摘要：采用激光熔焊對有裂紋和磨損的A-MAX鋼壓鑄模具進行模具修復與維護，并對修復后的模具進行微觀組織、拉伸性能和疲勞性能的分析。結果表明，激光熔焊接頭焊縫區存在細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，接頭熱影響區組織為鐵素體和珠光體。經過激光熔焊的模具的抗拉強度和伸長率達到全新A-MAX模具的93.95%和88.92%，而且修復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次數在同一個數量級。
模具制造隨著工業技術的飛速發展而不斷擴展，已在現代制造加工業特別是精密制造領域中獲得廣泛的應用，能有效地提高材料的利用率和延長產品的使用壽命。隨著壓鑄行業的飛速發展，對壓鑄模具的綜合力學性能及使用壽命等提出更高要求，同時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境引起模具表面或內部出現腐蝕、磨損或裂紋導致模具性能下降，甚至會導致模具失效。模具的制造涉及材質的選擇、復雜的精密加工和相關的熱處理制度，其制造成本高且周期長。因此，為避免模具由于出現裂紋或磨損等失效形式而影響生產，而采用模具修補焊接技術，該技術是一種解決模具表面失效的直接而有效的方法。激光熔焊技術作為一種高功率密度、能量集中、對焊材損失小，且便于實現自動化的高效精密焊接，可實現大熔深、低殘余應力與變形的構件焊接，因此激光修補模具焊接技術由于其成本低、周期短、修復效果好而成為一項常用的模具修補焊接技術，克服了冷焊和氬弧焊在修復模具精細表面上存在的不足。
1 試驗條件與設備
1.1 試驗條件
研究對象為有裂紋的發動機缸體壓鑄模具。模具材質為 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%。該鋼具有優異的抗龜裂性能、高溫韌性、高溫強度、耐火性能和耐高溫強度的性能，用于各類大型、復雜的壓鑄模具。模具幾何尺寸為200mm×120mm×10mm ，化學成分見表１。
試驗過程中，采用丙酮或無水乙醇代替工業清潔劑用于焊前的表面清潔，要反復清洗，才能滿足焊接要求，因為清洗不徹底或二次污染帶來的問題最終會導致修復質量大大降低。
1.2 試驗設備
激光熔焊設備采用SLC數控激光多功能加工機，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，保護氣體為氬氣。
1.3 測試方法
采用HY－932型拉伸試驗機進行拉伸性能測試，按GB/T 228－2002標準，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型高頻疲勞試驗機測試接頭的疲勞性能，疲勞試件按照國標GB/T 2015111－1994制作，循環應力的應力比為0.1，頻率為100Hz。為了減少試驗誤差，每種試樣進行2個平行樣的試驗。
2 試驗結果與分析
2.1 微觀組織分析
圖1 激光焊接修復后 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，焊縫中間為細晶組織，而熔合區的為柱狀晶，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，使得A-MAX鋼模具的激光焊熱影響區很小，但仍可以看到在模具修復處接頭的熱影響區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鋼的焊縫區組織是較為細小淬火組織，同時還可觀察到有細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小析出物，這有利于提高A-MAX鋼模具修復處的強度。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，導致接頭熔融區的液態金屬將以較快的冷卻速率凝固，這就相當于焊縫區組織經歷了一次快速淬火過程，得到了強度、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 拉伸試驗后的修復模具與全新模具試樣狀態圖
圖2為修復后模具與全新模具拉伸后試樣狀態圖。由圖2可看出，修復后模具的拉伸斷口出現在熔合區附近，全新模具的拉伸斷口出現在母材其他位置。
圖3 常溫下拉伸應力-應變曲線
圖3為常溫下修復后模具與全新模具的拉伸應力－應變曲線。可以看出，拉伸試樣的變形隨著拉伸應力的增加而增加，但并不成線性關系；當拉伸應力在690MPa以下時，A-MAX鋼的應變較為明顯，當拉伸應力在750MPa以上變化時拉伸應力與應變呈近似線性關系。
圖4 試樣的拉伸試驗結果對比
圖4為修復模具與全新模具的抗拉強度與伸長率的對比結果。其中，全新A-MAX模具的抗拉強 度為843MPa，伸長率為9.419%；修復后A-MAX模具的抗拉強度為792MPa，伸長率為8.375%，修復后模具的抗拉強度達到全新A-MAX模具的93.95%，伸長率也達到了全新模具的88.92%。由此可以看出，經過激光熔焊修復后熱作模具的焊接接頭的抗拉強度和伸長率都非常接近全新的A-MAX模具，具有較佳的力學性能。導致模具修復處的焊縫強度接近A-MAX鋼母材的原因在于，模具修復處是激光熔焊中能量與溫度最高的區域，導致該焊縫區域在熔深方向上的焊接溫度均大于鋼的Ac3線溫度，并且A-MAX鋼調質態的成分呈較為均勻分布。這樣在較高溫度條件下碳和其他合金元素可充分擴散，容易獲得組織成分均勻的奧氏體組織結構。加之激光熔焊速率較快，隨后焊縫區熔融金屬會以較快速率急速冷卻下來，最終形成規則排列的貧碳細板條馬氏體和少量殘余鐵素體組織，且經激光熔焊后，焊接接頭獲得的板條狀馬氏體組織更為細密。
2.3 疲勞性能分析
圖5 試樣疲勞試驗結果
圖5是在QBG-25型高頻疲勞試驗機測試的兩種試樣的疲勞試驗結果。其中試樣1與試樣2為修復后模具的疲勞試樣，試樣3與試樣4為全新模具的疲勞試樣。可以看出，試樣3的疲勞循環次數最大，取兩次測試的均值為20619次；修復后A-MAX模具的 試樣1與試樣2的疲勞循環次數均值為17322次，約為全新模具的83.69%。由此可以看出，對即將報廢的模具采用激光修復焊接后其高頻疲勞壽命得到提高，接近全新A-MAX模具，并與全新模具的疲勞循環次數已經在同一個數量級。
3 結論
（1）A-MAX鋼模具修復處的接 頭焊縫區存在細小的板條狀馬氏體以及一些沿晶界分布的鐵素體組織，接頭熱影響區微觀組織特征為鐵素體和珠光體組織。
（2）經過激光熔焊修復的熱作模具的抗拉強度和伸長率達到 全新A-MAX模具 的93.95%和89.92%，修復后模具的力學性能接近全新的A-MAX模具的性能。
（3）經過激光熔焊修復的熱作模具的疲勞壽命約為全新模具的83.69%，與全新模具的疲勞循環次數已經在一個數量級。
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