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热锻模型腔整体焊接修复的工艺研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-10-19   来源:湖北汽车工业学院   作者:张林 刘欣
本文利用现有焊接、金相组织分析、机械性能测试的众多设备和手段,通过科学的试验寻找合适的参数范围并通过正交优化设计进行优化,对热锻模具的修复工艺、焊接材料和焊后组织及性能等进行全面的研究,找出影响因素和影响规律,最终制定出适宜的模具堆焊修复焊接工艺。
1 项目简介
      热锻是汽车零部件生产的一种大量广泛使用的加工手段,汽车上许多重要零部件均用模具锻造成型。锻造模具在高温、高速、急冷急热条件下工作,经常出现表面裂纹、凸起部分塌陷、模膛内破损等缺陷。采用焊接修复的方法,可以极大的降低模具制造成本,提高经济效益。采用型腔整体焊接方式修复,具有效率高,质量好的优点,是模具修复的一个较为先进的工艺。因此研究热锻模焊接修复的工艺并确定最佳的工艺参数对实际应用及生产至关重要。本项目采用先进焊机,系统而详细的研究了热锻模焊接修复的工艺参数,并从多个方面对试验结果做出衡量,准确分析出最佳工艺。

2 试验方案
2.1 试验材料
2.1.1 试板:
Q235钢,150mm×100mm×16mm,12块。其化学成分见表1。

表1 Q235钢的化学成分(%)
    Q235          C          Si           Mn           S             P
    成分(%) ≤0.22    ≤0.35       ≤1.4     ≤0.05       ≤0.04
  
表 2 Q235钢的力学性能
 性能指标       屈服强度σs/MPa       抗拉强度σb/MPa          延伸率δ5/MPa    
 标准范围           ≈235               375~500             ≥26h≤16mm)


 
 
2.1.2 焊丝:
使用焊丝型号:A焊丝,优瑞卡合金焊材 CN650 ACW药芯焊丝,直径Φ2.4mm;
B焊丝,优瑞卡合金焊材 CN455 ACW药芯焊丝,直径Φ2.4mm。

表3 焊丝熔敷金属化学成份(%)
元素/型号
C
Si
Mn
S
P
Cr
Mo
455
0.13
0.3
0.5
0.01
0.012
11
3
650
0.2
0.3
0.56
0.01
0.012
11.2
2.8

2.1.3 设备:
MillerDimension 802的熔化极气体保护焊机,自动送丝,二氧化碳+氩气混合气体提供保护气氛;MDS-SY 310型金相显微镜等其他辅助设备、夹具及材料。

2.2 焊接工艺
2.2.1 焊接电流
Miller焊机的电流是影响焊接质量的主要参数。查阅相关资料及根据试焊情况,焊接电流<190A时,不仅引弧困难,而且电弧也不稳定,会造成未焊透和夹渣等缺陷,由于焊接电流过小使热量不够,还会造成焊条的熔滴堆积在表面,使焊缝成形不美观;电流>210A时,容易产生烧穿和咬边等缺陷,所以选择电流范围为:190~210A。

2.2.2 焊接电压
焊接电压供应焊丝熔化能量,焊丝熔化速率随电压变高而变快。根据试焊情况,焊接电压>30V时,弧长较长,飞溅颗粒较大,容易产生气孔;焊接电压<22V时,焊丝插向母材,飞溅增加。选择电流范围为:22~30V。

2.2.3 焊接速度
由于采用的是手工电弧焊,焊接速度受人为的影响,不确定因素较大,故在此不考虑焊接速度对焊接质量的影响。

2.3 设计正交试验
在前期试焊探索出合适的参数范围后,利用Minitab软件设计正交优化设计试验,找出影响焊接质量最为明显的工艺参数。如表4所示取值。

表4 正交试验因素水平表
   水平          焊接电流(A)          焊接电压(V)  
1                190                    22
    2                200                    26
    3                210                    30
   
