汽车左右轮外板铸铁拉延模座开裂焊接修复

2022-09-06韦清云李建强

装备制造技术 2022年5期

韦清云，李建强，卢曲

（柳州五菱汽车工业有限公司，广西柳州 545007）

0 引言

我司在生产的某车型左右轮罩外板拉延模具在使用上模F&R 向两侧贯穿性开裂（图1）。上模座材质选用HT300 灰铸铁，F&R 向两侧贯穿开裂，型面错位、离体受损严重，处于报废状态。若重铸新上模座，短期无法解决，将会严重影响生产任务的完成，新制品模经过重铸、加工、研合等系列工序，时间周期不少于40 天，造价往往非常昂贵。若通过补焊方法实现修复，不仅可以保证生产任务完成，而且节约一大笔模具制造费用。

图1 上模F&R 向贯穿开裂

1 HT300 灰铸铁焊接性能

HT300 灰铸铁是一种具有许多良好性能的铸造金属材料。在化学成分上含碳、锰、硫、磷等，使HT300具有较高强度、良好韧性和耐磨性。HT300 铸造过程中添加磷、硫等元素其杂质含量多，导致焊接热影响区过冷倾向增大，焊后裂纹和气孔的敏感度高，奥氏体转变成马氏体，形成淬火组织，从而导致出现焊接裂纹、甚至剥离（剥离对冲压件的型面质量影响很大，将会造成压件表面出现压痕）的不良性能。因此，灰铸铁焊接修复不仅需要选择合理的焊接工艺和合适的焊接材料，而且要制定合理的焊接工艺及控制措施。

2 焊接工艺选择

根据对HT300 灰铸铁焊接性能分析，灰铸铁基本无塑性，应力较大，热循环也不均匀，决定了焊接接头的性能需要与母材基体相匹配，对焊接接头的力学性能要求更高。为防止焊接接头上出现白口及淬硬性组织，在损伤大面积的工件上，采用大直径焊条，大电流连续焊的电焊工艺，虽成本较低，但焊接效率较低，且焊件局部容易受热严重，焊接应力过大，出现剥离性裂纹。而采用我们特殊焊材对HT300 进行焊接，焊接焊缝成形好，融合好，无气孔、裂纹等缺陷，达到最佳的焊接接头机械性能。

因此，按公司具体情况，采用高性能洛驰TIG 氩弧焊，该焊机（注：更改焊机系统的焊接曲线功能，才能满足模具焊接修复）具有电弧集中，热输入量低、手工弧焊等特点。能确保焊接强度和焊接效率，能提高焊接质量，减少含量热量输入及变形量。

2.1 焊材选用

我们选用WLE100 和WLGT-3 两种不同大小规格的焊条，是因焊条成分中Cr 含量≤5.0%，Mo 含量≤2.5%，能提高焊缝硬度，其V 含量≤1.0%，W 含量7.0% ～ 10%，能增强焊缝耐磨性。焊条成本见表1。

表1 焊条材料成本

2.2 焊接准备

模座裂纹是贯穿性断面裂纹，缺陷深度超出40 mm，F&R 向两侧必须采取手工打磨方法将两边断面区域棱角打磨彻底，同时，设计增加一块厚度50 mm 垫板锁付在上模座底部，断件分段拼接补焊固定完成后，两侧增加斜键作为背靠（图2）。

图2 断件拼接补焊固定

模具型腔断面裂纹不规则，为保证施焊及焊接质量，根据模具实际情况，采用数控加工宽* 深：15 mm*20 mm 凹槽（图3），并结合栽丝特殊工艺进行修复，其工艺可以防止多层焊接量过大，焊接应力积累，产生剥离性裂纹。

图3 数控加工凹槽

模座安装底面裂纹则采用手工打磨宽* 深：20 mm*20 mm 凹槽，并同步采用栽丝特殊工艺补焊。

栽丝就是人为使该地区应力的大部分有栽丝材料（低碳钢）来承担，以防止剥离性裂纹产生。具体方法是在铸件坡口上钻螺丝孔，然后拧入低碳钢螺丝。焊接时，先绕螺钉焊接，再焊螺钉之间[1]。

