汽車模具表面缺陷堆焊補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用

姚開(kāi)禮，卞榆煥

（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

側(cè)圍零件是整車安裝調(diào)試的基準(zhǔn)，側(cè)圍冷沖壓模具成形工藝復(fù)雜（見(jiàn)圖1），對(duì)表面質(zhì)量控制更難，而各大車企加強(qiáng)車身沖壓焊接件的質(zhì)量管理，用比用戶更挑剔、更專業(yè)的眼光對(duì)白車身進(jìn)行評(píng)審，從而穩(wěn)定和提高車身外表件的實(shí)物面品質(zhì)量。但由于CAE 分析及數(shù)學(xué)模擬與實(shí)際沖壓制件存在一些誤差，側(cè)圍沖壓零件的問(wèn)題主要有：開(kāi)裂、隱傷、滑移線、沖擊線、回彈、凸包、凹陷、波浪、毛刺等缺陷，特別是A 類區(qū)面品一旦出凸包、凹陷會(huì)造成油石條表面連接不順及光影反射缺陷，涂裝油漆后會(huì)更加明顯，屬于AUDIT 評(píng)審A 級(jí)缺陷，嚴(yán)重影響外觀飽滿度和整車的精致感，這也是國(guó)內(nèi)外模具制造商一直攻關(guān)的難題。

2 鑄鋼材料分析

空冷鋼是一種火焰淬火冷作模具鋼，一般冷沖壓模具中常用牌號(hào)：ICD-5、CH-1、HMD-5、0050A等，可用于模具刃口部位，具有淬透性高，耐磨性好，通過(guò)表面淬火，空冷后即可達(dá)到55HRC以上，但由于含碳量比普通鋼高，容易產(chǎn)生硬脆的馬氏體，所以淬硬傾向和裂紋敏感傾向更大，從而焊接性差。還由于壁厚以及模具鑄鋼件結(jié)構(gòu)造型特殊性存在差異，同一個(gè)鑄件不同的結(jié)構(gòu)部位組織也會(huì)存在較大差異，并有較大的殘余應(yīng)力。

3 ICD-5鑄鋼焊接性分析

鋼中合金元素對(duì)焊接性的影響是十分復(fù)雜的，一般把鋼中含碳量多少作為判別鋼的可焊的主要性標(biāo)志，可用碳當(dāng)量公式來(lái)表示（見(jiàn)表1），將其它元素的影響折算成碳當(dāng)量的關(guān)系計(jì)算式：CE=C+（Mn/6）+{（Cr+Mo+V）/5}+{（Ni+Cu）/15}，得出ICD-5 的碳當(dāng)量CE≈1.00。但當(dāng)鋼材的CE＞0.6焊接性較差，在焊后拘束應(yīng)力較大。因此，此類鋼在進(jìn)行堆焊時(shí)，需焊前進(jìn)行預(yù)熱、焊接時(shí)趁熱錘擊焊縫、焊接后進(jìn)行局部后熱處理或整體退火熱處理等工藝措施，以防止產(chǎn)生冷裂紋。還應(yīng)采取小電流降低熱輸入，嚴(yán)格控制燒焊時(shí)層間溫度，防止晶粒長(zhǎng)大，避免再熱裂紋的產(chǎn)生。

表1 ICD-5化學(xué)成分表

實(shí)際上，焊接性的好壞不止取決碳、錳和硅的含量，還取決于焊接接頭的冷卻速度，冷卻速度較快的條件下（800℃～500℃），冷卻速度越大淬硬程度越厲害，容易產(chǎn)生焊接冷裂紋，它與以上3種元素共同影響著熱影響區(qū)和焊縫組織，通過(guò)形成的組織決定了焊縫的好壞。在焊接熱循環(huán)的加熱情況下及冷卻速度下，焊縫會(huì)形成硬化組織甚至馬氏體，而以馬氏體對(duì)焊接性影響最大，馬氏體越多硬度越高，焊接性越差，焊接后的大量馬氏體或出現(xiàn)的硬化組織，在焊接的應(yīng)力下可能引起熱影響區(qū)和焊縫裂紋。在焊后冷卻過(guò)程中，熱影響區(qū)易出現(xiàn)低塑性的淬硬組織使硬度明顯增高、塑性、韌性降低，低塑性的硬脆組織在焊縫含氫量較高和接頭焊接應(yīng)力較大時(shí)，易產(chǎn)生冷裂紋。其原因大致可以歸納為3 個(gè)方面：第一是設(shè)計(jì)因素，鋼材的厚度、接頭型式及焊縫尺寸等；第二是焊接線能量的大?。ê附与娏鳌⒑附铀俣纫约昂笚l擺動(dòng)的手法等），這個(gè)因素在一定范圍內(nèi)是可以調(diào)節(jié)的；第三是焊接時(shí)母材焊口附近的原始溫度。以上因素的不同配合，可以得到不同的熱影響區(qū)最高硬度。但是對(duì)焊接來(lái)說(shuō)，只能調(diào)節(jié)后兩個(gè)因素來(lái)控制，而在后兩個(gè)因素中，又是盡量通過(guò)選擇合適的焊接工藝方法，控制層間溫度和后熱處理或者使用大線能量，都能降低焊接接頭冷卻速度，在調(diào)節(jié)焊接規(guī)范不能達(dá)到目的時(shí)，要采取預(yù)熱的辦法。

