汽車模具SMAW堆焊工藝方法應(yīng)用

姚開禮

（上海賽科利汽車模具技術(shù)應(yīng)用有限公司模具事業(yè)部模具質(zhì)量保證科，上海 200120）

1 引言

隨著我國(guó)汽車沖壓生產(chǎn)的高效化和自動(dòng)化的發(fā)展，汽車90%以上的零部件都需要依靠模具成型。汽車模具是一種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，設(shè)計(jì)制造技術(shù)難度大，形狀復(fù)雜精度要求高，汽車模具是我國(guó)重點(diǎn)支持的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，也被譽(yù)為“汽車工業(yè)之母”。我國(guó)模具制造周期一般為工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的兩倍，而使用壽命僅為1/5，汽車?yán)錄_壓模具（見圖1）大多為灰口鑄鐵、球墨鑄鐵和鉻鉬合金鑄鐵，焊接性比較差，常常難以滿足其結(jié)合性能和使用要求。鑄鐵強(qiáng)度低、塑性差、對(duì)冷卻速度敏感，焊接時(shí)易產(chǎn)生白口組織和裂紋。若采用堆焊的方法在修復(fù)損壞模具及制造過程中彈性變形的超差等得到實(shí)際應(yīng)用，從而提高模具使用壽命，大大縮短生產(chǎn)制造周期，降低模具制造成本。

2 化學(xué)成分的影響

灰鑄鐵中硫、磷雜質(zhì)含量高，增加了焊縫對(duì)冷卻速度的敏感性，快速冷卻時(shí)，焊縫結(jié)晶時(shí)間短，石墨化不充分，容易形成白口及淬硬組織，各種元素對(duì)石墨化過程所起的作用是不同的，有的起促進(jìn)作用，有的則起阻礙作用。

圖1 拉伸模

碳和硅：強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化，必須保證一定的含量。但碳的含量過高，會(huì)使石墨片過分多而粗大，基體鐵素體化，機(jī)械性能下降；硅的含量過高會(huì)使鑄鐵變脆，硅含量超過7%會(huì)產(chǎn)生硬脆的硅化鐵。

硫：強(qiáng)烈阻礙石墨化，促使生成白口，并且降低鐵水的流動(dòng)性，易生氣孔，是有害元素，應(yīng)當(dāng)盡量限制硫的含量。

錳：阻礙石墨化，但由于錳能與硫相化合，從而抵消硫的有害作用，故應(yīng)含有適量的錳，一般不超過1.5%。

GM338材料化學(xué)成分與力學(xué)性能分析如表1所示。

表1 GM338化學(xué)成分表 %

3 冷卻速度的影響

慢冷條件下容易到的灰口鑄鐵，快冷容易變成白口鐵。厚壁鑄件鑄造時(shí)冷卻較慢，石墨析出較充分，機(jī)械性能有所降低，高強(qiáng)度灰鑄鐵由于澆鑄前進(jìn)行了“變質(zhì)處理”，故壁厚對(duì)機(jī)械性能的影響較小。焊補(bǔ)鑄件時(shí)，在工藝上可以采取-些減慢冷卻速度的措施以防止白口。強(qiáng)度低的鑄鐵比較難焊，也應(yīng)預(yù)先采取措施，如圖2所示。

圖2 化學(xué)成分（碳硅總量）與壁厚（冷卻速度）對(duì)鑄鐵組織的影響

4 合金鑄鐵堆焊時(shí)主要問題

（1）裂紋。由于鑄鐵內(nèi)分布著大量石墨片如同鋼的基體被大量的小裂紋所割裂，因而鑄鐵的強(qiáng)度較低、塑性很差。不能像低碳鋼那樣，在力的作用下容易拉長(zhǎng)、彎曲等塑性變形。因此，當(dāng)焊接應(yīng)力超過鑄鐵強(qiáng)度時(shí)，沿焊補(bǔ)區(qū)的薄弱處就產(chǎn)生開裂或使剝離。

