在汽车覆盖件生产过程中，模具承受载荷较大，当压边间隙不均匀或板料定位不准确时常导致模具零件出现疲劳磨损、塌陷、变形等缺陷，降低了模具零件精度及冲压件成形质量。为降低企业生产成本，通常采用激光熔覆、金属碳化物扩散覆层（TD）及焊接等方式修复受损模具零件，堆焊是目前模具零件的重要修复手段。
受企业生产规模及经济发展水平的制约，国内大部分汽车主机厂和模具制造商并未具零件进行修复，使模具零件焊接质量不稳定甚至报废。铸铁的焊接性能差，焊接过程易出现气孔、裂纹、咬边及夹渣等缺陷，其中，裂纹与气孔是最主要的焊接缺陷。对于拉深行程较大的制件，由于板料与模具零件表面作用力大，板料对模具零件型面的气孔、裂纹缺陷敏感，易造成制件拉伤，影响制件成形质量。模具型面缺陷与制件失效形式如图1所示。
（a）裂纹
（b）气孔
（c）制件开裂
图1 模具型面缺陷与制件失效形式
现从消除汽车覆盖件铸铁模具零件焊接裂纹和气孔的角度出发，介绍了铸铁模具零件的材质及焊接性能、焊接失效类型及形成机理，分析并制订相应焊材组合及焊接工艺。同时以某车型拉深模为研究对象，详细分析铸铁模具零件的焊接工艺及技术要点，探讨改善铸铁模具零件焊接裂纹和气孔的方法与措施。
壹 铸铁模具零件母材及焊接性能
铸铁因具备一定的强韧性、耐磨性及较高经济效益，广泛应用于汽车覆盖件冲模零件制造。铸铁模具零件的性能主要取决于基体的材料。铸铁基体中铁素体含量越多，塑性越好；珠光体含量越多，抗拉强度和硬度越高。常用的拉深模铸铁材料的化学成分如表1所示。由表1可知，铸铁中富含C、Si、Al等合金元素，这些元素能够促进铸铁的石墨化程度，增强模具零件的耐冲击和耐高温腐蚀性能，但由于铸铁中S、P杂质含量高，焊后裂纹和气孔的敏感性大，降低铸铁模具零件的焊接性能。采用氧化铁型焊条焊接灰铸铁，由于融合比大，母材中的C、P、S在焊缝区域形成大量低熔点共晶体，导致热裂纹产生。
贰 焊接裂纹和气孔类型及产生机理
1、焊接裂纹
根据母材特性、焊接裂纹分布及形成条件，焊接裂纹主要分为热裂纹和冷裂纹。
热裂纹
焊接过程中，焊接区域与周围母材温差较大，若冷却速度过快，融合线附近的石墨析出不充分，转化为Fe3C。Fe3C的收缩比大于铸铁基体，使融合线附近的白口层和基体之间形成剪切力产生热裂纹。采用镍基焊条焊接含C、P、S等杂质的铸铁时，P、S元素与Ni形成低熔点共晶体，增加焊缝热裂纹的敏感性。
冷裂纹
冷裂纹通常出现在焊缝热影响区。焊接时，焊缝受冷热的交替作用，在冷却过程中容易产生应力，且冷却温度越低应力越大。在应力作用下，石墨尖端出现应力集中，当应力超过焊缝金属强度时，就会产生微裂纹，最后形成宏观裂纹并扩展至整个焊缝。冷裂纹受焊缝石墨化程度影响，石墨化不充分时，易出现白口层，白口铸铁与基体收缩率的差异导致冷裂纹的产生。
2、焊接气孔
焊接时，熔池中的气泡在凝固时若未能及时逸出会形成气孔。焊条或制件表面的油污、空气中的水分或熔池在高温下氧化程度等均影响焊接气孔的形成。焊接气孔降低了制件焊接强度和气密性，导致应力集中，促使焊接裂纹的产生。
叁 焊接工艺试验
1、试验设备与材料
为验证焊接工艺的各项指标，选择某车型发动机罩外板拉深模压边圈进行试验，如图2所示。压边圈材料为球墨铸铁GM246，拉深槽R角及管理面在补焊修复过程中存在多处裂纹和气孔。焊机采用德国水冷式氩弧焊机EWM，具有智能脉冲且电弧能量集中的特点，如图3所示。
图2 某车型压边圈
图3 EWM焊机
打底焊材选用ϕ2.6mm的镍基焊条Z308，该焊条富含Ni、Si、Al等促进石墨化的元素，其良好的塑性增加焊缝与母材的结合力，在焊缝冷却收缩过程中通过塑性变形缓解焊接内应力。盖面选择ϕ2.0mm高铬合金焊丝YGJT-3，其Cr含量12%~30%，C含量2.4%~3.6%，可减少母材的稀释，增加熔覆金属的强韧性和耐磨性，焊后硬度达49HRC，其合金成分如表2所示。
2、焊接流程与工艺
型面清洁与探测
