H13模具鋼低功率活性激光焊

張成禹 戴鴻濱

(哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150040)

?

H13模具鋼低功率活性激光焊

張成禹 戴鴻濱

(哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150040)

傳統(tǒng)焊接修復(fù)失效模具耗時(shí)長，熱輸入分散，容易引起熱影響區(qū)性能惡化；激光焊修復(fù)失效模具自動化程度高、工時(shí)短、熱輸入量集中，但高功率激光修復(fù)模具性價(jià)比較低。將活性焊接技術(shù)應(yīng)用于模具修復(fù)，在低功率下可獲得較高的熔深，有效的降低成本。以H13熱模具鋼為試驗(yàn)對象，研究了低功率下活性劑對激光焊縫宏觀表面形貌、熔深熔寬以及微觀組織形貌的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，涂覆活性劑后，焊縫表面成型更好，焊縫顏色光亮，魚鱗紋清晰可見；焊縫熔寬在涂敷活性劑后會略有增加，而熔深則增加明顯，增深接近一倍。活性劑不管涂敷與否，焊縫均沒有裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，但是涂覆活性劑后導(dǎo)致了焊縫晶粒略微粗化。

活性劑 熱模具鋼 激光焊 低功率

0 序 言

H13 熱作模具鋼(國際牌號40CrMoV5，國內(nèi)牌號4Cr5MoSiV1)是目前世界上應(yīng)用最廣泛的熱作模具鋼之一[1]。 由于 H13模具鋼的合金元素含量較高，從而導(dǎo)致了 H13鋼在冶煉鑄造過程中容易出現(xiàn)偏析，加上模具工作環(huán)境惡劣，使模具內(nèi)部在服役過程中容易出現(xiàn)裂紋，服役壽命達(dá)不到預(yù)期，安全可靠性得不到滿足。模具的制造成本高、周期長，模具修復(fù)采用補(bǔ)焊技術(shù)能有效解決模具表面失效問題。

激光焊具有高精密、高自動化、焊接速度快、熱輸入集中、熱影響區(qū)小、焊縫性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此激光焊接技術(shù)由于其周期短、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[2-3]。但受制于激光功率和成本的限制，如果工件需要熔深較高，就需要較大的激光功率，然而高功率激光焊接成本甚至高于模具制造成本。

20世紀(jì)60年代烏克蘭巴頓焊接研究所率先在鈦合金焊接中引進(jìn)活性焊接技術(shù)，起到增加熔深和收縮電弧的效果[4]。20世紀(jì)90年代后，活性焊接技術(shù)逐漸引起人們的廣泛關(guān)注，各國開始進(jìn)行活性焊接技術(shù)的研究與應(yīng)用。在這樣的發(fā)展趨勢下，活性激光焊接技術(shù)被提出，并進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)以及廣泛的討論?；钚詣┠茉谝欢ǔ潭壬弦种乒庵碌入x子體的產(chǎn)生，增加母材對激光輻射的吸收能力，提高激光焊接熱輸入量密度，同時(shí)能夠改變?nèi)鄢乇砻鎻埩Γ绊懭鄢亓鲃臃较?。因此，相比于傳統(tǒng)激光焊，活性激光焊能夠獲得更大的熔深和熔寬[5-7]。

通過引進(jìn)活性焊接技術(shù)，將活性激光焊應(yīng)用于模具強(qiáng)化及修復(fù)中，在低功率的工藝參數(shù)下獲得較高的熔深，對降低生產(chǎn)成本，提高焊接效率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。文中主要研究了低功率下活性劑對H13熱作模具鋼激光焊接宏觀、微觀形貌及熔寬、熔深的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)活性劑選用混合活性劑，主要成分為SiO2，TiO2，Cr2O3等。試樣選用的是 H13熱作模具鋼，該材料的化學(xué)成分，見表1。

表1 H13模具鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)工藝方法

工藝試驗(yàn)為H13鋼激光活性焊接，采用方法為平板堆焊。平板堆焊的鋼板規(guī)格為60 mm×60 mm×5 mm，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

試驗(yàn)前先將試樣用砂紙打磨，用丙酮擦洗表面去除油污等有機(jī)物，烘干去除水分防止干擾試驗(yàn)結(jié)果。

表2 焊接試驗(yàn)參數(shù)

然后將研磨過篩的活性劑和丙酮溶劑混合均勻，用毛刷將活性劑溶液均勻地涂敷在試件的一側(cè)，其厚度直到看不到母材表面光澤為宜，留出試樣另一側(cè)作為空白對照，如圖1為活性劑對比涂覆方式，夾緊試樣，等到丙酮完全揮發(fā)后，進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

