機器人激光焊接局部強化汽車覆蓋件拉深模的應用研究

　　模具在汽車零件制造中占有極其重要的地位。局部表面強化是保證模具使用壽命和提高產品穩定性的重要手段。覆蓋件模具在汽車模具中占有相當部分。

　　在汽車覆蓋件制造中，拉毛問題受到越來越多的關注。汽車覆蓋件表面拉毛涉及的因素很多，大體可分為3個方面：①模具：包括模具材料，模具壓料面、拉深筋、拉深凸、凹模圓角等工作面的表面粗糙度，模具關鍵成形參數的設計等；②板料：包括材料成形工藝性、板料厚度、表面微觀形貌、纖維分布狀態等；③模具零件與板料的接觸界面狀態：包括潤滑條件、接觸壓力、摩擦狀態，熱傳導特性等。

　　一般認為汽車覆蓋件表面拉毛是由于板料與模具零件之間的摩擦狀態惡化，二者在突出接觸點的瞬間摩擦高溫產生冷焊效果，形成積屑瘤，造成粘著磨損，使得在板料表面形成劃痕，在模具零件表面產生磨損。造成這一現象的原因很多，模具零件方面的因素被認為是最主要的，有研究表明模具零件的工作表面材料硬度越高、與基體結合越牢固，抗拉毛效果越好。

　　激光焊接利用激光束在金屬基體上掃描形成熔池，通過惰性氣體把合金粉末同步吹送到熔池，并快速凝固，形成的合金涂層與基體是冶金結合。在數控設備控制下，激光焊接可以根據程序形成各種形狀的涂層。機器人自由度高，柔性好，可以根據需要在模具型面上進行法向掃描，制備出更復雜的空間曲面熔覆層。以下基于某車型覆蓋件拉深模，針對覆蓋件易拉毛相應的模具型腔部位，運用機器人激光焊接技術進行修復的應用研究。

　　1、試驗材料

　　模具本體材料為MoCr鑄鐵，材料成分見表1。激光焊接合金粉為Co基合金粉XY-27F-X40、Fe40合金粉和鎳鉻稀土自溶合金粉GXN-65A。3種粉末材料粒度均為140～325目，成分見表1。

　　表1 試驗材料化學成分

　　2、熔覆策略

　　圖2 熔覆策略

　　圖1 熔覆策略

　　實施的熔覆策略如圖1所示，激光焊接工藝參數除已確定的功率、掃描速度、送粉參數、離焦量等以外，還需確定單道熔覆路徑寬度W、高度H、搭接率ɑ、凈增平均層厚h。先由試驗探索并確定單道截面形貌參數：高度H、寬度W；再根據單道熔覆參數設計臺階試樣，分別測量3種不同金屬粉對應的熔覆層的凈增厚度h；參數寬度W、搭接率ɑ和厚度h是熔覆路徑編程的主要工藝依據。其中Fe40作為打底熔覆層，該合金粉標稱硬度與模具基體材料相當，且成本較低可大量用于打底層。GXN-65A和XY-27F-X40合金粉分別用于強化部位的上、下部分，因為不同部位的硬度要求不同。

　　在原模具CAD三維模型的基礎上，結合模具實際要求設計出坡口輪廓，以備機器人掃描路徑編程之需。再根據不同部位的性能和熔覆工藝進行分區編程、熔覆。

　?。?）熔覆工藝參數

　　圖2 單道激光焊接路徑

　　圖2 單道激光焊接路徑

　　圖3 單道激光焊接路徑截面

　　圖3 單道激光焊接路徑截面

　　將設備參數設定為：功率650W，掃描速度30mm/s，送粉參數0.6r/min；按不同合金粉末，分別熔覆3條單道路徑，如圖2所示。用線切割將單道路徑橫向切割，鑲嵌金相試樣，拋光后用4%的硝酸酒精腐蝕，在體視顯微鏡下觀察測量，其截面如圖3所示，測得的數據如表2所示。

