模具钢Cr12MoV刃口现场补焊工艺

Cr12MoV模具钢的补焊历来是模具行业的一个难题，易出现再热裂纹和冷裂纹。采用常规的热焊法存在补焊工艺复杂、维修周期长及复杂工件或精密件变形报废等问题。本文分析了Cr12MoV钢的焊接性，并以冲压车间落料模维修为背景，介绍了在生产现场直接进行Cr12MoV刃口补焊的两种解决方案，客观地比较了方案的效果和实用性。

中国汽车产量不断增加、生产节奏持续加快、效率提高，这要求其生产线上的模具必须保证产品尺寸稳定性、使用可靠性以及规定的寿命，这给汽车模具制造提出了更高的要求。支持模具制造业发展的基础是模具材料工业，随着技术的引进和提高，模具材料的发展极为迅速。其中Cr12MoV模具钢由于淬透性好，热处理后具有高的硬度、耐磨性和抗压强度,常用来制造截面较大、形状复杂、经受较大冲击负荷的冲裁模，其物理性能见表1。冲裁模具中，Cr12MoV钢的失效形式主要是刃口的磨损和崩裂，易导致钢板出现毛刺、塌边，甚至开裂，必须进行修复。但Cr12MoV钢的焊接性能差，特别是在生产现场条件下的紧急补焊维修，极易出现龟裂和剥离，这是模具行业一直难以解决的问题。

Cr12MoV钢的焊接性分析

Cr12MoV钢的碳当量CE=3.8%～4.4%，是典型的难焊接材料，常出现焊接裂纹，主要表现形式如下所述。

1. 再热裂纹。在重复加热过程中产生的裂纹，常出现在熔合区、热影响区的粗晶区，具有晶间断裂的特征。虽然Cr12MoV钢中的合金元素铬、钼和钒等在组织中形成碳化物，具有沉淀强化作用，提高了的淬透性和强度，但也增加了再热裂纹的倾向。

2. 冷裂纹。焊缝冷却至马氏体转变温度（200～300 ℃）以下所产生的裂纹，一般是在焊后一段时间才出现，多发生在热影响区。

Cr12MoV钢焊接出现冷裂纹，一方面是因为Cr12MoV钢中C和Cr的含量很高，马氏体转变点很低，淬硬倾向大、淬透性高，形成脆硬的马氏体；同时产生晶格的缺陷，会导致淬硬脆化型冷裂纹出现。

另一方面在于无处不在的氢元素在焊缝金属中溶解和扩散，热影响区中的氢元素对致裂过程起到了动态推动作用，产生了氢致裂纹。

Cr12MoV钢常规补焊工艺

目前，常规的补焊工艺是热焊法，采用与母材成分相似或熔合性好的焊条，如R317、LKE-7、GRIDUR61和CARBO-6W等，使用前须经200～350 ℃烘焙30～60 min，保持焊条干燥，减少氢元素的来源。

焊前清除母材表面的油污、裂纹以及气孔、夹渣等焊接缺陷，要求缺口、坡口的形状尽量规则对称，防止焊缝分布密集，避免应力集中。

Cr12MoV母材需于炉内预热至300～400 ℃，焊接时注意控制层间温度，中途停止焊接需立即进行保温处理。尽可能使用较低电流，采用短弧焊接，以降低母材的稀释率，每道焊道长不超过50 mm，焊条的摆动幅度不超过焊条直径的1.5倍。

焊后敲击去应力。母材进行后热、缓冷，至室温清除焊渣。

严格按照常规焊接工艺对Cr12MoV钢进行补焊，能够获得较好的焊接接头。但就目前生产的现状来说，该工艺还存在以下问题：工艺复杂，维修不便；从焊前炉内预热，到焊后保温炉冷，整个工艺周期太长，严重影响量产模具的维修进度；炉内预热和炉冷往往会造成零件的变形，导致二次加工，甚至报废。

落料模Cr12MoV镶块的质量技术要求

落料模在生产过程中一直处于高频率的冲裁状态，其承载载荷的变化是十分复杂的，尤其是剪边镶块刃口，工作时承受高的冲击载荷，且每个工作周期都是短时间受载，无载荷时间长，受到很大的挤压力、摩擦力和瞬间冲击力，工作条件极端恶劣。因此，剪边镶块采用Cr12MoV高铬模具钢制造，其化学成分见表2。

为改善Cr12MoV碳化物不均匀性，对坯料进行锻造和球化退火处理。

在机械加工、钻螺钉孔后，于精加工前，要进行热处理。为保证其具有高硬度和较高的韧性，特采用一次硬化处理方法，即二级预热，1000～1050 ℃中温淬火，200 ℃低温回火的热处理方式，具体工艺见图1。从热处理后金相组织（见图2）可以看出，其基体为回火马氏体和少量残余奥氏体，白色大块状为共晶碳化物，白色细颗粒状为二次碳化物。