4 焊接產(chǎn)生裂紋因素及防止方法

隨著鋼材強(qiáng)度等級(jí)的提高，裂紋的傾向也加劇。冷裂傾向主要發(fā)生在高強(qiáng)度鋼中，產(chǎn)生冷裂的主要因素：第一，焊縫以及熱影響區(qū)的含氫量；第二，焊縫金屬組織及熱影響區(qū)的成分，組織和性能（如淬硬性等）;第三，接頭的剛度所決定的焊接殘余內(nèi)應(yīng)力。為了避免冷裂，必須把各種影響因素綜合起來(lái)考慮，找出必要的合理的措施。對(duì)淬火傾向的材料而言，有時(shí)即使選用了低氫焊條，并進(jìn)行了預(yù)熱，但在剛度極大的焊接接頭中，仍有可能產(chǎn)生冷裂紋和屬于冷裂紋性質(zhì)的“延遲裂紋”。這種裂紋，在應(yīng)力的作用下，還可能向母材及焊縫金屬的縱深處發(fā)展。對(duì)于防止延遲裂紋的解決的方法有以下幾種∶

（1）選擇合適的焊接材料，包括焊接的焊縫強(qiáng)度與母材相適應(yīng)，選用堿性低氫焊條，焊前嚴(yán)格烘烤焊條，焊絲去油污、銹蝕，以降低焊縫含氫量。

（2）提高預(yù)熱溫度，預(yù)熱溫度取決于碳當(dāng)量、母材厚度焊材類型及工藝方法。含碳量高、厚度大預(yù)熱溫度可在250℃～400℃。

（3）焊后及時(shí)進(jìn)行熱處理，不但能改善或消除焊接殘余內(nèi)應(yīng)力，還可以改善接頭的顯微組織，還可以使焊縫中的氫加速向外擴(kuò)散。

氣孔是高溫下熔池中溶解了大量的氫、氮、氧，在快速冷卻中氣體來(lái)不及逸出而停留在焊縫中的孔眼（見(jiàn)圖2），含碳量增高也會(huì)對(duì)氣孔敏感性增加，所以要求焊接材料脫氧性要好，對(duì)坡口的清理和焊接材料的烘干要求更加嚴(yán)格。

熱裂紋是焊縫金屬在高溫狀態(tài)下產(chǎn)生的裂紋（見(jiàn)圖3）。通常這種裂紋只產(chǎn)生在焊縫金屬中。由于這種裂紋具有沿晶界分布的特點(diǎn)，所以，其外觀特征是∶或者分布在焊縫的正中心，在焊縫表面上呈不明顯的鋸齒形狀，或者分布在焊縫的兩側(cè)，其方向是與焊縫波紋呈垂直方向，也帶有不明顯的鋸齒形。產(chǎn)生熱裂紋的因素，一般認(rèn)為有3個(gè)方面：第一是焊接母材雜質(zhì)較多，由于共晶形成的液態(tài)薄膜消弱了晶粒間的結(jié)合，在應(yīng)力的作用下開(kāi)裂；第二是焊縫橫斷面的形狀，即寬度與熔深的比值，這個(gè)比值愈大，即熔寬較大，熔深較小，則熱裂紋傾向小一些；第三是接頭或焊件的剛度條件，剛度大則熱裂紋的傾向大些。從合金元素方面來(lái)看，焊縫金屬中的碳和硫是增大熱裂紋傾向的主要因素，其次是銅，而錳則是提高抗裂性的主要元素。

