1 绪论
1.1冷作模具
冷作模主要包括：冲模、冷镦模、冷挤压模、拉深模、拉丝模、滚丝模、剪切模等。冷作模具工作条件不完全相同，其主要特点是：模具工作温度不高，工作部分受到很大的压力、摩接力、拉力、冲击力。尤其是模具刀口部位受到强烈的摩擦和挤压。冷作模具的正常失效形式主要是磨损。但如果模具的选材、热处理或结构设计不当，常会因变形、崩刃、开裂而出现早期失效。一般各类失效所占比例是：热处理为 52.2%；原材料为 17%；使用为 10%；机械加工为 8.9%；锻造为 7.8%；设计为 3.3%。
为了保证冷作模具的使用寿命，冷作模具材料应具备以下基本力学性能。
（1）高硬度 硬度是模具材料的一个重要的性能指标。根据冷作模具的工作条件不同，硬度值可在 54-64HRC 范围内选择。一般韧性要求高的取下限，要求强韧性好的宜取中限。
（2）高耐磨性 由于冷作模具的正常失效多数是由磨损造成的，因此，高耐磨性是冷作模具的一个基本性能要求。冷作模具的磨损主要为磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损。一般硬度高，耐磨性就好。但对疲劳磨损而言，当冲击载荷较大时，过高的硬度反而会加快磨损(这时需要适当的硬度和韧性)。钢的组织中以下贝氏体和马氏体基体上分布着细小、均匀的碳化物组织的耐磨性为最好。
（3）高强度和足够的韧性 为防止冷作模具的变形、崩刃、开裂，材料必须有很高的强度和足够的韧性。冷作模具材料常用抗压、抗弯强度作为强度指标(因压缩试验较接近模具的受力形式，而弯曲试验更适合于塑性较低的冷作模具材料)。
（4）热处理变形要小 冷作模具材料应具有良好的淬透性和淬硬性，以保证冷作模具能在较缓和的冷却介质中淬火硬化和减少模具变形、开裂的倾向性，这对形状复杂的模具尤为重要。
（5）适当的热稳定性 虽然冷作模具是在室温下工作，但对于高速冲裁或剧烈摩擦磨损的冷作模具，表面温度往往上升很快，如果材料的热稳定性差，模具就会因温度升高而造成工作部位软化。此外，冷作模具材料还应有较好的可锻性和切削加工性能，以满足模具加工制造的要求。有时也用抗拉强度作为强度指标。
由于材料的韧性是由强度和塑性共同决定的。强度相等时，塑性好的材料一般韧性较高。低塑性的冷作摸具钢常用断裂挠 fb评定塑性大小，并用 fb间接反映材料的韧性差别。对于承受大冲击载荷的模具钢，常用冲击吸收功 Ak比较不同材料的韧性。此外，由于模具材料中难免存在裂纹(尤其是大尺寸模具)，且冷作模具材料多为高强度低塑性材料，微小的裂纹就容易造成低应力脆断，所以还应对冷作模具材料(至少对重要的大尺寸模具)的断裂韧度提出要求。
1.2 激光堆焊技术
1.2.1 激光堆焊技术原理与特点
激光堆焊包括激光熔敷、激光合金化等工艺。激光熔覆是材料表面熔融强化技术的一种重要方法，它是利用高能密度激光束将具有不同成分、性能的合金与基体表面快速熔化，在基体表面形成与基体具有完全不同成分和性能的合金层的快速凝固过程。激光熔覆技术与激光合金化不同的是要求基体对表层合金的稀释度小。通常将硬度高，以及耐磨性好、抗热、抗腐蚀和抗疲劳性能的材料选择用作熔覆材料。这种工艺与传统的熔覆工艺相比具有以下优点：合金层和基体可以形成冶金结合，极大地提高了熔覆层与基体的结合强度；由于加热速度快，熔覆层的组织均匀致密，微观缺陷少，性能优于其他工艺；熔覆层的稀释度小，且可以精确控制，基体热影响区以及基体的变形均可减少至最低程度。
2 试验材料、设备及方法
2.1 试验材料
试验所用的材料为长宽各 20mm、厚度为 5mm 的冷作模具钢 Cr13Mo1Si1V1，材料的状态 1030oC 淬火+500oC 回火，其具体化学成分如表 2.1。Cr13Mo1Si1V1 钢是一种新型高碳铬型空冷淬硬工模具钢，在通常热加工后的亚稳态组织为马氏体+合金碳化物+残余奥氏体。未经锻压破碎的粗大共晶碳化物呈网状分布在奥氏体晶粒周围。经一定不大变形比的锻造或轧制，“硬网”被破碎成粗大而带有尖锐棱角的碳化物。粗大碳化物和基体的边界起着裂纹源的作用，降低材料的韧性和使用寿命。只有当材料的碳化物呈均匀细小弥散分布，才能改善材料的韧性和使用寿命。Cr13Mo1Si1V1 钢比传统的Cr12MoV 钢、Cr12 钢有更好的热处理工艺性，其耐磨性、淬透性和淬硬性均优于Cr12MoV 钢、Cr12 钢。由于其残留碳化物细小，分布均匀，韧性好，淬透性好，有良好的二次硬化特性，使其具有高硬度、高耐磨性、中等韧性和优异不变形的特性。其典型用途是冷成型模具、成型辊、铰刀、圆柱塞规和剪切刀片等。