　　表2 單道激光焊接路徑截面形貌參數

　?。╝）臺階試樣CAD模型

　?。╝）臺階試樣CAD模型

　?。╞）臺階試樣熔覆路徑

　?。╞）臺階試樣熔覆路徑

　?。╟）實際熔覆的臺階試樣

　?。╟）實際熔覆的臺階試樣

　　圖4 臺階熔覆試樣

　　用獲得的單道參數來熔覆臺階試樣，設計的臺階試樣CAD模型如圖4（a）所示，根據CAD模型用專用機器人離線編程軟件生成掃描路徑。參照單道熔覆路徑截面輪廓，搭接率均設為60%?？紤]到熔覆層微觀組織的外延生長特性，掃描路徑在相鄰兩層之間方向偏轉45°（見圖4（b）），以減輕組織的各向異性，使組織更均勻。在熔覆模具型腔部位時，也采用同樣路徑，制備的實際臺階試樣如圖4（c）所示。每層厚度的測量數據見表3，并繪制相應的折線圖（見圖5），表3數據作為不同熔覆層厚的編程依據，也將作為在實際模具型腔部位上熔覆的編程依據。

　　圖6 臺階熔覆試樣的厚度

　　圖5 臺階熔覆試樣的厚度

　　從圖5及表3數據可看出，在相同工藝參數下（功率、掃描速度、送粉轉速相同，同一層數），不同合金粉熔覆層厚度有明顯差別：XY-27F-X40熔覆層厚度最小，GXN-65A最大，Fe40處于兩者之間。引起這一差別的誘因很復雜，大致歸納如下：

　?。?）粉末粒度分布以及松裝密度不同引起的實際送粉速率不同，造成單道以及多道搭接的熔覆層厚度不同。

　?。?）合金粉末成分不同，熔池的鋪展程度就不同，引起合金粉末的實際捕捉率有所差異，造成熔覆層厚度的不同。

　?。?）單道路徑截面形狀、搭接率不同引起的熔覆層表面紋理狀態不同，進一步影響熔池的鋪展，進而影響熔覆層厚度。

　?。?）熔池鋪展、粉末捕捉、表面紋理狀態之間交互影響，造成最終熔覆層厚度的較大差異。

　?。?）CAD模型的建立

　?。╝）汽車覆蓋件拉深模

　?。╝）汽車覆蓋件拉深模

　?。╞）汽車覆蓋件拉深模CAD模型（標記A、B）

　?。╞）汽車覆蓋件拉深模CAD模型（標記A、B）

　?。╟）熔覆區域放大

　?。╟）熔覆區域放大

　?。╠）提取的熔覆區域邊界

　?。╠）提取的熔覆區域邊界

　　圖6 汽車覆蓋件拉深模實物及CAD模型

　　汽車覆蓋件拉深模實物如圖6（a）所示，需熔覆強化部位在圖中已指出。對應的模具CAD模型如圖6（b）所示，其中A、B兩處即為熔覆位置。根據圖6（a）實際加工出的坡口形狀，在CAD模型上修改為與實物一致的輪廓，以保證編程路徑的精度，如圖7（c）所示。在已修改的CAD模型上提取熔覆區域邊界如圖6（d）所示，以備機器人離線編程所需。

　?。?）機器人熔覆策略

　　先用Fe40合金粉末熔覆打底層，編程數據參照表2和表3，搭接率為60%，連續熔覆3層，按每層厚度0.55mm編程，編程路徑如圖7所示。

　　圖7 Fe40打底層熔覆路徑

　　圖7 Fe40打底層熔覆路徑

　　圖8 分區域編程

　　圖8 分區域編程

　　在實際操作中按圖7路徑一次性熔覆整個區域存在的弊端是：由于曲率變化較大，熔覆過程中機器人姿態也頻繁變換，造成熔覆頭作業時產生震顫，從而影響熔覆精度，同時也不利于設備的保養維修。在熔覆XY-27F-X40和GXN-65A涂層時，分為3個區域編程，如圖8所示。

　?。╝）機加工前熔覆效果

　?。╝）機加工前熔覆效果

　?。╞）機加工后熔覆效果

　?。╞）機加工后熔覆效果

　　圖10 最終熔覆效果

　　首先熔覆Ⅱ、Ⅲ區域，再熔覆Ⅰ區域。Ⅱ、Ⅲ區域熔覆2層，Ⅰ區域熔覆3層，路徑編程參數依據表3，搭接率均為60%。最終熔覆效果如圖9（a）所示，機加工后效果如圖9（b）所示。機加工后，用便攜式硬度儀進行測量，測得XY-27F-X40涂層硬度為63HRC，GXN-65A涂層硬度為42HRC。