一种对led前照灯模具进行激光强化的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种对LED前照灯模具进行激光强化的装置及方法，包括计算机控制处理系统、同轴送粉式激光熔覆单元、激光冲击强化单元和辅助工作系统，本方法先对LED前照灯模具疲劳裂纹进行激光熔覆修复，再对熔覆层进行激光冲击强化处理，有效解决了LED前照灯模具在激光熔覆修复过程中易产生裂纹、气孔等内部缺陷问题；通过该方法可在LED前照灯模具表面获得性能优异的高质量的表面熔覆涂层、产生高幅值残余压应力，有效提高模具表面的微动疲劳抗力，综合改善LED前照灯模具的机械性能，大幅度提高模具的疲劳寿命,达到延寿和提高其可靠性的目的。
【专利说明】一种对LED前照灯模具进行激光强化的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用激光对工件表面进行强化的装置和方法，尤其涉及一种对LED前照灯模具进行激光强化的装置及方法。
【背景技术】
[0002]LED (Light Emitting Diode)以其体积小、寿命长、能耗低、耐振动、启动时间快以及环保等优势，已经成为新一代的汽车光源技术的首选。但LED灯罩模具长期服役在在高温、高压、高应力和腐蚀的工况条件下，灯罩模具表面将不可避免地产生疲劳裂纹、磨损和变形等失效。塑料模具的失效不仅影响产品的质量而且增加生产成本，频繁更换模具更会导致生产量下降，给企业带来巨大的经济损失；目前，对于LED前照灯模具强化延寿的方法主要是传统的修复方法(如堆焊、电镀等)和单一的激光熔覆或者激光冲击强化:专利号为CN201110367257.7的中国专利公开了一种适用于LED前照灯模具的激光热力效应强化方法，该方法主要是利用激光淬火和激光冲击的复合工艺来提高LED前照灯模具表面的硬度和强度，以使LED前照灯模具达到强化延寿的目的，然该方法仅限于对LED前照灯模具的强化延寿，却不能从根本上对LED前照灯模具已出现的疲劳裂纹缺陷加以解决。文献《脉冲Nd: YAG激光熔覆修复塑料模具工艺参数的优化》中公开了一种利用激光熔覆修复塑料模具方法研究，利用激光熔覆修复失效的塑料模具虽可在一定程度上提高模具的寿命，但在单一激光熔覆工艺过程中出现的夹杂、裂纹和气孔等缺陷却也限制着塑料模具的使用寿命O
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于 提供一种对LED前照灯模具进行激光强化的装置及方法，用以消除LED前照灯模具熔覆层内的气孔、热裂纹等缺陷，降低熔覆层内的残余拉应力水平。
[0004]本发明的创新之处就在于充分结合了激光熔覆和激光冲击强化的特点，避免了常规加工方法中的焊接变形，热影响区大，易出现热裂纹，使用过程中易产生脱落、开裂等问题，有效解决了激光熔覆过程中易产生的裂纹、气孔等内部缺陷问题。先对LED前照灯模具进行激光熔覆修复，使熔覆层材料与基体形成良好的冶金结合，提高了金属表面的耐磨、耐蚀和抗氧化能力，显著提高了材料的疲劳强度和使用寿命。再对熔覆层进行激光冲击强化处理，在LED前照灯模具表面产生高幅值残余压应力，有效提高模具表面的微动疲劳抗力，抑制了疲劳裂纹的萌生，降低了疲劳裂纹的扩展速率。因此这种处理方法将使材料的耐磨性、抗蚀性和疲劳强度得到大幅度提高，进而延长了 LED前照灯模具的使用寿命。
[0005]本发明采取的技术方案为:一种对LED前照灯模具进行激光强化的装置，包括计算机控制处理系统、同轴送粉式激光熔覆单元、激光冲击强化单元和辅助工作系统，其中，计算机控制处理系统包括中央控制处理器、二氧化碳激光器控制器和YAG脉冲激光器控制器；所述二氧化碳激光器控制器和所述YAG激光器控制器均与所述中央控制处理器连接；所述同轴送粉式激光熔覆单元包括YAG脉冲激光器、氩气保护装置、第一全反射镜、第一导光管、可调节送粉器和同轴工作头；所述YAG脉冲激光器与所述YAG脉冲激光器控制器连接，所述氩气保护装置、所