3 试验结果与分析.................... 36-58
3.1 激光表面自熔焊工艺参.................... 36-41
3.1.1 脉冲能量 .................... 36-37
3.1.2 脉冲宽度.................... 37-39
3.1.3 脉冲频率.................... 39
3.1.4 光斑直径 .................... 39-41
3.2 激光表面自熔焊工艺参数优化.................... 41-47
3.2.1 脉冲能量与焊缝熔深的关系.................... 41-45
3.2.2 功率密度范围的确定.................... 45-46
3.2.3 焊缝裂纹缺陷分析.................... 46-47
3.3 激光填丝焊工艺参数对焊缝横断面形状.................... 47-57
3.3.1 功率密度对焊丝铺展状态的影响.................... 47-50
3.3.2 激光焊丝直径对焊丝铺展状态的影响.................... 50-52
3.3.3 不同填丝焊工艺参数下接头组织分析.................... 52-57
3.4 采用激光填丝焊接修复模拟的失效模具 .................... 57-58
结论
本次试验采用直径分别为 0.30mm、0.50mm 的 8407 激光焊丝，以 Nd:YAG 脉冲激光焊工艺在基体材料Cr13Mo1Si1V1钢上堆焊。首先对该钢材进行脉冲激光表面自熔焊，通过工艺参数的优化及缺陷分析，获得主要工艺参数对 Cr13Mo1Si1V1 这一新型模具材料的加工范围，制定脉冲激光填丝堆焊工艺。通过对堆焊焊缝形貌以及堆焊层显微组织分析获得最佳修复工艺。
（1）ND:YAG 脉冲激光焊接工艺参数中，脉冲能量和脉冲宽度是关键的两个参数：脉冲能量越大，焊缝熔深和表面宽度增加比较明显；脉冲宽度越大，则焊缝表面宽度减小较多，并且会加大接头热影响区区域；脉冲频率和光斑直径对焊缝横断面形貌尺寸影响不大，光斑直径只是用来调节激光辐射区域面积。
（2）脉冲能量与焊缝熔深在激光热导焊过程中具有一定的线性关系，进入深熔焊后，由于小孔效应的产生，熔深急剧加大到一定程度后不再增加；当脉冲宽度和光斑直径选择较小时，焊缝容易出现结晶裂纹并带有飞溅产生。
（3）在激光堆焊中，功率密度在 0.29×106~0.31×106W/cm2之间（其中 t=5.0ms、d=0.70mm）时，对直径 D=0.50mm 的激光焊丝在基体材料上的铺展状态较好，在焊丝与基体材料形成良好的冶金结合的同时，也保证了较小的稀释率。
（4）随着功率密度的增大，堆焊层金属组织会有隐晶马氏体出现，碳化物细化并弥散分布，残余奥氏体量增多；而热影响区和熔合区金属组织未发生变化，只是碳化物发生了细化；功率密度为 0.29×106W/cm2时，堆焊层和热影响区金属组织与母材相近。
（5）采用激光填丝焊接修复模拟的失效模具试验，进行了性能测试试验，其中堆焊层与母材金属的硬度值相近，而熔合区及热影响区硬度较母材金属的高。当采用ND:YAG 脉冲激光在 Cr13Mo1Si1V1 冷作模具钢表面堆焊 8407 焊丝时，功率密度0.29×106W/cm2（E=5.5J、t=5.0ms、f=11Hz、d=0.70mm）为该实验条件下最佳工艺。
参考文献
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