汽车大型覆盖件模具激光表面强化技术的应用_蔡军

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汽车大型覆盖件模具激光表面强化技术的应用

介绍了激光强化处理技术的优点及工艺流程，并着重论述了激光表面强化处理技术在汽车大型覆盖件模具中的应用。此技术应用结果表明，模具寿命成倍提高，产品质量显著改善，生产效率明显提高。

上汽通用五菱汽车股份有限公司 蔡 军

柳州科尔数字化制造技术有限公司 梁海峰 刘国林

1 激光强化处理的技术原理

高能量密度的激光束快速扫描工件表面，工件表层材料吸收激光能量，使被照射的金属或合金表面温度快速提高到相变温度以上、熔点以下，激光束离开被照射部位时，随即通过金属基体的热传导作用迅速冷却进行自冷淬火，实现工件的表面相变硬化，在表层形成深度0.3~2.0 mm的超细化的、硬度高的且有良好韧性的淬火组织。 应用激光对材料表面实施处理则是一新技术。激光表面处理技术的研究始于20世纪60年代，但是直到70年代初研制出大功率激光器之后，激光表面处理技术才获得实际的应用，并在近10年内得到迅速的发展。使用大功率激光加工系统提高工件局部表面性能，从而达到提高工件使用寿命或恢复失效工件使用性能的目的。

多数金属零部件均对局部表面有特殊性能要求（耐磨损、耐腐蚀、耐高温等），而激光加工技术特别适于有针对性地对工件局部表面进行改性，比常规的整体提高材质或整体处理具有优越性，可节约贵重金属和能源。

激光淬火技术与其他热处理技术如中高频淬火、渗碳、渗氮等传统工艺相比，具有以下优点。 （1）显著改善材料表面的组织结构，大大提高工件的机械性能。马氏体晶粒极细，位错密度相对常规淬火更高，大大提高材料性能。工件经激光表面强化处理后，表面耐磨性及抗粘着性能大幅度提高。 (2) 硬化层具有较高的硬度和耐磨性。比传统淬火硬度高25%左右，耐磨性成倍提高。

(3) 热影响区小，淬火应力及变形小。相变硬化可以使表面产生压应力，有助于提高工件的疲劳强度，体积大且易传热的工件可以认为无变形，适合于高精度零件处理。激光功率密度高，与工件作用时间短，工件热变形小。

(4) 根据使用要求可选择性地进行局部加工，能精确控制硬化层的位置、面积、硬度和深度，且强化层硬度均匀性较好。

(5) 激光硬化无需冷却介质，

对环境无污染。

2.2 大型模具表面激光强化处理技术应用

激光相变强化技术应用于汽车大型模具的表面强化，能极大提高模具表面的硬度和耐磨性，解决长期以来用传统热处理方法无法解决的大型模具表面处理的技术难题，提高汽车大型覆盖件的产品质量；对于模具制造行业，可用价格相对低廉模具材料替代传统昂贵的模具材料，降低生产成本，提升模具的制造水平。

大型模具表面激光强化处理技术实现的关键在于可靠性较高的大功率激光成套设备的研发，以及关键激光加工工艺（激光强化、激光合金化、激光熔覆修复等）的研发和完善。上汽通用五菱冲压车间应用柳州市金百汇激光技术有限责任公司自主开发的模具激光表面强化技术，通过对45钢、T10、Cr12、40Cr、Cr12MoF、CrMo铸铁、灰铸铁等常用模具材料进行激光表面强化处理试验，进而把该技术推广到大型模具的表面处理当中，有效解决了大型模具表面处理难或不能处理的技术难题。模具经激光表面强化后不变形，不破坏模具表面，处理后的表面硬度达到60 HRC以上，不同材料硬层深度在0.5~2.0 mm。

2 激光强化处理技术的优点

及应用

2.1 激光强化处理技术的优点 激光加工技术集激光、材料、计算机及自动化、机械制造和数控等技术于一体，成为当今最先进的制造技术之一，也是各国专家公认的新世纪革命性制造技术。由于大

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目前实际使用的结果表明，经过激光淬火处理后的模具具有以下特点。

（1）模具寿命成倍提高。激光处理后模具一次修磨抛光后的冲压零件数已由原来300~500件提高到10 000件以上。

（2）产品质量显著改善。激光处理前，由于模具的工作型面表面硬度较低，用常规方法进行热处理的硬度不均匀，其工作型面易与冲压件发生局部粘着磨损，导致冲压件被拉伤，而经激光处理后这一现象基本消失，冲压件表面粗糙度明显降低。