焊前准备工作很重要，通常是先要清除铸件缺陷处油污、水垢及铁锈等杂质，认真检查缺陷情况以及将缺陷制作坡口。常用铸铁清理方法有两种：一种采用砂轮、钢丝刷或扁铲等工具的机械清理法；另一种是采用汽油、丙酮等化学溶剂洗涤的化学方法。清除杂质也可用火焰将铸件分段加热，加热至不冒烟为止，否则焊缝容易出现气孔、裂纹等缺陷。

2.3 焊接参数选择

选用高性能洛驰氩弧焊机，其拥有手工弧焊、TIG高频脉冲等优越性能是保证焊缝质量的主要前提。选择合适的焊接电流，可以降低焊缝裂纹、咬边、气孔等缺陷倾向。经试验表面，能有效控制焊缝裂纹、气孔等缺陷。基于焊条选择合适焊接电流有以下两方面考虑：

（1）焊接电流过小，不仅引弧困难，电弧不稳定，而且热输入量不够，造成未焊透、夹渣等缺陷；

（2）焊接电流过大，熔深大，容易产生烧穿、咬边等缺陷，使合金元素烧损过多，导致接头热影响区晶粒粗大，影响焊缝机械性能。同时焊接电流过大，造成焊条末端过早发红，药皮失效从而导致产生气孔。

2.4 焊接过程注意事项

（1）焊接应力是随焊缝长度增加而积累，达到一定程度就会开裂。所以，要采取小电流，短段焊、断续分散焊和焊后敲击的焊接工艺，并且要注意焊接顺序。在焊后要立即快速敲击整个焊缝，使得焊缝金属发生塑性变形，有利于减小焊接应力，达到防止裂纹产生的倾向。需注意的是要处理好接头，不要将接头留在同一位置，而应将各个接头错开，以免引起应力集中，产出横向贯穿裂纹。

（2）在焊接坡口过程中，每段焊缝要运条、填充焊条要均匀，尽量控制焊后每条焊道高度一致，并保证足够力锤击焊缝，需注意避免敲击到基面上。焊道第一层两端头要保证与基体焊接熔合到位，防止焊接封边出现虚焊现象。继续再焊下一道焊缝，以此类推，直至硬层焊缝高出工件表面1.5 ～ 2 mm 完成焊接[2]。

（3）焊接过程中，为避免焊接应力过大，造成焊接裂纹出现，焊后要对焊缝进行机械敲击，消除焊接应力。

2.5 焊后处理

补焊完成后，为避免熔覆金属热冷收缩过快，应力释放引起表面裂纹，可对整体焊缝进行敲击10 ～15 min，敲击结束后直接空冷冷却。

模具冷却至常温后，根据模具3D 数据上数控机床进行型面及安装底面降刻加工，使之达到型面尺寸及精度要求。模具降刻加工完成后，模修人员对型面推光、修形，上机研合调试型面，并进行压件生产验证（如图4 所示）。

图4 零件状态

修模结束后采用硬度计（钻石牌 HL160 型）检测硬度层硬度在50HRC，批量生产了1000 多件零件表面无一拉伤，补焊焊缝无开裂、塌陷现象，满足拉延模耐磨性的技术要求。

3 修复效果分析

采用上述焊接工艺对HT300 铸铁模具贯穿性裂纹修复验证，该焊接工艺控制焊缝质量好，可有效避免沙眼、裂纹等缺陷产出，型面硬度可达48～55HRC，使用寿命超过10 万冲次，补焊区域型面抛光至镜面状态，可不用镀铬涂层处理，使得模具维修工作量和维护成本大大降低。采用高耐磨性、高塑性的焊材作为增材补焊，使得局部区域综合机械性能明显高于原材质，这种焊接修复技术的应用，提高了模具整体使用寿命，降低模具返修率，以及对冲压件表面质量改善，都有着明显作用。