汽車(chē)覆蓋件沖模焊接修復(fù)工藝探究范文

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《汽車(chē)知識(shí)》2018年第5期

摘要：針對(duì)汽車(chē)覆蓋件沖模補(bǔ)焊修復(fù)過(guò)程出現(xiàn)的裂紋、氣孔、咬邊及硬度不足等缺陷，介紹了沖模的材料成分及性能，總結(jié)了模具修復(fù)過(guò)程中常見(jiàn)焊接缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及改進(jìn)措施。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)模具不同部位的硬度、耐磨性等工藝要求，詳細(xì)闡述了拉深模、修邊模、整形模修補(bǔ)過(guò)程選擇的焊材與焊接工藝，并以某車(chē)型前門(mén)內(nèi)板拉深模為載體進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用鎳系焊條打底與硬質(zhì)合金焊絲蓋面的焊接工藝可獲得良好的焊縫質(zhì)量，滿足拉深模成形零件的質(zhì)量要求，為汽車(chē)覆蓋件沖模零件的焊接修復(fù)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)覆蓋件；沖模；焊接缺陷；焊接工藝；焊接質(zhì)量

0引言

汽車(chē)覆蓋件作為功能性零件，對(duì)汽車(chē)的安全、隔振降噪性能以及整車(chē)的造型風(fēng)格與靜態(tài)感知質(zhì)量等具有重要影響。汽車(chē)覆蓋件通常由板材經(jīng)拉深、整形、修邊、翻邊及沖孔等工藝沖壓而成，其中，拉深模的質(zhì)量與精度決定了拉深件的成形質(zhì)量，進(jìn)而決定了汽車(chē)覆蓋件的表面質(zhì)量與尺寸精度[1]。在汽車(chē)覆蓋件生產(chǎn)過(guò)程中，模具零件表面與板材發(fā)生劇烈摩擦，在持續(xù)交變載荷作用下，模具零件常因受力不均勻或瞬間沖擊等因素而出現(xiàn)拉傷、變形及崩刃等缺陷，降低了模具的成形質(zhì)量與沖壓件尺寸精度，增加企業(yè)運(yùn)行成本[2]。為恢復(fù)模具的使用功能和確保沖壓件成形質(zhì)量，通常對(duì)模具進(jìn)行堆焊修復(fù)。受企業(yè)規(guī)模及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的制約，目前國(guó)內(nèi)大部分汽車(chē)主機(jī)廠和模具制造商并未對(duì)模具零件的焊接工藝進(jìn)行系統(tǒng)管理及完整的質(zhì)量跟蹤，僅依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)及技能進(jìn)行修復(fù)，造成焊接質(zhì)量不穩(wěn)定甚至模具報(bào)廢的現(xiàn)象[3]。以下從消除汽車(chē)覆蓋件焊接裂紋、氣孔及硬度不足等缺陷的角度出發(fā)，介紹沖模零件的材料成分及性能，總結(jié)模具修復(fù)過(guò)程中常見(jiàn)焊接缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及改進(jìn)措施。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)模具不同部位的硬度、耐磨性等工藝要求，詳細(xì)闡述了拉深模、修邊模、整形模修補(bǔ)過(guò)程的焊材與焊接工藝選擇，并以某車(chē)型前門(mén)內(nèi)板拉深模為實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，探討沖模的焊接修復(fù)工藝。

1沖模零件材料及焊接性能

1.1沖模零件材料汽車(chē)覆蓋件沖模常用材料有鑄鐵、鑄鋼及鍛鋼3種類型，根據(jù)落料模、拉深模、修邊模及翻邊模等不同部位的性能要求合理選擇模具材料[4]。與板料發(fā)生直接作用的零件工作部分的材料要求較高，根據(jù)制件的強(qiáng)度、料厚、形狀以及模具零件本身強(qiáng)度等因素綜合考慮，比如壓邊圈、修邊、翻邊、鑲件等材料通常選用合金鑄鐵、鑄鋼與鍛鋼等，如圖1所示。非參與工作部分的零件材質(zhì)一般要求略低，比如上、下模模座、壓料芯等通常為灰鑄鐵。