（2）白口組織。焊接時(shí)，母材近焊縫區(qū)（見圖3）受到高溫高于1,150℃～1,250℃以上時(shí)，原來鑄鐵中呈游離狀態(tài)的石墨開始部分地熔于鐵中，溫度越高，熔于鐵中的石墨就越多。而冷卻時(shí)，熔于鐵中的碳來不及以石墨形式析出，而形成Fe3C出現(xiàn)，因而在窄小的融合區(qū)內(nèi)，焊后很容易產(chǎn)生白口組織，它不僅難以機(jī)械加工，甚至導(dǎo)致開裂，還會(huì)使拉伸板料沖壓成形時(shí)有壓印，制件質(zhì)量受到影響，甚至報(bào)廢。

圖3 剪切力與白口組織示意圖

（3）母材剝離。主要原因是鑄鐵幾乎無塑性，不能承受塑性變形，且強(qiáng)度低，在焊接應(yīng)力作用下，應(yīng)力值大于鑄鐵的強(qiáng)度極限而破壞。其次，焊接接頭的組織分布一般是：焊縫為碳鋼，半熔化區(qū)為白口組織，奧氏體區(qū)是石墨化不完全的白口組織。這三部分焊縫的收縮率約為2.17%，半熔化區(qū)約為2.3%，奧氏體區(qū)因?yàn)闆]有熔化，其收縮率只有1.1%左右，因此在冷卻過程中，焊縫附近的半熔化區(qū)與奧氏體區(qū)之間存在很大的剪應(yīng)力，由于母材鑄鐵強(qiáng)度低，牽制不住焊縫的收縮，當(dāng)焊道越多，焊接應(yīng)力就越大，嚴(yán)重時(shí)將造成整個(gè)焊縫沿半熔化區(qū)從母材上剝落。

5 焊接方法選用分析

（1）合理性。非鑄鐵型焊縫又稱異質(zhì)焊縫，鑄件在焊接中不需要預(yù)熱使焊接工藝過程大大簡(jiǎn)化，焊接成分為碳鋼，可進(jìn)行全位置焊接，焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以異質(zhì)焊縫的電弧冷焊是很有前途的的焊接工藝。

（2）經(jīng)濟(jì)性。手工電弧焊設(shè)備簡(jiǎn)單，模具千變?nèi)f化造型多不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化燒焊，手工操作成本較低并可全位置焊接等優(yōu)點(diǎn)。

（3）工藝性。采用非鑄鐵焊接所需要電流小，可使熔深淺，使母材中的碳、硫、磷等雜質(zhì)進(jìn)入熔池?cái)?shù)量減少，故減少熱裂紋傾向，由于焊縫中碳的減少，脆硬性也降低，所以有利于防止冷裂紋產(chǎn)生，小電流降低了熱輸入也降低焊接應(yīng)力，有利于減少熱影響區(qū)及半熔化區(qū)的寬度，可改善焊接接頭工藝性能。

6 焊接材料選擇

為解決以上問題，采用兩種焊材施焊，首先選擇TC-3F鎳基焊條打底，TC-3F鎳基焊條具有良好的塑性、韌性，具有較好的抗裂性能。通過實(shí)踐和分析證明鎳基焊條能使焊縫不出現(xiàn)淬硬組織且使焊縫有較高的塑性和韌性。鎳是擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，所以鎳基焊條形成的焊縫有一定的塑性和強(qiáng)度，且硬度較低。同時(shí)，鎳為促使石墨化元素，其擴(kuò)散能力很強(qiáng)，對(duì)減弱半熔化區(qū)白口的寬度很有利。有人系統(tǒng)研究了焊條不同含鎳量對(duì)白口區(qū)寬度的影響，其結(jié)果是當(dāng)焊縫含鎳量為50%時(shí)，可減低到0.1mm，當(dāng)焊縫含鎳量為98%時(shí)，可減低到0.05mm，而且白口呈斷續(xù)狀，故采用鎳基焊條打底可減弱白口現(xiàn)象，提高焊縫強(qiáng)度。采用TM2000或NH10s覆蓋型面來滿足模具型面耐磨及光潔度要求，由于此焊材為鑄鐵堆焊設(shè)計(jì)，焊縫初層吸收鎳鉻形成形成具有韌性的奧氏體組織，2～3層可形成高硬度馬氏體組織，耐磨性能優(yōu)良。焊接接頭組織變化如圖4所示。

