模具制造隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展而不斷擴(kuò)展，已在現(xiàn)代制造加工業(yè)特別是精密制造領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用，能有效地提高材料的利用率和延長產(chǎn)品的使用壽命。隨著壓鑄行業(yè)的飛速發(fā)展，對壓鑄模具的綜合力學(xué)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(huán)境引起模具表面或內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕、磨損或裂紋導(dǎo)致模具性能下降，甚至?xí)?dǎo)致模具失效。模具的制造涉及材質(zhì)的選擇、復(fù)雜的精密加工和相關(guān)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(xiàn)裂紋或磨損等失效形式而影響生產(chǎn)，而采用模具修補(bǔ)焊接技術(shù)，該技術(shù)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(shù)作為一種高功率密度、能量集中、對焊材損失小，且便于實現(xiàn)自動化的高效精密焊接，可實現(xiàn)大熔深、低殘余應(yīng)力與變形的構(gòu)件焊接，因此激光修補(bǔ)模具焊接技術(shù)由于其成本低、周期短、修復(fù)效果好而成為一項常用的模具修補(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。

1 試驗條件與設(shè)備

1.1 試驗條件

研究對象為有裂紋的發(fā)動機(jī)缸體壓鑄模具。模具材質(zhì)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(yōu)異的抗龜裂性能、高溫韌性、高溫強(qiáng)度、耐火性能和耐高溫強(qiáng)度的性能，用于各類大型、復(fù)雜的壓鑄模具。模具幾何尺寸為200mm×120mm×10mm ，化學(xué)成分見表１。

試驗過程中，采用丙酮或無水乙醇代替工業(yè)清潔劑用于焊前的表面清潔，要反復(fù)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(dǎo)致修復(fù)質(zhì)量大大降低。

1.2 試驗設(shè)備

激光熔焊設(shè)備采用SLC數(shù)控激光多功能加工機(jī)，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(hù)氣體為氬氣。

1.3 測試方法

采用HY－932型拉伸試驗機(jī)進(jìn)行拉伸性能測試，按GB/T 228－2002標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)測試接頭的疲勞性能，疲勞試件按照國標(biāo)GB/T 2015111－1994制作，循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力比為0.1，頻率為100Hz。為了減少試驗誤差，每種試樣進(jìn)行2個平行樣的試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 微觀組織分析

圖1?激光焊接修復(fù)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(xì)晶組織，而熔合區(qū)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(qū)很小，但仍可以看到在模具修復(fù)處接頭的熱影響區(qū)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(qū)組織是較為細(xì)小淬火組織，同時還可觀察到有細(xì)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(xì)小析出物，這有利于提高A-MAX鋼模具修復(fù)處的強(qiáng)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(dǎo)致接頭熔融區(qū)的液態(tài)金屬將以較快的冷卻速率凝固，這就相當(dāng)于焊縫區(qū)組織經(jīng)歷了一次快速淬火過程，得到了強(qiáng)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(fù)模具與全新模具試樣狀態(tài)圖

圖2為修復(fù)后模具與全新模具拉伸后試樣狀態(tài)圖。由圖2可看出，修復(fù)后模具的拉伸斷口出現(xiàn)在熔合區(qū)附近，全新模具的拉伸斷口出現(xiàn)在母材其他位置。

圖3 常溫下拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3為常溫下修復(fù)后模具與全新模具的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線?？梢钥闯觯煸嚇拥淖冃坞S著拉伸應(yīng)力的增加而增加，但并不成線性關(guān)系；當(dāng)拉伸應(yīng)力在690MPa以下時，A-MAX鋼的應(yīng)變較為明顯，當(dāng)拉伸應(yīng)力在750MPa以上變化時拉伸應(yīng)力與應(yīng)變呈近似線性關(guān)系。

圖4 試樣的拉伸試驗結(jié)果對比

圖4為修復(fù)模具與全新模具的抗拉強(qiáng)度與伸長率的對比結(jié)果。其中，全新A-MAX模具的抗拉強(qiáng) 度為843MPa，伸長率為9.419%；修復(fù)后A-MAX模具的抗拉強(qiáng)度為792MPa，伸長率為8.375%，修復(fù)后模具的抗拉強(qiáng)度達(dá)到全新A-MAX模具的93.95%，伸長率也達(dá)到了全新模具的88.92%。由此可以看出，經(jīng)過激光熔焊修復(fù)后熱作模具的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長率都非常接近全新的A-MAX模具，具有較佳的力學(xué)性能。導(dǎo)致模具修復(fù)處的焊縫強(qiáng)度接近A-MAX鋼母材的原因在于，模具修復(fù)處是激光熔焊中能量與溫度最高的區(qū)域，導(dǎo)致該焊縫區(qū)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(diào)質(zhì)態(tài)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?jǐn)U散，容易獲得組織成分均勻的奧氏體組織結(jié)構(gòu)。加之激光熔焊速率較快，隨后焊縫區(qū)熔融金屬會以較快速率急速冷卻下來，最終形成規(guī)則排列的貧碳細(xì)板條馬氏體和少量殘余鐵素體組織，且經(jīng)激光熔焊后，焊接接頭獲得的板條狀馬氏體組織更為細(xì)密。

2.3 疲勞性能分析

圖5 試樣疲勞試驗結(jié)果

圖5是在QBG-25型高頻疲勞試驗機(jī)測試的兩種試樣的疲勞試驗結(jié)果。其中試樣1與試樣2為修復(fù)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?？梢钥闯?，試樣3的疲勞循環(huán)次數(shù)最大，取兩次測試的均值為20619次；修復(fù)后A-MAX模具的 試樣1與試樣2的疲勞循環(huán)次數(shù)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(fù)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(huán)次數(shù)已經(jīng)在同一個數(shù)量級。

3 結(jié)論

（1）A-MAX鋼模具修復(fù)處的接 頭焊縫區(qū)存在細(xì)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(qū)微觀組織特征為鐵素體和珠光體組織。

（2）經(jīng)過激光熔焊修復(fù)的熱作模具的抗拉強(qiáng)度和伸長率達(dá)到 全新A-MAX模具 的93.95%和89.92%，修復(fù)后模具的力學(xué)性能接近全新的A-MAX模具的性能。

（3）經(jīng)過激光熔焊修復(fù)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(huán)次數(shù)已經(jīng)在一個數(shù)量級。