汽車模具表面缺陷堆焊補償技術應用

姚開禮，卞榆煥

（上海賽科利汽車模具技術應用有限公司模具事業部模具質量保證科，上海 200120）

1 引言

側圍零件是整車安裝調試的基準，側圍冷沖壓模具成形工藝復雜（見圖1），對表面質量控制更難，而各大車企加強車身沖壓焊接件的質量管理，用比用戶更挑剔、更專業的眼光對白車身進行評審，從而穩定和提高車身外表件的實物面品質量。但由于CAE 分析及數學模擬與實際沖壓制件存在一些誤差，側圍沖壓零件的問題主要有：開裂、隱傷、滑移線、沖擊線、回彈、凸包、凹陷、波浪、毛刺等缺陷，特別是A 類區面品一旦出凸包、凹陷會造成油石條表面連接不順及光影反射缺陷，涂裝油漆后會更加明顯，屬于AUDIT 評審A 級缺陷，嚴重影響外觀飽滿度和整車的精致感，這也是國內外模具制造商一直攻關的難題。

2 鑄鋼材料分析

空冷鋼是一種火焰淬火冷作模具鋼，一般冷沖壓模具中常用牌號：ICD-5、CH-1、HMD-5、0050A等，可用于模具刃口部位，具有淬透性高，耐磨性好，通過表面淬火，空冷后即可達到55HRC以上，但由于含碳量比普通鋼高，容易產生硬脆的馬氏體，所以淬硬傾向和裂紋敏感傾向更大，從而焊接性差。還由于壁厚以及模具鑄鋼件結構造型特殊性存在差異，同一個鑄件不同的結構部位組織也會存在較大差異，并有較大的殘余應力。

3 ICD-5鑄鋼焊接性分析

鋼中合金元素對焊接性的影響是十分復雜的，一般把鋼中含碳量多少作為判別鋼的可焊的主要性標志，可用碳當量公式來表示（見表1），將其它元素的影響折算成碳當量的關系計算式：CE=C+（Mn/6）+{（Cr+Mo+V）/5}+{（Ni+Cu）/15}，得出ICD-5 的碳當量CE≈1.00。但當鋼材的CE＞0.6焊接性較差，在焊后拘束應力較大。因此，此類鋼在進行堆焊時，需焊前進行預熱、焊接時趁熱錘擊焊縫、焊接后進行局部后熱處理或整體退火熱處理等工藝措施，以防止產生冷裂紋。還應采取小電流降低熱輸入，嚴格控制燒焊時層間溫度，防止晶粒長大，避免再熱裂紋的產生。

表1 ICD-5化學成分表

實際上，焊接性的好壞不止取決碳、錳和硅的含量，還取決于焊接接頭的冷卻速度，冷卻速度較快的條件下（800℃～500℃），冷卻速度越大淬硬程度越厲害，容易產生焊接冷裂紋，它與以上3種元素共同影響著熱影響區和焊縫組織，通過形成的組織決定了焊縫的好壞。在焊接熱循環的加熱情況下及冷卻速度下，焊縫會形成硬化組織甚至馬氏體，而以馬氏體對焊接性影響最大，馬氏體越多硬度越高，焊接性越差，焊接后的大量馬氏體或出現的硬化組織，在焊接的應力下可能引起熱影響區和焊縫裂紋。在焊后冷卻過程中，熱影響區易出現低塑性的淬硬組織使硬度明顯增高、塑性、韌性降低，低塑性的硬脆組織在焊縫含氫量較高和接頭焊接應力較大時，易產生冷裂紋。其原因大致可以歸納為3 個方面：第一是設計因素，鋼材的厚度、接頭型式及焊縫尺寸等；第二是焊接線能量的大?。ê附与娏?、焊接速度以及焊條擺動的手法等），這個因素在一定范圍內是可以調節的；第三是焊接時母材焊口附近的原始溫度。以上因素的不同配合，可以得到不同的熱影響區最高硬度。但是對焊接來說，只能調節后兩個因素來控制，而在后兩個因素中，又是盡量通過選擇合適的焊接工藝方法，控制層間溫度和后熱處理或者使用大線能量，都能降低焊接接頭冷卻速度，在調節焊接規范不能達到目的時，要采取預熱的辦法。

4 焊接產生裂紋因素及防止方法

隨著鋼材強度等級的提高，裂紋的傾向也加劇。冷裂傾向主要發生在高強度鋼中，產生冷裂的主要因素：第一，焊縫以及熱影響區的含氫量；第二，焊縫金屬組織及熱影響區的成分，組織和性能（如淬硬性等）;第三，接頭的剛度所決定的焊接殘余內應力。為了避免冷裂，必須把各種影響因素綜合起來考慮，找出必要的合理的措施。對淬火傾向的材料而言，有時即使選用了低氫焊條，并進行了預熱，但在剛度極大的焊接接頭中，仍有可能產生冷裂紋和屬于冷裂紋性質的“延遲裂紋”。這種裂紋，在應力的作用下，還可能向母材及焊縫金屬的縱深處發展。對于防止延遲裂紋的解決的方法有以下幾種∶

