新型熱作模具的光纖激光焊接工藝

鄒仁平，王世江

（煙臺汽車工程職業(yè)學院，山東煙臺265500）

新型熱作模具的光纖激光焊接工藝

鄒仁平，王世江

（煙臺汽車工程職業(yè)學院，山東煙臺265500）

采用光纖激光焊接方法，對出現(xiàn)裂紋的AMAX新型熱作模具進行焊接試驗，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，達到全新模具的質量水平；經過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提高。推廣光纖激光焊接模具修復技術可在很大程度上延長模具的使用壽命。

光纖激光焊接；AMAX熱作模具；裂紋；模具修復

0 前言

熱作模具是用途非常廣泛且工作環(huán)境非常嚴酷的一類模具[1]。隨著工業(yè)技術的進步和工業(yè)產品質量要求的提高，熱作模具的性能也需要進一步改善。熱作模具在使用一段時間后，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廢，會給企業(yè)帶來巨大的經濟損傷，當出現(xiàn)少量缺陷的熱作模具往往通過焊接方法進行修復。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量和可靠性是模具工程師面臨的一個重要技術課題。王德成[4]介紹了如何對出現(xiàn)塌邊、裂紋和崩裂等問題的電機沖壓模具進行焊接，有效修復模具。鄔天榮等人[5]在深入研究高合金冷作模具堆焊修補后的沖擊韌性、膨脹系數(shù)等變化，獲得了優(yōu)化的焊補修復工藝。但是這些焊接方法在實際應用中往往存在焊接接頭可靠性不理想，難以滿足市場的需要。光纖激光焊接作為一種新型的激光焊接技術，其熱影響區(qū)和變形較其他激光焊更小，焊縫強度更高，焊縫疲勞壽命更長，更容易實現(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，在熱作模具上的應用越來越廣泛。但是，關于AMAX熱作模具的接頭性能鮮有報道。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象，采用光纖激光焊接試驗，探索了一種較為實用的AMAX新型熱作模具的光纖激光焊接工藝。

1 試驗材料與測試方法

1.1 試樣材料與焊接工藝

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

表1 模具的化學成分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型洛氏硬度計測試表面硬度。熱疲勞性能是試樣在600℃電阻爐和25℃自來水中進行1 000次冷熱循環(huán)，一次加熱和一次冷卻稱為一個冷熱循環(huán)，然后用80倍顯微鏡觀察網狀裂紋和主裂紋，根據國標GB/T 15824-2008評定裂紋級別，從而表征試樣的熱疲勞性能。通過在電阻爐中進行600℃×48 h高溫氧化試驗，計算試樣的單位面積質量增重，由此測試抗高溫氧化性能。

2 試驗結果及討論

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。為了進一步觀察熱影響區(qū)的馬氏體組織，對熱影響區(qū)進行了掃描電鏡。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)相比基本沒有變化。這主要是因為光纖激光焊接的熱輸入較低，對熱影響區(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試結果如圖3所示。由圖3可知，在斷裂處的硬度出現(xiàn)裂紋的AMAX新型熱作模具經過光纖激光焊接后，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力進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結果如圖4所示。由圖4可知，出現(xiàn)裂紋的AMAX新型熱作模具經過光纖激光焊接后，模具在熱疲勞試驗后的網狀裂紋級別由8級變?yōu)?級、主裂紋級別由9級變?yōu)?級、熱裂紋級別由17級變?yōu)?級，熱疲勞性能顯著提高。全新AMAX新型熱作模具的網狀裂紋、主裂紋和熱裂紋級別分別為1級、1級、2級，這與光纖激光焊接AMAX新型熱作模具的裂紋級別一致。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到母材性能，達到全新模具的熱疲勞性能。

圖3 試樣的表面硬度測試結果Fig.3 Thermal fatigue test results of the samples

圖4 試樣的熱疲勞試驗結果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高溫氧化試驗結果如圖5所示。由圖5可知，出現(xiàn)裂紋的AMAX新型熱作模具經過光纖激光焊接后，模具在600℃高溫氧化48 h后單位面積質量增重從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量增重（16.05 μg/mm2）。因此認為采用本試驗工藝參數(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 結論

（1）對出現(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新型熱作模具經過光纖激光焊接后，模具表面硬度由34HRC增至49HRC，網狀裂紋級別由8級變?yōu)?級、主裂紋級別由9級變?yōu)?級、熱裂紋級別由17級變?yōu)?級，600℃高溫氧化48 h后的單位面積質量增重從213.45 μg/mm2減小至16.24 μg/mm2，均與全新模具基本一致。

圖5 試樣的高溫氧化結果Fig.5 High temperature oxidation results of the samples

[1]ROL Y BI.Inconel 617 and Stellite 6 alloys for tooling in thixoforming of steels[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2010（20）：1656-1662.

[2]喻紅梅，劉海瓊，周紅梅，等.模具修復再制造技術研究應用現(xiàn)狀[J].電焊機，2014，44（11）：150-153

[3]丁陽喜，王炳.Cr12MoV模具鋼表面激光熔覆Ni_WC合金工藝研究[J].現(xiàn)代制造工程，2011，4（5）：97-100.

[4]王德成.淺談電機沖壓模具的焊補修復[J].防爆電機，2013，48（2）：44-46.

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

[6]劉東宇，李東，李凱斌，等.E36鋼與304鋼光纖激光焊接接頭的組織和性能[J].熱加工工藝，2014，43（17）：41-43.

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，遼寧營口人，講師，學士，主要從事機械工程及自動化的研究工作。