汽车模具表面缺陷堆焊补偿技术应用

2022-11-02姚开礼卞榆焕

模具制造 2022年9期

姚开礼，卞榆焕

（上海赛科利汽车模具技术应用有限公司模具事业部模具质量保证科，上海 200120）

1 引言

侧围零件是整车安装调试的基准，侧围冷冲压模具成形工艺复杂（见图1），对表面质量控制更难，而各大车企加强车身冲压焊接件的质量管理，用比用户更挑剔、更专业的眼光对白车身进行评审，从而稳定和提高车身外表件的实物面品质量。但由于CAE 分析及数学模拟与实际冲压制件存在一些误差，侧围冲压零件的问题主要有：开裂、隐伤、滑移线、冲击线、回弹、凸包、凹陷、波浪、毛刺等缺陷，特别是A 类区面品一旦出凸包、凹陷会造成油石条表面连接不顺及光影反射缺陷，涂装油漆后会更加明显，属于AUDIT 评审A 级缺陷，严重影响外观饱满度和整车的精致感，这也是国内外模具制造商一直攻关的难题。

2 铸钢材料分析

空冷钢是一种火焰淬火冷作模具钢，一般冷冲压模具中常用牌号：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，通过表面淬火，空冷后即可达到55HRC以上，但由于含碳量比普通钢高，容易产生硬脆的马氏体，所以淬硬倾向和裂纹敏感倾向更大，从而焊接性差。还由于壁厚以及模具铸钢件结构造型特殊性存在差异，同一个铸件不同的结构部位组织也会存在较大差异，并有较大的残余应力。

3 ICD-5铸钢焊接性分析

钢中合金元素对焊接性的影响是十分复杂的，一般把钢中含碳量多少作为判别钢的可焊的主要性标志，可用碳当量公式来表示（见表1），将其它元素的影响折算成碳当量的关系计算式：CE=C+（Mn/6）+{（Cr+Mo+V）/5}+{（Ni+Cu）/15}，得出ICD-5 的碳当量CE≈1.00。但当钢材的CE＞0.6焊接性较差，在焊后拘束应力较大。因此，此类钢在进行堆焊时，需焊前进行预热、焊接时趁热锤击焊缝、焊接后进行局部后热处理或整体退火热处理等工艺措施，以防止产生冷裂纹。还应采取小电流降低热输入，严格控制烧焊时层间温度，防止晶粒长大，避免再热裂纹的产生。

表1 ICD-5化学成分表

实际上，焊接性的好坏不止取决碳、锰和硅的含量，还取决于焊接接头的冷却速度，冷却速度较快的条件下（800℃～500℃），冷却速度越大淬硬程度越厉害，容易产生焊接冷裂纹，它与以上3种元素共同影响着热影响区和焊缝组织，通过形成的组织决定了焊缝的好坏。在焊接热循环的加热情况下及冷却速度下，焊缝会形成硬化组织甚至马氏体，而以马氏体对焊接性影响最大，马氏体越多硬度越高，焊接性越差，焊接后的大量马氏体或出现的硬化组织，在焊接的应力下可能引起热影响区和焊缝裂纹。在焊后冷却过程中，热影响区易出现低塑性的淬硬组织使硬度明显增高、塑性、韧性降低，低塑性的硬脆组织在焊缝含氢量较高和接头焊接应力较大时，易产生冷裂纹。其原因大致可以归纳为3 个方面：第一是设计因素，钢材的厚度、接头型式及焊缝尺寸等；第二是焊接线能量的大小（焊接电流、焊接速度以及焊条摆动的手法等），这个因素在一定范围内是可以调节的；第三是焊接时母材焊口附近的原始温度。以上因素的不同配合，可以得到不同的热影响区最高硬度。但是对焊接来说，只能调节后两个因素来控制，而在后两个因素中，又是尽量通过选择合适的焊接工艺方法，控制层间温度和后热处理或者使用大线能量，都能降低焊接接头冷却速度，在调节焊接规范不能达到目的时，要采取预热的办法。

4 焊接产生裂纹因素及防止方法

随着钢材强度等级的提高，裂纹的倾向也加剧。冷裂倾向主要发生在高强度钢中，产生冷裂的主要因素：第一，焊缝以及热影响区的含氢量；第二，焊缝金属组织及热影响区的成分，组织和性能（如淬硬性等）;第三，接头的刚度所决定的焊接残余内应力。为了避免冷裂，必须把各种影响因素综合起来考虑，找出必要的合理的措施。对淬火倾向的材料而言，有时即使选用了低氢焊条，并进行了预热，但在刚度极大的焊接接头中，仍有可能产生冷裂纹和属于冷裂纹性质的“延迟裂纹”。这种裂纹，在应力的作用下，还可能向母材及焊缝金属的纵深处发展。对于防止延迟裂纹的解决的方法有以下几种∶