（1）選擇合適的焊接材料，包括焊接的焊縫強度與母材相適應，選用堿性低氫焊條，焊前嚴格烘烤焊條，焊絲去油污、銹蝕，以降低焊縫含氫量。

（2）提高預熱溫度，預熱溫度取決于碳當量、母材厚度焊材類型及工藝方法。含碳量高、厚度大預熱溫度可在250℃～400℃。

（3）焊后及時進行熱處理，不但能改善或消除焊接殘余內應力，還可以改善接頭的顯微組織，還可以使焊縫中的氫加速向外擴散。

氣孔是高溫下熔池中溶解了大量的氫、氮、氧，在快速冷卻中氣體來不及逸出而停留在焊縫中的孔眼（見圖2），含碳量增高也會對氣孔敏感性增加，所以要求焊接材料脫氧性要好，對坡口的清理和焊接材料的烘干要求更加嚴格。

熱裂紋是焊縫金屬在高溫狀態下產生的裂紋（見圖3）。通常這種裂紋只產生在焊縫金屬中。由于這種裂紋具有沿晶界分布的特點，所以，其外觀特征是∶或者分布在焊縫的正中心，在焊縫表面上呈不明顯的鋸齒形狀，或者分布在焊縫的兩側，其方向是與焊縫波紋呈垂直方向，也帶有不明顯的鋸齒形。產生熱裂紋的因素，一般認為有3個方面：第一是焊接母材雜質較多，由于共晶形成的液態薄膜消弱了晶粒間的結合，在應力的作用下開裂；第二是焊縫橫斷面的形狀，即寬度與熔深的比值，這個比值愈大，即熔寬較大，熔深較小，則熱裂紋傾向小一些；第三是接頭或焊件的剛度條件，剛度大則熱裂紋的傾向大些。從合金元素方面來看，焊縫金屬中的碳和硫是增大熱裂紋傾向的主要因素，其次是銅，而錳則是提高抗裂性的主要元素。

5 側圍表面堆焊工藝案例

側圍模具鑄件大、精度要求高，堆焊表面要求無裂紋氣孔，拋光后如同鏡面，焊接質量的好壞將直接影響產品質量。山東項目由于模具發運到客戶匹配高速產線試產階段，提高沖次后表面出現凹陷（見圖4），客戶裝車節點緊迫，要求消除凹陷才能造車，嘗試壓料板強壓無效果后，決定堆焊凸模凹陷區域，但經分析凹陷區表面需要補償0.2mm，綜合考慮選用氬弧焊焊接，其優點是氬氣它不與金屬發生化學作用，在焊接過程中被焊金屬和焊絲中的合金元素不易燒損，電弧熱量集中，熔池小、焊接速度快、熱影響區窄、焊件變形小、抗裂紋能力強，焊接后余量小，便于打磨。

（1）焊前對油石后凹陷區域劃線并預留基準（見圖5），清理焊接區域上的油污和其它雜質，確保焊接區內無雜質，從而降低焊縫內的含磷硫量，防止裂紋發生。

（2）采用焊氬弧焊焊接（見表2），在不妨礙操作的情況下，應盡量采用短弧焊接，以增強保護效果同時減少熱影響寬度，焊嘴盡量保持垂直，噴嘴與母材離表面不超10mm，送絲要均勻，不要擾亂氬氣流。

表2 焊接參數

（3）從中間相鄰各層的分區施焊形成焊縫區（見圖6），每段焊縫的長度為30×40mm連弧施焊，這種方法可使母材任何一點都在短時間內多次受熱，從而相當于焊前預熱，焊后保溫的效果焊，使小范圍緩慢冷卻，避免快冷產生淬硬組織，在焊除接中斷或結束時，應特別注意防止產生弧坑裂紋或縮孔，在收弧處熔池里多加些填充焊絲，然后慢慢離開，當斷弧后不能立即關閉氬氣，停留5～8s，以保證收口質量并防止鎢極氧化。

（4）采用四英寸砂輪機對焊接區進行開粗去大量到約0.5mm，采用兩英寸砂輪機打磨到約0.3mm（見圖7），填充焊接基準前為保證熔接性須倒約60°坡口，并打磨清理焊道中氧化物直到露出母材后再進行施焊。

（5）技術要點。在焊接過程中，可在焊接區一周圈先焊一條寬5mm焊道，收弧時停留在此焊道上，能有效防止弧坑裂紋及咬邊，中間采用分區堆焊施焊形成焊縫區，每塊面積約30×40mm，一次在堆焊塊上堆焊后按順序分塊交錯進行堆焊（見圖8），直至完成所有補焊區域的堆焊。每段焊縫焊后立即用小錘快速錘擊焊縫的表面，因為錘擊焊縫可使焊縫在凝固時晶粒細化,逐次錘擊焊道可以提高焊縫韌性和疲勞性能。此外，邊緣焊道不可用力錘擊防止A面塌陷造成臺階差接不順。

6 焊接的檢測

焊縫的檢測方法有：外觀、著色、滲透等，根據客戶要求進行了外觀和著色檢測，焊接區拋光后表面光滑、無裂紋、無氣孔夾渣、無未熔合、等焊接缺陷，滿足客戶要求（見圖9）。

零件檢測方法：手感、油石條推研、光影反射等，按客戶要求分別對零件通過手感、油石條推研、光影反射檢查均滿足客戶要求（見圖10）。

7 結束語

通過選用合理的焊接方式，避免了焊接過程中出現熱裂紋、冷裂紋、氣孔、變形等問題，能夠保證焊接質量，滿足汽車模具對A 類面的特殊要求，可數控加工也可通過手工現場打磨實現，修復效果好，多次應用在大型模具補焊中，此方法適用于各種外覆蓋件表面缺陷補償，可減少模具交付時間及零件返修成本。