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汽车覆盖件冲模焊接修复工艺探究

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《汽车知识》2018年第5期

摘要:针对汽车覆盖件冲模补焊修复过程出现的裂纹、气孔、咬边及硬度不足等缺陷,介绍了冲模的材料成分及性能,总结了模具修复过程中常见焊接缺陷的产生机理及改进措施。在此基础上,根据模具不同部位的硬度、耐磨性等工艺要求,详细阐述了拉深模、修边模、整形模修补过程选择的焊材与焊接工艺,并以某车型前门内板拉深模为载体进行试验验证,结果表明,采用镍系焊条打底与硬质合金焊丝盖面的焊接工艺可获得良好的焊缝质量,满足拉深模成形零件的质量要求,为汽车覆盖件冲模零件的焊接修复提供借鉴。

关键词:汽车覆盖件;冲模;焊接缺陷;焊接工艺;焊接质量

0引言

汽车覆盖件作为功能性零件,对汽车的2018注册送白菜网站、隔振降噪性能以及整车的造型风格与静态感知质量等具有重要影响。汽车覆盖件通常由板材经拉深、整形、修边、翻边及冲孔等工艺冲压而成,其中,拉深模的质量与精度决定了拉深件的成形质量,进而决定了汽车覆盖件的表面质量与尺寸精度[1]。在汽车覆盖件生产过程中,模具零件表面与板材发生剧烈摩擦,在持续交变载荷作用下,模具零件常因受力不均匀或瞬间冲击等因素而出现拉伤、变形及崩刃等缺陷,降低了模具的成形质量与冲压件尺寸精度,增加企业运行成本[2]。为恢复模具的使用功能和确保冲压件成形质量,通常对模具进行堆焊修复。受企业规模及经济发展水平的制约,目前国内大部分汽车主机厂和模具制造商并未对模具零件的焊接工艺进行系统管理及完整的质量跟踪,仅依靠操作者的经验及技能进行修复,造成焊接质量不稳定甚至模具报废的现象[3]。以下从消除汽车覆盖件焊接裂纹、气孔及硬度不足等缺陷的角度出发,介绍冲模零件的材料成分及性能,总结模具修复过程中常见焊接缺陷的产生机理及改进措施。在此基础上,根据模具不同部位的硬度、耐磨性等工艺要求,详细阐述了拉深模、修边模、整形模修补过程的焊材与焊接工艺选择,并以某车型前门内板拉深模为实例进行验证,探讨冲模的焊接修复工艺。

1冲模零件材料及焊接性能

1.1冲模零件材料汽车覆盖件冲模常用材料有铸铁、铸钢及锻钢3种类型,根据落料模、拉深模、修边模及翻边模等不同部位的性能要求合理选择模具材料[4]。与板料发生直接作用的零件工作部分的材料要求较高,根据制件的强度、料厚、形状以及模具零件本身强度等因素综合考虑,比如压边圈、修边、翻边、镶件等材料通常选用合金铸铁、铸钢与锻钢等,如图1所示。非参与工作部分的零件材质一般要求略低,比如上、下模模座、压料芯等通常为灰铸铁。

1.2冲模焊接性能合金元素会影响铸铁结晶时的石墨化程度、石墨的形态及基体的组织[5,6]。根据化学元素对铸铁结晶时石墨化程度的影响,把合金元素分为促进石墨化元素,如C、Si、Al、Ni、Cu,另一类是阻止石墨化(促进白口化)的元素,如S、V、Cr、Mo、Mn等。灰铸铁HT300化学成分特点是S、P的杂质含量较高,焊接过程中形成低熔点的FeS,与Fe形成共晶时易造成偏析,降低晶界强度,增加焊接难度。由于焊缝金属强度低、塑性差,容易产生裂纹,造成铸铁焊接性能不良,主要表现为焊接接头易形成白口铸铁与高碳马氏体,在焊接应力下易产生冷裂纹或热裂纹。SKD11属于再热裂纹敏感的钢种,这与其合金元素有关,Cr、Mo、V的敏感温度区间在500~700℃,在焊后热处理或长期高温工作环境中,在热影响区熔合线附近的粗晶区内产生裂纹。目前常用的模具钢中SKD11的焊接性能最差,容易出现冷裂纹、热裂纹或硬度不足等现象。ICD-5具有均匀的组织和硬度分布,良好的切削性和加工性,还具有良好的焊接性能,但易出现焊后冷裂纹缺陷。焊接过程中,由于ICD-5的高淬透性,一旦停止焊接,焊接处迅速冷却,焊缝金属与热影响区部位将发生硬化,硬化组织产生应力,增大冷裂纹的敏感性。