模具零件型面清洁是焊接修复的基础。采用乙炔加热烘烤模具零件型面，清除表面的油污、水垢、铁锈等。采用裂纹探伤剂检测裂纹气孔的大小和方向，结合裂纹的深度在缺陷处打磨45°或60°的坡口，确保焊条或焊丝正常沉积（见图4）。若裂纹范围较大，可在裂纹两端各钻ϕ3~ϕ5mm的止裂孔。试验模具裂纹起止处深度较浅，故不采用止裂孔工艺。
（a）裂纹及气孔探伤
（b）打磨坡口
（c）模具零件预热
图4 焊前工作流程
焊前预热
为减少焊接应力和裂纹，对模具零件表面进行适当预热。由于汽车覆盖件模具零件质量及尺寸较大，可采用乙炔进行表面淬火加热，加热温度250~300℃（见图4）。大面积堆焊时，需要在焊接部位两侧20~30mm范围内预热，预热时温度尽量保持均匀。焊条在使用前应进行烘烤，去除焊条中的水分、氧化物等杂质，烘烤温度200~250℃，烘烤时间为30~60min。
焊接电流
选择焊接电流对焊接质量有重要影响。电流过小，引弧困难且电弧不稳定，易造成未焊透或夹渣等缺陷；电流过大，易产生烧穿和咬边，且合金元素烧损严重，造成焊缝接头热影响区晶粒粗大，降低焊缝力学性能。同时，过大的电流易使熔合线附近产生白口组织，导致裂纹或针状气孔的产生，造成制件拉伤。因此，在保证焊材与母材良好熔合的前提下选择小电流，焊接参数如表3所示。试验选择90A的电流进行焊接，焊接时采用直流反接（焊条接正极，模具零件接负极）。同时，EWM冷弧焊机切换到智能脉冲模式，输出电压电流伺服随焊条与模具零件型面的距离变化。由于电弧能量集中，在焊接过程中增加熔化层深度的同时降低填充材料的稀释率，有效控制焊缝裂纹与气孔，保证模具零件焊接质量。
焊接过程控制
试验采用打底焊与盖面焊组合及小电流慢速焊的工艺。使用Z308焊条分层打底堆焊，填充坡口底部，使用YJGT-3焊丝进行盖面焊接。为避免熔覆金属与母材在冷却过程中因收缩比不同而产生裂纹，采用分段或分段逆向对称焊接。焊接使用短弧垂直且直线运送焊丝的方式，每段焊道长80~100mm。为避免焊道的起止端落在拐角，起弧和收弧后回弧以防止气孔产生（起弧和收弧后均再往回焊接一小段，使填充金属再覆盖上一层，防止起弧和收弧过程填充质量不佳造成气孔）。焊接速度控制在3.2~3.5mm/s，焊后对各焊缝进行与焊接方向反向的机械敲击，消除收缩应力，使熔覆金属达到最佳结构。为防止因焊缝冷却速度过快而产生白口或裂纹，分层堆焊时采用测温仪测量焊接层间温度，尽量使层间温度保持在50~100℃。焊接过程控制如图5所示。
（a）堆焊方式
（b）层间温度测量
（c）反向敲打消除应力
图5 焊接过程控制
焊后热处理与硬度检测
为避免熔覆金属与母材冷却速度过快产生白口组织或气孔、裂纹等缺陷，焊后对焊缝进行100~150℃加热，并盖上石棉网以降低冷却速度。焊后加热工艺可有效提高模具工作型面的耐磨性及抗冲击性能，对增大焊缝的强度及延长模具使用寿命具有重要作用。焊接结束后采用硬度计（型号Leeb110，示值误差±6HLD）检测焊缝硬度，如图6所示，若硬度不足，则需打磨焊缝金属重新修复。
图6 硬度检测
3、试验结果与分析
（a）压边圈焊缝状态
（b）压边圈焊缝镜面打磨
（c）制件表面质量合格
图7 焊接质量
采用上述工艺对模具压边圈进行补焊修复，焊缝质量良好，无裂纹、气孔等缺陷产生，制件表面无拉伤、开裂等现象，如图7所示。经检测，熔覆金属硬度为55HRC，强韧性及耐磨性等指标也符合拉深模技术要求。模具修复周期由3万冲次提高至15万冲次，提高了模具的使用寿命及制件成形质量。试验结果表明，采用镍基焊条Z308与合金焊丝YJGT-3组合的方式，可以在保证焊缝硬度的同时增加了熔覆金属与母材的结合力，同时结合焊前预热、小电流慢速焊等工艺，有效减少焊接应力与裂纹、气孔等缺陷。
▍原文作者：韦荣发，张莹，蒙世瑛，梁胜斌，麦育智
▍作者单位：上汽通用五菱汽车股份有限公司
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