焊接電流對熱鍛模零件表面堆焊組織和力學(xué)性能的影響

李揚(yáng)，王金鳳

（1.天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

0 引 言

鍛造行業(yè)中使用的模具因其工作環(huán)境惡劣，在生產(chǎn)過程中，模具型腔壁磨損嚴(yán)重，延長鍛造模的使用壽命和提高鍛模工作面的耐磨性是鍛造行業(yè)目前亟待解決的關(guān)鍵問題。熱鍛模是冶金行業(yè)的消耗件之一，是鍛件生產(chǎn)重要的工藝設(shè)備。熱鍛模在進(jìn)行連續(xù)鍛壓的過程中會承受機(jī)械負(fù)荷及熱負(fù)荷，熱鍛模因為發(fā)生過度的磨損、疲勞及塑性變形等而導(dǎo)致失效，影響模具的使用壽命，而熱鍛模的使用壽命影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率[1-3]。模具堆焊技術(shù)是指用焊接方法將具有一定使用性能的合金材料熔覆在模具型腔壁表面，賦予已失效的模具新使用性能的工藝方法。有研究發(fā)現(xiàn)，與原模具相比[4]，經(jīng)堆焊修復(fù)后的熱鍛模使用壽命明顯延長，同時又節(jié)省生產(chǎn)成本。因此，通過對熱鍛模進(jìn)行堆焊處理以延長其使用壽命在工業(yè)生產(chǎn)上具有重大意義[5-10]。以下試驗采用堆焊技術(shù)將鎳基自熔性合金粉末堆焊到經(jīng)過預(yù)處理的鍛模工作表面，使模具零件表面形成并附著牢固的表層，與模具零件基材形成良好的結(jié)合，達(dá)到模具零件表面強(qiáng)化的目的。

在熱鍛模的所有失效形式中，磨損最為嚴(yán)重，磨損導(dǎo)致的失效所占的比例也最大。針對以上存在的問題，采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊（tungsten inert gas,TIG）對熱鍛模零件表面進(jìn)行堆焊修復(fù)，通過改變焊接電流，研究其對堆焊表面的硬度及耐磨性的影響規(guī)律，以提高熱鍛模零件表面的硬度，使表面有優(yōu)良的耐磨性等優(yōu)異的力學(xué)性能。

1 試驗材料與方法

采用的焊接方法：鎢極氬弧焊。焊接設(shè)備為WSME-315型逆變式交直流脈沖氬弧焊機(jī)。

1.1 噴涂方式

通過用水玻璃作粘結(jié)劑、等離子噴涂、熱噴涂及一邊涂一邊焊等噴涂方式進(jìn)行試驗研究，最后得到的焊縫成形結(jié)果都不理想。在未找到合適的噴涂工藝后，嘗試采取輔助措施，直接堆粉的方式進(jìn)行焊接。

在焊接前將鎳基自熔性合金粉末堆放在夾具中間，防止在焊接過程中合金粉末被氬氣流吹散。焊接后發(fā)現(xiàn)，通過此方法能得到效果較滿意的焊縫，且操作簡單，最終確定試驗采用直接堆粉法。

1.2 焊接參數(shù)范圍的確定

在進(jìn)行試驗前，應(yīng)先對試驗參數(shù)進(jìn)行篩選，選出對焊接結(jié)果影響較大的因素范圍。

由于試驗中影響焊縫質(zhì)量的因素較多，如果直接進(jìn)行試驗設(shè)計，則在后期的參數(shù)調(diào)節(jié)過程繁瑣，增加了試驗的復(fù)雜性。采用篩選試驗可省去成倍的試驗量，所以為了降低試驗的復(fù)雜性，節(jié)約試驗成本，縮短試驗時間，快速找到試驗參數(shù)對焊件組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，在進(jìn)行試驗前，必須對試驗參數(shù)進(jìn)行篩選，確定試驗參數(shù)的范圍。焊接后通過檢驗焊縫的外觀是否有咬邊、焊瘤、焊穿、氣孔、裂紋等缺陷以及焊縫成形情況是否良好，最終選出焊縫質(zhì)量良好的工藝參數(shù)范圍，如表1所示。