圖1 平板堆焊活性劑涂敷圖

焊接時(shí)采用同一塊板材，降低焊接母材對焊接試驗(yàn)的影響。每次焊接后充分冷卻，然后再進(jìn)行下一次焊接。由于脈沖激光焊的功率隨周期變化，為獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，在5組焊接參數(shù)下，分別施焊3次。

焊接后，先用數(shù)碼相機(jī)記錄焊縫表面形貌，然后在垂直于焊接方向上切割取樣，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后，使用金相顯微鏡觀察焊縫截面形貌，分析活性劑對焊縫表面成型、焊縫形態(tài)以及對焊縫組織的影響。測量焊縫熔深熔寬，整理數(shù)據(jù)，取平均值繪制折線圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

活性劑對激光焊接的作用機(jī)理一般認(rèn)為存在3個(gè)方面：①活性劑作用于熔池，改變了熔池金屬表面的表面張力梯度，影響熔池流動方向，增加熔深[5]；②活性劑作用于母材表面，提高母材對激光輻射的吸收率[6]；③活性劑對激光等離子體存在抑制作用，增加了工件表面對激光的吸收率[7]，減小熔寬，增加熔深。

2.1 宏觀表面形貌分析

圖2為激光焊接試驗(yàn)焊縫表面對比照片?？梢?，未涂覆活性劑部分焊縫表面成型良好，魚鱗紋較為清晰，但由于熔池有負(fù)的溫度梯度，流動方向從中心向周邊，形成淺而寬的熔池，激光能量輸入不能擴(kuò)散到更深一層，因此能量集中在表面附近，導(dǎo)致焊縫顏色變黑。相比之下，涂覆活性劑部分焊縫表面成型更好一些，熔池?fù)碛姓臏囟忍荻?，流動方向從周圍到中間，焊接熱輸入更容易擴(kuò)散到母材內(nèi)部，減少在表面的積聚，因此焊縫顏色光亮，魚鱗紋清晰可見。

圖2 焊縫表面形貌

2.2 活性劑對焊縫熔深熔寬的影響

將不同試驗(yàn)條件下試樣進(jìn)行切割，以制備金相照片。使用硝酸酒精溶液對金相試樣進(jìn)行腐蝕，觀察焊縫熔深熔寬。圖3至圖7為活性劑在不同離焦量參數(shù)下焊縫的對比照片，如圖可見活性劑對H13鋼熔深有很大的提高，熔寬則增加不明顯。

以上現(xiàn)象主要原因是：①由于活性劑顆粒在母材表面形成一層具有空隙結(jié)構(gòu)的涂層，降低激光的反射率，增加試樣表面對激光輻射的吸收率，進(jìn)而增加了焊縫的熱輸入，增加焊縫熔深熔寬；②根據(jù)表面張力梯度改變理論[8]，活化作用改變?nèi)鄢亓鲃臃较?，無活化作用時(shí)，熔池的流向?yàn)閺闹行牡街車?，有活化作用時(shí)，熔池流動方向則改為從周邊到中心，在中心附近對流，在母材內(nèi)部形成深且窄的熔池。因此活性劑使焊縫熔深增加明顯，熔寬基本沒有改變。

圖3 離焦量為5 mm時(shí)熔深熔寬對比

圖4 離焦量為5.5 mm時(shí)熔深熔寬對比

圖5 離焦量為6 mm時(shí)熔深熔寬對比

圖6 離焦量為6.5 mm時(shí)熔深熔寬對比

圖7 離焦量為7 mm時(shí)熔深熔寬對比

圖8是焊縫熔深對比圖。由圖可知，當(dāng)離焦量為5 mm時(shí)，焊縫熔深最大，此時(shí)未涂敷活性劑的焊縫熔深為0.327 mm，涂敷活性劑的焊縫熔深則可達(dá)到0.548 mm，是未涂敷活性劑處的1.67倍。當(dāng)離焦量為7 mm時(shí)，熔深最小，未涂敷活性劑焊縫的熔深為0.291 mm，涂敷活性劑后焊縫熔深增加到0.482 mm，是未涂敷活性劑的1.65倍。

