在汽車覆蓋件生產過程中，模具承受載荷較大，當壓邊間隙不均勻或板料定位不準確時常導致模具零件出現疲勞磨損、塌陷、變形等缺陷，降低了模具零件精度及衝壓件成形質量。為降低企業生產成本，通常採用雷射熔覆、金屬碳化物擴散覆層（TD）及焊接等方式修復受損模具零件，堆焊是目前模具零件的重要修復手段。
受企業生產規模及經濟發展水平的制約，國內大部分汽車主機廠和模具製造商並未具零件進行修復，使模具零件焊接質量不穩定甚至報廢。鑄鐵的焊接性能差，焊接過程易出現氣孔、裂紋、咬邊及夾渣等缺陷，其中，裂紋與氣孔是最主要的焊接缺陷。對於拉深行程較大的製件，由於板料與模具零件表面作用力大，板料對模具零件型面的氣孔、裂紋缺陷敏感，易造成製件拉傷，影響製件成形質量。模具型面缺陷與製件失效形式如圖1所示。
（a）裂紋
（b）氣孔
（c）製件開裂
圖1 模具型面缺陷與製件失效形式
現從消除汽車覆蓋件鑄鐵模具零件焊接裂紋和氣孔的角度出發，介紹了鑄鐵模具零件的材質及焊接性能、焊接失效類型及形成機理，分析並制訂相應焊材組合及焊接工藝。同時以某車型拉深模為研究對象，詳細分析鑄鐵模具零件的焊接工藝及技術要點，探討改善鑄鐵模具零件焊接裂紋和氣孔的方法與措施。
壹 鑄鐵模具零件母材及焊接性能
鑄鐵因具備一定的強韌性、耐磨性及較高經濟效益，廣泛應用於汽車覆蓋件沖模零件製造。鑄鐵模具零件的性能主要取決於基體的材料。鑄鐵基體中鐵素體含量越多，塑性越好；珠光體含量越多，抗拉強度和硬度越高。常用的拉深模鑄鐵材料的化學成分如表1所示。由表1可知，鑄鐵中富含C、Si、Al等合金元素，這些元素能夠促進鑄鐵的石墨化程度，增強模具零件的耐衝擊和耐高溫腐蝕性能，但由於鑄鐵中S、P雜質含量高，焊後裂紋和氣孔的敏感性大，降低鑄鐵模具零件的焊接性能。採用氧化鐵型焊條焊接灰鑄鐵，由於融合比大，母材中的C、P、S在焊縫區域形成大量低熔點共晶體，導致熱裂紋產生。
貳 焊接裂紋和氣孔類型及產生機理
1、焊接裂紋
根據母材特性、焊接裂紋分布及形成條件，焊接裂紋主要分為熱裂紋和冷裂紋。
熱裂紋
焊接過程中，焊接區域與周圍母材溫差較大，若冷卻速度過快，融合線附近的石墨析出不充分，轉化為Fe3C。Fe3C的收縮比大於鑄鐵基體，使融合線附近的白口層和基體之間形成剪切力產生熱裂紋。採用鎳基焊條焊接含C、P、S等雜質的鑄鐵時，P、S元素與Ni形成低熔點共晶體，增加焊縫熱裂紋的敏感性。
冷裂紋
冷裂紋通常出現在焊縫熱影響區。焊接時，焊縫受冷熱的交替作用，在冷卻過程中容易產生應力，且冷卻溫度越低應力越大。在應力作用下，石墨尖端出現應力集中，當應力超過焊縫金屬強度時，就會產生微裂紋，最後形成宏觀裂紋並擴展至整個焊縫。冷裂紋受焊縫石墨化程度影響，石墨化不充分時，易出現白口層，白口鑄鐵與基體收縮率的差異導致冷裂紋的產生。
2、焊接氣孔
焊接時，熔池中的氣泡在凝固時若未能及時逸出會形成氣孔。焊條或製件表面的油污、空氣中的水分或熔池在高溫下氧化程度等均影響焊接氣孔的形成。焊接氣孔降低了製件焊接強度和氣密性，導致應力集中，促使焊接裂紋的產生。
叄 焊接工藝試驗
1、試驗設備與材料
為驗證焊接工藝的各項指標，選擇某車型發動機罩外板拉深模壓邊圈進行試驗，如圖2所示。壓邊圈材料為球墨鑄鐵GM246，拉深槽R角及管理面在補焊修復過程中存在多處裂紋和氣孔。焊機採用德國水冷式氬弧焊機EWM，具有智能脈衝且電弧能量集中的特點，如圖3所示。
圖2 某車型壓邊圈
圖3 EWM焊機
打底焊材選用ϕ2.6mm的鎳基焊條Z308，該焊條富含Ni、Si、Al等促進石墨化的元素，其良好的塑性增加焊縫與母材的結合力，在焊縫冷卻收縮過程中通過塑性變形緩解焊接內應力。蓋面選擇ϕ2.0mm高鉻合金焊絲YGJT-3，其Cr含量12%~30%，C含量2.4%~3.6%，可減少母材的稀釋，增加熔覆金屬的強韌性和耐磨性，焊後硬度達49HRC，其合金成分如表2所示。