述可调节送粉器和所述同轴工作头分别与所述中央控制处理器连接，所述第一全反射镜、第一导光管和所述同轴工作头构成光路传送系统，所述可调节送粉器里的熔覆粉末通过所述同轴工作头输送到待加工工件表面；所述激光冲击强化单元包括二氧化碳激光器、第二全反射镜、第二导光管、光束转换及调节装置；所述二氧化碳激光器与所述二氧化碳激光器控制器连接，所述二氧化碳激光器、第二全反射镜、第二导光管、光束转换及调节装置组成光路传送系统；所述辅助工作系统包括五轴联动工作台、夹具和工作台控制器，所述夹具固定在所述五轴联动工作台上，所述五轴联动工作台与所述工作台控制器连接，所述工作台控制器与所述中央控制处理器连接。
[0006] 上述方案中，还包括一个表面轮廓扫描仪，所述表面轮廓扫描仪与所述中央控制处理器连接。
[0007]—种对LED前照灯模具进行激光强化的方法，包括如下步骤。
[0008]A:对待熔覆LED前照灯模具表面进行宏观检查，确定裂纹的位置，并用酒精或丙酮除去模具表面的油溃和污垢。
[0009]B:把已处理好的LED前照灯模具放到五轴联动工作台上，将其定位好后用夹具固定夹紧。
[0010]C:中央控制处理器通过数控操作台调节五轴联动工作台，使待熔覆LED前照灯模具处于同轴工作头下方，中央控制处理器发出反馈信号给YAG脉冲激光器控制器和同轴工作头，YAG脉冲激光器产生脉冲激光，经第一导光管、同轴工作头照射到LED前照灯凸模表面，同时由中央控制处理器控制的可调节送粉器将熔覆粉末经同轴工作头送入熔池，并启动氩气保护装置保护熔覆粉末以防氧化。
[0011]D:待熔覆层冷却后，用酒精清洗LED前照灯凸模表面，干燥后涂覆黑漆吸收层。
[0012]E:中央控制处理器发出反馈信号给二氧化碳激光器控制器和光束转换及调节装置，二氧化碳激光器在二氧化碳激光器控制器的控制下产生连续激光，经第一导光管照射到LED前照灯凸模表面上；同时中央控制处理器在工作台控制器的作用下调节五轴联动工作台，完成整个LED前照灯凸模表面的熔覆。
[0013]F:用酒精或丙酮清洗LED前照灯凸模表面冲击区的黑漆。
[0014]G:由中央控制处理器控制表面轮廓扫描仪对已修复的LED前照灯凸模进行表面粗糙度检验，使已修复LED前照灯模具表面粗糙度达到Ra3.2以下，如未达到要求，中央控制处理器对LED前照灯模具进行二次激光冲击或抛光处理。
[0015]H:对修复件进行无损检测。
[0016]上述方法中，采用无损探伤检测法来确定待熔覆LED前照灯模具内部裂纹的具体位置、形状及大小。
[0017]本发明的具体优点:(1)修复效果更好:激光熔覆冲击复合处理不仅能有效修复LED前照灯模具的裂纹，而且激光冲击形成的残余应力层深度是机械喷丸形成的10倍左右，可显著提高LED前照灯模具的疲劳寿命达3倍以上。(2)范围更广:对于一定的基体材料，可以选择适当的金属熔覆粉末进行修复。激光熔覆+激光冲击复合处理技术可以对任意形状、任意曲面进行修复，而其他修复方法都有其局限性。(3)激光熔覆冲击复合处理技术修复材料表面的变形很小，不影响结构件心部性能。(4)激光熔覆冲击复合处理技术修复简单快捷，效率高，大大降低了维修成本。(5)激光熔覆冲击复合处理技术环保性优异--没有任何污染。避免采用回炉、冶炼等回收方式时对环境的二次污染，是绿色的再制造方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为利用激光熔覆结合激光冲击强化复合表面改性方法处理LED前照灯模具的装置示意图。
[0019]图2为激光冲击强化阶段的LED前照灯凸模的局部放大图
图中，1、中央控制处理器2、第二全反射镜3、第二导光管4、二氧化碳激光器5、二氧化碳激光器控制器6、光束转换及调节装置7、表面轮廓扫描仪8、吸收层9、约束层10、夹具11、熔覆层12、LED前照灯凸模13、五轴联动工作台14、工作台控制器15、氩气保护装置 16、可调节送粉器 17、YAG脉冲激光器控制器 18、YAG脉冲激光器19、第一导光管20、第一全反射镜21、同轴工作头。
