热作模具钢5CrNiMo焊接性及补焊接头性能研究

GXF360 2017-08-25

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曾平

【摘要】5CrNiMo为锻造热作模具钢，该钢具有良好的综合力学性能和良好的淬透性，同时具有良好的塑性、韧性、尺寸效应不敏感性。本文主要研究5CrNiMo热作模具钢的焊接修复技术，首先对5CrNiMo的焊接性进行分析，然后利用JmatPro对补焊材料CHR397的各种性能参数进行模拟分析，测定了补焊接头的组织和性能。结果表明，补焊接头的性能均能设计和使用要求。

关键词：5CrNiMo；热作模具钢；JmatPro；补焊接头

1. 概述

分厂的5t锻锤主要承担某公司叶片毛坯件的锻造成形，每年的年产任务相当繁重，每个工作日需要锻造毛坯200多件。由于经常受巨大的应力载荷冲击和热冷交替的变化，锻模夹持器极容易产生冲击疲劳断裂和热疲劳裂纹，故在生产过程中5CrNiMo材料的锻锤模具的夹持器经常出现严重的裂纹（见图1）。锻锤裂纹主要出现在夹持器的导向轨平面及侧面，裂纹长1000mm、深度90mm、宽度35mm。由于5CrNiMo的含碳量较高，合金元素含量也较多，淬硬倾向大，容易产生裂纹，这对锻锤夹持器的正常补焊有较大影响，所以要使修复后的焊缝达到原材质的各项力学性能指标，对补焊的工艺要求相当高。为此，我们制定了一套在热焊法的基础上再针对性地对锻锤夹持器进行补热的补焊工艺措施，其补焊后的效果非常好，故将此推荐给同行参考。

2. 5CrNiMo焊接性分析

（1）焊接性分析 5CrNiMo热作模具钢的化学成分及力学性能如表1和表2所示，该材料综合力学性能较好，具有较高的强度和硬度，塑韧性及疲劳性能也很好，同时具有较高的耐高温性能。由于其用在高温、冲击载荷的热锻模上，其焊缝需保持母材原有的力学性能，因此焊接难度较大，如处理不当，很容易产生气孔、夹渣、未熔合、裂纹以及层状撕裂等焊接缺。

（2）焊接材料的选择及工艺分析根据母材的焊接性分析，选用抗裂性好、韧性高的碱性焊条CHR397（大西洋），其化学成分及力学性能如表3和表4所示。由于夹持器裂纹较大，为了保证焊接质量，结合热焊法的工艺特点及夹持器的裂纹情况，采取在焊接过程中持续对夹持器进行补热的相应的工艺措施。

图1 锻锤夹持器裂纹出现位置

表1 5CrNiMo的化学成分（质量分数）（%）

C Si Mn Cr Mo Ni P S 0.50～0.60≤0.40 0.50～0.80 0.50～0.80 0.15～0.30 1.40～1.80≤0.030≤0.030

表2 5CrNiMo的力学性能

硬度HBC 5CrNiMo 729 796 46 85 40材质屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断面收缩率（%）冲击值20℃/J

表3 CHR397的化学成分（质量分数）（%）

C Cr Mo Mn Si S P标准值≤0.60≤2.00≤1.00≤2.50≤1.00≤0.035≤0.04一例0.46 1.20 0.64 1.00 0.62 0.006 0.019

表4 CHR397的力学性能

屈服强度/MPa抗拉强度/MPa硬度HBC≥600≥700≥40

3. CHR397焊材性能模拟分析

利用JmatPro计算合金材料中的相平衡，并以相组成为基础进行材料的焊接热循环、CCT图、性能的预测。

4. 5t锻锤补焊工艺研究

（1）补焊工艺准备 ①缺陷的检测：采用PT和UT对锻模夹持器的裂纹进行评判和记录，以确保对裂纹的补焊完全、可靠。②去除裂纹及制备坡口：由于裂纹较大，所以采用机械加工对裂纹进行清除，坡口深度以裂纹深度为准，在满足使用要求的前提下，坡口尽量开小一些，深度比检测记录的尺寸基础上在加大了3～5mm，加工后的坡口底部不允许存在尖角和直角，坡口两侧进行圆滑过渡处理，防止焊后缺陷的产生。③清理：将坡口周围30～50mm以内的油污、氧化渣及可能会影响的焊缝质量的其他杂质清理干净。由于锻模夹持器比较大，裂纹尺寸比较长且深（见图2），所以补焊的工作量大，补焊时间较长，极容易造成锻模夹持器在补焊过程中快速降温，增大淬硬倾向。考虑到以上因素，通过多次工艺评定，确定补焊预热温度为450℃，由于焊接量较大，为保证预热后锻模的温度均匀性，故需对其进行整体入炉处理，并保温8h；焊条按厂家要求须经250℃左右烘焙1h，焊接时焊条放置入焊条保温桶里随取随用。

（2）补焊工艺及操作要点首先，补焊工艺：使用YC—400TX“IGBT控制直流TIG弧焊电源”的焊机，打底焊采用φ3.2mm的焊条，填充层和盖面层采用φ4.0m m的焊条进行焊接，在保证熔合好的前提下，采用小规范的焊接工艺要求，直流反接，具体参数如表5所示。

锻模夹持器在补焊工作前，采用保温棉将整个锻模包覆并捆绑紧如图3所示。在补焊区域的正前方增加一个补热器，避免锻模降温过快，造成整体温度不均匀。

锻模夹持器整体性虽然采用热焊法进行补焊，但在补焊进程中仍然会出现很多问题，焊接温度与锻模夹持器温度差值较大，容易出现较大的内应力，组织也不够稳定，极容易出现晶粒粗大、合金元素烧损等不良现象。因此，为了获得化学成分、组织性能均匀的焊缝，同时需要满足母材的力学性能要求，焊接后必须经过（535±10）℃/6h的整体回火热处理，具体工艺如图4所示。

图2 锻锤夹持器消缺情况

表5 焊接参数

焊条直径/mm焊接电流/A电弧电压/V电源极性3.2 100～120 24～26直流反接4.0 140～190 24～26直流反接

其次，补焊操作要点：焊接时采用多层、多道焊，尽量选择平焊位置进行焊接操作，严格控制焊接区域的温度，防止晶粒粗大、合金元素的烧损等。焊条在运动过程中尽量不要摆动，每层≤4mm；每道焊缝都必须充分锤击，以减少焊缝的内应力，尤其是打底焊的焊缝尽量要求每焊接80～150mm，趁焊道还没有完全冷却下来时就进行锤击。焊条摆动时，尽量做到中间快两边停留时间稍微长一些，这样能保证焊缝的平整，减少焊缝的厚薄均匀性。为了避免焊道的夹渣和未熔合，每层焊缝都需要及时清理，并对焊缝进行仔细的检查，特别是每道焊缝的收弧处和焊缝表面。用测温仪时刻监控锻模夹持器的温度，锻模夹持器的温度不能低于工艺要求：温度低于工艺规定要求就需要加大补热强度；高于工艺规定要求便及时停止焊接，待温度符合工艺规定范围时再进行正常的焊接。焊缝与焊缝的搭接不得小于焊缝宽度的1/3，每层的接头、凹坑及转弯处尽量避免出现在同一位置，以避免应力集中。焊后及时检查补焊区域的焊缝，查看补焊区域的焊缝是否存在缺肉、焊缝尺寸不够等情况；如果出现裂纹、夹渣、气孔等缺陷，应及时处理。