49卷第8期激光熔覆技术在拉深模镶件中的应用徐冰锋1，李慧2，关玮亮2，覃策1，马春华1（1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007；2.重庆杰信联众机械有限公司，重庆 400050）摘要：通过激光熔覆技术在45钢基体材料表面熔覆铁基合金粉末，获得高硬度、低表面粗糙度以及良好PVD处理效果的熔覆层，实现了拉深模镶件材料降级并降低了镶件采购成本。实际应用验证了激光熔覆技术在拉深模零件制造上具备的应用价值以及经济性。关键词：激光熔覆；拉深模；热处理；左后大梁；工艺路线中图分类号：TG76；TG162.44 文献标识码：B 文章编号：1001-2168（2023）08-0065-08 DOI：10.16787/ki.1001-2168.dmi.2023.08.012Application of laser cladding technology in manufacture of drawing die insertXU Bingfeng1,LI Hui2,GUAN Weiliang2,QIN Ce1,MA Chunhua1(1.SAIC-GM-Wuling Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou,Guangxi 545007,China;2.Chongqing Jiexin Lianzhong Machinery Co.,Ltd.,Chongqing 400050,China)Abstract:The cladding layer with high hardness,low surface roughness,and good PVD treatment effect was obtained by using laser cladding technology to coat iron based alloy powder on the surface of 45 steel matrix material,which realized the material degradation of drawing die inserts and reduced the purchasing cost of inserts.The practical application verified the application value and economy of laser cladding technology in the manufacturing of drawing die parts.Key words:laser cladding;drawing die;heat treatment;left rear frame;process route0引 言材料成本一般占冲模开发成本的30%左右，采用高等级材料镶件的模具，材料成本占比更高。受制于冲模对零件材料性能的高要求，目前行业内降低模具开发成本更多的是从工艺、结构设计、机加工以及模具调试等方面考虑，对模具材料降低成本方面的研究较少。现研究的目的是应用激光熔覆技术改良模具镶件制造工艺流程，实现在满足冲压性能的前提下，降低镶件材料等级，为冲模材料降低成本的研究提供新思路以及应用依据。1激光熔覆技术介绍1.1激光熔覆技术特点激光熔覆技术是指在基材表面添加不同成分的熔覆材料，并通过高能量密度激光束辐照使熔覆材料与基体形成冶金结合，在基体表面得到一层性能优异的材料薄层，是利用激光和纳米材料进行合金强化处理的新型材料表面改性技术，原理如图1所示。激光熔覆技术与传统的堆焊、普通电焊、等离子熔覆相比，具有输入热量低、冷却快、母材稀释度小、组织致密、熔覆层与基材结合好、适应熔覆材料多样化等特点，因此激光熔覆技术应用范围广，在工业设备的表面维护与强化、机械零件维修、特种零件制作等方面的应用较成熟。模具制造技术收稿日期：2023-03-10。