激光淬火在汽车覆盖件拉延模具的运用

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【摘要】利用正交实验所优选的工艺参数对汽车覆盖件拉延摸具GM246进行激光淬火的实验，实验结果表明，当P=3.5KW，光斑为3mm×24mm，扫描速度V=500mm/min时，获得最佳的处理效果，硬度最高可达58HRC。采用此工艺参数对柳州某微型车尾门外板拉伸模凹模激光淬火处理后，修模率下降。

【关键词】激光淬火；工艺参数；GM246汽车覆盖件模具

1引言

在汽车制造业中,车身内外众多板件都是采用模具冲压成型，随着自动化生产线的普及和生产效率的提高，对模具表面耐磨程度要求越来越高。当模具冲压次数的达到一定数量后，模具的表面由于疲劳损伤，或者因为板料残留的金属粉末粘结附着在模具表面，导致在冲压成型过程中拉毛，拉伤甚至拉裂工件现象非常普遍，这违背了汽车的制造工艺的质量要求。由此可见，模具的表面状态（特别是硬度和光洁度）直接影响到产品质量和模具使用寿命[1]。目前国内汽车模具的热处理仍以火焰淬火、感应淬火和整体淬火为主，在淬火后的模具热变形量大，表面质量差及工艺的不均匀性大大地增加了后期的修模频率，使得生产线频繁停休，延误生产，加大工人的劳动强度。激光淬火技术是采用高能量密度的激光直接作用于工件局部可以实现精确淬火且淬火后工件变形量小无污染。研究表明[2-5]，模具激光淬火技术比传统人工火焰淬火得出金属组织晶格更加细化，硬化层更加均匀，其优势在自动化生产中体现更加优越。

2正交实验激光淬火参数优化

2.1试样制备。实验的基体材料为GM246,其主要成分见表1所示，硬度由OHL-689型硬度检测仪测试为18HRC。激光淬火处理的试样需经过以下4个步骤处理。（1）用机加工的方法从废旧模具上切下140cm*100cm*80cm的矩形块。（2）用砂轮打磨除锈和用火焰除油。（3）用丙酮清洗并晾干，用中日合资上海苏州美柯达探伤器材有限公司DPT-5型探伤剂着色探伤。（4）涂特殊配方的吸光材料做试样的表面“黑化”处理。（5）用线切割的办法沿激光扫描方向的试样切割成矩形小块并用镶嵌机做成金相试样。（6）用HVS-1000显微硬度计测试淬火层的硬度。表1GM246的化学成分（质量分数%）材料GM246C2.8-3.6Si1.5-2.6Mn0.5-1.0P<0.1Ni0.5-1.5Cr0.2-0.5Mo0.3-0.6Cu0.3-0.5S0.082.2实验方法激光淬火处理采用的工艺参数采用正交实验法，以激光功率P，光束模式及离焦量或（光斑直径D），扫描速度V，为主要影响因子进行3因素3水平方案设计见表2所示。因为汽车覆盖件模具为大型模具考虑工作效率选择宽带扫描即用积分棱镜调成矩形光斑，整个模具表面选择搭接的方式进行，搭接率根据相关参考文献选择20%。激光淬火工艺参数参考相关文献[6，7]结合技术人员的经验制定。淬火层的硬度和淬火层的深度共同决定了模具的表面质量状况故需要对两个指标进行双指标平衡分析见表3。由表3分析可知，对表面质量影响最大的因素为激光功率，激光功率增加有利于提高表面硬度，这是因为增大功率使得激光照射的金属区域内迅速升温达到了奥氏体的临界温度，控制了在熔点以下奥氏体的转变，表层的金属在随后快速冷却的过程中转变成非常细的马氏体，金属表面的组织细化有利于硬度的提高。当激光功率不变增大扫描速度，淬火层的厚度会减小，硬度也会降低，这是由于扫描速度过快，允许奥氏体相变的温度范围窄，奥氏体向马氏体转变的时间不充分造成的。从已有的9次试验结果可知采用不同的工艺参数对试样激光淬火均达到了相变温度且双指标的最佳功率都为3500w，如继续增加功率模具表面会出现熔化现象破坏了模具表面的形貌违背激光淬火处理模具的工艺原则，故不考虑继续增加功率，即功率参数选择3500w。光斑尺寸和扫描速度对表面淬火层的质量影响相差不大，也即是改变一个参数对结果的影响较小。两指标的扫描速度最佳水平数不同分别为1水平和2水平，参考8号已做实验选择2水平即扫描速度为500mm/min。对9次实验的结果直观分析知道，宽带扫描的光斑尺寸选择1水平即3mm×24mm。

