Cr12MoV模具钢的补焊历来是模具行业的一个难题,易出现再热裂纹和冷裂纹。采用常规的热焊法存在补焊工艺复杂、维修周期长及复杂工件或精密件变形报废等问题。本文分析了Cr12MoV钢的焊接性,并以冲压车间落料模维修为背景,介绍了在生产现场直接进行Cr12MoV刃口补焊的两种解决方案,客观地比较了方案的效果和实用性。

中国汽车产量不断增加、生产节奏持续加快、效率提高,这要求其生产线上的模具必须保证产品尺寸稳定性、使用可靠性以及规定的寿命,这给汽车模具制造提出了更高的要求。支持模具制造业发展的基础是模具材料工业,随着技术的引进和提高,模具材料的发展极为迅速。其中Cr12MoV模具钢由于淬透性好,热处理后具有高的硬度、耐磨性和抗压强度,常用来制造截面较大、形状复杂、经受较大冲击负荷的冲裁模,其物理性能见表1。冲裁模具中,Cr12MoV钢的失效形式主要是刃口的磨损和崩裂,易导致钢板出现毛刺、塌边,甚至开裂,必须进行修复。但Cr12MoV钢的焊接性能差,特别是在生产现场条件下的紧急补焊维修,极易出现龟裂和剥离,这是模具行业一直难以解决的问题。

Cr12MoV钢的焊接性分析

Cr12MoV钢的碳当量CE=3.8%～4.4%,是典型的难焊接材料,常出现焊接裂纹,主要表现形式如下所述。

1. 再热裂纹。在重复加热过程中产生的裂纹,常出现在熔合区、热影响区的粗晶区,具有晶间断裂的特征。虽然Cr12MoV钢中的合金元素铬、钼和钒等在组织中形成碳化物,具有沉淀强化作用,提高了的淬透性和强度,但也增加了再热裂纹的倾向。

2. 冷裂纹。焊缝冷却至马氏体转变温度(200～300 ℃)以下所产生的裂纹,一般是在焊后一段时间才出现,多发生在热影响区。

Cr12MoV钢焊接出现冷裂纹,一方面是因为Cr12MoV钢中C和Cr的含量很高,马氏体转变点很低,淬硬倾向大、淬透性高,形成脆硬的马氏体;同时产生晶格的缺陷,会导致淬硬脆化型冷裂纹出现。

另一方面在于无处不在的氢元素在焊缝金属中溶解和扩散,热影响区中的氢元素对致裂过程起到了动态推动作用,产生了氢致裂纹。

Cr12MoV钢常规补焊工艺

目前,常规的补焊工艺是热焊法,采用与母材成分相似或熔合性好的焊条,如R317、LKE-7、GRIDUR61和CARBO-6W等,使用前须经200～350 ℃烘焙30～60 min,保持焊条干燥,减少氢元素的来源。

焊前清除母材表面的油污、裂纹以及气孔、夹渣等焊接缺陷,要求缺口、坡口的形状尽量规则对称,防止焊缝分布密集,避免应力集中。

Cr12MoV母材需于炉内预热至300～400 ℃,焊接时注意控制层间温度,中途停止焊接需立即进行保温处理。尽可能使用较低电流,采用短弧焊接,以降低母材的稀释率,每道焊道长不超过50 mm,焊条的摆动幅度不超过焊条直径的1.5倍。

焊后敲击去应力。母材进行后热、缓冷,至室温清除焊渣。

严格按照常规焊接工艺对Cr12MoV钢进行补焊,能够获得较好的焊接接头。但就目前生产的现状来说,该工艺还存在以下问题:工艺复杂,维修不便;从焊前炉内预热,到焊后保温炉冷,整个工艺周期太长,严重影响量产模具的维修进度;炉内预热和炉冷往往会造成零件的变形,导致二次加工,甚至报废。

落料模Cr12MoV镶块的质量技术要求

落料模在生产过程中一直处于高频率的冲裁状态,其承载载荷的变化是十分复杂的,尤其是剪边镶块刃口,工作时承受高的冲击载荷,且每个工作周期都是短时间受载,无载荷时间长,受到很大的挤压力、摩擦力和瞬间冲击力,工作条件极端恶劣。因此,剪边镶块采用Cr12MoV高铬模具钢制造,其化学成分见表2。

为改善Cr12MoV碳化物不均匀性,对坯料进行锻造和球化退火处理。

在机械加工、钻螺钉孔后,于精加工前,要进行热处理。为保证其具有高硬度和较高的韧性,特采用一次硬化处理方法,即二级预热,1000～1050 ℃中温淬火,200 ℃低温回火的热处理方式,具体工艺见图1。从热处理后金相组织(见图2)可以看出,其基体为回火马氏体和少量残余奥氏体,白色大块状为共晶碳化物,白色细颗粒状为二次碳化物。

最后将镶块安装于模具上,配钻销钉孔,进行2D精加工直至要求的尺寸(见图3)。要求镶块硬度HRC58～62,淬硬层深度不小于3.0mm,表面粗糙度达到Ra0.16mm。

