張成禹 戴鴻濱

(哈爾濱理工大學 材料科學與工程學院,哈爾濱 150040)

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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 材料科學與工程學院,哈爾濱 150040)

傳統(tǒng)焊接修復失效模具耗時長，熱輸入分散，容易引起熱影響區(qū)性能惡化；激光焊修復失效模具自動化程度高、工時短、熱輸入量集中，但高功率激光修復模具性價比較低。將活性焊接技術應用于模具修復，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。試驗結果表明，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?；钚詣┎还芡糠笈c否，焊縫均沒有裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，但是涂覆活性劑后導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，國內牌號4Cr5MoSiV1)是目前世界上應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，使模具內部在服役過程中容易出現(xiàn)裂紋，服役壽命達不到預期，安全可靠性得不到滿足。模具的制造成本高、周期長，模具修復采用補焊技術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，因此激光焊接技術由于其周期短、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[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60年代烏克蘭巴頓焊接研究所率先在鈦合金焊接中引進活性焊接技術，起到增加熔深和收縮電弧的效果[4]。20世紀90年代后，活性焊接技術逐漸引起人們的廣泛關注，各國開始進行活性焊接技術的研究與應用。在這樣的發(fā)展趨勢下，活性激光焊接技術被提出，并進行了驗證性試驗以及廣泛的討論?；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，同時能夠改變熔池表面張力，影響熔池流動方向。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]。

通過引進活性焊接技術，將活性激光焊應用于模具強化及修復中，在低功率的工藝參數(shù)下獲得較高的熔深，對降低生產成本，提高焊接效率，具有顯著的經濟效益和社會效益。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 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗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，該材料的化學成分，見表1。

表1 H13模具鋼化學成分(質量分數(shù)，%)

1.2 試驗工藝方法

工藝試驗為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，試驗參數(shù)如表2所示。

試驗前先將試樣用砂紙打磨，用丙酮擦洗表面去除油污等有機物，烘干去除水分防止干擾試驗結果。

表2 焊接試驗參數(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，其厚度直到看不到母材表面光澤為宜，留出試樣另一側作為空白對照，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，進行焊接試驗。

圖1 平板堆焊活性劑涂敷圖

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

焊接后，先用數(shù)碼相機記錄焊縫表面形貌，然后在垂直于焊接方向上切割取樣，經打磨、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 試驗結果與分析

活性劑對激光焊接的作用機理一般認為存在3個方面：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為激光焊接試驗焊縫表面對比照片?？梢姡赐扛不钚詣┎糠趾缚p表面成型良好，魚鱗紋較為清晰，但由于熔池有負的溫度梯度，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散到更深一層，因此能量集中在表面附近，導致焊縫顏色變黑。相比之下，涂覆活性劑部分焊縫表面成型更好一些，熔池擁有正的溫度梯度，流動方向從周圍到中間，焊接熱輸入更容易擴散到母材內部，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

將不同試驗條件下試樣進行切割，以制備金相照片。使用硝酸酒精溶液對金相試樣進行腐蝕，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構的涂層，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]，活化作用改變熔池流動方向，無活化作用時，熔池的流向為從中心到周圍，有活化作用時，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時熔深熔寬對比

圖4 離焦量為5.5 mm時熔深熔寬對比

圖5 離焦量為6 mm時熔深熔寬對比

圖6 離焦量為6.5 mm時熔深熔寬對比

圖7 離焦量為7 mm時熔深熔寬對比

圖8是焊縫熔深對比圖。由圖可知，當離焦量為5 mm時，焊縫熔深最大，此時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到0.548 mm，是未涂敷活性劑處的1.67倍。當離焦量為7 mm時，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

經過對比分析可知，活性劑顯著的增加焊縫熔深，同時隨著離焦量的增加，活性劑增加焊縫熔深的效果降低。其原因為：隨著正離焦量的增加，電弧分散，激光輻射能量不足，對活性劑電離效果降低，導致活化效果變差，熔池能量減小，流動變慢，導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，當離焦量為5 mm時焊縫熔寬最大，此時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%。當離焦量增加到7 mm時熔寬最小，此時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

經過對比分析可知，活性劑對焊縫熔寬略有增加，同時隨著離焦量的增加，活性劑增加焊縫熔深的效果降低。主要原因為：①活性劑會增加母材對激光輻射的吸收率，使焊縫熔寬增加；②活性劑改變熔池表面張力梯度，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，主要是因為活性劑增加了試樣對激光輻射的吸收能力，使焊接熱輸入增大，晶粒變粗。

圖10 焊縫金相對比圖

3 結 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，當離焦量為5 mm時，活性激光焊接熔深可達傳統(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理主要是通過改變熔池表面張力進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模具半導體激光強化與修復的研究[D].長春：吉林大學碩士學位論文，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，2009，38(10)：12-15．

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[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。主要研究方向為激光焊接技術。

戴鴻濱，1971年出生，碩士，副教授。主要研究方向為無損檢測及焊接技術。