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铝冲压模具的焊接修复工艺研究

刘伯玉 1,2, 李士中 1


(1. 长春工业大学 材料科学与工程学院, 吉林 长春 130012;2. 扬州工业职业技术学院 机械工程学院, 江苏 扬州
225127)
摘    要:采用自制药芯焊丝对 H13(4Cr5MoSiV1)钢模具进行焊接修复。 用洛氏硬度计、显微硬度计及金相显微镜研究了 H13 钢的不同焊接材料及焊前预热处理工艺对焊缝组织和强度的影响。 结果表明:自制药芯焊丝焊接接头母材及焊缝显微硬度接近,且焊接接头晶粒细小,硬度分布均匀,有效减少了焊缝及热影响区(HAZ)的应力集中现象。 自制药芯焊丝中合金元素含量较高且含碳量低,易形成等轴晶粒细化焊缝组织,提高焊缝金属耐磨性。 同时,焊前预热工艺可延缓焊后焊缝冷却速度,降低焊缝热影响区显微硬度。
关键词:H13 模具钢;焊接修复;热影响区;显微硬度
中图分类号: TG457.11 文献标识码:A 文章编号:1000-8365(2016)08-1713-04


Research on Welding and Repair Technology for Aluminum Press Die



LIU Boyu1,2,  LI Shizhong1
(1. College of Mechanical Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012 , China ; 2. College of Mechanical Engineering, Yangzhou Polytechnic Institute, Yangzhou 225127, China)

Abstract: The H13 (4Cr5MoSiV1) steel die was welding-repaired by using flux-cored wire. The microstructure and strength of weld metal was researched by Rockwell apparatus, micro-hardness tester and metallographic microscope based  on the different welding materials and preheating before welding process. The results show that the metal and the weld    have the same hardness after welding by Flux-cored wire, the weld joint has fine grain and the  distribution  of  microhardness is uniform, which make the stress concentration in the weld and heat affected zone efficiently reduce. Due to containing more alloy elements and less carbon in flux-cored wire, it is easy to form the weld microstructure with equiaxial grains, to make the wear resistance of the weld improve. The preheating before welding can reduce the cooling rate of the weld and the microhardness of the weld heat affected zone.
Key words: H13  die  steel; welding repair; heat affected zone; microhardness

H13 钢是常用的 Al 合金冲压模具材料,在工业生产中占有举足轻重的作用[1]。 我国 Al 合金压铸模的平均使用寿命只有 6 万次左右,有的甚至在几千次冲压后,模具就会出现过早失效的现象,据分析,其中 50%以上为热疲劳失效[2]。 因热作模具往往成本较高, 由于失效而造成的停产也会增加生产成本。 因此,热作模具钢修复技术显得尤为重要。 常用的修复手段有堆焊、激光熔覆、熔化极气体保护焊、钨极惰性气体保护焊等。 相比之下,钨极惰性气体保护焊对 Al 合金冲压模具修复效果最好。 但不同的焊接材料对修复的效果也有着很大的影响, 用
H13 钢焊丝修补完成, 但又会在原修补焊道两边发生二次开裂,并产生凹坑、砂眼、等缺陷[3]。 所以寻找一种新的焊接材料对失效的铝冲压模具进行修补,从而提高接头疲劳寿命, 提高铝冲压模具使用寿命具有重要的现实意义。针对这种现象,本文采用自制的药芯焊丝对 H13 钢冲压模具进行修复,并取得较好的改进效果。
自制药芯焊丝中含有较多合金元素,碳含量相对较低,焊接后可明显改善焊缝横截面形状,减少焊缝及热影响区的应力集中,改善焊接接头疲劳强度,增加了修补后模具的使用寿命[4]。 因此,研究自制药芯焊丝焊接来修复 H13 钢模具,并研究预热处理对铝冲压模具焊接接头性能的影响, 为该项技术在铝冲压模具焊接修复工艺上的应用与推广具有重要意义。