1.2沖模焊接性能合金元素會(huì)影響鑄鐵結(jié)晶時(shí)的石墨化程度、石墨的形態(tài)及基體的組織[5,6]。根據(jù)化學(xué)元素對(duì)鑄鐵結(jié)晶時(shí)石墨化程度的影響，把合金元素分為促進(jìn)石墨化元素，如C、Si、Al、Ni、Cu，另一類是阻止石墨化（促進(jìn)白口化）的元素，如S、V、Cr、Mo、Mn等。灰鑄鐵HT300化學(xué)成分特點(diǎn)是S、P的雜質(zhì)含量較高，焊接過(guò)程中形成低熔點(diǎn)的FeS，與Fe形成共晶時(shí)易造成偏析，降低晶界強(qiáng)度，增加焊接難度。由于焊縫金屬?gòu)?qiáng)度低、塑性差，容易產(chǎn)生裂紋，造成鑄鐵焊接性能不良，主要表現(xiàn)為焊接接頭易形成白口鑄鐵與高碳馬氏體，在焊接應(yīng)力下易產(chǎn)生冷裂紋或熱裂紋。SKD11屬于再熱裂紋敏感的鋼種，這與其合金元素有關(guān)，Cr、Mo、V的敏感溫度區(qū)間在500~700℃，在焊后熱處理或長(zhǎng)期高溫工作環(huán)境中，在熱影響區(qū)熔合線附近的粗晶區(qū)內(nèi)產(chǎn)生裂紋。目前常用的模具鋼中SKD11的焊接性能最差，容易出現(xiàn)冷裂紋、熱裂紋或硬度不足等現(xiàn)象。ICD-5具有均勻的組織和硬度分布，良好的切削性和加工性，還具有良好的焊接性能，但易出現(xiàn)焊后冷裂紋缺陷。焊接過(guò)程中，由于ICD-5的高淬透性，一旦停止焊接，焊接處迅速冷卻，焊縫金屬與熱影響區(qū)部位將發(fā)生硬化，硬化組織產(chǎn)生應(yīng)力，增大冷裂紋的敏感性。

2焊接缺陷與機(jī)理分析

根據(jù)沖模零件母材特性、焊材選擇與焊接工藝等因素，常見(jiàn)的焊接缺陷有裂紋、氣孔與夾渣、硬度不足等，如圖3所示。（1）裂紋。①熱裂紋，采用鎳基材料焊補(bǔ)鑄鐵時(shí)，由于鑄鐵S、P雜質(zhì)含量較高，形成較多的低熔點(diǎn)共晶物，如Ni-Ni3S2（熔點(diǎn)664℃）、Ni-Ni3P（熔點(diǎn)880℃）；采用低碳鋼焊條焊補(bǔ)鑄鐵時(shí)，第一、二層焊縫會(huì)從鑄鐵溶入較多的C、S及P等雜質(zhì)，使第一、二層焊縫的熱裂紋敏感性增加；②冷裂紋，當(dāng)焊縫為鑄鐵型時(shí)，焊縫較長(zhǎng)或焊補(bǔ)剛性較大時(shí)常發(fā)生這種裂紋，產(chǎn)生原因是焊接過(guò)程中焊件局部受熱不均勻，焊縫在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生巨大的拉應(yīng)力，且鑄鐵強(qiáng)度低，400℃以下塑性差，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)鑄鐵的抗拉強(qiáng)度時(shí)即發(fā)生焊縫冷裂紋。此外，當(dāng)焊縫中存在白口鑄鐵時(shí)，由于白口鑄鐵的收縮率為2.3%，大于母材的收縮率1.26%，白口層與基層間形成剪切應(yīng)力，當(dāng)焊縫強(qiáng)度大于母材時(shí)，冷卻過(guò)程中母材牽制不住焊縫的收縮，結(jié)果母材在結(jié)合處被撕裂，出現(xiàn)焊接冷裂紋[7]。（2）氣孔與夾渣。焊接過(guò)程中，熔池中的氣體未完全溢出熔池（部分溢出），而熔池已經(jīng)凝固，在焊縫表面形成孔洞。當(dāng)焊條沒(méi)有經(jīng)過(guò)烘烤或烘烤不符合要求、焊絲或零件表面的油污、潮氣清理不干凈，焊接過(guò)程中自身產(chǎn)生的氣體或雜質(zhì)進(jìn)入熔池等因素均會(huì)導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生。焊接過(guò)程中，當(dāng)采用多層多道堆焊時(shí)，層間藥皮清理不干凈或焊接線能量小、焊接速度過(guò)快等易造成焊件表面夾渣。（3）硬度不足。焊接時(shí)電流過(guò)大，對(duì)模具母材的稀釋率過(guò)大，母材的合金元素受損；焊接時(shí)預(yù)熱溫度與層間溫度控制不合理，熔敷金屬金相組織發(fā)生變化或堆焊層數(shù)過(guò)多等均易導(dǎo)致焊縫金屬硬度不足。

3焊接工藝研究

3.1焊接設(shè)備與焊材選擇根據(jù)模具修復(fù)面積的大小與填充厚度，可選擇直流焊機(jī)ZX7-400或水冷式氬弧焊機(jī)EWM。損傷面積較大的模具維修通常選擇直流焊機(jī)，焊接強(qiáng)度與堆焊效率較高；氬弧焊機(jī)具有智能脈沖且電弧能量集中、焊接變形量小的特點(diǎn)，適用于厚度較薄或小范圍崩刃、鈍化、輕微損傷的修復(fù)。針對(duì)模具零件母材特性與硬度要求，選擇材料相近的焊材，確保焊縫金屬具有較高的強(qiáng)度與耐磨性[9]。