【具体实施方式】
[0020]下面结合图1对本装置作进一步的详细说明。
[0021]如图1所示，一种LED前照灯模具疲劳裂纹激光强化延寿方法与装置，包括中央控制处理器I，第二全反射镜2,第二导光管3, 二氧化碳激光器4, 二氧化碳激光器控制器5,光束转换及调节装置6，表面轮廓扫描仪7，夹具10，LED前照灯凸模12，五轴联动工作台13，工作台控制器14，氩气保护装置15，可调节送粉器16，YAG脉冲激光器控制器17，YAG脉冲激光器18,第一导光管19,第一全反射镜20,同轴工作头21。
[0022]具体实施过程·为:对待熔覆LED前照灯凸模12表面进行宏观检查，确定裂纹的具体位置、形状及大小(优选采用无损探伤检测来确定待熔覆LED前照灯模具内部裂纹的具体位置、形状及大小)；用酒精或丙酮除去待熔覆LED前照灯凸模12表面的油溃和污垢，把待熔覆LED前照灯凸模12放到五轴联动工作台13上，定位好后用夹具10将其夹紧；中央控制处理器I控制工作台控制器14调节五轴联动工作台13，使待待熔覆LED前照灯凸模12与同轴工作头21处于合适的加工位置，然后中央控制处理器I通过YAG脉冲激光器控制器调节器17控制YAG脉冲激光器18的工艺参数，使参数满足激光熔覆工艺的实施要求，激光器产生脉冲激光，经第二导光管3、第二全反射镜2、同轴工作头21作用到LED前照灯凸模12表面上，同时由中央控制处理器I控制的可调节送粉器16开始把熔覆粉末通过同轴工作头21送入熔池，并启动氩气保护装置15开始进行熔覆过程中防氧化保护，最后通过中央控制处理器I控制工作台控制器14调节五轴联动工作台13，使LED前照灯凸模12按照一定的轨迹移动扫描完所需激光熔覆修复的区域。然后用酒精清洗LED前照灯凸模12表面，干燥后涂上黑漆，通过工作台控制器14调节五轴联动工作台13，使LED前照灯凸模12处于合适的加工位置，此时通过中央控制处理器I控制二氧化碳激光器控制器5和光束转换及调节装置6调节二氧化碳激光器4的参数，使参数满足激光冲击强化的实施要求；二氧化碳激光器4产生连续激光，经第一导光管19，第一全反射镜20、约束层10、吸收层9作用到LED前照灯凸模12表面上；通过工作台控制器14调节五轴联动工作台13，使激光冲击强化处理完已熔覆LED前照灯凸模表面。然后用酒精或丙酮清洗LED前照灯凸模表面冲击区的黑漆。由中央控制处理器I控制表面轮廓扫描仪7对已修复的LED前照灯凸模进行表面粗糙度检验，使已修复LED前照灯模具表面粗糙度达到Ra3.2以下，如未达到要求，就要对模具进行二次激光冲击或抛光处理。最后对修复件进行无损探伤检测。
[0023]实施例一
NAK80材料的LED前照灯凸模，对模具表面进行宏观检查，确定裂纹的具体位置、形状及大小，用酒精或丙酮除去模具表面的油溃和污垢，把模具放到五轴联动工作台上，定位好后用夹具将其夹紧，调节五轴联动工作台使模具与同轴工作头处于合适加工的位置上，调节高脉冲YAG脉冲激光器工艺参数:激光功率为1500W，光斑直径为3mm，扫描速度为5mm/s，搭接率为30%，熔覆粉末采用于基材合金结合较好的Ni基合金粉末(粒度150 ^250目)与铸造碳化钨(WC+ W2C)陶瓷粉末(粒度100- 150目)的混合粉末，对损伤部位进行激光熔覆修复，通过工作台控制器调节五轴联动工作台，使模具以一定的轨迹移动，成形所需熔覆层，待熔覆层冷却固化后，用酒精除去熔覆层上的熔渣，干燥后涂上黑漆；调节二氧化碳激光器工艺参数:激光能量为30J，输出波长为10.6 μ m，光斑直径为5mm，以水为约束层对熔覆区进行激光冲击强化处理，然后用酒精清洗冲击去的黑漆。经测定，基体原始态的平均硬度为410HV，而经激光熔覆冲击复合技术修复后的区域平均硬度达到了850HV0.3，硬化深度为0.23、.78mm，而且对修复试件进行疲劳试验，并与处理前对比，发现裂纹萌生时的循环次数提高了 1.5倍左右，从而极大的提高了 LED前照灯模具的疲劳寿命。研究结果表明，这种修复强化后零件硬度和强度显著提高，其表面由残余应力状态由拉应力变为压应力状态，从而其疲劳寿命和耐磨性等性能显著改善，这对LED前照灯模具的综合性能具有 重要意义。