收稿日期: 2016-02-17
基金项目: 扬州市中小企业技术创新资金(YZ2014103); 江苏省创新实践重点资助项目(201513754013X);
作者简介: 刘伯玉(1966-), 江苏淮安人, 副教授.主要研究方向:新型制造工艺及装备结构设计、 金属材料性能强化. E-mail:liuby@ypi.edu.cn


1  试验材料与方案

试验材料采用 4 块 H13 钢(基本化学成分及其质量百分比见表 1) 试样,H13 钢焊丝, 自制药芯焊丝  ( 基本化学成分及其质量百分比见表 2)。 采用
TIG 焊接进行对比试验, 分 A、B 两组, 焊机型号为
WP300。 焊前去除试样表面氧化皮,焊后清渣。 焊接工艺参数见表 3,焊接试样编号 A(1、2);B(1、2)。对 4 块焊件分别取样,采用 EPIPHOT 300 金相显微镜进行金相检测;显微硬度计采用计算机软件控制和高倍率光学测量系统,对焊缝及热影响区进行维氏硬度检测


2 试验结果及分析


2.1 试样金相分析


A  试样焊接接头金相组织见图 1,B 试样焊接
接头金相组织见图 2。
2.1.1      不同焊丝的焊接接头显微组织分析
通过观察金相组织发现: 无论哪种焊丝的焊缝热影响区与母材都差别明显,A、B 接头焊缝边缘区域垂直熔合线位置的组织都是方向性比较明显的柱状晶组织。 越靠近焊缝中间, 柱状晶的树枝状越细小,方向性越不明显,最后逐渐变为晶粒在方向尺寸相差较小的等轴晶组织。 但自制药芯焊丝的焊接试样与 H13 钢焊丝试样相比, 晶粒明显更细小、分布更均匀,这会使得自制药芯焊缝的力学性能更均匀,没有明显的应力集中现象。在二者的热影响区附近,
H13 钢焊丝熔合区和热影响区分界明显, 晶粒分布不均匀,晶粒组织比较粗大,不利于应力的释放;而自制药芯焊丝的热影响区分界没有那么明显, 且晶粒大小有过渡的趋势, 这说明自制药芯焊丝相比于H13 钢焊丝对焊接接头质量有明显的改善。
在放大 500 倍的热影响区中, 可以看到两图中明显的差异,见图 1(c)和图 2(c)。 在 H13 钢焊丝焊接试样的显微组织中, 由于焊缝组织和母材中合金元素含量不同, 而导致在腐蚀的时候热影响区比焊缝组织更耐腐蚀[5]。其原因主要是由于在焊接时 H13钢焊丝中存在的合金元素烧损, 导致其成分和母材不同,这将会导致其性能和母材也有差异。而在自制药芯焊丝的试样中, 晶粒有明显的熔化再结晶的情况,同时晶粒细小,分布均匀,使得该区域的力学性能更好,杜绝了明显的应力集中和疲劳损伤现象。这是由于药芯焊丝中合金元素含量较高, 以微小颗粒氧化物形式弥散分布于焊缝中[6], 可以促进焊缝金属晶粒细化。



2.1.2 焊前预热对接头显微组织的影响


从图 1(a)、(b)、图 2(a)、(b)金相组织来看, 在未预热的焊缝中心有细长的树枝状晶以及零散分布的等轴晶粒; 在预热后试样的焊缝中心, 树枝状晶不见了,取而代之的是大量均匀的等轴晶粒。 而且预热过后的试样焊缝中心形成了有规律分布的细小等轴晶粒[7], 其大小比未预热的试样的晶粒大小要稍小一些。 图 1(c)、图 2(c)中,在焊缝热影响区附近,预热后的焊接试样在熔合区有明显的晶粒熔化现象。 这会使得焊缝的力学性能更加均匀,不会有明显的应力集中现象,避免了焊接修复后再次开裂的情况。 这说明焊前预热处理对铝冲压模具焊接接头显微组织有一定影响。