直接在模具上进行补焊的解决方案

从前面的分析我们可以得到启示:要解决Cr12MoV补焊的再热裂纹和冷裂纹,关键是要解决补焊过程中的热影响问题,解决了热影响问题。就可以实现在生产现场、在模具上直接对Cr12MoV镶块进行补焊。

笔者通过研究和实践,提出两种在生产现场的模具上直接进行Cr12MoV钢刃口补焊的解决方案,无需进行炉内预热和后热。下面就介绍这两种现场焊接方案,并与传统的焊接工艺进行对比说明。

1. 方案一:常温下的精密补焊

第一种解决方案的思路,是控制焊接电流产生的热量。

选用设备:SH-01高精密冷焊机;焊丝:SKD-11(0.3mm)激光焊丝;焊接电流:3A。

原理:精密补焊主要是通过设备的充电电容,以10-3～10-1 s的周期,10-6～10-5 s的超短时间放电,等离子化状态的熔融金属以冶金的方式过渡到工件的表层,并与母材之间产生了合金化作用,向工件内部扩散、熔渗。

焊接工艺:焊前将焊丝在250～350℃下烘焙1h,并保持该温度,随用随取;清洁母材表面,去除油污,并将开裂或缺损处打磨干净,不需要预热;采用脉冲点焊方式对坡口进行修补,可连续施焊;焊后无需对焊接部位敲击去应力,采用风扇直吹,强制空冷;至室温后,清渣并打磨焊接部位。焊接部位硬度可达HRC58～60。

优点:此方案焊补精度高,起弧电流和时间能得到精确控制,克服了补焊过程对工件的冲击,确保输入的能量仅够用于焊丝与工件之间的熔合,热影响区极小,焊缝结合度高,特别适合于2.0mm以下缺口的补焊;焊接设备体积小,质量轻、移动方便,可直接在现场模具上进行补焊。

缺点:需要导入高精密冷焊机和专用焊丝,增加投资。

2. 方案二:模拟常规补焊热处理环境下的氩弧焊

第二种解决方案的思路是化整为零,控制热影响的区域。

选用设备:TSP-300氩弧焊机、乙炔炬;焊丝:MH-115T(1.6mm);焊接电流:70～90 A。

原理:把补焊区域化整为零,局部模拟常规补焊工艺的热处理环境,实施补焊。

焊接工艺:焊前将焊丝在250～350℃下烘焙30～60min ,并保持该温度,随用随取;清洁母材表面,去除油污,并将开裂或缺损处打磨干净;用乙炔炬将焊接部位局部加热到250℃左右开始补焊:电压20～26 V,焊接时焊丝与焊接面成45°,行进方向90°～80°,短弧操作,分层交错焊接时焊点的开端和终端不能平齐,每次补焊长度不超过7.0mm;焊后马上用乙炔炬对焊道及周围区域进行加热保温,保持温度200～300℃,30 s后逐步降低温度,总的保温时间可以控制在1min以内;对焊接部位进行敲击,消除应力集中;至室温后,清渣并打磨焊接部位。焊接部位硬度可达到HRC 56～60。

优点:不需要增加专用投资;适合于>2.0mm缺口的补焊;可直接在现场模具上进行补焊。

缺点:对焊工的技术要求较高,需要同时具备丰富的氩弧焊和乙炔焊经验。

应用案例:2009年8月,我厂冲压车间有一套落料直剪模的Cr12MoV镶块出现若干处崩刃,导致钢板出现毛刺,影响到激光拼焊的质量,亟需维修。按照常规的工艺进行维修,大约需要40h。我们按照方案二进行维修,仅用8h就完成作业,模具至今使用正常。

3. Cr12MoV焊接方案对比

本文介绍的两种补焊方案与传统的Cr12MoV焊接工艺相比,具有以下优点:无需炉内预热、焊后热处理,避免了因长时间高温加热导致的工件变形报废;可直接满足现场维修需要,节约了大量维修工时,避免了因维修而造成的长时间停线问题,这对于使用频率高,流水线作业的落料模维修来说,意义尤为明显。

就这两种方案而言,精密补焊具有精度高,热影响区小,不会出现下榻,变形及咬边等现象,焊接的效果要略优于方案二,操作更为方便,但方案二的改良工艺对于较大的缺口,具有修补速度快的特点,并且焊接效果足以满足生产的需要。此外,方案二对焊接设备没有特殊的要求,应用范围更广,为各车间所借鉴、使用。

结语

Cr12MoV钢焊接性能差,焊接时和焊后易出现再热裂纹和冷裂纹;导入精密焊接设备,能够在室温下对Cr12MoV镶块进行直接焊补,精度高、热影响小,焊缝结合度高。改良焊接工艺,采用专用焊丝,使用氩弧焊即可完成对Cr12MoV镶块进行直接焊补,焊接效果满足生产需要,适合广泛应用。