摘要：采用激光熔焊對有裂紋和磨損的A-MAX鋼壓鑄模具進(jìn)行模具修復(fù)與維護(hù)，并對修復(fù)后的模具進(jìn)行微觀組織、拉伸性能和疲勞性能的分析。結(jié)果表明，激光熔焊接頭焊縫區(qū)存在細(xì)小的板條狀馬氏體以及一些沿晶界分布的白色鐵素體組織，接頭熱影響區(qū)組織為鐵素體和珠光體。經(jīng)過激光熔焊的模具的抗拉強(qiáng)度和伸長率達(dá)到全新A-MAX模具的93.95%和88.92%，而且修復(fù)后模具的疲勞壽命也得到明顯改善，與全新模具的疲勞循環(huán)次數(shù)在同一個(gè)數(shù)量級。
模具制造隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展而不斷擴(kuò)展，已在現(xiàn)代制造加工業(yè)特別是精密制造領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用，能有效地提高材料的利用率和延長產(chǎn)品的使用壽命。隨著壓鑄行業(yè)的飛速發(fā)展，對壓鑄模具的綜合力學(xué)性能及使用壽命等提出更高要求，同時(shí)由于壓鑄模具的成本較高，模具在長期使用條件下由于高速、高壓、冷熱交替或交變載荷的工作環(huán)境引起模具表面或內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕、磨損或裂紋導(dǎo)致模具性能下降，甚至?xí)?dǎo)致模具失效。模具的制造涉及材質(zhì)的選擇、復(fù)雜的精密加工和相關(guān)的熱處理制度，其制造成本高且周期長。因此，為避免模具由于出現(xiàn)裂紋或磨損等失效形式而影響生產(chǎn)，而采用模具修補(bǔ)焊接技術(shù)，該技術(shù)是一種解決模具表面失效的直接而有效的方法。激光熔焊技術(shù)作為一種高功率密度、能量集中、對焊材損失小，且便于實(shí)現(xiàn)自動化的高效精密焊接，可實(shí)現(xiàn)大熔深、低殘余應(yīng)力與變形的構(gòu)件焊接，因此激光修補(bǔ)模具焊接技術(shù)由于其成本低、周期短、修復(fù)效果好而成為一項(xiàng)常用的模具修補(bǔ)焊接技術(shù)，克服了冷焊和氬弧焊在修復(fù)模具精細(xì)表面上存在的不足。
1 試驗(yàn)條件與設(shè)備
1.1 試驗(yàn)條件
研究對象為有裂紋的發(fā)動機(jī)缸體壓鑄模具。模具材質(zhì)為 A-MAX鋼，采用真空電渣重熔工藝精煉，淬透性好，使用壽命為SKD61鋼的3-5倍，裂紋深度比SKD61鋼淺40%。該鋼具有優(yōu)異的抗龜裂性能、高溫韌性、高溫強(qiáng)度、耐火性能和耐高溫強(qiáng)度的性能，用于各類大型、復(fù)雜的壓鑄模具。模具幾何尺寸為200mm×120mm×10mm ，化學(xué)成分見表１。
試驗(yàn)過程中，采用丙酮或無水乙醇代替工業(yè)清潔劑用于焊前的表面清潔，要反復(fù)清洗，才能滿足焊接要求，因?yàn)榍逑床粡氐谆蚨挝廴編淼膯栴}最終會導(dǎo)致修復(fù)質(zhì)量大大降低。
1.2 試驗(yàn)設(shè)備
激光熔焊設(shè)備采用SLC數(shù)控激光多功能加工機(jī)，功率為5KW，波長為10.6μm，最小光斑直徑為0.12mm，焊接速度為1m/min，保護(hù)氣體為氬氣。
1.3 測試方法
采用HY－932型拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試，按GB/T 228－2002標(biāo)準(zhǔn)，拉伸試樣總長度為200mm、段長度為95mm、圓弧半徑為20mm，測試溫度為常溫。
用QBG-25型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)測試接頭的疲勞性能，疲勞試件按照國標(biāo)GB/T 2015111－1994制作，循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力比為0.1，頻率為100Hz。為了減少試驗(yàn)誤差，每種試樣進(jìn)行2個(gè)平行樣的試驗(yàn)。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 微觀組織分析
圖1 激光焊接修復(fù)后 Ａ－ＭＡＸ 鋼模具的顯微組織
從圖１可以看出，焊縫中心位置在兩極間薄板相接處。母材為奧氏體與鐵素體，焊縫中間為細(xì)晶組織，而熔合區(qū)的為柱狀晶，由于激光熔焊具有很高的峰值 溫度，較快焊接速度和冷卻速率等特點(diǎn)，使得A-MAX鋼模具的激光焊熱影響區(qū)很小，但仍可以看到在模具修復(fù)處接頭的熱影響區(qū)微觀組織為白色的鐵素體和黑色的珠光體組織。由圖1b可以看出，A-MAX鋼的焊縫區(qū)組織是較為細(xì)小淬火組織，同時(shí)還可觀察到有細(xì)小的板條狀馬氏體以及一些沿晶界分布的白色鐵素體組織。另外，A-MAX鋼焊縫處存在少量的細(xì)小析出物，這有利于提高A-MAX鋼模具修復(fù)處的強(qiáng)度。由于在激光焊接過程中，激光束的能量密度集中，而且激光的焊接速率相對較快，導(dǎo)致接頭熔融區(qū)的液態(tài)金屬將以較快的冷卻速率凝固，這就相當(dāng)于焊縫區(qū)組織經(jīng)歷了一次快速淬火過程，得到了強(qiáng)度、硬度和塑性性能較好的板條狀馬氏體組織。
2.2 拉伸性能分析
圖2 拉伸試驗(yàn)后的修復(fù)模具與全新模具試樣狀態(tài)圖
圖2為修復(fù)后模具與全新模具拉伸后試樣狀態(tài)圖。由圖2可看出，修復(fù)后模具的拉伸斷口出現(xiàn)在熔合區(qū)附近，全新模具的拉伸斷口出現(xiàn)在母材其他位置。
圖3 常溫下拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖3為常溫下修復(fù)后模具與全新模具的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線。可以看出，拉伸試樣的變形隨著拉伸應(yīng)力的增加而增加，但并不成線性關(guān)系；當(dāng)拉伸應(yīng)力在690MPa以下時(shí)，A-MAX鋼的應(yīng)變較為明顯，當(dāng)拉伸應(yīng)力在750MPa以上變化時(shí)拉伸應(yīng)力與應(yīng)變呈近似線性關(guān)系。
圖4 試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果對比
