激光熔覆技術(shù)及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

常成，劉建永，楊偉，曾大新

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北十堰442002）

激光熔覆技術(shù)及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

常成，劉建永，楊偉，曾大新

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北十堰442002）

介紹了激光熔覆技術(shù)的原理及其特點，綜述了該技術(shù)在汽車零部件制造、零部件再制造以及汽車模具的表面強化與修復(fù)等方面的應(yīng)用，指出了該技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景。

激光熔覆；汽車工業(yè)；表面強化；再制造

激光熔覆是通過不同種類的送料方式，利用高能密度激光束將所添加的材料與基材表面一薄層同時熔化，快速凝固后形成與基體呈良好冶金結(jié)合涂層的表面技術(shù)［1］。采用激光熔覆技術(shù)對材料表面進行強化處理可顯著改善金屬表面的耐磨、耐熱、耐蝕等性能。與堆焊、電鍍、熱噴涂等傳統(tǒng)表面處理技術(shù)相比，它具有適用的材料體系廣泛、熔覆層稀釋率可控、基體熱變形小、工藝易于實現(xiàn)自動化以及環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點。激光熔覆技術(shù)與快速原型制造技術(shù)相結(jié)合，可應(yīng)用于復(fù)雜零件的直接制造和近終形修復(fù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

20世紀80年代以來，激光熔覆技術(shù)得到了國內(nèi)外的廣泛重視，并已在許多工業(yè)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。其中，為提高汽車零件的工作性能，減少材料使用成本，許多國家已將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用在了汽車工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中并取得重要成果。本文中介紹了激光熔覆技術(shù)的原理及特點，綜述了該技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用，包括其在汽車零部件制造、汽車模具的表面強化與修復(fù)以及零件再制造等方面的應(yīng)用。

1　激光熔覆技術(shù)及其特點

1.1激光熔覆原理與設(shè)備

激光熔覆技術(shù)利用高能密度激光束將基材表面薄層與表面添加的材料快速熔凝后，使得添加的材料與基材冶金結(jié)合在一起，在基材表面形成熔覆層。添加材料通過送料裝置輸送或事先預(yù)置于基體上，使用送料裝置輸送添加材料時，激光束掃描一次形成厚0.15～2mm、寬0.2～5mm的單道熔覆層，可以通過多道搭接，在基體上形成一定體積范圍的熔覆層。原理如圖1所示。

圖1　激光熔覆原理示意圖

激光熔覆設(shè)備的基本組成包括激光器、送料系統(tǒng)、機械運動系統(tǒng)以及其他輔助裝置。激光器輸出使熔覆材料熔化的高能量密度熱源，是激光熔覆設(shè)備中的核心部分。目前，廣泛應(yīng)用于激光熔覆的激光器有高功率CO2激光器、Nd：YAG激光器，半導(dǎo)體激光器以及光纖激光器由于能量效率高，更易于金屬表面吸收，逐漸受到使用者的青睞。送料系統(tǒng)是激光熔覆時輸送添加材料的重要工作系統(tǒng)，熔覆時常用的送料形式為同步送粉與同步送絲2種。送粉熔覆由于稀釋率低、無方向性影響得到了比較廣泛的應(yīng)用，但是其粉末利用率較低，通常不到50%，而送絲熔覆的利用率幾乎可以達到100%。機械運動系統(tǒng)是執(zhí)行激光熔覆工藝的關(guān)鍵組成部分，常含有安放工件的工作平臺、安裝激光頭的機器人和數(shù)控機床等。為了保證激光熔覆質(zhì)量，有的熔覆設(shè)備還配備了一些輔助裝置，其中，常用的輔助裝置有監(jiān)測與反饋控制、氣體保護等設(shè)備。將激光器、送料系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、過程檢測系統(tǒng)等集成為閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為激光熔覆設(shè)備的發(fā)展方向。

1.2激光熔覆工藝與材料

1.2.1激光熔覆工藝

激光熔覆技術(shù)按照熔覆材料供給方式不同，可以分成預(yù)置式和同步式激光熔覆。預(yù)置式激光熔覆是將熔覆材料事先置于基材表面的熔覆部位，然后采用激光束輻照，使得熔覆材料和基體表面相繼熔化后快速凝固，從而在基材表面形成冶金結(jié)合的熔覆層。熔覆材料的形式可以是粉、絲或帶狀，采用粘結(jié)或噴涂方式預(yù)制在基體材料表面。同步式激光熔覆是將熔覆材料直接送入激光束中，材料供給和熔覆同時完成。熔覆材料主要以粉末形式送入，也可采用絲材或帶材同步送給。