采用L9(32)两因素三水平正交表安排试验,正交实验设计方案如表5所示。按表5做试验,焊好每一个试样后进行编号,为后面的试验做准备。

表 5 正交试验正交表
 序号          实验方案           焊接电流(A)         焊接电压(V)       
   1             A1B1                                190                      22
   2             A1B2                              190                      26
   3             A1B3                                  190                      30
   4             A2B1                                 200                      22
   5             A2B2                                 200                      26
6             A2B3                 200                      30
   7             A3B1                                 200                      22
   8             A3B2                                  200                      26
   9             A3B3                                 200                      30
 
3 试样结果及分析
3.1 焊接试样表面观察与分析
按照正交设计中的实验进行焊接,可得到九组试样外观形貌,选取其中典型的试样如图1所示。

 
第三组  电流:190A;电压:30V
                 

第六组  电流:200A;电压:30V                           第八组  电流:210A;电压:26V
图1 典型试样

 
由图1可以看出,第三组和第六组焊缝表面均较为平整、光洁、无明显气孔、裂纹等缺陷,边缘平直、飞溅小、焊缝宽度合适。第八组相对于第三、六组表面成形略差,飞溅物也相对较多。本实验中,根据熔宽、飞溅程度、表面成形、引弧难易程度等宏观因素判断焊接质量的好坏,各因素按照满分10分,总分40分进行评估,各项评分严格按照老师给定的焊缝外观评分标准评定。据表6焊接质量评估情况,由Minitab系统可以计算出指标Y(焊接质量)的均值响应表(如表7所示),均值主效应图(如图2所示)。

 
表6 焊接质量评估分数情况
 序号      熔宽      飞溅程度      表面成形       引弧难易程度      总分                   
   1          7           7             7                7            28  
   2          8           8             8                9            33
   3          9           9             9                9            36
   4          7           6             7                5            25 
   5          8           7             8                9            32
   6          9           9             8                9            35
   7          6           6             6                5            23
   8          8           8             8                9            32
   9          9           8             7                8            32
 

表7 指标Y的均值响应表

水平       A            B
1        32.00         25.33
2        31.00         32.67
3        29.33         34.33
Delta     2.67          9.00
排序       2             1

 






图2 指标Y的均值主效应图      

        
从均值响应表和均值主效应图中可以看出,各因素的水平对指标的影响大小。从图表中可以看出电流越小越好,电压越大越好,于是可得到最优方案为A1B3,与直观分析的结果相吻合。故合适的焊接参数是焊接电流为190A,焊接电压为30V。

3.2 焊接层表面硬度分析
在焊接层表面同等间隔选取7个点进行洛氏硬度测试,焊接接头表面层的硬度分布规律如表8所示。编号A组指用优瑞卡合金焊材CN650焊接;B组指用焊材CN455焊接;B+A组指先用焊材CN650打底堆焊5层,再用CN455堆焊5层。由硬度测试结果表明,优瑞卡合金焊材CN650堆焊的金属表面硬度最高,CN455+CN650叠加堆焊的硬度次之,CN455堆焊的最低。由硬度测试结果分析知:CN650 ACW药芯焊丝,适用于高磨损、适度冲击,形状简单的压力机模、锤锻模的整体堆焊及局部修补;CN455 ACW药芯焊丝,适用于作为堆焊硬度更高材料的过渡层。
 

表8 硬度测试结果(单位:HRC)

 编号       1       2       3       4       5       6       7       平均值
   A        53.3    51.5     50.5    52.7    51.6    54.4    54.3     52.6
   B        48.1    47.3     46.9    46.6    47.4    48.1    47.9     47.5
 B+A       50.9    48.4     50.0    49.3    50.6    49.4    50.2     49.8

 
3.3 金相分析
金相试样是由上述最佳焊接参数焊接的试样制成的,观察面为焊缝的截面。用MDS-SY 310型金相显微镜,选用40×的物镜进行观察,即放大400倍来观察金相组织,金相图如图3所示。

 

图3 母材显微组织

 

A焊丝:

     
      图4 熔合区显微组织              图5 热影响区显微组织               图6 焊缝区显微组织

B焊丝:

       
 图7 熔合区显微组织               图8 热影响区显微组织              图9 焊缝区显微组织

B+A焊丝:

