鍛造模具焊接修復工藝研究

柴佳瑞，牛國旭

寧夏天地奔牛實業集團有限公司 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，或局部產生嚴重的熱機械疲勞裂紋，都會影響鍛件表面質量，從而縮短模具的使用壽命[1]。在模具修復過程中，如果不能徹底修復或修復方法不當，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模具修復是保證其使用壽命和鍛件質量的關鍵，其中正確的焊接材料、焊接輔助設備、焊接電流及電弧電壓等參數是焊接修復過程中重要的因素。本文通過研究5CrNiMoV鋼模具的焊接工藝，為后續鍛造模具的修復工藝提供依據。

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常出現塌角、變形、磨損等缺陷，甚至因出現裂紋而斷裂，因此模具修復具有重要的意義[2，3]。5CrNiMoV鋼的淬透性好、韌性好、強度高、耐磨性好，常用來制造各種大中型鍛模，其化學成分見表1。

表1 5CrNiMoV鋼化學成分（質量分數） （%）

根據碳素鋼及合金結構鋼的碳當量經驗公式[4]，計算5CrNiMoV鋼碳當量為1.35%，可知其焊接性能極差，在應力作用下很容易開裂。因此，通過焊前預熱、焊后緩冷等措施減小應力，可以有效地防止焊接時產生裂紋。

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

表2 焊絲使用要求及焊接參數

圖1 鍛壓模具修復堆焊各區域分布

3 焊接實施

3.1 焊前準備

（1）回火 當模具不能滿足使用要求時，應對模具進行回火處理，調整模具的硬度、強度、塑性和韌性，回火溫度調整到550℃，以穩定組織。

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

（3）模具清理 對待修復模具進行清理，檢查其是否符合焊接修復工藝要求，清理后根據無損檢測報告，確定焊接修復工藝，包括使用焊材的型號及數量，最終達到修復的目的。

3.2 氣刨

1）根據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大20～25mm，氣刨深度為20～25mm。氣刨后模膛的同一表面不應出現忽高忽低的波浪紋，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所有表面直至呈現金屬光澤，修磨裂紋溝槽口部周邊尖棱直至呈現金屬光澤裂紋，并使其圓滑過渡。

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

3）檢測合格后準備預熱，必要時做著色檢測。

3.4 預熱

爐溫設置為380～450℃，當溫度達到380℃時，模具內部會出現殘留奧氏體，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，進行堆焊。

同時，焊前應將焊條放入模具的簡易保溫箱內保溫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℃，則應立即停止焊接，以防止焊接裂紋的產生。將待修復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，重新進行施焊。

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

3）若在補焊過程中發現裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，則應立即停止補焊，用氣刨清除裂紋后，重新修磨補焊。

4）保護氣體為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）當焊機的電弧電壓為40V時，送絲速度為8m/min；當焊機的電弧電壓為36V時，送絲速度為5m/min。如果導電效果不佳，焊條會產生紅熱現象。

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，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）待修復模具預熱工序完成后出爐，放置保溫箱內，周邊用石棉等保溫材料包裹模具，只露出補焊位置。

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

4）型腔內各處裂紋溝槽堆焊完成后，型腔表面根據模膛深度和模具類型選用不同類型的焊絲進行堆焊。對于刮板、聯接銷等模膛較深的模具（模膛深度≥25mm），待型腔內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），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)。

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（也可出爐放進自制保溫箱）緩冷至 150℃。

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

（3）二次回火 當一次回火模具隨爐溫緩冷至150℃時，再將爐溫設置為550℃，保溫時間＞8h，隨爐（或將模具隨爐降至400℃以下出爐放置自制保溫箱內）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，若發現有缺陷，應及時將缺陷部位氣刨清除并清理殘渣，再次預熱焊接，直至焊接合格。

3.8 焊后分析

通過規范性的工藝文件指導，有效地保證了模具焊接修復的整體質量，為焊接過程中的數據管控提供了數據模型。通過觀察焊縫外觀質量得知，焊縫成形好，且排列整齊。通過采用正確的焊接參數、預熱溫度及時間，使得焊接過程中飛濺較小。通過對比焊后模具的硬度、無損檢測結果，均符合預設要求。模具在加工后，未發現裂紋等缺陷，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 結束語

此次試驗綜合考慮鍛造模具的化學成分，并結合以前模具焊接修復工藝，給出了符合要求的焊接參數，通過模具焊接修復試驗研究得出以下結論。

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

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

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