作者简介：徐冰锋（1991-），男（汉族），广西北流人，工程师，主要从事材料成形与模具开发工作。65模具工业 2023年第49卷第8期1.2激光熔覆技术工艺方法激光熔覆根据熔覆材料供给方式分为预置式激光熔覆和同步式激光熔覆，2种激光熔覆工艺差异如表1所示。同步式激光熔覆与预置式激光熔覆相比，具有耗材少、可控性好、激光能量利用率高、熔覆层均匀、基体受热影响少等优点。同步送料完成激光熔覆在实际应用中同时具有更高的生产效率，是激光熔覆技术的主要研究方向，现研究的拉深模镶件激光熔覆应用也是选择同步式激光熔覆工艺。2激光熔覆技术应用于拉深模2.1激光熔覆技术实现拉深模镶件材料降级对于深拉深或高强板零件的成形模，为保证成形零件的质量以及生产稳定性，对于与成形零件接触的凹模表层在硬度、耐磨性、表面粗糙度等方面都有较高的要求。目前行业内常规处理方法是采用镶件式结构，如图2所示，镶件材料需选择高等级材料，同时表面还要进行特殊处理，镶件材料及工艺选择如表2所示。由表2可以看出，与行业常规处理方法相比，采用激光熔覆镶件可实现材料降级，由高等级镶件材料降级为45钢或更低等级的材料，且激光熔覆镶件无需进行整体淬火处理，节省了热处理费用，同时激光熔覆处理可以选择在模具调试后期实施，在前期零件尺寸修改阶段，针对拉深模镶件的加工、组装以及调试更加方便和高效。2.2镶件基材与熔覆材料选择要获得良好的激光熔覆应用效果和经济性，基材和熔覆材料选择是关键。基材等级越低，降低材料采购成本越明显，但基材也需要具备一定的力学性能以满足冲模使用寿命的需求。45钢是市场上常见的材料且在冲模上应用广泛，此种钢材综合力学性能良好且价格低廉，适合选择作为激光熔覆表1预置式与同步式激光熔覆工艺差异熔覆方式预置式激光熔覆同步式激光熔覆工艺流程基材熔覆表面预处理预置熔覆材料预热激光熔化后热处理基材熔覆表面预处理送料激光熔化后热处理工艺说明需在基材熔覆表面先放置熔覆材料，再采用激光束辐照使熔覆材料熔化。熔覆材料可以以粉末、丝材、板材的形式进行放置，其中以粉末的形式最为常用。熔覆材料同步送入激光束中，使送料和熔覆同时完成。熔覆材料主要以粉末的形式进行供料，少数情况下也可以采用线材或板材进行同步送料。图2拉深模镶件式结构表2镶件材料及工艺选择镶件分类常规镶件激光熔覆镶件镶件材料选择SKD11/DC53/D2低等级材料（如45钢）镶件热处理工艺整体真空淬火（5862 HRC）基体可不进行热处理表面处理方式TD/PVDPVD图1激光熔覆原理66模具工业 2023年第49卷第8期基材。激光熔覆材料主要有自熔性合金材料、复合材料、陶瓷材料等。自熔性合金材料在传统机械设备领域应用广泛，目前常用的自熔性合金粉末有铁基、镍基和钴基三大类，其中铁基材料相对于镍基和钴基，因其成本低、耐磨性好常作为激光熔覆材料的首选。从使用性能、经济性等方面综合考虑，拉深模镶件材料选择45钢基材+铁基熔覆材料组合，同时针对该组合进行了试样验证，试验结果如表3及图3所示。由表3可以看出，如要达到56 HRC以上的硬度，且要获得良好的熔覆层质量，需要采用熔覆层理论硬度60 HRC铁基合金材料，同时熔覆层厚度应大于1 mm。2.3镶件制作工艺流程表4所示是根据行业内模具生产流程制定的5种常用镶件制造工艺路线，表5所示是5种工艺路线间的差异性以及适用范围分析。对于拉深类模具，激光熔覆在镶件制造工艺流程中主要有2种布置方式，分别为在拉深调试前或拉深调试后进行激光熔覆。