電纜成型模具激光再制造工藝分析和應用

林凱生，李福海，陳興馳，王岳亮，馬文有

（廣東省新材料研究所激光制造研究室，廣東 廣州 510650）

電纜行業涉及到的模具有：拉絲模、絞合模、緊壓成型模、成纜模、擠出模等。其中緊壓成型模、成纜模、擠出模屬于塑料模具，是塑料擠出全過程中最后的熱壓作用裝置，直接決定電纜加工的品質，塑料模具使用的材料有碳素工具鋼、合金鋼、不銹鋼等。其中，碳素工具鋼由于經濟性高，應用最為廣泛。在注塑成型時，注塑模具型腔的溫度高于300℃，某些塑料中還加人了玻纖、無機填料及固體顏料，固態添加劑和塑料熔體一起在流道、模腔中髙速流動，對模具接觸表面產生很大的摩擦，從而導致模具產生磨損。

再制造是利用各種技術手段對廢舊產品進行修復和改造，再制造過程中能夠節能50%、節材60%、節約總成本70%以上，再制造的本質是發掘生產過程中的“富礦”。激光熔覆技術是再制造所采用的關鍵技術之一，由于激光器系統性價比的提高、材料體系的完善和工藝技術的成熟，是“增材制造”、3D打印技術發展的關鍵。其中，同軸送粉式激光熔覆“增材制造”技術，由于工藝可靠性、生產效率高和柔性制造的特點，是發展的重點。

因此，本文針對磨損失效的電纜成型模具，采用“激光再制造”技術，快速恢復模具的使用效用，為傳統行業技術進步尋求一種可靠的高技術保證。

1 設備、工藝、模具材料及方法

磨損的電纜成型模具—交聯外屏分流套模具，其尺寸特點是圓錐的內表面，可以明顯看出，內錐面局部有2-3mm的磨損，從而導致了生產的線纜包套厚度不均勻，影響了產品質量而報廢。模具的材料是40Cr，熱處理硬度45 HRc。

激光熔覆設備采用Trumpf6006激光器，如圖1所示，其配置了6+2軸KuKa機械手，送粉頭采用3路同軸送粉；主要的激光工藝參數為：光斑4-6mm圓光斑，熔覆速度600mm/min，多道多層搭接，搭接率50%；熔覆材料采用Fe-Cr-B-Si系自熔合金粉末，選取了1、2、3種不同硬度的粉末進行試驗，粉末粒度+5-125微米；試驗過程偉首先采用優化工藝參數在試樣上進行熔覆，分析熔覆層的組織和性能并進行系統測試，然后在模具表面制作激光熔覆層，熔覆層經過后加工，檢測尺寸精度和表面光潔度，達到新模具的要求，上機試驗。

圖1 激光再制造系統

2 試驗結果及分析

2.1 光學顯微鏡觀察。

40Cr鋼的表面經過激光再制造Fe基合金后，在鋼材的表面形成明顯不同于基體的金相組織。如圖2所示。由表及里，最表面一層為熔覆層；其下次是熱影響區；再往里是鋼材的原始基體組織。熔覆層具有非常細膩的結構，在圖中呈現白亮的特征，這是因為其在硝酸酒精侵蝕液的耐腐蝕性能明顯好于基體材料，組織細小均勻、沒有孔洞、裂紋等缺陷；從圖3可以看出，熔覆層與基體具有緊密的結合，產生了局部的焊接冶金結合，這是因為熔覆層底層部分是粉末材料與基體共同熔化凝固后所新生成的，沒有孔洞、裂紋等缺陷，而且熱影響區的范圍最大為101.10微米，非常細小，說明激光熔覆過程對基體的影響非常小。

圖2 激光再制造Fe基合金層

圖3 激光再制造Fe基合金層結合界面

2.2 熔覆層的性能分析

（1）熔覆層顯微硬度。表1列出了樣品熔覆層與基體的顯微硬度，可以看出，可以看出，激光熔覆層硬度分比較均勻，1號粉末熔覆層平均硬度為485，2號粉末熔覆層平均硬度為350，3號粉末熔覆層平均硬度為381，基體材料的顯微硬度均值約為422，3號粉末的硬度與基體最為接近，因此選擇其再制造模具產品。

表1 熔覆層硬度值表（Hv200，15）

（2）熔覆層耐腐蝕。測試了3號熔覆層極化曲線，試驗后的試樣上出現了點蝕現象，但基體產生了明顯的溶解腐蝕；得出結論激光熔覆層電位較低，會產生明顯的鈍化現象，鈍化電位高于基體的電壓，因此比基體耐腐蝕性強。

鹽霧試驗是評價熔敷層的有效驗證試驗，圖4是熔覆層經過3天鹽霧試驗的試樣外觀，在實驗過程中，基體在1天后就出現了腐蝕，3天后出現了嚴重的腐蝕，而熔覆層在連續的1周試驗期內也沒有任何腐蝕，因此熔覆層比基體的耐腐蝕性更強。實驗過程中，熔覆層也沒有出現紅點，證明熔覆層沒有貫穿的缺陷。

圖4 熔覆層鹽霧腐蝕試樣表面形貌（a不封基體；b封閉基體）

2.3 模具激光再制造的經濟性分析

全新模具加工周期為1-1.5月，價格在數萬元；而激光再制造的加工周期僅為3天左右，費用約為0.3萬元，再制造模具的時間消耗和費用消耗僅為新模具的10%以下；激光再制造后的模具如圖5所示，隨后，再制造模具在企業的生產線上得到應用，達到了新模具的效果。

圖5 激光再制造的模具（a熔覆后的模具；b再制造后的模具）

3 結論

（1）碳素工具鋼上激光熔覆Fe-Cr-B-Si熔覆層組織均勻細膩、沒有氣孔、裂紋、孔洞等缺陷，與基體達到冶金結合，熱影響區低于0.2mm。

（2）激光熔覆Fe-Cr-B-Si熔覆層可依據硬度需要進行選擇，熔覆層在腐蝕環境中具有鈍化效果，具有更好的耐腐蝕性能；鹽霧試驗結果表明熔覆層內沒有貫穿的孔隙，可在耐腐蝕環境中長期保證結構的完整性。

（3）激光再制造比新制造模具能夠節約10倍以上的生產制造周期和成本，可靠性高，具有極大的推廣應用前景。