熔覆材料供給方式與溶覆層的組織、性能及生產(chǎn)效率有很大的關(guān)系。預(yù)置粘結(jié)粉末和同步送粉比較，前者操作簡單方便，但粘結(jié)劑分解、氣化易造成熔覆層污染和氣孔缺陷；后者通過送粉裝置定量地將粉末材料直接送至工件表面的激光作用區(qū)，具有良好的可控性，易于實現(xiàn)自動化，可制備出多層、大面積熔覆層，其缺點是必須配有復(fù)雜的送粉裝置，且粉末利用率低。

激光熔覆層的組織和性能除了與熔覆材料及其添加方式有關(guān)以外，與熔覆工藝參數(shù)也有著密切的關(guān)系。激光熔覆工藝參數(shù)很多，主要工藝參數(shù)包括激光功率、光斑大小、掃描速度、激光束輸出模式、搭接率等。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同工件和使用要求，綜合考慮后選取最佳的工藝參數(shù)。

1.2.2激光熔覆材料

激光熔覆層的性能決定于其組織結(jié)構(gòu)，而其組織結(jié)構(gòu)決定于熔覆材料與熔覆工藝，因此，熔覆材料是影響熔覆層使用性能的關(guān)鍵因素。

按熔覆材料的初始供應(yīng)狀態(tài)，熔覆材料可分為粉末狀、絲狀和帶狀，其中應(yīng)用最廣泛的是粉末狀材料。激光熔覆粉末材料主要有合金粉末以及在合金粉末中加入陶瓷等硬質(zhì)相的復(fù)合粉末材料［2］，自熔性合金粉末是激光熔覆中應(yīng)用最多的材料，包括Ni基、Fe基、Co基［3］。應(yīng)用這些粉末材料可以制備出滿足耐磨、耐蝕、耐熱及其它特殊功能要求的不同熔覆層。

1.3激光熔覆技術(shù)特點

激光熔覆技術(shù)與傳統(tǒng)的化學(xué)熱處理、電鍍、堆焊、熱噴涂等相比，有如下特點：1）冷卻速度通常高達102～106℃·s-1，凝固組織具有典型的快速凝固特征；2）熱輸入以及產(chǎn)生的熱變形較小，涂層稀釋率一般小于8%，常與基體呈良好冶金結(jié)合；3）熔覆過程可以使用數(shù)控機床或機器人進行操控，適用于復(fù)雜型面的強化。激光熔覆與增材制造技術(shù)結(jié)合可同步實現(xiàn)零部件或模具的表面強化與增材制造，有著廣闊的應(yīng)用前景［4］。

2　激光熔覆在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

2.1在汽車零部件制造上的應(yīng)用

激光熔覆技術(shù)因其良好的工藝特性，在汽車零件制造中得到廣泛的關(guān)注。20世紀80年代開始，美國、日本、俄國、英國以及中國等國家就在汽車工業(yè)領(lǐng)域采用激光熔覆技術(shù)強化汽車零部件。

美國AVCO公司對汽車排氣門激光熔覆Stel?lite合金，提高了排氣門的耐磨、耐蝕和抗沖擊性，達到了節(jié)約昂貴合金材料，降低生產(chǎn)成本的目的［5］。Toyota公司在鋁合金氣缸的氣門座處激光熔覆銅基復(fù)合材料，通過引擎測試，其高溫下的耐磨性和抗沖擊性與壓入法相比得到了顯著提高，而其成本與壓入法相比減少了30%［6］。日本尼桑公司在鋁基發(fā)動機葉片上成功熔覆了一層銅基合金，增強了零件的表面強度，極大的提高了零件的耐磨、耐高溫性［7］。俄羅斯利哈喬夫汽車廠的排氣閥座經(jīng)激光熔覆耐熱合金后，零件表面硬度提高到原來的3～5倍，使用壽命是原來的2～4倍［5］。英國某發(fā)動機公司采用激光熔覆技術(shù)，在渦輪增壓器葉片上熔覆Co基合金得到了無氣孔、無裂紋的高性能熔覆層，極大改善了高溫耐蝕性，降低加工時間，減少約50%的昂貴合金粉末的消耗［8］。

