激光加工在模具行业的应用

模具表面处理一直是机械加工领域中所重视的问题。随着新技术新工艺的发展，有许多传统的处理方式已不太适用。对形状复杂的模具，最理想的表面处理方式是用激光进行，它几乎不变形，表面硬度比常规处理方式的硬度高，并且更耐磨，使用寿命更长。
1) 激光相变硬化
激光相变硬化又称激光淬火。由于激光淬火时冷却速度远远超过常规淬火冷却速度，从而可以获得极细的马氏体组织。激光相变硬化的优点为硬度较常规淬火高、变形小、可实现表面薄层和局部淬火，不影响基材的机械性能等。
2) 激光冲击强化
激光冲击强化是高功率密度、短脉冲的激光束与物质相互作用产生的强冲击波来改变材料表面物理及机械性能的技术。在激光冲击过程中，由于激光诱导产生的冲击波峰值应力大于材料的动态屈服应力，从而使材料产生密集、均匀以及稳定的位错结构，使金属表面发生塑性变形，并形成较深残余压应力，从而提高金属零件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。其主要优点为：冲击压力高，强化深度达到传统的喷丸强化深度4～8倍；能够加工传统工艺不能处理的部位，如小槽、小孔以及轮廓线之类；激光冲击强化后的金属表面不产生畸变和机械损伤，无热应力损伤，不会引起相变等。
3) 激光合金化和激光熔覆
激光合金化和激光熔覆是将一层与模具基体成分不同而具有一定性能的材料涂覆在模具基体，同时用高能激光束照射涂覆区域。激光合金化通过调节激光输出功率使涂覆材料与部分基体一起熔化并发生合金化过程；而激光熔覆是涂覆层在激光作用下与基体表面通过融合迅速结合再一起，它与激光合金化的主要区别在于经激光作用后涂层的化学成分基本不变化，基体的成分基本上不进入涂层内。基于快速凝固新材料合成与制备的激光表面合金化及激光熔覆表面改性新技术，是提高模具材料在高温下耐磨耐蚀等高温性能的最有效方法之一。
模具激光修复
模具的失效事实上均因其表层局部材料磨损等原因而报废，而且金属模具的加工周期长、加工费用高。模具使用寿命取决于抗磨损和抗机械损伤能力，一旦磨损过度或机械损伤，须经修复才能恢复使用。目前常采用的维修技术有电镀、堆焊和热喷涂等。电镀层较薄，而且与基体结合差，形状损坏部位难于修复；在堆焊、喷涂时，热量注入大，模具热影响区大。而应用激光进行模具维修，由于激光束的高能量密度所产生的近似绝热的快速加热，对基体的热影响较小，引起的畸变可以忽略。模具的激光修复可采用的方法主要有两种：
1) 激光熔覆模具修复
利用激光熔覆的方法实现对模具的修复。用高功率CO2激光束以恒定功率与金属粉流同时入射到模具表面上，金属熔化产生熔池，然后快速凝固形成冶金结合的覆层。此方法一般采用大功率CO2激光器作为热源，适用于体积较大、磨损面积较大的模具修复，以及象钢铁轧辊一类的大型工件的修复。
2) 激光沉积焊接模具修复
激光沉积焊接模具修复采用中小功率脉冲Nd:YAG激光器，模具的缺陷用激光束和丝状填充材料来填补。激光束使焊丝和工件的表面同时熔化，所需沉积物的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。此方法适用于体积较小的精密模具。Rofin-Sinar公司制造的StarWeld焊接机是比较具有代表性的此类设备，如图4所示。
模具激光清洗
应用高能激光脉冲去除模具在使用过程中产生的表面污物是激光技术在模具行业中的又一用途。其清洗机理有两个：一是直接利用激光加热污物，使之气化挥发、或瞬间受热膨胀并被蒸汽带离模具基体表面；还有就是在高能量密度、高频率的脉冲激光作用下，污物层内产生分裂应力，而与模具基体脱离。与传统的喷沙清洗方法相比，激光清洗具有清洗速度快、不损伤模具表面、在线清洗(可节约大量拆卸、安装、调试时间)的优点。目前，德国JET激光系统公司生产的激光清洗设备相对较为先进。
结束语
激光的高亮度、高方向性和高单色性使激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其能加工几乎所有的材料。激光加工在国外各个制造领域和行业已得到了广泛的应用；而国内也一直在激光加工设备和激光加工工艺两个方面投入大量的人力物力进行研究和发展。模具是工业产品成型的重要工业装备之一，在很大程度上决定企业在市场竞争中的应变能力，模具成型已成为现代工业产品重要的手段和工艺发展方向。激光加工应用于模具制造和在某些场合取代模具(如激光切割取代钣金件中的冲切模具、激光打标取代冲模打标)方面具有很大优势。如何在实际生产中应用激光加工技术来缩短模具制造周期（T）、保证模具制造质量（Q）和降低模具制造成本（C），需要进行不断的深入研究和探索。