2种方式主要区别在于是否需要在拉深工序进行零件尺寸回弹整改，相对于在拉深调试后进行激光熔覆处理，镶件在半精加工完成后进行激光熔覆处理，整个制造流程会更加精简，但零件回弹计算应合理准确，2种制造流程可根据企业经验以及零件种类进行选择，如针对薄板类零件，在回弹表345钢基材+铁基熔覆材料试验结果基 材45钢45钢45钢45钢45钢熔覆层厚度/mm0.50.5+0.510.50.5+0.50.5+0.50.5+0.50.5+0.5熔覆层数1层2层1层1层2层2层2层2层熔覆材料铁基60 HRC铁基55 HRC铁基45 HRC（第一层）铁基60 HRC（第二层）铁基45 HRC（第一层）铁基55 HRC（第二层）铁基55 HRC（第一层）铁基60 HRC（第二层）激光熔覆后表层硬度/HRC54605662566248535054566050565460激光熔覆层缺陷边缘少量微裂纹无裂纹无裂纹无裂纹密集微裂纹无裂纹密集微裂纹备 注见图3（a）见图3（b）见图3（c）见图3（d）见图3（e）见图3（f）见图3（g）见图3（h）注：铁基60 HRC、铁基55 HRC、铁基45 HRC指铁基合金粉末熔覆后理论硬度分别达到60、55、45 HRC以上。图3激光熔覆层硬度及裂纹检测67模具工业 2023年第49卷第8期计算合理准确的情况下，优先选择工艺路线3。对于整形类模具，考虑零件尺寸整改过程中会对镶件进行反复加工调试，激光熔覆一般设置在零件尺寸整改接近合格后进行。3激光熔覆技术在薄板深拉深零件及高强板梁类 零件模具上的应用3.1零件特性及冲压工艺分析为验证激光熔覆技术在冲模上的应用效果，该技术被应用到某车型中的薄板深拉深零件及高强板梁类零件拉深模上。薄板深拉深零件如图 4所示，为汽车前围前延伸板，拉深深度约150 mm，零件材料为BUSD，板料厚度为0.7 mm。其冲压工艺：拉表4镶件制造工艺路线类别定义模具类型镶件材料-工序流程-工序1工序2工序3工序4工序5工序6工序7工序8工序9工序10工序11工序12工序13工序14工序15工序16工序17工艺路线1拉深模SKD11/DC53镶件下料型面粗加工型面半精加工真空淬火一次组装型面精加工基准制作模具零件研合拉深调试尺寸整改PVD/TD处理二次组装拉深调试模具出货-工艺路线2拉深模45钢镶件下料型面粗加工型面精加工一次组装基准制作模具零件研合拉深调试尺寸整改激光熔覆二次组装型面精加工模具零件研合拉深调试PVD处理三次组装拉深调试模具出货工艺路线3拉深模45钢镶件下料型面粗加工型面半精加工激光熔覆一次组装型面精加工基准制作模具零件研合拉深调试尺寸整改PVD处理二次组装拉深调试模具出货-工艺路线4整形模SKD11/DC53镶件下料型面粗加工型面半精加工一次组装型面精加工基准制作模具零件研合尺寸整改真空淬火二次组装模具零件研合尺寸整改模具出货-工艺路线5整形模45钢镶件下料型面粗加工型面半精加工一次组装型面精加工基准制作模具零件研合尺寸整改激光熔覆二次组装精加工模具零件研合尺寸整改模具出货-表5镶件制造工艺差异分析路线名称路线1路线2路线3路线4路线5工序总数1417141314差异说明1.含整体淬火和PVD处理、不含激光熔覆2.一次精加工、二次镶件组装3.整体淬火在精加工前完成，不方便修改尺寸时对模具进行加工调试1.含激光熔覆和PVD处理、不含整体淬火2.二次精加工、三次镶件组装3.激光熔覆在拉深调试完成后进行，方便修改尺寸时对模具进行加工调试1.含激光熔覆和PVD处理、不含整体淬火2.一次精加工、二次镶件组装3.激光熔覆在精加工之前完成，不方便修改尺寸时对模具进行加工调试1.含整体淬火、不含激光熔覆和PVD处理2.一次精加工、二次镶件组装3.整体淬火在尺寸整改之后进行，方便修改尺寸时对模具进行加工调试1.含激光熔覆、不包含整体淬火和PVD处理2.一次精加工、二次镶件组装3.激光熔覆在尺寸整改之后进行，方便修改尺寸时对模具进行加工调试适用范围1.拉深模镶件2.深拉深薄板及高强板类零件1.拉深模镶件2.高强板类零件1.拉深模镶件2.深拉深薄板类零件1.整形模镶件2.薄板及高强板零件1.整形模镶件2.薄板及高强板零件68模具工业 2023年第49卷第8期深切边冲孔整形切边冲孔，拉深工序最大板料流入量约90 mm。梁类零件如图5所示，为汽车左 后 大 梁，拉 深 深 度 约 120 mm，零 件 材 料 为B280VK-FB-D，板料厚度为 1.5 mm。其冲压工艺：拉深切边冲孔翻边切边冲孔侧整形切边冲孔，拉深工序最大板料流入量约110 mm。