表1 焊接參數(shù)范圍

1.3 試驗方案的確定

對焊接參數(shù)的范圍選取試驗結(jié)果可以看到，影響焊接質(zhì)量的顯著因素為焊接電流、氬氣流量、焊接速度。由于試驗采取手工焊，焊接速度和氬氣流量不易控制，將這2個參數(shù)控制在一個合適的范圍，不作為試驗因素。因此選用單一變量法，即只改變焊接電流，控制其他參數(shù)不變的方法進(jìn)行試驗。焊接參數(shù)：焊接電流為70～120 A，焊接速度為2.2～3.3 mm/s，鎢極直徑為φ2.4 mm，堆層厚度為2 mm，氬氣流量為7 mL/s。單一變量試驗設(shè)計如表2所示。

表2 單一變量設(shè)計方案

1.4 焊接過程

試驗采取的焊接過程如下。

（1）先選取一塊合適的碳鋼板，將其表面用鐵刷清理干凈。

（2）將設(shè)計的夾具固定在碳鋼板上，取適量鎳基自熔性合金粉末倒入夾具內(nèi)，并鋪平鋪勻。

（3）按照設(shè)計方案調(diào)整對應(yīng)的焊接參數(shù)，對試樣實施焊接。

（4）盡量保證焊接質(zhì)量一致即焊縫的熔高合適、熔寬大致一致。如果焊接后的焊縫質(zhì)量相差太大，則用新板重新焊接，直到焊出滿意的焊縫為止。

（5）按照試驗要求調(diào)節(jié)所要求的焊接工藝參數(shù)，焊出所需的所有試樣。

1.5 測試過程

1.5.1 金相試驗

根據(jù)設(shè)計方案得出的最佳工藝參數(shù)，利用這些參數(shù)進(jìn)行鎳基自熔性合金粉末堆焊試驗，然后觀察焊縫外觀及分析金相顯微組織，驗證在此焊接參數(shù)下的焊縫最大承受能力，以滿足產(chǎn)品性能的要求。金相試樣制取過程包括：金相試樣的截取和鑲嵌，金相試樣的打磨和拋光，試樣鑲嵌后進(jìn)行打磨及拋光，最后用硝酸酒精對試樣進(jìn)行腐蝕。

1.5.2 硬度試驗

將金相試樣放在顯微硬度計上測試焊縫的硬度。測量位置分別在焊縫凸面向下1/3處和焊縫與母材平行處，分別對每個試樣這2個部位的平行線位置進(jìn)行測量并記錄數(shù)據(jù)。

1.5.3 磨損試驗

根據(jù)硬度試驗中所測焊縫的硬度，結(jié)合查找的資料，選取中碳鋼為磨損試驗中焊縫的對磨材料。對試樣進(jìn)行超聲清洗，每次試驗前用鑷子將待磨試樣放在電子天平上稱其磨損前的質(zhì)量，稱后即可進(jìn)行磨損試驗。磨損試驗做完后，將試樣取出，再次放在電子天平上稱其磨損后質(zhì)量，并記錄2次稱得的質(zhì)量數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 顯微硬度

將需要測試的試樣表面用金相預(yù)磨機(jī)和拋光機(jī)加工成光滑平面，放在硬度測量儀上進(jìn)行硬度值的測量，測量點(diǎn)的位置如圖1所示，分別為焊縫截面1/3處及與母材平行處。

圖1 焊縫顯微硬度的測量位置

對焊縫截面1/3處進(jìn)行硬度測量時，電流值在70～120 A的每個參數(shù)下，分別測量9個試樣，得出的硬度值測量結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，截面1/3處的硬度隨著電流的增大，硬度值變化平緩，沒有明顯的變化趨勢。

圖2 試樣截面1/3處硬度值曲線

對與母材平行處進(jìn)行硬度測量時，電流值在70～120 A的每個參數(shù)下，也分別測量9個試樣，得出的硬度值測量結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，剛開始時與母材平行處的硬度隨著焊接電流的增大而增大，焊接電流在100 A左右，焊縫的硬度值達(dá)到最大，隨后隨著焊接電流的增大，硬度值開始減小。

圖3 與母材平行處硬度值曲線

對9個試樣2處不同位置的硬度取平均值，得出結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，不管是在與母材平行處的硬度平均值還是焊縫截面1/3處的硬度平均值，均在電流90～100 A左右出現(xiàn)了最大值。