2、焊接流程與工藝
型面清潔與探測
模具零件型面清潔是焊接修復的基礎。採用乙炔加熱烘烤模具零件型面，清除表面的油污、水垢、鐵鏽等。採用裂紋探傷劑檢測裂紋氣孔的大小和方向，結合裂紋的深度在缺陷處打磨45°或60°的坡口，確保焊條或焊絲正常沉積（見圖4）。若裂紋範圍較大，可在裂紋兩端各鑽ϕ3~ϕ5mm的止裂孔。試驗模具裂紋起止處深度較淺，故不採用止裂孔工藝。
（a）裂紋及氣孔探傷
（b）打磨坡口
（c）模具零件預熱
圖4 焊前工作流程
焊前預熱
為減少焊接應力和裂紋，對模具零件表面進行適當預熱。由於汽車覆蓋件模具零件質量及尺寸較大，可採用乙炔進行表面淬火加熱，加熱溫度250~300℃（見圖4）。大面積堆焊時，需要在焊接部位兩側20~30mm範圍內預熱，預熱時溫度儘量保持均勻。焊條在使用前應進行烘烤，去除焊條中的水分、氧化物等雜質，烘烤溫度200~250℃，烘烤時間為30~60min。
焊接電流
選擇焊接電流對焊接質量有重要影響。電流過小，引弧困難且電弧不穩定，易造成未焊透或夾渣等缺陷；電流過大，易產生燒穿和咬邊，且合金元素燒損嚴重，造成焊縫接頭熱影響區晶粒粗大，降低焊縫力學性能。同時，過大的電流易使熔合線附近產生白口組織，導致裂紋或針狀氣孔的產生，造成製件拉傷。因此，在保證焊材與母材良好熔合的前提下選擇小電流，焊接參數如表3所示。試驗選擇90A的電流進行焊接，焊接時採用直流反接（焊條接正極，模具零件接負極）。同時，EWM冷弧焊機切換到智能脈衝模式，輸出電壓電流伺服隨焊條與模具零件型面的距離變化。由於電弧能量集中，在焊接過程中增加熔化層深度的同時降低填充材料的稀釋率，有效控制焊縫裂紋與氣孔，保證模具零件焊接質量。
焊接過程控制
試驗採用打底焊與蓋面焊組合及小電流慢速焊的工藝。使用Z308焊條分層打底堆焊，填充坡口底部，使用YJGT-3焊絲進行蓋面焊接。為避免熔覆金屬與母材在冷卻過程中因收縮比不同而產生裂紋，採用分段或分段逆向對稱焊接。焊接使用短弧垂直且直線運送焊絲的方式，每段焊道長80~100mm。為避免焊道的起止端落在拐角，起弧和收弧後回弧以防止氣孔產生（起弧和收弧後均再往回焊接一小段，使填充金屬再覆蓋上一層，防止起弧和收弧過程填充質量不佳造成氣孔）。焊接速度控制在3.2~3.5mm/s，焊後對各焊縫進行與焊接方向反向的機械敲擊，消除收縮應力，使熔覆金屬達到最佳結構。為防止因焊縫冷卻速度過快而產生白口或裂紋，分層堆焊時採用測溫儀測量焊接層間溫度，儘量使層間溫度保持在50~100℃。焊接過程控制如圖5所示。
（a）堆焊方式
（b）層間溫度測量
（c）反向敲打消除應力
圖5 焊接過程控制
焊後熱處理與硬度檢測
為避免熔覆金屬與母材冷卻速度過快產生白口組織或氣孔、裂紋等缺陷，焊後對焊縫進行100~150℃加熱，並蓋上石棉網以降低冷卻速度。焊後加熱工藝可有效提高模具工作型面的耐磨性及抗衝擊性能，對增大焊縫的強度及延長模具使用壽命具有重要作用。焊接結束後採用硬度計（型號Leeb110，示值誤差±6HLD）檢測焊縫硬度，如圖6所示，若硬度不足，則需打磨焊縫金屬重新修復。
圖6 硬度檢測
3、試驗結果與分析
（a）壓邊圈焊縫狀態
（b）壓邊圈焊縫鏡面打磨
（c）製件表面質量合格
圖7 焊接質量
採用上述工藝對模具壓邊圈進行補焊修復，焊縫質量良好，無裂紋、氣孔等缺陷產生，製件表面無拉傷、開裂等現象，如圖7所示。經檢測，熔覆金屬硬度為55HRC，強韌性及耐磨性等指標也符合拉深模技術要求。模具修復周期由3萬沖次提高至15萬沖次，提高了模具的使用壽命及製件成形質量。試驗結果表明，採用鎳基焊條Z308與合金焊絲YJGT-3組合的方式，可以在保證焊縫硬度的同時增加了熔覆金屬與母材的結合力，同時結合焊前預熱、小電流慢速焊等工藝，有效減少焊接應力與裂紋、氣孔等缺陷。
▍原文作者：韋榮發，張瑩，蒙世瑛，梁勝斌，麥育智
▍作者單位：上汽通用五菱汽車股份有限公司