新型熱作模具的光纖激光焊接工藝

鄒仁平，王世江

（煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院，山東煙臺(tái)265500）

新型熱作模具的光纖激光焊接工藝

鄒仁平，王世江

（煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院，山東煙臺(tái)265500）

采用光纖激光焊接方法，對(duì)出現(xiàn)裂紋的AMAX新型熱作模具進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并分析了焊接接頭的顯微組織、表面硬度、拉伸性能、熱疲勞性能和抗高溫氧化性能。結(jié)果表明，光纖激光焊接能使該新型熱作模具獲得較佳的焊接接頭，達(dá)到全新模具的質(zhì)量水平；經(jīng)過(guò)光纖激光焊接后模具的表面硬度、熱疲勞性能和高溫抗氧化性較焊前均有相應(yīng)提高。推廣光纖激光焊接模具修復(fù)技術(shù)可在很大程度上延長(zhǎng)模具的使用壽命。

光纖激光焊接；AMAX熱作模具；裂紋；模具修復(fù)

0 前言

熱作模具是用途非常廣泛且工作環(huán)境非常嚴(yán)酷的一類模具[1]。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，熱作模具的性能也需要進(jìn)一步改善。熱作模具在使用一段時(shí)間后，不可避免地出現(xiàn)一定程度的損傷[2-3]。如果直接將這些熱作模具報(bào)廢，會(huì)給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損傷，當(dāng)出現(xiàn)少量缺陷的熱作模具往往通過(guò)焊接方法進(jìn)行修復(fù)。因此熱作模具中不可避免地存在焊接接頭，如何提高焊接接頭的質(zhì)量和可靠性是模具工程師面臨的一個(gè)重要技術(shù)課題。王德成[4]介紹了如何對(duì)出現(xiàn)塌邊、裂紋和崩裂等問(wèn)題的電機(jī)沖壓模具進(jìn)行焊接，有效修復(fù)模具。鄔天榮等人[5]在深入研究高合金冷作模具堆焊修補(bǔ)后的沖擊韌性、膨脹系數(shù)等變化，獲得了優(yōu)化的焊補(bǔ)修復(fù)工藝。但是這些焊接方法在實(shí)際應(yīng)用中往往存在焊接接頭可靠性不理想，難以滿足市場(chǎng)的需要。光纖激光焊接作為一種新型的激光焊接技術(shù)，其熱影響區(qū)和變形較其他激光焊更小，焊縫強(qiáng)度更高，焊縫疲勞壽命更長(zhǎng)，更容易實(shí)現(xiàn)非接觸焊接和深熔性焊接[6]。AMAX熱作模具鋼是一種新型的熱作模具鋼，在熱作模具上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是，關(guān)于AMAX熱作模具的接頭性能鮮有報(bào)道。為此，本研究以廣東某企業(yè)一批出現(xiàn)裂紋的AMAX新型熱作模具為研究對(duì)象，采用光纖激光焊接試驗(yàn)，探索了一種較為實(shí)用的AMAX新型熱作模具的光纖激光焊接工藝。

1 試驗(yàn)材料與測(cè)試方法

1.1 試樣材料與焊接工藝

試驗(yàn)以一批出現(xiàn)裂紋的AMAX新型熱作模具為母材，模具的化學(xué)成分如表1所示，模具厚度為3.7 mm。采用TFL-150F型光纖模具激光焊機(jī)，對(duì)出現(xiàn)裂紋的AMAX新型熱作模具試樣1～3進(jìn)行了光纖激光焊接工藝試驗(yàn)。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表1 模具的化學(xué)成分Tab.1 Chemical ingredients of the die%

表2 焊接工藝參數(shù)Tab.2 Parameters of welding process

1.2 測(cè)試方法

采用PM25型金相顯微鏡和EVO18型掃描電子顯微鏡觀察焊接接頭的顯微組織。采用HR-150A型洛氏硬度計(jì)測(cè)試表面硬度。熱疲勞性能是試樣在600℃電阻爐和25℃自來(lái)水中進(jìn)行1 000次冷熱循環(huán)，一次加熱和一次冷卻稱為一個(gè)冷熱循環(huán)，然后用80倍顯微鏡觀察網(wǎng)狀裂紋和主裂紋，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 15824-2008評(píng)定裂紋級(jí)別，從而表征試樣的熱疲勞性能。通過(guò)在電阻爐中進(jìn)行600℃×48 h高溫氧化試驗(yàn)，計(jì)算試樣的單位面積質(zhì)量增重，由此測(cè)試抗高溫氧化性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 顯微組織

采用光纖激光焊接方法獲得的AMAX新型熱作模具焊接接頭顯微組織如圖1所示。由圖1可知，焊縫較為均勻、致密，無(wú)明顯的孔洞、裂紋等缺陷；焊縫中心組織為板條馬氏體和少量島狀鐵素體；母材區(qū)是鐵素體和馬氏體的雙相組織；熱影響區(qū)晶粒也主要是馬氏體和鐵素體。為了進(jìn)一步觀察熱影響區(qū)的馬氏體組織，對(duì)熱影響區(qū)進(jìn)行了掃描電鏡。圖2是熱影響區(qū)和母材區(qū)的馬氏體SEM照片。由圖2可知，熱影響區(qū)的馬氏體與母材區(qū)相比基本沒(méi)有變化。這主要是因?yàn)楣饫w激光焊接的熱輸入較低，對(duì)熱影響區(qū)的馬氏體組織影響較小，所以與母材區(qū)的馬氏體相比無(wú)明顯變化。