2焊接缺陷与机理分析

根据冲模零件母材特性、焊材选择与焊接工艺等因素,常见的焊接缺陷有裂纹、气孔与夹渣、硬度不足等,如图3所示。(1)裂纹。①热裂纹,采用镍基材料焊补铸铁时,由于铸铁S、P杂质含量较高,形成较多的低熔点共晶物,如Ni-Ni3S2(熔点664℃)、Ni-Ni3P(熔点880℃);采用低碳钢焊条焊补铸铁时,第一、二层焊缝会从铸铁溶入较多的C、S及P等杂质,使第一、二层焊缝的热裂纹敏感性增加;②冷裂纹,当焊缝为铸铁型时,焊缝较长或焊补刚性较大时常发生这种裂纹,产生原因是焊接过程中焊件局部受热不均匀,焊缝在冷却过程中产生巨大的拉应力,且铸铁强度低,400℃以下塑性差,当拉应力超过铸铁的抗拉强度时即发生焊缝冷裂纹。此外,当焊缝中存在白口铸铁时,由于白口铸铁的收缩率为2.3%,大于母材的收缩率1.26%,白口层与基层间形成剪切应力,当焊缝强度大于母材时,冷却过程中母材牵制不住焊缝的收缩,结果母材在结合处被撕裂,出现焊接冷裂纹[7]。(2)气孔与夹渣。焊接过程中,熔池中的气体未完全溢出熔池(部分溢出),而熔池已经凝固,在焊缝表面形成孔洞。当焊条没有经过烘烤或烘烤不符合要求、焊丝或零件表面的油污、潮气清理不干净,焊接过程中自身产生的气体或杂质进入熔池等因素均会导致气孔的产生。焊接过程中,当采用多层多道堆焊时,层间药皮清理不干净或焊接线能量小、焊接速度过快等易造成焊件表面夹渣。(3)硬度不足。焊接时电流过大,对模具母材的稀释率过大,母材的合金元素受损;焊接时预热温度与层间温度控制不合理,熔敷金属金相组织发生变化或堆焊层数过多等均易导致焊缝金属硬度不足。

3焊接工艺研究

3.1焊接设备与焊材选择根据模具修复面积的大小与填充厚度,可选择直流焊机ZX7-400或水冷式氩弧焊机EWM。损伤面积较大的模具维修通常选择直流焊机,焊接强度与堆焊效率较高;氩弧焊机具有智能脉冲且电弧能量集中、焊接变形量小的特点,适用于厚度较薄或小范围崩刃、钝化、轻微损伤的修复。针对模具零件母材特性与硬度要求,选择材料相近的焊材,确保焊缝金属具有较高的强度与耐磨性[9]。

3.2焊接流程与工艺

3.2.1焊前准备进行焊接修复前需要对模具零件表面进行清洁处理,通常采用乙炔火焰对零件进行热处理或氯化碳清洗擦拭坡口,清除零件表面的油污、水垢及铁锈等杂质,避免出现气孔或翻浆等现象[10]。为使焊接过程中熔敷金属正常沉积,需要根据修复部位的形状与尺寸打磨相应的工艺坡口,如图4所示。为减小焊接过程中焊接区与非焊接区的温度差异,缓解因温差过大出现的焊接应力,通常对焊材与母材进行预热。焊前对焊条进行烘烤,温度250~300℃,时间0.5~1h。模具的预热温度根据母材碳含量的高低决定。

3.2.2焊接过程控制电流大小对焊接质量具有重要影响[12],电流过小易造成未焊透或夹渣等缺陷;电流过大易烧穿和咬边,且合金元素烧损严重,母材中的碳元素进入熔池的量增加,降低填充材料的稀释率,使焊缝脆而弱,且在熔合线附近产生白口组织,易导致裂纹或针眼状气孔的产生,造成零件拉伤。

3.2.3焊后热处理为避免熔敷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,并盖上石棉网使其缓慢冷却。通过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,对焊缝的强度及使用寿命具有重要作用。焊接结束后采用硬度计检测焊缝硬度,如图6所示,若硬度不足,打磨焊缝金属后重新修复。

4焊接工艺试验为验证

焊接工艺的有效性,以某车型前门内板拉深模压边圈为载体进行试验。该压边圈材料为球墨铸铁GM246,拉深槽R角前期补焊修复时因焊材、焊接工艺不匹配等因素产生焊接气孔,造成拉深成形时零件拉伤,影响零件成形质量。由于拉深槽R角管控板料的流入速度与流入量,其粗糙度与硬度等工艺参数要求严格。在上述焊接工艺分析的基础上,试验焊材选型NH-G241,直流焊机ZX7-400,打磨4~6mm的坡口,同时根据母材特性,严格遵循焊前预热、焊间温控与锤击、焊后缓冷等工艺进行施焊。观察试验结果发现,焊缝质量良好,无气孔、裂纹、咬边等焊接缺陷,修复流程如图7所示,焊接修复效果如图8所示。经检测,熔敷金属硬度为53HRC(标准为48~53HRC),表面质量与硬度等指标符合拉深模技术要求。试验结果表明,该焊接工艺可有效避免气孔、裂纹与硬度不足等焊接缺陷,获得良好的焊缝质量,满足冲模零件焊接要求。

5结束语

基于金属焊接理论与大量的修模实践,针对不同材料的模具母材及性能要求,同时结合模具修复部位的面积及应力状况,制定焊材选型、焊前预热、焊中温控与焊后缓冷的焊接工艺,并以某车型前门内板拉深模压边圈为载体进行试验,通过采用上述焊接工艺可获得良好的焊接质量,焊缝强度、硬度及耐磨性均符合模具使用技术要求。该焊接工艺可实现汽车覆盖件冲模的有效修复,提升冲模的成形精度与零件成形质量。

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作者:韦荣发;蒙世瑛;张志;石峰;吴海刚单位:上汽通用五菱汽车股份有限公司

汽车知识杂志责任编辑:张雨    阅读:人次

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