（1）选择合适的焊接材料，包括焊接的焊缝强度与母材相适应，选用碱性低氢焊条，焊前严格烘烤焊条，焊丝去油污、锈蚀，以降低焊缝含氢量。

（2）提高预热温度，预热温度取决于碳当量、母材厚度焊材类型及工艺方法。含碳量高、厚度大预热温度可在250℃～400℃。

（3）焊后及时进行热处理，不但能改善或消除焊接残余内应力，还可以改善接头的显微组织，还可以使焊缝中的氢加速向外扩散。

气孔是高温下熔池中溶解了大量的氢、氮、氧，在快速冷却中气体来不及逸出而停留在焊缝中的孔眼（见图2），含碳量增高也会对气孔敏感性增加，所以要求焊接材料脱氧性要好，对坡口的清理和焊接材料的烘干要求更加严格。

热裂纹是焊缝金属在高温状态下产生的裂纹（见图3）。通常这种裂纹只产生在焊缝金属中。由于这种裂纹具有沿晶界分布的特点，所以，其外观特征是∶或者分布在焊缝的正中心，在焊缝表面上呈不明显的锯齿形状，或者分布在焊缝的两侧，其方向是与焊缝波纹呈垂直方向，也带有不明显的锯齿形。产生热裂纹的因素，一般认为有3个方面：第一是焊接母材杂质较多，由于共晶形成的液态薄膜消弱了晶粒间的结合，在应力的作用下开裂；第二是焊缝横断面的形状，即宽度与熔深的比值，这个比值愈大，即熔宽较大，熔深较小，则热裂纹倾向小一些；第三是接头或焊件的刚度条件，刚度大则热裂纹的倾向大些。从合金元素方面来看，焊缝金属中的碳和硫是增大热裂纹倾向的主要因素，其次是铜，而锰则是提高抗裂性的主要元素。

5 侧围表面堆焊工艺案例

侧围模具铸件大、精度要求高，堆焊表面要求无裂纹气孔，抛光后如同镜面，焊接质量的好坏将直接影响产品质量。山东项目由于模具发运到客户匹配高速产线试产阶段，提高冲次后表面出现凹陷（见图4），客户装车节点紧迫，要求消除凹陷才能造车，尝试压料板强压无效果后，决定堆焊凸模凹陷区域，但经分析凹陷区表面需要补偿0.2mm，综合考虑选用氩弧焊焊接，其优点是氩气它不与金属发生化学作用，在焊接过程中被焊金属和焊丝中的合金元素不易烧损，电弧热量集中，熔池小、焊接速度快、热影响区窄、焊件变形小、抗裂纹能力强，焊接后余量小，便于打磨。

（1）焊前对油石后凹陷区域划线并预留基准（见图5），清理焊接区域上的油污和其它杂质，确保焊接区内无杂质，从而降低焊缝内的含磷硫量，防止裂纹发生。

（2）采用焊氩弧焊焊接（见表2），在不妨碍操作的情况下，应尽量采用短弧焊接，以增强保护效果同时减少热影响宽度，焊嘴尽量保持垂直，喷嘴与母材离表面不超10mm，送丝要均匀，不要扰乱氩气流。

表2 焊接参数

（3）从中间相邻各层的分区施焊形成焊缝区（见图6），每段焊缝的长度为30×40mm连弧施焊，这种方法可使母材任何一点都在短时间内多次受热，从而相当于焊前预热，焊后保温的效果焊，使小范围缓慢冷却，避免快冷产生淬硬组织，在焊除接中断或结束时，应特别注意防止产生弧坑裂纹或缩孔，在收弧处熔池里多加些填充焊丝，然后慢慢离开，当断弧后不能立即关闭氩气，停留5～8s，以保证收口质量并防止钨极氧化。

（4）采用四英寸砂轮机对焊接区进行开粗去大量到约0.5mm，采用两英寸砂轮机打磨到约0.3mm（见图7），填充焊接基准前为保证熔接性须倒约60°坡口，并打磨清理焊道中氧化物直到露出母材后再进行施焊。

（5）技术要点。在焊接过程中，可在焊接区一周圈先焊一条宽5mm焊道，收弧时停留在此焊道上，能有效防止弧坑裂纹及咬边，中间采用分区堆焊施焊形成焊缝区，每块面积约30×40mm，一次在堆焊块上堆焊后按顺序分块交错进行堆焊（见图8），直至完成所有补焊区域的堆焊。每段焊缝焊后立即用小锤快速锤击焊缝的表面，因为锤击焊缝可使焊缝在凝固时晶粒细化,逐次锤击焊道可以提高焊缝韧性和疲劳性能。此外，边缘焊道不可用力锤击防止A面塌陷造成台阶差接不顺。