3.2焊接流程與工藝

3.2.1焊前準(zhǔn)備進(jìn)行焊接修復(fù)前需要對(duì)模具零件表面進(jìn)行清潔處理，通常采用乙炔火焰對(duì)零件進(jìn)行熱處理或氯化碳清洗擦拭坡口，清除零件表面的油污、水垢及鐵銹等雜質(zhì)，避免出現(xiàn)氣孔或翻漿等現(xiàn)象[10]。為使焊接過(guò)程中熔敷金屬正常沉積，需要根據(jù)修復(fù)部位的形狀與尺寸打磨相應(yīng)的工藝坡口，如圖4所示。為減小焊接過(guò)程中焊接區(qū)與非焊接區(qū)的溫度差異，緩解因溫差過(guò)大出現(xiàn)的焊接應(yīng)力，通常對(duì)焊材與母材進(jìn)行預(yù)熱。焊前對(duì)焊條進(jìn)行烘烤，溫度250~300℃，時(shí)間0.5~1h。模具的預(yù)熱溫度根據(jù)母材碳含量的高低決定。

3.2.2焊接過(guò)程控制電流大小對(duì)焊接質(zhì)量具有重要影響[12]，電流過(guò)小易造成未焊透或夾渣等缺陷；電流過(guò)大易燒穿和咬邊，且合金元素?zé)龘p嚴(yán)重，母材中的碳元素進(jìn)入熔池的量增加，降低填充材料的稀釋率，使焊縫脆而弱，且在熔合線附近產(chǎn)生白口組織，易導(dǎo)致裂紋或針眼狀氣孔的產(chǎn)生，造成零件拉傷。

3.2.3焊后熱處理為避免熔敷金屬與母材冷卻速度過(guò)快產(chǎn)生白口組織或氣孔裂紋等缺陷，焊后對(duì)焊縫進(jìn)行100~150℃加熱，并蓋上石棉網(wǎng)使其緩慢冷卻。通過(guò)焊后加熱工藝可有效提高模具工作型面的耐磨性及抗沖擊性能，對(duì)焊縫的強(qiáng)度及使用壽命具有重要作用。焊接結(jié)束后采用硬度計(jì)檢測(cè)焊縫硬度，如圖6所示，若硬度不足，打磨焊縫金屬后重新修復(fù)。

4焊接工藝試驗(yàn)為驗(yàn)證

焊接工藝的有效性，以某車(chē)型前門(mén)內(nèi)板拉深模壓邊圈為載體進(jìn)行試驗(yàn)。該壓邊圈材料為球墨鑄鐵GM246，拉深槽R角前期補(bǔ)焊修復(fù)時(shí)因焊材、焊接工藝不匹配等因素產(chǎn)生焊接氣孔，造成拉深成形時(shí)零件拉傷，影響零件成形質(zhì)量。由于拉深槽R角管控板料的流入速度與流入量，其粗糙度與硬度等工藝參數(shù)要求嚴(yán)格。在上述焊接工藝分析的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)焊材選型NH-G241，直流焊機(jī)ZX7-400，打磨4~6mm的坡口，同時(shí)根據(jù)母材特性，嚴(yán)格遵循焊前預(yù)熱、焊間溫控與錘擊、焊后緩冷等工藝進(jìn)行施焊。觀察試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊縫質(zhì)量良好，無(wú)氣孔、裂紋、咬邊等焊接缺陷，修復(fù)流程如圖7所示，焊接修復(fù)效果如圖8所示。經(jīng)檢測(cè)，熔敷金屬硬度為53HRC（標(biāo)準(zhǔn)為48~53HRC），表面質(zhì)量與硬度等指標(biāo)符合拉深模技術(shù)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，該焊接工藝可有效避免氣孔、裂紋與硬度不足等焊接缺陷，獲得良好的焊縫質(zhì)量，滿足沖模零件焊接要求。

5結(jié)束語(yǔ)

基于金屬焊接理論與大量的修模實(shí)踐，針對(duì)不同材料的模具母材及性能要求，同時(shí)結(jié)合模具修復(fù)部位的面積及應(yīng)力狀況，制定焊材選型、焊前預(yù)熱、焊中溫控與焊后緩冷的焊接工藝，并以某車(chē)型前門(mén)內(nèi)板拉深模壓邊圈為載體進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)采用上述焊接工藝可獲得良好的焊接質(zhì)量，焊縫強(qiáng)度、硬度及耐磨性均符合模具使用技術(shù)要求。該焊接工藝可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)覆蓋件沖模的有效修復(fù)，提升沖模的成形精度與零件成形質(zhì)量。

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作者：韋榮發(fā)；蒙世瑛；張志；石峰；吳海剛單位：上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司