柴佳瑞，牛國旭

寧夏天地奔牛實業(yè)集團(tuán)有限公司 寧夏石嘴山 753001

1 序言

鍛造模具在使用過程中，模具的型腔因逐漸磨損而使尺寸超出公差范圍，或局部產(chǎn)生嚴(yán)重的熱機(jī)械疲勞裂紋，都會影響鍛件表面質(zhì)量，從而縮短模具的使用壽命[1]。在模具修復(fù)過程中，如果不能徹底修復(fù)或修復(fù)方法不當(dāng)，可能造成整套模具的報廢。因此，使用正確的模具焊接工藝來指導(dǎo)模具修復(fù)是保證其使用壽命和鍛件質(zhì)量的關(guān)鍵，其中正確的焊接材料、焊接輔助設(shè)備、焊接電流及電弧電壓等參數(shù)是焊接修復(fù)過程中重要的因素。本文通過研究5CrNiMoV鋼模具的焊接工藝，為后續(xù)鍛造模具的修復(fù)工藝提供依據(jù)。

2 焊接工藝分析

鍛造模具材料通常采用5CrNiMoV模具鋼，由于模具在使用中經(jīng)常出現(xiàn)塌角、變形、磨損等缺陷，甚至因出現(xiàn)裂紋而斷裂，因此模具修復(fù)具有重要的意義[2，3]。5CrNiMoV鋼的淬透性好、韌性好、強(qiáng)度高、耐磨性好，常用來制造各種大中型鍛模，其化學(xué)成分見表1。

表1 5CrNiMoV鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

根據(jù)碳素鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼的碳當(dāng)量經(jīng)驗公式[4]，計算5CrNiMoV鋼碳當(dāng)量為1.35%，可知其焊接性能極差，在應(yīng)力作用下很容易開裂。因此，通過焊前預(yù)熱、焊后緩冷等措施減小應(yīng)力，可以有效地防止焊接時產(chǎn)生裂紋。

為了更好地避免焊接過程中產(chǎn)生缺陷，以規(guī)格為φ2.4mm的焊絲為準(zhǔn)，以刮板、壓板、啞鈴銷等鍛壓模具為試樣，鍛壓模具修復(fù)堆焊各區(qū)域分布如圖1所示，焊絲的選用要求及焊接參數(shù)見表2。

表2 焊絲使用要求及焊接參數(shù)

圖1 鍛壓模具修復(fù)堆焊各區(qū)域分布

3 焊接實施

3.1 焊前準(zhǔn)備

（1）回火 當(dāng)模具不能滿足使用要求時，應(yīng)對模具進(jìn)行回火處理，調(diào)整模具的硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性，回火溫度調(diào)整到550℃，以穩(wěn)定組織。

（2）無損檢測 對模具內(nèi)部缺陷進(jìn)行無損檢測，出示檢測報告，以便確定模具焊接修復(fù)工藝。

（3）模具清理 對待修復(fù)模具進(jìn)行清理，檢查其是否符合焊接修復(fù)工藝要求，清理后根據(jù)無損檢測報告，確定焊接修復(fù)工藝，包括使用焊材的型號及數(shù)量，最終達(dá)到修復(fù)的目的。

3.2 氣刨

1）根據(jù)無損檢測報告確定模具的氣刨深度和寬度，最終確定氣刨寬度為沿模膛周邊擴(kuò)大20～25mm，氣刨深度為20～25mm。氣刨后模膛的同一表面不應(yīng)出現(xiàn)忽高忽低的波浪紋，層間高度差控制為0.5～1mm。

2）氣刨時仔細(xì)查看模具中是否存在無損檢測報告中未檢測出的缺陷，如其他部位是否存在缺損、裂紋等情況（如鍛模凸起部位掉落、鎖口根部裂紋、燕尾根部裂紋等），若存在應(yīng)及時修理。

3）沿裂紋方向氣刨，氣刨的模膛形狀呈“U”形溝槽，刨至無裂紋即可，模膛氣刨時表面不應(yīng)有尖銳部位及裂紋，以保證整個表面圓滑過渡。

3.3 修磨

1）修磨氣刨模膛型腔各表面及裂紋溝槽內(nèi)所有表面直至呈現(xiàn)金屬光澤，修磨裂紋溝槽口部周邊尖棱直至呈現(xiàn)金屬光澤裂紋，并使其圓滑過渡。

2）用清渣槍清理模膛型腔及裂紋溝槽內(nèi)無法修磨的部位，并用風(fēng)管將型腔及裂紋溝槽內(nèi)雜物清理干凈。

3）檢測合格后準(zhǔn)備預(yù)熱，必要時做著色檢測。

3.4 預(yù)熱

爐溫設(shè)置為380～450℃，當(dāng)溫度達(dá)到380℃時，模具內(nèi)部會出現(xiàn)殘留奧氏體，其對防止焊接時的冷裂紋十分有效。將氣刨修磨合格的模具放入加熱爐中，隨爐升溫至450℃，恒溫條件下保溫8～10h后出爐，進(jìn)行堆焊。

同時，焊前應(yīng)將焊條放入模具的簡易保溫箱內(nèi)保溫0.5～1h，去除潮氣后立即取出使用。

3.5 堆焊要求

1）堆焊過程中保證模具溫度≥380℃。如果在堆焊過程中模具溫度低于380℃，則應(yīng)立即停止焊接，以防止焊接裂紋的產(chǎn)生。將待修復(fù)模具再次放入爐溫為380～450℃電阻爐中，恒溫條件下保溫3～6h后出爐，重新進(jìn)行施焊。