圖1 模具接頭的顯微組織Fig.1 Microstructure of the die joint

圖2 馬氏體SEM照片F(xiàn)ig.2 Martensite SEM pictures

2.2 表面硬度

出現(xiàn)裂紋、光纖激光焊接以及全新的AMAX新型熱作模具的表面硬度測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在斷裂處的硬度出現(xiàn)裂紋的AMAX新型熱作模具經(jīng)過(guò)光纖激光焊接后，模具的表面硬度明顯提高，從34HRC增加至49HRC，增加了15HRC，這可能是裂紋的出現(xiàn)降低了模具的殘余應(yīng)力進(jìn)而降低材料的顯微硬度；與全新AMAX新型熱作模具的表面硬度基本一致。由此可見，光纖激光焊接的AMAX新型熱作模具達(dá)到母材的表面硬度。

2.3 熱疲勞性能

出現(xiàn)裂紋、光纖激光焊接以及全新的AMAX新型熱作模具的熱疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，出現(xiàn)裂紋的AMAX新型熱作模具經(jīng)過(guò)光纖激光焊接后，模具在熱疲勞試驗(yàn)后的網(wǎng)狀裂紋級(jí)別由8級(jí)變?yōu)?級(jí)、主裂紋級(jí)別由9級(jí)變?yōu)?級(jí)、熱裂紋級(jí)別由17級(jí)變?yōu)?級(jí)，熱疲勞性能顯著提高。全新AMAX新型熱作模具的網(wǎng)狀裂紋、主裂紋和熱裂紋級(jí)別分別為1級(jí)、1級(jí)、2級(jí)，這與光纖激光焊接AMAX新型熱作模具的裂紋級(jí)別一致。由此可見，光纖激光焊接AMAX新型熱作模具的焊接接頭熱疲勞性能達(dá)到母材性能，達(dá)到全新模具的熱疲勞性能。

圖3 試樣的表面硬度測(cè)試結(jié)果Fig.3 Thermal fatigue test results of the samples

圖4 試樣的熱疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Thermal fatigue test results of the samples

2.4 抗高溫氧化性能

出現(xiàn)裂紋、光纖激光焊接以及全新的AMAX新型熱作模具的600℃×48 h高溫氧化試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，出現(xiàn)裂紋的AMAX新型熱作模具經(jīng)過(guò)光纖激光焊接后，模具在600℃高溫氧化48 h后單位面積質(zhì)量增重從213.45 μg/mm2減小至16.24 μg/mm2，減小了93.29%，接近全新模具的單位面積質(zhì)量增重（16.05 μg/mm2）。因此認(rèn)為采用本試驗(yàn)工藝參數(shù)獲得的光纖激光焊接AMAX新型熱作模具具有較佳的抗高溫氧化性能。

3 結(jié)論

（1）對(duì)出現(xiàn)裂紋的AMAX新型熱作模具，采用光纖激光焊接可使模具的表面硬度、拉伸性能、熱疲勞性能和抗高溫氧化性能達(dá)到全新AMAX新型熱作模具水平，焊接接頭可靠性高。

（2）出現(xiàn)裂紋的AMAX新型熱作模具經(jīng)過(guò)光纖激光焊接后，模具表面硬度由34HRC增至49HRC，網(wǎng)狀裂紋級(jí)別由8級(jí)變?yōu)?級(jí)、主裂紋級(jí)別由9級(jí)變?yōu)?級(jí)、熱裂紋級(jí)別由17級(jí)變?yōu)?級(jí)，600℃高溫氧化48 h后的單位面積質(zhì)量增重從213.45 μg/mm2減小至16.24 μg/mm2，均與全新模具基本一致。

圖5 試樣的高溫氧化結(jié)果Fig.5 High temperature oxidation results of the samples

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[5]鄔天榮，吳曉春，陶立民，等.冷作模具焊補(bǔ)修復(fù)再制造技術(shù)的研究[J].上海金屬，2010，32（3）：1-6.

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Research on optical fiber laser welding technology of the new type hot-working die

ZOU Renping，WANG Shijiang
（Yantai Automobile Engineering Professional College，Yantai 265500，China）

By the optical fiber laser welding method，welding experiment of AMAX new hot-working die with cracks is carried out，and the microstructure，surface hardness，tensile properties，thermal fatigue properties and high temperature oxidation resistance of the welded joints are analyzed.The results show that optical fiber laser welding can make the new hot-working die obtain better welded joints and reach new quality level.After optical fiber laser welding，the surface hardness，thermal fatigue and high-tem oxidation resistance properties of the die increase correspondingly.Promotion of optical fiber laser welding die repair technology can largely improve the service life of the die.

optical fiber laser welding；AMAX hot-working die；crack；die repairing

TG249.2

：A

1001-2303（2015）09-0103-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.22

2014-12-20

鄒仁平（1978—），女，遼寧營(yíng)口人，講師，學(xué)士，主要從事機(jī)械工程及自動(dòng)化的研究工作。