一種對led前照燈模具進行激光強化的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種對LED前照燈模具進行激光強化的裝置及方法，包括計算機控制處理系統(tǒng)、同軸送粉式激光熔覆單元、激光沖擊強化單元和輔助工作系統(tǒng)，本方法先對LED前照燈模具疲勞裂紋進行激光熔覆修復，再對熔覆層進行激光沖擊強化處理，有效解決了LED前照燈模具在激光熔覆修復過程中易產(chǎn)生裂紋、氣孔等內(nèi)部缺陷問題；通過該方法可在LED前照燈模具表面獲得性能優(yōu)異的高質(zhì)量的表面熔覆涂層、產(chǎn)生高幅值殘余壓應力，有效提高模具表面的微動疲勞抗力，綜合改善LED前照燈模具的機械性能，大幅度提高模具的疲勞壽命,達到延壽和提高其可靠性的目的。
【專利說明】一種對LED前照燈模具進行激光強化的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用激光對工件表面進行強化的裝置和方法，尤其涉及一種對LED前照燈模具進行激光強化的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]LED (Light Emitting Diode)以其體積小、壽命長、能耗低、耐振動、啟動時間快以及環(huán)保等優(yōu)勢，已經(jīng)成為新一代的汽車光源技術(shù)的首選。但LED燈罩模具長期服役在在高溫、高壓、高應力和腐蝕的工況條件下，燈罩模具表面將不可避免地產(chǎn)生疲勞裂紋、磨損和變形等失效。塑料模具的失效不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量而且增加生產(chǎn)成本，頻繁更換模具更會導致生產(chǎn)量下降，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失；目前，對于LED前照燈模具強化延壽的方法主要是傳統(tǒng)的修復方法(如堆焊、電鍍等)和單一的激光熔覆或者激光沖擊強化:專利號為CN201110367257.7的中國專利公開了一種適用于LED前照燈模具的激光熱力效應強化方法，該方法主要是利用激光淬火和激光沖擊的復合工藝來提高LED前照燈模具表面的硬度和強度，以使LED前照燈模具達到強化延壽的目的，然該方法僅限于對LED前照燈模具的強化延壽，卻不能從根本上對LED前照燈模具已出現(xiàn)的疲勞裂紋缺陷加以解決。文獻《脈沖Nd: YAG激光熔覆修復塑料模具工藝參數(shù)的優(yōu)化》中公開了一種利用激光熔覆修復塑料模具方法研究，利用激光熔覆修復失效的塑料模具雖可在一定程度上提高模具的壽命，但在單一激光熔覆工藝過程中出現(xiàn)的夾雜、裂紋和氣孔等缺陷卻也限制著塑料模具的使用壽命O

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于 提供一種對LED前照燈模具進行激光強化的裝置及方法，用以消除LED前照燈模具熔覆層內(nèi)的氣孔、熱裂紋等缺陷，降低熔覆層內(nèi)的殘余拉應力水平。
[0004]本發(fā)明的創(chuàng)新之處就在于充分結(jié)合了激光熔覆和激光沖擊強化的特點，避免了常規(guī)加工方法中的焊接變形，熱影響區(qū)大，易出現(xiàn)熱裂紋，使用過程中易產(chǎn)生脫落、開裂等問題，有效解決了激光熔覆過程中易產(chǎn)生的裂紋、氣孔等內(nèi)部缺陷問題。先對LED前照燈模具進行激光熔覆修復，使熔覆層材料與基體形成良好的冶金結(jié)合，提高了金屬表面的耐磨、耐蝕和抗氧化能力，顯著提高了材料的疲勞強度和使用壽命。再對熔覆層進行激光沖擊強化處理，在LED前照燈模具表面產(chǎn)生高幅值殘余壓應力，有效提高模具表面的微動疲勞抗力，抑制了疲勞裂紋的萌生，降低了疲勞裂紋的擴展速率。因此這種處理方法將使材料的耐磨性、抗蝕性和疲勞強度得到大幅度提高，進而延長了 LED前照燈模具的使用壽命。