最后将镶块安装于模具上，配钻销钉孔，进行2D精加工直至要求的尺寸（见图3）。要求镶块硬度HRC58～62，淬硬层深度不小于3.0mm，表面粗糙度达到Ra0.16mm。

直接在模具上进行补焊的解决方案

从前面的分析我们可以得到启示：要解决Cr12MoV补焊的再热裂纹和冷裂纹，关键是要解决补焊过程中的热影响问题，解决了热影响问题。就可以实现在生产现场、在模具上直接对Cr12MoV镶块进行补焊。

笔者通过研究和实践，提出两种在生产现场的模具上直接进行Cr12MoV钢刃口补焊的解决方案，无需进行炉内预热和后热。下面就介绍这两种现场焊接方案，并与传统的焊接工艺进行对比说明。

1. 方案一：常温下的精密补焊

第一种解决方案的思路，是控制焊接电流产生的热量。

选用设备：SH-01高精密冷焊机；焊丝：SKD-11（0.3mm）激光焊丝；焊接电流：3A。

原理：精密补焊主要是通过设备的充电电容，以10-3～10-1 s的周期，10-6～10-5 s的超短时间放电，等离子化状态的熔融金属以冶金的方式过渡到工件的表层，并与母材之间产生了合金化作用，向工件内部扩散、熔渗。

焊接工艺：焊前将焊丝在250～350℃下烘焙1h，并保持该温度，随用随取；清洁母材表面，去除油污，并将开裂或缺损处打磨干净，不需要预热；采用脉冲点焊方式对坡口进行修补，可连续施焊；焊后无需对焊接部位敲击去应力，采用风扇直吹，强制空冷；至室温后，清渣并打磨焊接部位。焊接部位硬度可达HRC58～60。

优点：此方案焊补精度高，起弧电流和时间能得到精确控制，克服了补焊过程对工件的冲击，确保输入的能量仅够用于焊丝与工件之间的熔合，热影响区极小，焊缝结合度高，特别适合于2.0mm以下缺口的补焊；焊接设备体积小，质量轻、移动方便，可直接在现场模具上进行补焊。

缺点：需要导入高精密冷焊机和专用焊丝，增加投资。

2. 方案二：模拟常规补焊热处理环境下的氩弧焊

第二种解决方案的思路是化整为零，控制热影响的区域。

选用设备：TSP-300氩弧焊机、乙炔炬；焊丝：MH-115T（1.6mm）；焊接电流：70～90 A。

原理：把补焊区域化整为零，局部模拟常规补焊工艺的热处理环境，实施补焊。

焊接工艺：焊前将焊丝在250～350℃下烘焙30～60min ，并保持该温度，随用随取；清洁母材表面，去除油污，并将开裂或缺损处打磨干净；用乙炔炬将焊接部位局部加热到250℃左右开始补焊：电压20～26 V，焊接时焊丝与焊接面成45°，行进方向90°～80°，短弧操作，分层交错焊接时焊点的开端和终端不能平齐，每次补焊长度不超过7.0mm；焊后马上用乙炔炬对焊道及周围区域进行加热保温，保持温度200～300℃，30 s后逐步降低温度，总的保温时间可以控制在1min以内；对焊接部位进行敲击，消除应力集中；至室温后，清渣并打磨焊接部位。焊接部位硬度可达到HRC 56～60。

优点：不需要增加专用投资；适合于>2.0mm缺口的补焊；可直接在现场模具上进行补焊。

缺点：对焊工的技术要求较高，需要同时具备丰富的氩弧焊和乙炔焊经验。

应用案例：2009年8月，我厂冲压车间有一套落料直剪模的Cr12MoV镶块出现若干处崩刃，导致钢板出现毛刺，影响到激光拼焊的质量，亟需维修。按照常规的工艺进行维修，大约需要40h。我们按照方案二进行维修，仅用8h就完成作业，模具至今使用正常。

3. Cr12MoV焊接方案对比

本文介绍的两种补焊方案与传统的Cr12MoV焊接工艺相比，具有以下优点：无需炉内预热、焊后热处理，避免了因长时间高温加热导致的工件变形报废；可直接满足现场维修需要，节约了大量维修工时，避免了因维修而造成的长时间停线问题，这对于使用频率高，流水线作业的落料模维修来说，意义尤为明显。

就这两种方案而言，精密补焊具有精度高，热影响区小，不会出现下榻，变形及咬边等现象，焊接的效果要略优于方案二，操作更为方便，但方案二的改良工艺对于较大的缺口，具有修补速度快的特点，并且焊接效果足以满足生产的需要。此外，方案二对焊接设备没有特殊的要求，应用范围更广，为各车间所借鉴、使用。

结语

Cr12MoV钢焊接性能差，焊接时和焊后易出现再热裂纹和冷裂纹；导入精密焊接设备，能够在室温下对Cr12MoV镶块进行直接焊补，精度高、热影响小，焊缝结合度高。改良焊接工艺，采用专用焊丝，使用氩弧焊即可完成对Cr12MoV镶块进行直接焊补，焊接效果满足生产需要，适合广泛应用。