圖4 焊接接頭組織變化

7 焊前準(zhǔn)備及操作步驟

（1）焊前準(zhǔn)備。

首先要清理工件及缺陷上的油污和其它雜質(zhì)，確定燒焊范圍長(zhǎng)度和高度，必要時(shí)要用火焰清理污物，確保焊接型面內(nèi)無雜質(zhì)，從而降低焊縫內(nèi)的含氫量，降低焊接應(yīng)力及焊縫中碳化物、硫化物，防止裂紋發(fā)生。焊條烘干350℃1.5～2h，150℃保溫隨用隨取。

（2）焊接順序。

在焊接過程中焊縫越長(zhǎng)，焊縫所承受的拉應(yīng)力越大，所以采用短焊縫可低焊縫應(yīng)力狀態(tài)，減弱焊縫發(fā)生裂紋的可能性，一般每次焊縫長(zhǎng)度為50～60mm，剛度大的地方先焊，剛度小的地方后焊，且先后焊接的焊縫位置不能相鄰。這樣可以降低焊補(bǔ)處的溫度，減少應(yīng)力。此外，相對(duì)于較厚的焊件時(shí)，采用開坡口及多層多道焊接（見圖5）可以有效地提高焊縫金屬的性能，這主要是由于后一層對(duì)前一層焊縫具有附加熱處理的作用，從而改善了焊縫固態(tài)相變的組織。

（3）焊接過程中采用短弧焊接，采用分段倒退法（見圖6）施焊形成焊縫區(qū)，為減少熱輸入層間溫度控制在80℃～100℃，每道焊縫由于熱輸入會(huì)產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，可采用錘擊消除應(yīng)力，錘擊時(shí)應(yīng)處于高溫區(qū)間，不然低于300℃時(shí)，隨著冷卻焊縫塑性變差，硬度增高，錘擊會(huì)震動(dòng)和沖擊熔合區(qū)造成開裂剝離。焊接后及時(shí)用石棉保溫。

圖5 減小應(yīng)力及坡口示意圖

圖6 分段倒退跳焊法

8 技術(shù)要領(lǐng)

電弧冷焊的工藝特點(diǎn)是“短段、斷續(xù)、分散焊，較小的電流熔深淺，每段錘擊消應(yīng)力”。為了減小應(yīng)力防止裂紋，冷焊時(shí)必須防止局部過熱，也就是保持較低的溫度，減小與整體的溫度差別，每一道焊縫要短，不能連續(xù)進(jìn)行，但可以分散多處起焊，每焊一道立即用帶圓角小錘迅速錘擊焊縫，直到焊縫出現(xiàn)密密麻麻敲擊點(diǎn)為止。每段焊縫焊完之后，為保證每段之間銜接良好，應(yīng)將接頭過高金屬打磨再焊下一段。如發(fā)現(xiàn)有裂紋應(yīng)先在裂紋兩端鉆孔再按施焊工藝施焊。

9 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過焊接經(jīng)驗(yàn)分析及補(bǔ)焊多年生產(chǎn)應(yīng)用情況，得出如下結(jié)論：補(bǔ)焊時(shí)間比重新開模制造時(shí)間短有效保證生產(chǎn)任務(wù)，采用非鑄鐵性焊接材料從原則上可緩解應(yīng)力增強(qiáng)焊縫塑性，降低了裂紋產(chǎn)生，采用此種方法由于焊前對(duì)工件不必預(yù)熱或者局部低溫預(yù)熱，焊接過程中工人勞動(dòng)強(qiáng)度比熱焊法小，生產(chǎn)周期短，節(jié)約大量的數(shù)控加工及調(diào)試制造時(shí)間，此方法多次應(yīng)用大型模具補(bǔ)焊中，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。