[0005]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:一種對LED前照燈模具進行激光強化的裝置，包括計算機控制處理系統(tǒng)、同軸送粉式激光熔覆單元、激光沖擊強化單元和輔助工作系統(tǒng)，其中，計算機控制處理系統(tǒng)包括中央控制處理器、二氧化碳激光器控制器和YAG脈沖激光器控制器；所述二氧化碳激光器控制器和所述YAG激光器控制器均與所述中央控制處理器連接；所述同軸送粉式激光熔覆單元包括YAG脈沖激光器、氬氣保護裝置、第一全反射鏡、第一導光管、可調(diào)節(jié)送粉器和同軸工作頭；所述YAG脈沖激光器與所述YAG脈沖激光器控制器連接，所述氬氣保護裝置、所述可調(diào)節(jié)送粉器和所述同軸工作頭分別與所述中央控制處理器連接，所述第一全反射鏡、第一導光管和所述同軸工作頭構(gòu)成光路傳送系統(tǒng)，所述可調(diào)節(jié)送粉器里的熔覆粉末通過所述同軸工作頭輸送到待加工工件表面；所述激光沖擊強化單元包括二氧化碳激光器、第二全反射鏡、第二導光管、光束轉(zhuǎn)換及調(diào)節(jié)裝置；所述二氧化碳激光器與所述二氧化碳激光器控制器連接，所述二氧化碳激光器、第二全反射鏡、第二導光管、光束轉(zhuǎn)換及調(diào)節(jié)裝置組成光路傳送系統(tǒng)；所述輔助工作系統(tǒng)包括五軸聯(lián)動工作臺、夾具和工作臺控制器，所述夾具固定在所述五軸聯(lián)動工作臺上，所述五軸聯(lián)動工作臺與所述工作臺控制器連接，所述工作臺控制器與所述中央控制處理器連接。
[0006] 上述方案中，還包括一個表面輪廓掃描儀，所述表面輪廓掃描儀與所述中央控制處理器連接。
[0007]—種對LED前照燈模具進行激光強化的方法，包括如下步驟。
[0008]A:對待熔覆LED前照燈模具表面進行宏觀檢查，確定裂紋的位置，并用酒精或丙酮除去模具表面的油潰和污垢。
[0009]B:把已處理好的LED前照燈模具放到五軸聯(lián)動工作臺上，將其定位好后用夾具固定夾緊。
[0010]C:中央控制處理器通過數(shù)控操作臺調(diào)節(jié)五軸聯(lián)動工作臺，使待熔覆LED前照燈模具處于同軸工作頭下方，中央控制處理器發(fā)出反饋信號給YAG脈沖激光器控制器和同軸工作頭，YAG脈沖激光器產(chǎn)生脈沖激光，經(jīng)第一導光管、同軸工作頭照射到LED前照燈凸模表面，同時由中央控制處理器控制的可調(diào)節(jié)送粉器將熔覆粉末經(jīng)同軸工作頭送入熔池，并啟動氬氣保護裝置保護熔覆粉末以防氧化。
[0011]D:待熔覆層冷卻后，用酒精清洗LED前照燈凸模表面，干燥后涂覆黑漆吸收層。
[0012]E:中央控制處理器發(fā)出反饋信號給二氧化碳激光器控制器和光束轉(zhuǎn)換及調(diào)節(jié)裝置，二氧化碳激光器在二氧化碳激光器控制器的控制下產(chǎn)生連續(xù)激光，經(jīng)第一導光管照射到LED前照燈凸模表面上；同時中央控制處理器在工作臺控制器的作用下調(diào)節(jié)五軸聯(lián)動工作臺，完成整個LED前照燈凸模表面的熔覆。
[0013]F:用酒精或丙酮清洗LED前照燈凸模表面沖擊區(qū)的黑漆。
[0014]G:由中央控制處理器控制表面輪廓掃描儀對已修復的LED前照燈凸模進行表面粗糙度檢驗，使已修復LED前照燈模具表面粗糙度達到Ra3.2以下，如未達到要求，中央控制處理器對LED前照燈模具進行二次激光沖擊或拋光處理。