3.2激光熔覆方案设置前围前延伸板激光熔覆方案：前围前延伸板拉深模的压边圈与上模采用镶件结构，镶件设置如图6所示，镶件数量总计 20块，其中压边圈和上模各10块。激光熔覆工艺应用在压边圈的10块镶件上，激光熔覆方案按照表6所示内容执行，镶件熔覆区域要求覆盖压边圈全部有效压料面，如图 7所示。上模10块镶件采用常规方法处理，材料为SKD11，作为评估激光熔覆镶件应用效果的对比。左后大梁激光熔覆方案：分别选取压边圈上的10块镶件及上模12块镶件进行激光熔覆处理，如图8所示。激光熔覆方案按照表7所示内容执行，镶件熔覆区域要求覆盖板料边界内的全部有效型面，如图9所示。压边圈及上模其余镶件仍采用常规方法处理，材料选用 SKD11，作为评估激光熔覆镶件应用效果的对比。3.3激光熔覆镶件实物效果图10所示是根据上述激光熔覆方案实施后得到的最终冲模零件并已用于实际生产，对比激光熔覆镶件与SKD11材料镶件在表面粗糙度、硬度、表面缺陷及PVD处理4个关键指标上的状态，如表8所示，激光熔覆镶件的整体效果达到了预期目标。由表8可以看出，与常规SKD11高等级材料镶件相比，激光熔覆镶件在表面粗糙度、硬度及PVD处理等指标上的差异较小，可认为达到常规冲模的质量标准。差异主要体现在熔覆后的表面缺陷产生，主要存在以下3类常见缺陷。（1）部分激光熔覆镶件的熔覆层表面存在细微气孔缺陷，如图11（a）所示。气孔的产生主要是由于涂层粉末的氧化、受潮或者某些粉末元素在高温下发生氧化反应，在激光熔覆过程中产生的气体排出不及时，就会在熔覆层形成细微气孔。这些气孔图4前围前延伸板图5左后大梁（a）压边圈镶件（b）上模镶件图6前围前延伸板压边圈及上模镶件图7前围前延伸板镶件熔覆区域表6前围前延伸板激光熔覆方案关键项激光熔覆对象镶件基材镶件基材热处理方式熔覆材料熔覆层厚度/mm熔覆层硬度/HRC镶件制造工艺路线追加表面处理定义内容10块压边圈镶件45钢无铁基合金粉末（60 HRC）1（1层）56工艺路线3（见表4）PVD处理69模具工业 2023年第49卷第8期缺陷会导致成形零件拉伤，影响成形零件质量与熔覆层使用寿命，如气孔缺陷密集，镶件只能重新进行激光熔覆处理；如气孔数量较少，可采用常规人工焊接修复的方式消除缺陷。（2）部分激光熔覆镶件的熔覆层厚度不均匀，如图11（b）所示。产生熔覆层厚度、成分及组织不均匀的原因较多，一方面从激光熔覆工艺原理上来看，由于加热及冷却速度都极快导致较大的温度梯度，温度梯度的存在最终导致熔覆过程成分不均匀，即成分偏析，这种成分偏析在目前的激光熔覆工艺下无法解决。另一方面主要受熔覆过程中设备工艺参数及稳定性影响，加剧了缺陷的严重程度以至于达到不可接受状态。熔覆层缺失严重的镶件只能重新进行激光熔覆解决。（3）镶件边缘拼接缝位置的熔覆层精加工后易出现缺料或呈锯齿状，如图11（c）所示，导致镶件组装到模座后2个镶件间的拼缝间隙偏大。对于薄板件，过大的拼缝间隙会在成形零件表面形成明显的挤压痕，影响外观质量，拼缝间隙偏大也会对PVD层使用寿命造成影响。导致熔覆层边缘缺陷的原因主要是熔覆工艺设置不合理，必须确保拼缝位置的熔覆层完全覆盖原镶件的尖角部分，精加工后才能获得尖锐完整的边缘。上述3种激光熔覆后的表面缺陷，均可通过熔覆工艺控制，如调整送粉速度、送粉量、激光束功率、扫描速度、激光光斑大小以及增加保护气等抑制缺陷的产生，得到满足质量要求的激光熔覆层。3.4模具量产状态采用激光熔覆镶件的2副拉深模量产状态记录如表9所示，其中前围前延伸板模具总产量已超过30万件，左后大梁模具产量也在持续提升中，与作为对比的SKD11材料镶件相比，目前激光熔覆镶件的质量稳定性及使用寿命均表现正常。3.5成本分析激光熔覆镶件与常规SKD11材料镶件相比，主要在钢料采购成本、激光熔覆成本和热处理成本3个方面存在差异，前围前延伸板与左后大梁模具镶件采用激光熔覆工艺前、后的成本差异分析如表10所示。由表10可以看出，采用45钢基材+铁基粉末的组合相对应用SKD11材料镶件更具有成本优势，如果是自有激光熔覆设备，通过熔覆工艺优化、熔覆材料调配以及与企业模具制造工艺流程进行匹配以提升生产效率，还可以进一步降低激光熔覆镶件的制造成本。