2.2 试样硬度分析


通过对比 4 种不同的焊接接头显微硬度数值,绘制硬度分布曲线如图 3 所示。

2.2.1 不同焊丝焊缝显微硬度分析
对比在相同的焊接工艺参数下焊接接头的显微硬度分布曲线发现:在未预热的情况下,H13 钢焊丝焊接接头的显微硬度分布比自制药芯焊丝的数据更分散,波动性很大。 在焊缝中心位置,自制药芯焊丝试样的硬度值低, 更贴近母材, 从金相显微组织图 1(a)图 2(a)中可以看出,自制药芯焊丝焊接接头晶粒明显更细小、分布更均匀, 所以显微硬度相对较高并且接近母材。
从图 3 可以看出,在两试样的热影响区附近,自制药芯焊丝的热影响区显微硬度明显的增大,这会使模具在受热后, 应力容易在热影响区产生集中。而 H13 钢焊丝试样在热影响区附近硬度急剧下降,甚至低于母材硬度,在循环应力作用下焊缝易发生再次损伤,产生裂纹。


2.2.2 焊丝预热对焊缝显微硬度影响的分析


从图 3 可知,在预热的情况下,两焊丝试样硬度均高于未预热试样,H13 钢焊丝试样硬度整体较高,尤其在热影响区。 而自制药芯焊丝试样硬度分布均匀, 硬度比 H13 钢焊丝试样稍低, 没有显微硬度在热影响区突然增大的情况。
对 H13 钢焊丝试样来说,焊前预热明显改善了预热前在热影响区硬度急剧下降的情况。但预热后,焊缝热影响区附近的硬度过高,并且整体硬度较高。对自制药芯焊丝试样来说, 焊前预热不仅改善
了焊缝硬度分布的不均匀, 还降低了热影响区附近过高的硬度,使得焊接接头性能与母材相近,降低了焊缝周边再次开裂的可能性。


3 ANSYS 仿真


为了进一步论证焊丝预热对焊缝冷却速度的影响, 基于 ANSYS 软件对焊接接头在焊接后的冷却过程进行模拟仿真。 整体模型基于 1/4 圆建立,并采取映射网格划分,网格划分密度较小,且越靠近表面网格越密[8],如图 4 所示。

 



仿真结果最终如图 5、图 6 所示,从图中可以看出,在 1.3 s 的冷却时间以后,同等时间下,焊接接头的温度各不相同。 

非预热状态下焊接接头冷却速度极快,最低温度达到 529.5 ℃;而在预热状态后的焊

 

接接头冷却速度较为缓慢,最低温度达到 728.3 ℃。从图 7 中也可以看出, 在完全预热状态下焊接接头冷却速度最为平缓, 延缓冷却速度可以有效消除焊后的残余应力, 避免焊后出现微裂纹的现象,预热的温度决定了焊接接头硬度的分布[9], 因此仿真结果也进一步论证了前文中焊前预热明显改善了焊接接头硬度分布不均、 部分区域硬度较高的观点


4 结论


(1) 自制药芯焊丝焊接修复 H13 钢模具, 其焊缝性能与市场上目前使用的 H13 钢焊丝所焊出的焊缝相比, 焊缝显微硬度能更接近母材水平, 并且焊后未出现裂纹,同时晶粒组织相对细小。 自制药
 
芯焊丝中有较多的合金元素,碳含量相对较低,既改善了焊接性能又提高了焊缝金属的耐磨性, 使焊缝中的树枝状晶更容易形成等轴晶粒。 这样可以细化焊缝组织,提高焊缝的力学性能,减小焊缝与母材的强度差异。
(2) 与 H13 钢焊丝相比, 采用自制药芯焊丝焊接试样的晶粒更细小,显微硬度分布更均匀,更接近于母材。减少了焊缝及热影响区的应力集中,增加了修补后模具的使用寿命。
(3)焊前预热可以降低焊后焊缝的冷却速度,改善焊缝中粗大的树枝状晶, 使预热后焊缝热影响区的显微硬度明显降低, 同时使焊缝的硬度更为平均, 这一论点也从 ANSYS  仿真结果中得到了证实。

参考文献:


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