圖8 焊縫熔深對比圖

經(jīng)過對比分析可知，活性劑顯著的增加焊縫熔深，同時(shí)隨著離焦量的增加，活性劑增加焊縫熔深的效果降低。其原因?yàn)椋弘S著正離焦量的增加，電弧分散，激光輻射能量不足，對活性劑電離效果降低，導(dǎo)致活化效果變差，熔池能量減小，流動變慢，導(dǎo)致了活性劑使焊縫熔深增加效果的降低。

圖9是焊縫熔寬對比圖。由圖可知，當(dāng)離焦量為5 mm時(shí)焊縫熔寬最大，此時(shí)未涂敷活性劑的焊縫熔寬為2.27 mm，涂敷活性劑后焊縫熔寬增加至2.45 mm，增加了8%。當(dāng)離焦量增加到7 mm時(shí)熔寬最小，此時(shí)未涂敷活性劑的熔寬為2.04 mm，涂敷活性劑后焊縫熔寬增加至2.16 mm，增加了6%。

圖9 焊縫熔寬對比圖

經(jīng)過對比分析可知，活性劑對焊縫熔寬略有增加，同時(shí)隨著離焦量的增加，活性劑增加焊縫熔深的效果降低。主要原因?yàn)椋孩倩钚詣黾幽覆膶す廨椛涞奈章?，使焊縫熔寬增加；②活性劑改變?nèi)鄢乇砻鎻埩μ荻?，使熔池的流動方向改變，增加焊縫熔深，減少焊縫熔寬。在兩種原因的共同作用下，活性劑使焊縫熔寬略有增加。

2.3 微觀組織形貌分析

重新制備金相試樣，使用FeCl3溶液進(jìn)行焊縫腐蝕，使用金相顯微鏡觀察焊縫變化。焊縫金相對比如圖10所示。對比試驗(yàn)中兩組試樣可知，二者均焊縫成型良好，沒有裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，但涂敷活性劑后焊縫晶粒粗化，主要是因?yàn)榛钚詣┰黾恿嗽嚇訉す廨椛涞奈漳芰?，使焊接熱輸入增大，晶粒變粗?/p>

圖10 焊縫金相對比圖

3 結(jié) 論

(1)離焦量較為明顯地改變了焊縫熔深熔寬。隨著正離焦量的增加，熱輸入分散，焊縫熔深熔寬均減少。隨著正離焦量的增加，激光能量分散，活性劑對焊縫熔深、熔寬的影響降低。

(2)活性劑明顯增加了H13模具鋼的焊縫熔深，當(dāng)離焦量為5 mm時(shí)，活性激光焊接熔深可達(dá)傳統(tǒng)激光焊接的1.66倍；但活性劑對焊縫熔寬基本沒有影響。

(3)活性劑不改變焊縫微觀組織，但由于熱輸入量的增加，焊縫區(qū)晶粒略微粗化。

(4)低功率激光焊中活性劑作用機(jī)理主要是通過改變?nèi)鄢乇砻鎻埩M(jìn)而影響熔池流動方向，以及增加試樣表面粗糙度增加激光吸收率。

[1] 曹光明. H13熱作模具鋼的表面熱處理[J].特殊鋼，2005，26(1)：34-37．

[2] 曹洪剛. H13模具半導(dǎo)體激光強(qiáng)化與修復(fù)的研究[D].長春：吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015.

[3] 黃 峰，屈金山，趙 朗．激光焊接參數(shù)對冷作模具鋼焊縫表面成型的影響[J]．焊接技術(shù)，2009，38(10)：12-15．

[4] Zgurevic S M，Zamokov V N，Kushirenko N A. Improving the penetration of titanium alloys when they are welded by tungsten arc proeess[J]. Automatic Welding，1965，18(9): 1-5.

[5] Heiple C R，Roper J R. Effect of selenium on GTA fusion zone geometry[J]. Welding Journal，1981(8): 143-145.

[6] 潘曉冬，劉金合，包海濤，等. 活性劑對不銹鋼YAG激光-電弧復(fù)合焊接的影響[J]. 航空制造技術(shù)，2010(11):92-95.

[7] 馬立彩，劉金合，謝耀征，等. 激光焊活性影響等離子體的初步研究[J]. 電焊機(jī)，2005，35(7): 35-38.

[8] Heiple C R，Roper J R. Effect of selenium on GTA fusion zone geometry[J]. Welding Journal，1981(8): 143-145.

2016-06-21

TG442

張成禹，1991年出生，碩士研究生。主要研究方向?yàn)榧す夂附蛹夹g(shù)。

戴鴻濱，1971年出生，碩士，副教授。主要研究方向?yàn)闊o損檢測及焊接技術(shù)。