3生产应用实践

3.1激光淬火处理某品牌汽车尾门外板拉伸模凹模。经过前期对柳州某微型汽车某型号尾门外板的生产状况进行调研发现：拉伸模达到17万冲次后修模率达到52.5%，现行生产的尾门外板顶部拉伤甚至拉裂，顶部拉伤的主要原因为拉伸深度过深，模具筋条部位过硬（50HRC）而平面母材硬度较低（小于18HRC）致使拉伸时顶部走料多且快，两侧走料少向中间部位叠料起皱。故考虑采用正交实验的优选参数对新投产的凹模进行激光淬火处理提高母材的硬度。激光淬火处理需经以下流程见图1所示。处理主要过程见图2所示：a模具表面火焰去油，b模具表面黑化处理，c模具表面探伤剂探伤，d模具激光处理中，e模具表面处理后（光亮部分）。对处理前的尾门外板拉伸模凹模，用中日合资上海苏州美柯达探伤器材有限公司DPT-5型探伤剂着色检测模具的宏观裂纹出现在筋条和R圆角处，处理后尾门外板拉伸模凹模采用金相显微镜检测了激光淬火层的深度为0.42mm，用HVS-1000显微硬度计检测淬火层平均硬度为55HRC最高可达62HRC。3.2产线应用效果。汽车尾门外板拉伸模凹模激光淬火后还需对模具进行抛光以去除表面的锈迹，对硬度高的筋条和R圆角粗糙部分要进行推磨修整，对由于模具表面由于材料的制造应力等产生的较大裂纹和缺陷要进行补焊和抛光处理。将经过上述理后的凹模投入产线半年后比对发现，冲件的拉毛及拉皱现象明显得到改善，在线修模率下降到5%左右。这是因为激光淬火处理后表面硬度高，摩擦系数小，在冲压一段时间后表面会越用越光，越用越亮，有效地减少在冲压过程中金属积瘤对工件表面的拉伤。经过激光处理后的模具也需要经过后期精心的养护才能长期地保持其表面冲压工件的质量。模具养护要着力改善其使用环境，使用过程中对于模具的轻微粘结要细致推磨。

4结论

（1）通过对激光淬火工艺参数的正交实验L9(34)分析可知，当激光功率在2700w-3500w区间内变动，激光功率对淬火的效果影响最大，扫描速度和光斑直径的改变对淬火效果影响相差不大，但增加扫描速度会降低淬火层的深度和表面的硬度。综合激光淬火的硬度和深度两个指标可知最优的参数为：激光功率3500w，扫描速度500mm/min，光斑尺寸3mm×24mm，搭接率20%。（2）GM246模具钢经激光淬火后硬度由原来的18HRC提高到55HRC。其凹模模具在生产线上使用拉伤和拉裂现象明显改善，在线修模停线率由最高的50%以上下降到5%左右，大大降低了工人的劳动强度，提高了生产效率。（3）汽车模具经激光淬火后后续还需要精心养护，另外汽车模具结构复杂、曲面较多，造成在淬火过程轨迹多变，找到最优的工艺参数保持表面淬火的均匀性仍然是值得深入研究的一个问题。

作者:孙荣敏 林澎 冯树强 单位:广西科技大学鹿山学院 柳州金百汇激光技术有限公司

参考文献

[1]侯琦,刘广鑫,杨光,等.MoCr铸铁激光淬火组织及耐磨性能研究[J].应用激光,2015,35（6）:657-660.

[2]陈喜峰,俞涛,雷其林,等.汽车摸具激光淬火技术的应用和发展[J].材料热处理技术,2012,41（2）:201-202.

[3]周健,温宗胤,李宝灵.CrMo铸铁汽车模具材料的激光表面处理[J].冶金工程,2007,27（1）:85-87.

[4]张志鹏.激光相变硬化和激光熔覆技术可以提高模具使用寿命[J].模具制造,2009(10):4-10.

[5]宋海龙,冯树强.激光强化技术在拉深模中的应用[J]锻压技术,2010（6）.

[6]林继兴,曹洪钢,牛丽媛,等.基于正交实验的H13模具钢半导体激光淬火工艺优化[J].应用激光,2015,35(3):314-318.

[7]孙荣敏,胡义华,潘宇倩,等.激光淬火提高模具钢Cr12使用寿命的参数优化设计[J].广西轻工业,2011,(12):70-71.