新型热作模具的光纤激光焊接工艺

邹仁平，王世江

（烟台汽车工程职业学院，山东烟台265500）

新型热作模具的光纤激光焊接工艺

邹仁平，王世江

（烟台汽车工程职业学院，山东烟台265500）

采用光纤激光焊接方法，对出现裂纹的AMAX新型热作模具进行焊接试验，并分析了焊接接头的显微组织、表面硬度、拉伸性能、热疲劳性能和抗高温氧化性能。结果表明，光纤激光焊接能使该新型热作模具获得较佳的焊接接头，达到全新模具的质量水平；经过光纤激光焊接后模具的表面硬度、热疲劳性能和高温抗氧化性较焊前均有相应提高。推广光纤激光焊接模具修复技术可在很大程度上延长模具的使用寿命。

光纤激光焊接；AMAX热作模具；裂纹；模具修复

0 前言

热作模具是用途非常广泛且工作环境非常严酷的一类模具[1]。随着工业技术的进步和工业产品质量要求的提高，热作模具的性能也需要进一步改善。热作模具在使用一段时间后，不可避免地出现一定程度的损伤[2-3]。如果直接将这些热作模具报废，会给企业带来巨大的经济损伤，当出现少量缺陷的热作模具往往通过焊接方法进行修复。因此热作模具中不可避免地存在焊接接头，如何提高焊接接头的质量和可靠性是模具工程师面临的一个重要技术课题。王德成[4]介绍了如何对出现塌边、裂纹和崩裂等问题的电机冲压模具进行焊接，有效修复模具。邬天荣等人[5]在深入研究高合金冷作模具堆焊修补后的冲击韧性、膨胀系数等变化，获得了优化的焊补修复工艺。但是这些焊接方法在实际应用中往往存在焊接接头可靠性不理想，难以满足市场的需要。光纤激光焊接作为一种新型的激光焊接技术，其热影响区和变形较其他激光焊更小，焊缝强度更高，焊缝疲劳寿命更长，更容易实现非接触焊接和深熔性焊接[6]。AMAX热作模具钢是一种新型的热作模具钢，在热作模具上的应用越来越广泛。但是，关于AMAX热作模具的接头性能鲜有报道。为此，本研究以广东某企业一批出现裂纹的AMAX新型热作模具为研究对象，采用光纤激光焊接试验，探索了一种较为实用的AMAX新型热作模具的光纤激光焊接工艺。

1 试验材料与测试方法

1.1 试样材料与焊接工艺

试验以一批出现裂纹的AMAX新型热作模具为母材，模具的化学成分如表1所示，模具厚度为3.7 mm。采用TFL-150F型光纤模具激光焊机，对出现裂纹的AMAX新型热作模具试样1～3进行了光纤激光焊接工艺试验。焊接工艺参数如表2所示。

表1 模具的化学成分Tab.1 Chemical ingredients of the die%

表2 焊接工艺参数Tab.2 Parameters of welding process

1.2 测试方法

采用PM25型金相显微镜和EVO18型扫描电子显微镜观察焊接接头的显微组织。采用HR-150A型洛氏硬度计测试表面硬度。热疲劳性能是试样在600℃电阻炉和25℃自来水中进行1 000次冷热循环，一次加热和一次冷却称为一个冷热循环，然后用80倍显微镜观察网状裂纹和主裂纹，根据国标GB/T 15824-2008评定裂纹级别，从而表征试样的热疲劳性能。通过在电阻炉中进行600℃×48 h高温氧化试验，计算试样的单位面积质量增重，由此测试抗高温氧化性能。

2 试验结果及讨论

2.1 显微组织

采用光纤激光焊接方法获得的AMAX新型热作模具焊接接头显微组织如图1所示。由图1可知，焊缝较为均匀、致密，无明显的孔洞、裂纹等缺陷；焊缝中心组织为板条马氏体和少量岛状铁素体；母材区是铁素体和马氏体的双相组织；热影响区晶粒也主要是马氏体和铁素体。为了进一步观察热影响区的马氏体组织，对热影响区进行了扫描电镜。图2是热影响区和母材区的马氏体SEM照片。由图2可知，热影响区的马氏体与母材区相比基本没有变化。这主要是因为光纤激光焊接的热输入较低，对热影响区的马氏体组织影响较小，所以与母材区的马氏体相比无明显变化。