【权利要求】
1.一种对LED前照灯模具进行激光强化的装置，其特征在于，包括计算机控制处理系统、同轴送粉式激光熔覆单元、激光冲击强化单元和辅助工作系统，所述计算机控制处理系统包括中央控制处理器(I )、二氧化碳激光器控制器(5)和YAG脉冲激光器控制器(17);所述二氧化碳激光器控制器(5)和所述YAG脉冲激光器控制器(17)均与所述中央控制处理器(I)连接；所述同轴送粉式激光熔覆单元包括YAG脉冲激光器(18)、氩气保护装置(15)、第一全反射镜(20)、第一导光管(19)、可调节送粉器(16)和同轴工作头(21);所述YAG脉冲激光器(18)与所述YAG脉冲激光器控制器(17)连接，所述氩气保护装置(15)、所述可调节送粉器(16)和所述同轴工作头(21)分别与所述中央控制处理器(I)连接，所述第一全反射镜(20)、第一导光管(19)和所述同轴工作头(21)构成光路传送系统，所述可调节送粉器(16)里的熔覆粉末通过所述同轴工作头(21)输送到待加工工件表面；所述激光冲击强化单元包括二氧化碳激光器(4)、第二全反射镜(2)、第二导光管(3)、光束转换及调节装置(6);所述二氧化碳激光器(4)与所述二氧化碳激光器控制器(5)连接，所述二氧化碳激光器(4)、第二全反射镜(2)、第二导光管(3)、光束转换及调节装置(6)组成光路传送系统；所述辅助工作系统包括五轴联动工作台(13)、夹具(10)和工作台控制器(14)，所述夹具固定在所述五轴联动工作台(13)上，所述五轴联动工作台(13)与所述工作台控制器(14)连接，所述工作台控制器(14)与所述中央控制处理器(I)连接。
2.根据权利要求1所述的一种对LED前照灯模具进行激光强化的装置，其特征在于，还包括一个表面轮廓扫描仪(7 )，所述表面轮廓扫描仪(7 )与所述中央控制处理器(I)连接。
3.—种对LED前照灯模具进行激光强化的方法，包括如下步骤: A:对待熔覆LED前照灯模具表面进行宏观检查，确定裂纹的位置，并用酒精或丙酮除去模具表面的油溃和污垢； B:把已处理好的LED前照灯模具放到五轴联动工作台上，将其定位好后用夹具固定夹紧； C:中央控制处理器通过数控操作台调节五轴联动工作台，使待熔覆LED前照灯模具处于同轴工作头下方，中央控制处理器发出反馈信号给YAG脉冲激光器控制器和同轴工作头，YAG脉冲激光器产生脉冲激光，经第一导光管、同轴工作头照射到LED前照灯凸模表面，同时由中央控制处理器控制的可调节送粉器将熔覆粉末经同轴工作头送入熔池，并启动氩气保护装置保护熔覆粉末以防氧化； D:待熔覆层冷却后，用酒精清洗LED前照灯凸模表面，干燥后涂覆黑漆吸收层； E:中央控制处理器发出反馈信号给二氧化碳激光器控制器和光束转换及调节装置，二氧化碳激光器在二氧化碳激光器控制器的控制下产生连续激光，经第一导光管照射到LED前照灯凸模表面上；同时中央控制处理器在工作台控制器的作用下调节五轴联动工作台，完成整个LED前照灯凸模表面的熔覆； F:用酒精或丙酮清洗LED前照灯凸模表面冲击区的黑漆； G:由中央控制处理器控制表面轮廓扫描仪对已修复的LED前照灯凸模进行表面粗糙度检验，使已修复LED前照灯模具表面粗糙度达到Ra3.2以下，如未达到要求，中央控制处理器对LED前照灯模具进行二次激光冲击或抛光处理； H:对修复件进行无损检测。
4.根据权利要求3所述的一种对LED前照灯模具进行激光强化的方法，其特征在于，步骤A中釆用无损探伤检测法来确定待 熔覆LED前照灯模具内部裂纹的具体位置、形状及大小。
【文档编号】C21D1/09GK103627856SQ201310604626
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】任旭东, 随赛, 郭伟刚, 杜正清, 周水琴, 李慧敏, 刘帆帆, 陈加明 申请人:江苏大学