（3）生产效率明显提高。激光处理前，如N106顶盖因拉伤需经常推磨抛光，在线维修率达10%~20%。激光处理后，在线维修率小于5%，节约了大量在线维护时间，提高了作业率，同时模具经激光处理后的冲压频率可适当提高。 （4）可大幅度降低各类拉延油用量，改善工作现场环境。 从2005年3月至2007年11月，上汽通用五菱冲压车间共计处理N106、SPARK、6360系列模具80套，模具表面硬度基本可提高到55~65 HRC，处理后硬化层有效深度为0.5 mm。经验证效果如下：模具工作型面同一部位经处理后，经久耐用；提高了产品质量和生产率，极大延长模具寿命，同时可大幅度降低各类拉延油用量，避免冲压件拉伤，提升现场环境。另外，冲压车间与激光公司在表面强化技术的基础上进行了激光熔覆修复技术研究，对使用10多年的VH车型部分模具的磨损和局部损坏进行快速修复，有效保证了冲压车间的正常生产。整个项目共计节约900万元。下一步，车间计划将激光表面强化

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处理技术继续推广到N200、CN100等新车型的模具上。图1是N106左侧围外板处理前后的筋条对比。处理前筋条周边有很多细小的砂眼以及裂纹，模具表面硬度没有达到要求，如图1a。处理后筋条以及周边光滑、平整，模具表面硬度基本可提高到55~65 HRC，如图1b。

3.2 流程

激光强化处理技术的流程如图2。

（a

）处理前

图

2

(b) 处理后

图1 拉深模筋条处理前后对比

4 实例解析

以上汽通用五菱公司N106车顶盖拉深模表面激光处理为例进行说明（如图3）。上汽通用五菱公司该模具的冲压生产件数达到近百万件，N106顶盖模具早已超过了设计寿命期限（设计寿命为60万冲次），目前该模具还在继续使用，而且状态良好。为了延长模具寿命，减少零件拉伤，在2006年底对N106顶盖拉深模

3 激光处理技术的步骤与流

程

3.1 步骤

首先对激光加工工件的使用工况条件、失效方式进行分析，根据其技术要求制定激光加工方案，工件入厂后进行清洗，无损探伤，取样分析工件材料成分及组织状况，配置合适的粉末配方及涂料配方，在工件的非工作面进行激光工艺试验，确定最佳激光处理工艺，用最佳工艺对工件进行激光加工，再进行机械加工，进行无损探伤及硬度检测，进行动平衡调整和应力检测分析，确认合格后出厂。

图

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连杆模具材料8402钢的热处理工艺改进

白城师范学院机械电子工程系 梁冬冬

8402钢是一种具有优良的淬透性、淬硬性和良好的室温和高温性能的模具钢，广泛用于要求强韧性和冷热疲劳抗力高、工作温度高的热作模具，其使用寿命远高于5CrNiMo材料等。但经一段时间的使用发现模具寿命不够理想，经常规热处理后，常出现早期失效，经金相检验发现其组织状态不好，碳化物分布不均，带状组织没有完全消除，故有必要对其热处理工艺进行改进。

炉带有拉伸和冲击试样。2种工艺情况见图1。

其淬火加热在台车炉中进行，淬火在大号油槽中进行。冷却到

1 试验材料及方法

试验材料为某厂生产的8402钢，其化学成分见表1。

将同批进厂的该材料分成2组采用2种工艺方法分别进行处理，并随

图1 2种热处理工艺

200 ℃以下时，直接装炉进行回火，用金相显微镜观察微观组织；拉伸在WDW3300电子拉伸试验机上进行；冲击试样采用夏比缺口，在

局部进行了激光处理。激光表面硬化处理效果对比如表1。

现对N106顶盖拉深模激光处理的步骤进行说明：

(1) 落实N106顶盖激光处理方案，明确要处理的部位以及处理所需时间；

(2) 根据车身生产计划进行冲压件库存储备；

(3) 将模具转供应商处进行打磨清洗，无损探伤；

(4) 取样分析工件材料成分及组织状况，配置合适的粉末配方及涂料配方；

(5) 在N106顶盖拉深模的非工作面进行激光工艺试验，确定最佳激光处理工艺；

(6) 用最佳工艺对N106顶盖拉深模需进行处理的部位进行激光表面硬化处理；

(7) 处理完成后对处理部位进行粗打磨，之后对处理部位以及周边进行无损探伤及硬度检测；

(8) 确认合格后将模具拉回冲压车间后对模面进行细磨抛光； (9) 上压机调试，直到能够生