李春華［9］等人使用CO2連續(xù)激光器對21-4 N汽車排氣門表面進行了Ni21合金的激光熔覆，經(jīng)多次試驗后發(fā)現(xiàn)，使用激光功率為1.8～2.1 kW，掃描速度5～6 mm·s-1，光斑直徑4.5～5 mm，預(yù)置粉末厚度為1～2 mm的工藝參數(shù)熔覆后的材料表面較為平整，工藝穩(wěn)定，可以滿足汽車排氣門的批量生產(chǎn)要求。沈陽SIASUN公司［10］對曲軸表面進行了激光熔覆強化，使得零件表面質(zhì)量得到了顯著提高，曲軸的使用壽命也達到原來使用壽命的1倍以上。張杰飛［11］等人對AM60B鎂合金汽車輪轂進行了表面激光熔覆后，使得AM60B鎂合金汽車輪轂在中性鹽霧腐蝕240 h后的質(zhì)量損失減少91.63%，在酸雨全浸腐蝕240 h的質(zhì)量損失率下降93.35%，磨損體積減小71.08%，有效提高了汽車輪轂的耐腐蝕性。

2.2在汽車模具表面強化與修復(fù)中的應(yīng)用

激光熔覆技術(shù)在汽車工業(yè)中的另一重要應(yīng)用就是該技術(shù)在汽車模具表面強化與修復(fù)中的應(yīng)用，一般模具在工作一定時間后表面會因磨損、腐蝕、接觸疲勞而導(dǎo)致模具失效，在汽車制造業(yè)中普遍存在著模具因過早失效而需要維修或重新制造模具的情況，因此運用激光熔覆技術(shù)進行模具修復(fù)是延長模具使用壽命的有效方法［12］。

汽車覆蓋件模具在使用時經(jīng)常出現(xiàn)拉毛缺陷，嚴重時約生產(chǎn)15～20件就要維修一次，給生產(chǎn)造成相當(dāng)大的麻煩。因此為了強化汽車覆蓋件模具，解決拉毛缺陷，宋啟明等人對模具凸、凹模進行了激光熔覆修復(fù)，熔覆后的模具表面光滑，無氣孔、砂眼產(chǎn)生，工件合格率達到96%以上。劉建永［14］等人采用機器人激光熔覆技術(shù)對汽車覆蓋件拉深模進行了局部強化，使用Fe40合金先在模具表面熔覆一層后，再使用GXN-65A和XY-27F-X40合金粉末進行分區(qū)熔覆，得到了較為良好的工藝效果。

在汽車模具中，激光熔覆技術(shù)在強化與修復(fù)沖壓模和熱鍛模方面也有著較好的應(yīng)用。沖壓模具在工作過程中承受著周期性載荷的沖擊與磨損，工作一段時間后表面就會存在嚴重的凹坑、點蝕。因此，為滿足沖壓模具需要的高硬度、高耐磨以及耐腐蝕等特性，馬向東［15］等人對沖裁車用4 mm厚、材料是Q235板材結(jié)構(gòu)件的Cr12沖裁模具進行了激光熔覆修復(fù)。模具的主要失效形式是裂紋和刃口剝落，采用Fe901合金粉末修復(fù)后模具硬度雖為HRC54低于淬火基體，但是Fe901熔覆層的磨損量比Cr12基體的磨損量降低多達70%以上，使得模具具有優(yōu)良的耐磨性。熱鍛模在工作中需要有較強的抗熱疲勞性，一般熱鍛模在經(jīng)過幾千次使用后就會因表面產(chǎn)生裂紋而不能使用。為提高熱鍛模具的使用壽命，張春華［16］等人在H13熱作模具鋼上采用2 kW的CO2激光器熔覆Stellite x-40鈷基合金，經(jīng)生產(chǎn)實際考查，采用激光熔覆處理后的H13鋼模具使用壽命提高到原來的3倍以上。國內(nèi)汽車零件使用的熱鍛模在功率密度為4×103W·cm-2的條件下熔覆48Cr-28Ni-2Al-6C-2Mo合金粉末，熔覆后的模具表面具有高硬度、耐高溫、摩擦系數(shù)較小以及較好的耐腐蝕性［17］。

此外，趙洪運［18］等人在熱輥鍛模具表面應(yīng)用激光熔覆技術(shù)，熔覆添加WC硬質(zhì)相的Co基合金粉末，熔覆后使得模具壽命提高了5倍以上，為工廠帶來了上千萬元的經(jīng)濟效益。王順興［19］等人在滾動軸承套圈熱沖模上激光熔覆含有WC與CeO2的Ni60合金粉末，處理后通過裝機試驗發(fā)現(xiàn)該熱沖模的壽命提高到了原來的1倍以上。