表7左后大梁激光熔覆方案关键项激光熔覆对象镶件基材镶件基材热处理方式熔覆材料熔覆层厚度/mm熔覆层硬度/HRC镶件制造工艺路线追加表面处理定义内容10块压边圈镶件和12块上模镶件45钢无铁基合金粉末（60 HRC）1（1层）56工艺路线2（见表4）PVD处理图9左后大梁镶件熔覆区域（a）压边圈镶件（b）上模镶件图8左后大梁压边圈及上模镶件70模具工业 2023年第49卷第8期4结束语通过在45钢镶件表面激光熔覆1层厚度1 mm、熔覆层理论硬度达到60 HRC的铁基合金粉末，可获得高硬度、低表面粗糙度以及良好PVD处理效果的熔覆层。与常规采用SKD11材料的镶件相比，45钢激光熔覆镶件既能满足冲模使用性能要求，又降低了模具开发成本，证明激光熔覆技术应用在薄板类以及高强板类零件拉深模制造上的可行性和经（a）前围前延伸板压边圈（c）左后大梁上模（b）左后大梁压边圈图10前围前延伸板与左后大梁模具零件实物表8镶件质量对比评价指标表面粗糙度/m表层硬度/HRC表面缺陷状态PVD处理激光熔覆镶件Ra0.85662部分镶件存在表面缺陷2 8003 300 HVRa0.2 mPVD层目视无异常SKD11材料镶件Ra0.85862无表面缺陷2 8003 300 HVRa0.2 mPVD层目视无异常备 注表面粗糙度仪/目视检查洛氏硬度计检查-仪器/目视检查（a）表面细微气孔缺陷（b）熔覆层厚度不均匀（c）熔覆层拼接位置缺陷图11激光熔覆镶件表面缺陷表9模具量产状态零件名称前围前延伸板左后大梁单批次产量1 000件200件累计产量30万件1 000件模具保养频次模具清洁：4 000件/次镶件点检维护：10 000件/次模具清洁：4 000件/次镶件点检维护：10 000件/次PVD层状态无脱落，存在正常磨损，PVD层使用寿命10万件。无脱落，无磨损。激光熔覆镶件状态镶件无裂纹和变形，熔覆层无损伤脱落。镶件无裂纹和变形，熔覆层无损伤脱落。71模具工业 2023年第49卷第8期济性。45钢镶件熔覆层表面易出现气孔、熔覆层组织不均匀以及边缘缺失等缺陷，此类缺陷可通过调整设备参数与熔覆工艺消除，激光熔覆镶件的制造流程还可进一步优化以降低其制造成本及提高生产效率。参考文献：1 杨宁,晁明举,杨文超.激光熔覆工艺方法及熔覆材料现状J.科技信息,2010(14):10-11.2 张德强,张吉庆,郭忠娟.激光熔覆修复45#钢模具的组织及性能研究J.机械设计与制造,2017(2):118-120.3 马运哲,董世运,徐滨士,等.铁基合金激光熔覆技术工艺优化研究J.中国表面工程,2006(S1):154-160.4 刘斌,崔志杰.模具修复技术及发展趋势J.模具工业,2017,43(2):1-5.5 底晓炜,刘君君,周坤,等.探讨降低汽车模具开发成本的方法J.锻造与冲压,2020(10):65-69.6 龚玉玲,徐晓栋.激光熔覆工艺参数对熔覆层质量影响研究J.机床与液压,2022(2):76-81.表10激光熔覆镶件成本分析零件名称前围前延伸板左后大梁镶件材料45钢+铁基粉末SKD1145钢+铁基粉末SKD11镶件质量/kg238238487487采购成本/元203211 9004 139.524 350激光熔覆成本/元9 000-14 000-热处理成本/元-2 380-4 870合计/元11 03214 28018 139.529 220节省成本/元3 24811 080.5注：45钢按8.5元/kg，SKD11钢按50元/kg，热处理成本按10元/kg计算。声 明 为适应我国信息化建设需要，实现科技期刊编辑、出版发行工作的数字化，推进科技信息交流的网络化进程，扩大作者学术交流渠道，向本刊投稿并录用的稿件，其作者著作权（含复制权、发行权、汇编权、翻译权以及信息网络传播权等）使用费用由本刊以稿酬形式一次性给付，编辑部有权将上述权利转授给第三方使用。如作者不同意，请在来稿时声明。模具工业 编辑部72