图1 模具接头的显微组织Fig.1 Microstructure of the die joint

图2 马氏体SEM照片Fig.2 Martensite SEM pictures

2.2 表面硬度

出现裂纹、光纤激光焊接以及全新的AMAX新型热作模具的表面硬度测试结果如图3所示。由图3可知，在断裂处的硬度出现裂纹的AMAX新型热作模具经过光纤激光焊接后，模具的表面硬度明显提高，从34HRC增加至49HRC，增加了15HRC，这可能是裂纹的出现降低了模具的残余应力进而降低材料的显微硬度；与全新AMAX新型热作模具的表面硬度基本一致。由此可见，光纤激光焊接的AMAX新型热作模具达到母材的表面硬度。

2.3 热疲劳性能

出现裂纹、光纤激光焊接以及全新的AMAX新型热作模具的热疲劳试验结果如图4所示。由图4可知，出现裂纹的AMAX新型热作模具经过光纤激光焊接后，模具在热疲劳试验后的网状裂纹级别由8级变为1级、主裂纹级别由9级变为1级、热裂纹级别由17级变为2级，热疲劳性能显著提高。全新AMAX新型热作模具的网状裂纹、主裂纹和热裂纹级别分别为1级、1级、2级，这与光纤激光焊接AMAX新型热作模具的裂纹级别一致。由此可见，光纤激光焊接AMAX新型热作模具的焊接接头热疲劳性能达到母材性能，达到全新模具的热疲劳性能。

图3 试样的表面硬度测试结果Fig.3 Thermal fatigue test results of the samples

图4 试样的热疲劳试验结果Fig.4 Thermal fatigue test results of the samples

2.4 抗高温氧化性能

出现裂纹、光纤激光焊接以及全新的AMAX新型热作模具的600℃×48 h高温氧化试验结果如图5所示。由图5可知，出现裂纹的AMAX新型热作模具经过光纤激光焊接后，模具在600℃高温氧化48 h后单位面积质量增重从213.45 μg/mm2减小至16.24 μg/mm2，减小了93.29%，接近全新模具的单位面积质量增重（16.05 μg/mm2）。因此认为采用本试验工艺参数获得的光纤激光焊接AMAX新型热作模具具有较佳的抗高温氧化性能。

3 结论

（1）对出现裂纹的AMAX新型热作模具，采用光纤激光焊接可使模具的表面硬度、拉伸性能、热疲劳性能和抗高温氧化性能达到全新AMAX新型热作模具水平，焊接接头可靠性高。

（2）出现裂纹的AMAX新型热作模具经过光纤激光焊接后，模具表面硬度由34HRC增至49HRC，网状裂纹级别由8级变为1级、主裂纹级别由9级变为1级、热裂纹级别由17级变为2级，600℃高温氧化48 h后的单位面积质量增重从213.45 μg/mm2减小至16.24 μg/mm2，均与全新模具基本一致。

图5 试样的高温氧化结果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]喻红梅，刘海琼，周红梅，等.模具修复再制造技术研究应用现状[J].电焊机，2014，44（11）：150-153

[3]丁阳喜，王炳.Cr12MoV模具钢表面激光熔覆Ni_WC合金工艺研究[J].现代制造工程，2011，4（5）：97-100.

[4]王德成.浅谈电机冲压模具的焊补修复[J].防爆电机，2013，48（2）：44-46.

[5]邬天荣，吴晓春，陶立民，等.冷作模具焊补修复再制造技术的研究[J].上海金属，2010，32（3）：1-6.

[6]刘东宇，李东，李凯斌，等.E36钢与304钢光纤激光焊接接头的组织和性能[J].热加工工艺，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

邹仁平（1978—），女，辽宁营口人，讲师，学士，主要从事机械工程及自动化的研究工作。