5 側(cè)圍表面堆焊工藝案例

側(cè)圍模具鑄件大、精度要求高，堆焊表面要求無(wú)裂紋氣孔，拋光后如同鏡面，焊接質(zhì)量的好壞將直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。山東項(xiàng)目由于模具發(fā)運(yùn)到客戶匹配高速產(chǎn)線試產(chǎn)階段，提高沖次后表面出現(xiàn)凹陷（見(jiàn)圖4），客戶裝車節(jié)點(diǎn)緊迫，要求消除凹陷才能造車，嘗試壓料板強(qiáng)壓無(wú)效果后，決定堆焊凸模凹陷區(qū)域，但經(jīng)分析凹陷區(qū)表面需要補(bǔ)償0.2mm，綜合考慮選用氬弧焊焊接，其優(yōu)點(diǎn)是氬氣它不與金屬發(fā)生化學(xué)作用，在焊接過(guò)程中被焊金屬和焊絲中的合金元素不易燒損，電弧熱量集中，熔池小、焊接速度快、熱影響區(qū)窄、焊件變形小、抗裂紋能力強(qiáng)，焊接后余量小，便于打磨。

（1）焊前對(duì)油石后凹陷區(qū)域劃線并預(yù)留基準(zhǔn)（見(jiàn)圖5），清理焊接區(qū)域上的油污和其它雜質(zhì)，確保焊接區(qū)內(nèi)無(wú)雜質(zhì)，從而降低焊縫內(nèi)的含磷硫量，防止裂紋發(fā)生。

（2）采用焊氬弧焊焊接（見(jiàn)表2），在不妨礙操作的情況下，應(yīng)盡量采用短弧焊接，以增強(qiáng)保護(hù)效果同時(shí)減少熱影響寬度，焊嘴盡量保持垂直，噴嘴與母材離表面不超10mm，送絲要均勻，不要擾亂氬氣流。

表2 焊接參數(shù)

（3）從中間相鄰各層的分區(qū)施焊形成焊縫區(qū)（見(jiàn)圖6），每段焊縫的長(zhǎng)度為30×40mm連弧施焊，這種方法可使母材任何一點(diǎn)都在短時(shí)間內(nèi)多次受熱，從而相當(dāng)于焊前預(yù)熱，焊后保溫的效果焊，使小范圍緩慢冷卻，避免快冷產(chǎn)生淬硬組織，在焊除接中斷或結(jié)束時(shí)，應(yīng)特別注意防止產(chǎn)生弧坑裂紋或縮孔，在收弧處熔池里多加些填充焊絲，然后慢慢離開(kāi)，當(dāng)斷弧后不能立即關(guān)閉氬氣，停留5～8s，以保證收口質(zhì)量并防止鎢極氧化。

（4）采用四英寸砂輪機(jī)對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行開(kāi)粗去大量到約0.5mm，采用兩英寸砂輪機(jī)打磨到約0.3mm（見(jiàn)圖7），填充焊接基準(zhǔn)前為保證熔接性須倒約60°坡口，并打磨清理焊道中氧化物直到露出母材后再進(jìn)行施焊。

（5）技術(shù)要點(diǎn)。在焊接過(guò)程中，可在焊接區(qū)一周圈先焊一條寬5mm焊道，收弧時(shí)停留在此焊道上，能有效防止弧坑裂紋及咬邊，中間采用分區(qū)堆焊施焊形成焊縫區(qū)，每塊面積約30×40mm，一次在堆焊塊上堆焊后按順序分塊交錯(cuò)進(jìn)行堆焊（見(jiàn)圖8），直至完成所有補(bǔ)焊區(qū)域的堆焊。每段焊縫焊后立即用小錘快速錘擊焊縫的表面，因?yàn)殄N擊焊縫可使焊縫在凝固時(shí)晶粒細(xì)化,逐次錘擊焊道可以提高焊縫韌性和疲勞性能。此外，邊緣焊道不可用力錘擊防止A面塌陷造成臺(tái)階差接不順。

6 焊接的檢測(cè)

焊縫的檢測(cè)方法有：外觀、著色、滲透等，根據(jù)客戶要求進(jìn)行了外觀和著色檢測(cè)，焊接區(qū)拋光后表面光滑、無(wú)裂紋、無(wú)氣孔夾渣、無(wú)未熔合、等焊接缺陷，滿足客戶要求（見(jiàn)圖9）。

零件檢測(cè)方法：手感、油石條推研、光影反射等，按客戶要求分別對(duì)零件通過(guò)手感、油石條推研、光影反射檢查均滿足客戶要求（見(jiàn)圖10）。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)選用合理的焊接方式，避免了焊接過(guò)程中出現(xiàn)熱裂紋、冷裂紋、氣孔、變形等問(wèn)題，能夠保證焊接質(zhì)量，滿足汽車模具對(duì)A 類面的特殊要求，可數(shù)控加工也可通過(guò)手工現(xiàn)場(chǎng)打磨實(shí)現(xiàn)，修復(fù)效果好，多次應(yīng)用在大型模具補(bǔ)焊中，此方法適用于各種外覆蓋件表面缺陷補(bǔ)償，可減少模具交付時(shí)間及零件返修成本。