2）每道堆焊層高3～4mm，堆焊完成后，即用風(fēng)鎬垂直振動 (不少于2遍錘擊)，并用清渣槍清除焊渣和藥皮，然后方可補(bǔ)焊下一層，層間溫度≥380℃。

3）若在補(bǔ)焊過程中發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，則應(yīng)立即停止補(bǔ)焊，用氣刨清除裂紋后，重新修磨補(bǔ)焊。

4）保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2，壓力保持為0.4～0.45MPa。氬氣流量為30L/min, CO2流量＞2～3L/min。

5）焊槍距離工件20～25mm，焊接時要保證焊槍與工件垂直。

6）當(dāng)焊機(jī)的電弧電壓為40V時，送絲速度為8m/min；當(dāng)焊機(jī)的電弧電壓為36V時，送絲速度為5m/min。如果導(dǎo)電效果不佳，焊條會產(chǎn)生紅熱現(xiàn)象。

3.6 堆焊過程

1）焊接前必須徹底清理型腔中的裂紋、鱗片、疲勞層及一切雜質(zhì)，并清理出滿足焊接條件的角度，一般為30°～70°，以確保焊條或焊絲可以正常沉積。

2）待修復(fù)模具預(yù)熱工序完成后出爐，放置保溫箱內(nèi)，周邊用石棉等保溫材料包裹模具，只露出補(bǔ)焊位置。

3）先用具有止裂作用的焊絲堆焊型腔內(nèi)裂紋溝槽，逐層堆焊。按堆焊要求完成后，更換焊絲進(jìn)行后續(xù)焊接。

4）型腔內(nèi)各處裂紋溝槽堆焊完成后，型腔表面根據(jù)模膛深度和模具類型選用不同類型的焊絲進(jìn)行堆焊。對于刮板、聯(lián)接銷等模膛較深的模具（模膛深度≥25mm），待型腔內(nèi)各裂紋溝槽堆焊完成后，型腔底面距分模面以下25～30mm處用打底焊絲逐層堆焊型腔（見圖1中2區(qū)），后用提高硬度的蓋面焊絲逐層堆焊至分模面以上，并高出分模面各表面3～5mm，(見圖1中3區(qū))。

對于壓板、E（U）形螺栓等模膛較淺的模具（模膛深度＜25mm），待型腔內(nèi)各裂紋溝槽堆焊完成后，直接用蓋面焊絲逐層堆焊至分模面以上，并高出分模面各表面3～5mm。

3.7 焊后熱處理

（1）焊后去應(yīng)力 模具焊接完成后，立即入爐，隨爐升溫至380℃保溫，要求保溫時間＞4h，之后隨爐（也可出爐放進(jìn)自制保溫箱）緩冷至 150℃。

（2）一次回火 當(dāng)模具隨爐溫緩冷至150℃后，將模具再升溫至450℃，保溫時間＞8h，隨爐（或?qū)⒛＞唠S爐降至400℃以下出爐放置自制保溫箱內(nèi)，但模具在爐外時間不得超過5min）緩冷至150℃。

（3）二次回火 當(dāng)一次回火模具隨爐溫緩冷至150℃時，再將爐溫設(shè)置為550℃，保溫時間＞8h，隨爐（或?qū)⒛＞唠S爐降至400℃以下出爐放置自制保溫箱內(nèi)）緩冷至150℃。

（4）著色檢測 檢測焊縫是否有裂紋、夾渣、氣孔等缺陷，若發(fā)現(xiàn)有缺陷，應(yīng)及時將缺陷部位氣刨清除并清理殘渣，再次預(yù)熱焊接，直至焊接合格。

3.8 焊后分析

通過規(guī)范性的工藝文件指導(dǎo)，有效地保證了模具焊接修復(fù)的整體質(zhì)量，為焊接過程中的數(shù)據(jù)管控提供了數(shù)據(jù)模型。通過觀察焊縫外觀質(zhì)量得知，焊縫成形好，且排列整齊。通過采用正確的焊接參數(shù)、預(yù)熱溫度及時間，使得焊接過程中飛濺較小。通過對比焊后模具的硬度、無損檢測結(jié)果，均符合預(yù)設(shè)要求。模具在加工后，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，加工后掃描模型與原模型對比吻合度極高，充分證明了試驗的正確性（見圖2）。

圖2 加工后掃描模型

4 結(jié)束語

此次試驗綜合考慮鍛造模具的化學(xué)成分，并結(jié)合以前模具焊接修復(fù)工藝，給出了符合要求的焊接參數(shù)，通過模具焊接修復(fù)試驗研究得出以下結(jié)論。

1）模具焊接前必須徹底清除裂紋、鱗片、疲勞層及一切雜質(zhì)，否則在焊接時會產(chǎn)生氣孔。

2）鍛造模具焊前必須進(jìn)行預(yù)熱和焊后消除焊接應(yīng)力熱處理，且緩冷非常重要。這樣改善了焊縫中粗大的樹枝狀晶，使預(yù)熱后焊縫熱影響區(qū)的顯微硬度明顯降低，同時使焊縫的硬度更為平均，可避免產(chǎn)生由焊接應(yīng)力引起的焊接裂紋。

3）此次改用80%Ar+20%CO2的保護(hù)氣體，不僅提高了焊絲的熔敷率和模具焊接表面質(zhì)量，而且使電弧的穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。