[0015]H:對修復件進行無損檢測。
[0016]上述方法中，采用無損探傷檢測法來確定待熔覆LED前照燈模具內(nèi)部裂紋的具體位置、形狀及大小。
[0017]本發(fā)明的具體優(yōu)點:(1)修復效果更好:激光熔覆沖擊復合處理不僅能有效修復LED前照燈模具的裂紋，而且激光沖擊形成的殘余應力層深度是機械噴丸形成的10倍左右，可顯著提高LED前照燈模具的疲勞壽命達3倍以上。(2)范圍更廣:對于一定的基體材料，可以選擇適當?shù)慕饘偃鄹卜勰┻M行修復。激光熔覆+激光沖擊復合處理技術(shù)可以對任意形狀、任意曲面進行修復，而其他修復方法都有其局限性。(3)激光熔覆沖擊復合處理技術(shù)修復材料表面的變形很小，不影響結(jié)構(gòu)件心部性能。(4)激光熔覆沖擊復合處理技術(shù)修復簡單快捷，效率高，大大降低了維修成本。(5)激光熔覆沖擊復合處理技術(shù)環(huán)保性優(yōu)異--沒有任何污染。避免采用回爐、冶煉等回收方式時對環(huán)境的二次污染，是綠色的再制造方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為利用激光熔覆結(jié)合激光沖擊強化復合表面改性方法處理LED前照燈模具的裝置示意圖。
[0019]圖2為激光沖擊強化階段的LED前照燈凸模的局部放大圖
圖中，1、中央控制處理器2、第二全反射鏡3、第二導光管4、二氧化碳激光器5、二氧化碳激光器控制器6、光束轉(zhuǎn)換及調(diào)節(jié)裝置7、表面輪廓掃描儀8、吸收層9、約束層10、夾具11、熔覆層12、LED前照燈凸模13、五軸聯(lián)動工作臺14、工作臺控制器15、氬氣保護裝置 16、可調(diào)節(jié)送粉器 17、YAG脈沖激光器控制器 18、YAG脈沖激光器19、第一導光管20、第一全反射鏡21、同軸工作頭。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合圖1對本裝置作進一步的詳細說明。
[0021]如圖1所示，一種LED前照燈模具疲勞裂紋激光強化延壽方法與裝置，包括中央控制處理器I，第二全反射鏡2,第二導光管3, 二氧化碳激光器4, 二氧化碳激光器控制器5,光束轉(zhuǎn)換及調(diào)節(jié)裝置6，表面輪廓掃描儀7，夾具10，LED前照燈凸模12，五軸聯(lián)動工作臺13，工作臺控制器14，氬氣保護裝置15，可調(diào)節(jié)送粉器16，YAG脈沖激光器控制器17，YAG脈沖激光器18,第一導光管19,第一全反射鏡20,同軸工作頭21。
[0022]具體實施過程·為:對待熔覆LED前照燈凸模12表面進行宏觀檢查，確定裂紋的具體位置、形狀及大小(優(yōu)選采用無損探傷檢測來確定待熔覆LED前照燈模具內(nèi)部裂紋的具體位置、形狀及大小)；用酒精或丙酮除去待熔覆LED前照燈凸模12表面的油潰和污垢，把待熔覆LED前照燈凸模12放到五軸聯(lián)動工作臺13上，定位好后用夾具10將其夾緊；中央控制處理器I控制工作臺控制器14調(diào)節(jié)五軸聯(lián)動工作臺13，使待待熔覆LED前照燈凸模12與同軸工作頭21處于合適的加工位置，然后中央控制處理器I通過YAG脈沖激光器控制器調(diào)節(jié)器17控制YAG脈沖激光器18的工藝參數(shù)，使參數(shù)滿足激光熔覆工藝的實施要求，激光器產(chǎn)生脈沖激光，經(jīng)第二導光管3、第二全反射鏡2、同軸工作頭21作用到LED前照燈凸模12表面上，同時由中央控制處理器I控制的可調(diào)節(jié)送粉器16開始把熔覆粉末通過同軸工作頭21送入熔池，并啟動氬氣保護裝置15開始進行熔覆過程中防氧化保護，最后通過中央控制處理器I控制工作臺控制器14調(diào)節(jié)五軸聯(lián)動工作臺13，使LED前照燈凸模12按照一定的軌跡移動掃描完所需激光熔覆修復的區(qū)域。