      
图10 熔合区显微组织            图11 A焊丝部分显微组织            图12 A、B交界显微组织


                 
           图13 B焊丝部分显微组织                                  图14 焊接裂纹

如图3所示为母材的组织形态,在此区域内,基本为铁素体组织,伴有少许的珠光体。

对于A焊丝,图4所示为母材与热影响区结合处的熔合区组织形态,熔合线上侧母材晶粒与远离熔合线处相比,铁素体晶粒不仅尺寸明显粗大一些,而且其边缘粗糙,这是由于焊接时热影响区受热,导致铁素体晶粒长大。图5所示为热影响区显微组织,图6 所示为焊缝区显微组织,组织为针状马氏体,使得材料的硬度和强度增加,容易产生淬火应力,靠近熔合线处马氏体明显变得粗大,这是因为焊接时热影响区受热比焊缝区大的缘故。

       对于B焊丝,图7所示为母材与热影响区结合处的熔合区组织形态,由于使用“万能腐蚀剂”导致母材区腐蚀的比较深,熔合线上侧母材晶粒出现漆黑状。与远离熔合线处母材组织相比,铁素体晶粒尺寸明显粗大一些,这是因为焊接时热影响区受热导致铁素体晶粒长大。图8所示为热影响区显微组织,图9所示为焊缝区显微组织,组织为针状马氏体,硬度和强度增加,产生淬火应力,靠近熔合线处马氏体形状变得模糊起来,这是由于焊接时热影响区受热不均匀引起的。

      对于B+A焊丝,图10所示为母材与热影响区结合处的熔合区组织形态,熔合线上侧母材晶粒与远离熔合线处相比,铁素体晶粒不仅尺寸明显粗大一些,这是由于焊接时热影响区受热,致使铁素体晶粒变大。图11所示为A焊丝堆焊区组织,组织为针状马氏体。图12所示为A、B焊丝堆焊金属交界处区域显微组织,交界线附近晶粒形状大小几乎没有改变。图13所示为B焊丝堆焊区组织,组织为针状马氏体。图14所示为试样上的一条裂纹,是焊接接头冷却到较低温度时所生成的裂纹,这主要是因为具有淬硬倾向的钢材淬硬倾向越大,则接头中显现马氏体的可能性越大,发生冷裂纹率愈高。

3.4 耐磨性分析

   表9 磨损试验结果(单位:g)

    材料        磨损试验前质量         磨损试验后质量        质量损失                 
   A焊丝            6.43                   6.34               0.09
   B焊丝            6.47                   6.37               0.10
 B+A焊丝           6.40                   6.23               0.17

   
    表9是用A、B、B+A三种焊丝在最佳焊接参数下进行多层堆焊后堆焊层金属和45钢(淬火,硬度 HRC55)试样在磨损试验机上磨损后的质量损失。从表9可以看出,三种焊丝质量损失比为A:B:B+A= 9:10:17。实验说明,A焊丝制备的多层堆焊金属试样的表面耐磨性能比其他两种焊丝的堆焊金属的表面耐磨性能有明显的提高。

3.5 焊接工艺制定
    本课题通过一系列的试验探索,对热锻模焊接修复工艺进行了研究,并得到了相关的数据。经过对数据的分析,最终确定的焊接工艺为:焊接工艺参数为焊接电流190A,焊接电压30V;采用优瑞卡合金焊材CN650,直径为Ф2.4mm的焊丝。焊后酌情选取合适的热处理措施。

4 结束语
本试验利用Miller熔化极气体保护焊机对模具实施修复,然后对堆焊金属层表面的硬度,金相组织和耐磨性能进行了一系列试验,最终得到结论如下:
4.1影响焊缝质量的因素为:焊接电流和焊接电压。由正交优化设计试验,得出最佳工艺参数为焊接电流为190A,焊接电压为30V。焊缝表面质量良好、飞溅少、无气孔、焊穿、未焊透等缺陷。

4.2优瑞卡合金焊材CN650(A焊丝)堆焊金属表面硬度均高于另外两种堆焊金属。

4.3堆焊金属层组织是针状的马氏体,热影响区的晶粒变得粗大,且在晶界周围有析出的片状马氏体。

4.4优瑞卡合金焊材CN650(A焊丝)堆焊金属表面耐磨性均高于另外两种堆焊金属。
 

 
 
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