從圖2～圖4的焊縫硬度對比情況看，焊接電流的大小對焊縫的硬度影響較大，隨著堆焊電流的增大，堆焊層金屬的硬度也在增加，當(dāng)電流為90～100 A時堆焊層硬度達(dá)到最大值，隨后隨著電流的繼續(xù)增大，堆焊層金屬的硬度開始逐漸降低。

圖4 平均硬度值曲線

2.2 磨損性能

焊接電流的大小對焊縫的耐磨性影響也較大，磨損量是反映材料性能的另一個重要指標(biāo)，圖5所示為焊縫磨損量的試驗結(jié)果，圖6所示為焊縫磨損率的試驗結(jié)果。

圖5 焊縫磨損量曲線

圖6 焊縫磨損率曲線

從圖4和圖5可以看出，磨損量與硬度值相對應(yīng)，一般硬度高的材料磨損量少，硬度低的材料磨損量較大。從圖5可以看出，隨著堆焊電流的增大，堆焊層金屬的磨損量逐漸減少，當(dāng)電流為100 A時，堆焊層磨損量最少，隨著電流的繼續(xù)增大，堆焊層金屬的磨損量也繼續(xù)增加。焊接電流在100 A左右，焊縫的耐磨性能較好。

金相試樣是通過試驗所得參數(shù)進(jìn)行焊接的，選取最好的試樣制作金相試樣。結(jié)合硬度試驗和耐磨試驗的結(jié)果，當(dāng)焊接電流為100 A左右時，焊縫的綜合性能較好。因為在焊接電流適中即熱輸入適中時，焊接接頭整體性能較好。焊接電流較低時，熱輸入較小，焊縫金屬容易發(fā)生脆硬，耐磨性能差；熱輸入較大時，焊縫組織容易粗大，硬度也會下降，同時耐磨性也會降低。故主要分析電流為100 A時試樣截面的金相。

2.3 金相組織

焊縫組織如圖7所示，從圖7可以看出，焊縫晶粒較細(xì)，從金相圖上看，存在大量柱狀晶。由于柱狀晶的偏析比等軸晶少，結(jié)構(gòu)更致密，對于硬度和耐磨性要求比較高的熱鍛模，這樣的組織能夠有效提高熱鍛模的硬度及耐磨性等力學(xué)性能。

圖7 焊縫區(qū)顯微組織

熔合區(qū)顯微組織如圖8所示，熔合區(qū)存在明顯的焊縫和母材的分界線。熱影響區(qū)顯微組織如圖9所示，熱影響區(qū)晶粒比較粗大，這是由于焊接熱循環(huán)作用，離焊縫較近的過熱區(qū)溫度高達(dá)1 000℃以上，造成該區(qū)域的晶粒異常長大，即過熱，且該區(qū)域存在魏氏體組織，但通過試驗驗證此焊接條件下形成的魏氏體組織并沒有造成焊縫的開裂、脆斷等失效形式。對于魏氏體組織的尺寸增大到會引起脆性開裂等缺陷的程度，會在后續(xù)繼續(xù)進(jìn)行研究。

圖8 熔合區(qū)顯微組織

圖9 熱影響區(qū)顯微組織

3 結(jié)束語

通過改變焊接電流研究熱鍛模零件的堆焊組織及力學(xué)性能，最后結(jié)合對焊縫的硬度、耐磨性、金相微觀組織進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）焊接電流的大小對焊縫的硬度影響較大，隨著堆焊電流的增大，堆焊層金屬的硬度也在增大，當(dāng)電流為90～100 A時堆焊層硬度達(dá)到最大值，隨著電流的繼續(xù)增大，堆焊層金屬的硬度開始逐漸降低。

（2）隨著堆焊電流的增大，堆焊層金屬的磨損量逐漸減少，當(dāng)電流為100 A時堆焊層磨損量最少，隨著電流的繼續(xù)增大，堆焊層金屬的磨損量也繼續(xù)增加。焊接電流在100 A左右，焊縫的耐磨性能較好。

（3）顯微組織觀察結(jié)果表明，熔合區(qū)存在明顯的焊縫和母材的分界線，焊縫存在大量的柱狀晶，熱影響區(qū)存在粗大的魏氏體組織。