然后用酒精清洗LED前照燈凸模12表面，干燥后涂上黑漆，通過工作臺控制器14調(diào)節(jié)五軸聯(lián)動工作臺13，使LED前照燈凸模12處于合適的加工位置，此時通過中央控制處理器I控制二氧化碳激光器控制器5和光束轉(zhuǎn)換及調(diào)節(jié)裝置6調(diào)節(jié)二氧化碳激光器4的參數(shù)，使參數(shù)滿足激光沖擊強化的實施要求；二氧化碳激光器4產(chǎn)生連續(xù)激光，經(jīng)第一導光管19，第一全反射鏡20、約束層10、吸收層9作用到LED前照燈凸模12表面上；通過工作臺控制器14調(diào)節(jié)五軸聯(lián)動工作臺13，使激光沖擊強化處理完已熔覆LED前照燈凸模表面。然后用酒精或丙酮清洗LED前照燈凸模表面沖擊區(qū)的黑漆。由中央控制處理器I控制表面輪廓掃描儀7對已修復的LED前照燈凸模進行表面粗糙度檢驗，使已修復LED前照燈模具表面粗糙度達到Ra3.2以下，如未達到要求，就要對模具進行二次激光沖擊或拋光處理。最后對修復件進行無損探傷檢測。
[0023]實施例一
NAK80材料的LED前照燈凸模，對模具表面進行宏觀檢查，確定裂紋的具體位置、形狀及大小，用酒精或丙酮除去模具表面的油潰和污垢，把模具放到五軸聯(lián)動工作臺上，定位好后用夾具將其夾緊，調(diào)節(jié)五軸聯(lián)動工作臺使模具與同軸工作頭處于合適加工的位置上，調(diào)節(jié)高脈沖YAG脈沖激光器工藝參數(shù):激光功率為1500W，光斑直徑為3mm，掃描速度為5mm/s，搭接率為30%，熔覆粉末采用于基材合金結(jié)合較好的Ni基合金粉末(粒度150 ^250目)與鑄造碳化鎢(WC+ W2C)陶瓷粉末(粒度100- 150目)的混合粉末，對損傷部位進行激光熔覆修復，通過工作臺控制器調(diào)節(jié)五軸聯(lián)動工作臺，使模具以一定的軌跡移動，成形所需熔覆層，待熔覆層冷卻固化后，用酒精除去熔覆層上的熔渣，干燥后涂上黑漆；調(diào)節(jié)二氧化碳激光器工藝參數(shù):激光能量為30J，輸出波長為10.6 μ m，光斑直徑為5mm，以水為約束層對熔覆區(qū)進行激光沖擊強化處理，然后用酒精清洗沖擊去的黑漆。經(jīng)測定，基體原始態(tài)的平均硬度為410HV，而經(jīng)激光熔覆沖擊復合技術(shù)修復后的區(qū)域平均硬度達到了850HV0.3，硬化深度為0.23、.78mm，而且對修復試件進行疲勞試驗，并與處理前對比，發(fā)現(xiàn)裂紋萌生時的循環(huán)次數(shù)提高了 1.5倍左右，從而極大的提高了 LED前照燈模具的疲勞壽命。研究結(jié)果表明，這種修復強化后零件硬度和強度顯著提高，其表面由殘余應力狀態(tài)由拉應力變?yōu)閴簯顟B(tài)，從而其疲勞壽命和耐磨性等性能顯著改善，這對LED前照燈模具的綜合性能具有 重要意義。
【權(quán)利要求】
1.一種對LED前照燈模具進行激光強化的裝置，其特征在于，包括計算機控制處理系統(tǒng)、同軸送粉式激光熔覆單元、激光沖擊強化單元和輔助工作系統(tǒng)，所述計算機控制處理系統(tǒng)包括中央控制處理器(I )、二氧化碳激光器控制器(5)和YAG脈沖激光器控制器(17);所述二氧化碳激光器控制器(5)和所述YAG脈沖激光器控制器(17)均與所述中央控制處理器(I)連接；所述同軸送粉式激光熔覆單元包括YAG脈沖激光器(18)、氬氣保護裝置(15)、第一全反射鏡(20)、第一導光管(19)、可調(diào)節(jié)送粉器(16)和同軸工作頭(21);所述YAG脈沖激光器(18)與所述YAG脈沖激光器控制器(17)連接，所述氬氣保護裝置(15)、所述可調(diào)節(jié)送粉器(16)和所述同軸工作頭(21)分別與所述中央控制處理器(I)連接，所述第一全反射鏡(20)、第一導光管(19)和所述同軸工作頭(21)構(gòu)成光路傳送系統(tǒng)，所述可調(diào)節(jié)送粉器(16)里的熔覆粉末通過所述同軸工作頭(21)輸送到待加工工件表面；所述激光沖擊強化單元包括二氧化碳激光器(4)、第二全反射鏡(2)、第二導光管(3)、光束轉(zhuǎn)換及調(diào)節(jié)裝置(6);所述二氧化碳激光器(4)與所述二氧化碳激光器控制器(5)連接，所述二氧化碳激光器(4)、第二全反射鏡(2)、第二導光管(3)、光束轉(zhuǎn)換及調(diào)節(jié)裝置(6)組成光路傳送系統(tǒng)；所述輔助工作系統(tǒng)包括五軸聯(lián)動工作臺(13)、夾具(10)和工作臺控制器(14)，所述夾具固定在所述五軸聯(lián)動工作臺(13)上，所述五軸聯(lián)動工作臺(13)與所述工作臺控制器(14)連接，所述工作臺控制器(14)與所述中央控制處理器(I)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對LED前照燈模具進行激光強化的裝置，其特征在于，還包括一個表面輪廓掃描儀(7 )，所述表面輪廓掃描儀(7 )與所述中央控制處理器(I)連接。
3.—種對LED前照燈模具進行激光強化的方法，包括如下步驟: A:對待熔覆LED前照燈模具表面進行宏觀檢查，確定裂紋的位置，并用酒精或丙酮除去模具表面的油潰和污垢； B:把已處理好的LED前照燈模具放到五軸聯(lián)動工作臺上，將其定位好后用夾具固定夾緊； C:中央控制處理器通過數(shù)控操作臺調(diào)節(jié)五軸聯(lián)動工作臺，使待熔覆LED前照燈模具處于同軸工作頭下方，中央控制處理器發(fā)出反饋信號給YAG脈沖激光器控制器和同軸工作頭，YAG脈沖激光器產(chǎn)生脈沖激光，經(jīng)第一導光管、同軸工作頭照射到LED前照燈凸模表面，同時由中央控制處理器控制的可調(diào)節(jié)送粉器將熔覆粉末經(jīng)同軸工作頭送入熔池，并啟動氬氣保護裝置保護熔覆粉末以防氧化； D:待熔覆層冷卻后，用酒精清洗LED前照燈凸模表面，干燥后涂覆黑漆吸收層； E:中央控制處理器發(fā)出反饋信號給二氧化碳激光器控制器和光束轉(zhuǎn)換及調(diào)節(jié)裝置，二氧化碳激光器在二氧化碳激光器控制器的控制下產(chǎn)生連續(xù)激光，經(jīng)第一導光管照射到LED前照燈凸模表面上；同時中央控制處理器在工作臺控制器的作用下調(diào)節(jié)五軸聯(lián)動工作臺，完成整個LED前照燈凸模表面的熔覆； F:用酒精或丙酮清洗LED前照燈凸模表面沖擊區(qū)的黑漆； G:由中央控制處理器控制表面輪廓掃描儀對已修復的LED前照燈凸模進行表面粗糙度檢驗，使已修復LED前照燈模具表面粗糙度達到Ra3.2以下，如未達到要求，中央控制處理器對LED前照燈模具進行二次激光沖擊或拋光處理； H:對修復件進行無損檢測。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種對LED前照燈模具進行激光強化的方法，其特征在于，步驟A中釆用無損探傷檢測法來確定待 熔覆LED前照燈模具內(nèi)部裂紋的具體位置、形狀及大小。
【文檔編號】C21D1/09GK103627856SQ201310604626
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】任旭東, 隨賽, 郭偉剛, 杜正清, 周水琴, 李慧敏, 劉帆帆, 陳加明 申請人:江蘇大學