2.3在零件再制造中的應(yīng)用

再制造成形技術(shù)是指把已經(jīng)達到使用壽命的零件采用一定的技術(shù)，使損傷的零件恢復(fù)到原有或近形尺寸，達到甚至提高零件使用性能的材料成形技術(shù)手段的統(tǒng)稱［20］。激光熔覆技術(shù)作為零件再制造的一種修復(fù)技術(shù)，在汽車工業(yè)領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。有關(guān)資料表明，再制造后的零件強度可以達到甚至超過新品，而其再制造的成本只是新品的50%，節(jié)省了60%的能量，節(jié)約了70%的材料，顯著減少對環(huán)境的不良影響［21］。

汽車工業(yè)領(lǐng)域中，曲軸和變速箱的再制造問題在使用激光熔覆技術(shù)后能較好地解決。封慧［22］等人在45鋼曲軸連桿軸頸上進行激光熔覆Fe基合金粉末，經(jīng)磨削加工后，軸頸表面光滑，無裂紋和氣孔等缺陷，熔覆層硬度達到了基體的2～3倍，解決了曲軸在工作過程中軸頸較易出現(xiàn)磨損和裂紋的情況，避免了因此而導(dǎo)致曲軸整體報廢的問題?？悼h鋒等人［23］在汽車變速箱再制造過程中，選擇材料為20CrMnTi、8620H的齒輪及軸類零件，材料為HT200、HT250等的殼體零件及其他一些材料為40Cr及ZG310-570的零部件，對其采用同步式激光熔覆。激光熔覆修復(fù)后的零件在硬度、強度及耐磨性方面均恢復(fù)了原零件的服役性能，從根本上解決了廢舊零件只能直接報廢或回爐處理的現(xiàn)狀，是變速器零部件再制造項目中的一項重要表面技術(shù)。

激光熔覆在發(fā)動機氣門以及閥座的再制造方面也有著較為廣泛的應(yīng)用。Kazuhiko Mori［24］等人對廢舊的發(fā)動機氣門表面激光熔覆Stellite No.32合金與傳統(tǒng)的氧乙炔氣焊修復(fù)方式進行了性能對比。在發(fā)動機上測試200 h后，激光熔覆氣門表面的磨損量是氣焊修復(fù)后磨損量的1/3，表面腐蝕少，總體性能方面與氣焊相比得到了較大提高。王愛華［25］等人采用激光熔覆工藝在發(fā)動機排氣閥閥門座表面熔覆NiCrBSi和CoCrW自熔合金粉末，與傳統(tǒng)的等離子噴涂和真空感應(yīng)熔焊技術(shù)相比，不僅得到了更好的晶粒組織，較小的熱影響區(qū)，而且使得閥門座表面的耐磨性和耐蝕性提高到了原來的3～4倍。J Arnold［26］等人采用YAG激光器在使用后的汽車閥門座上熔覆鎳基合金，使得處理后的閥門座在強度、硬度、耐磨損方面得到了顯著加強。

3　結(jié)束語

汽車的發(fā)展對零部件材料及其成形加工技術(shù)的要求越來越高，激光熔覆作為一種新的材料表面技術(shù)為汽車零部件及其加工制造業(yè)的發(fā)展提供了新的技術(shù)支持、增添了新的活力。隨著該技術(shù)基礎(chǔ)理論研究的不斷深入和完善、熔覆材料的不斷開發(fā)、相關(guān)設(shè)備自動化程度的不斷提高，激光熔覆技術(shù)將在汽車零部件制造、汽車模具的表面強化與修復(fù)以及零件再制造等方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

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Laser Cladding Technology and Its Applications in Automotive Industries

Chang Cheng，Liu Jianyong，Yang Wei，Zeng Daxin
（School of Materials Science&Engineering，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002，China）

The principles and characteristics of laser cladding technology were introduced.Its applica?tions were reviewed in the manufacturing and remanufacturing of the automotive parts，surface strength?ening and repairing of the molds&dies for the automotive manufacturing.The prospect of its applica?tions in automotive industries was presented.

laser cladding；automotive industry；surface strengthening；remanufacturing

TG174.44

A

1008-5483（2016）02-0049-05

10.3969/j.issn.1008-5483.2016.02.012

2016-04-12

常成（1993-），男，山西晉中人，碩士生，從事激光表面技術(shù)研究。E-mail：1002252429@qq.com