東莞弘超專業銷售高品質模具鋼材（瑞典一勝百模具鋼、日本大同模具鋼、瑞典UDDEHOLM工具鋼、德國葛利茲模具鋼以及基體鋼、無磁模具鋼等）。為了更好地服務客戶，公司將在新聞動態欄目陸續介紹各種品牌模具鋼材的焊接工藝及技巧。

瑞典一勝百模具鋼材的焊接(一)---工藝條件和方法
      一般認為，含碳量超過0.2%的鋼，焊接性能較差。因此，含碳量在0.3~2.5%之間的模具鋼材很難焊接，許多模具鋼材供應商不推薦焊接。然而焊條質量的改善，焊接設備和焊接技術的發展，尤其是工具鋼質量的提高已使工具鋼焊接成為現實，并能產生相當可觀的經濟效益。
　　ASSAB認識到模具鋼材經常需要焊接，特別是較昂貴的壓鑄模、大型鍛模、塑料模、單身模和沖模，這類模具通過焊接來修補比制作一個新模具所花的代價要低很多。
模具鋼材焊接的相關基礎知識
模具鋼材含有0.3~2.5%的碳及合金元素，如錳、鉻、鉬、鎢和鎳。模具鋼材焊接時的主要問題是它的高淬透性。一旦停止加熱，焊接處就快速地冷卻，焊接金屬和熱影響區的部位就會硬化。因為焊接僅限于局部，所以硬化組織轉變會產生應力，除非特別小心,否則隨時有開裂的危險。
為了順利地焊接模具鋼材，有必要對焊接設備，焊接技術和焊條作詳盡的介紹。當然焊接人員的技術和經驗也是很關鍵的因素,根據工具鋼的性能，只要細心地處理，其焊接效果幾乎不差于一般低碳鋼。以下情況的模具鋼材需要焊補：
•開裂或磨損模具的翻新和修補。
•崩刃或磨損的沖模切削刃的修補。
•模具制作是機械加工錯誤的補救。
•模具設計的改變。
模具鋼材的焊接方法
涂層保護電弧焊（SMAW或MMA)
原理
使用直流電或交流電使用涂層的焊條（電極）與被焊補工件產生電弧（圖1）
焊條通常由低碳鋼的焊條芯，土以一層焊劑組成。這層焊劑的成分較復雜，它由鐵粉、含鐵合金粉，造渣劑和黏結劑組成。
焊接過程中，電弧條焊條熔化所產生的熔融金屬液落到被焊補工件上。在熔融金屬液從焊條落到工件凝固以及焊接區冷卻過程中，空氣的危害一部份被焊條上的焊劑形成的渣所抑制，另一部份被焊條熔化時產生的氣體所抑制。
焊接區的金屬成份通過焊劑的成份通過焊劑的成份來調節。
電源
電弧焊（MMA）既可用直流電源也可用交流電源。不管采用哪一種電源，都必須提供和焊條電極相匹配的電壓和電源。
•普通復原電極（Normal recovery electrodes）：20~30V
•高度復原電極（High recovery electrodes):30~50V
ASSAB焊條屬于普通復原型。適用的電源時直流電，開路電壓70V，能以35%的間隙提供250A/30V的電流。
     
鎢極氣體保護焊（GTAW或TIG）
原理
在熔化極電弧焊焊接時，撞擊產生電弧的電極會漸漸消耗完。
用TIG焊時，電極時由熔點非常高的鎢或鎢合金（大約3300℃）組成，因此在焊接過程中（圖2）電極補熔化。電弧最初由電極與工件間無需接觸就能產生電流。鎢電極和直流電源負極連接，因為陽極產生的熱量少從而電極熔化的危險性小。電流通過焊槍傳到電極上。焊接時的金屬絲成45度角送入電弧。焊槍上的圓環中流出得惰性氣體屏蔽流防止了熔池焊接區的氧化。
電源
如果配上一個TIG控制相。那么就能用一般的MMA電源進行TIG焊接。焊槍應該用水冷卻并能以100%的間歇（Intermirlence）調節250A的最小電流。為了盡可能使惰性氣體保護有效，須配一個氣體透鏡。如果電源能從零無級增加到最佳值，那么焊接就方便的多。
焊接設施
為了能使工具鋼的焊接得到令人滿意的效果，下面幾種設備是必不可少的。
烘箱
用于MMA焊接的焊條有很強的吸水性，除了干燥的空氣外，不允許和任何東西接觸。否則焊接區將會被氫所損害（后述）。因此焊接車間應配備一個烘箱用于儲存焊條。烘箱內溫度因控制在50~150℃范圍內。焊條應從放置焊條的盒內拿出松散地放置于烘箱內的架子上。
對于焊接車間以外工具鋼的焊接，配備一個能放置焊條的便攜式經加熱過的保溫箱也是很有用的。
工作臺
在焊接工具鋼的重要焊接工序時，焊接人員有一個舒適的工作場合特別重要。因此工作臺必須平穩，高度適當才能安全而精確地進行焊接。如果工作臺可旋轉和上下調節那更好，因為這能使焊接操作更方便。
預熱設備
工具鋼不可以在室溫下焊接，因為由開裂的危險，在焊接前的必備階段（后述），一般而言必須對模具進行預熱。雖然通過爐內預熱一定能成功地焊接模具，但存在的問題是焊接完成前模具溫度會下降過快。因此推薦用一個同直流電的加熱箱在恰當溫度使模具保持恒溫。這種設備也能以均勻及一定的速度加熱模具。
對于較小的一些焊補，也可用丙烷焊燈來預熱。因此在焊接車間內要備有液態丙烷鋼瓶。
以下設備是必需的：
•直徑最小為直徑180X6毫米的盤磨機用于焊接接口處開坡口和抹掉焊接時可能會出現的任何缺陷。
•平面磨床，轉速可≥25000轉/分鐘，用于磨去較小的缺陷和焊后精磨。
•如果被焊的磨具最終要進行拋光或光蝕刻花，那么磨床必須有足夠的磨削光潔度。
填充金屬的特性
焊條（填充金屬）的化學成份，被焊材料（鋼基體）的化學成份和焊接時鋼基體結合，產生一個理想的焊縫區：
•均勻的化學成份，硬度和易于熱處理。
•無非金屬夾染物，氣孔和裂紋。
•所闡述的適合于工模應用方面的性能。因為工具鋼焊接區有較高的硬度，所以特別容易在家雜物粒子或微孔處產生裂紋
　因此所選用的焊條應能使焊縫區得到高質量。同樣，所生產的焊條必須有廠格的化學成份控制。這樣每次焊接后材料的硬度都可通過相應的熱處理來加以調整。如果模具在焊接后要拋光或光蝕刻花，那么高質量的填充金屬更是必不可少的。ASSAB焊條滿足了這些要求。
　相對于那些普通焊條，用電渣重熔方法，用電渣重熔方法生產的TIG焊條其純潔度要高得多。另一個優點是其含氫量也低得多。一般來說，用于焊接工具鋼的焊條其化學成份應和集體材料相似。在退火狀態下焊接時，如模具在制造過程中需要拼湊，那么很重要的一點就是填充金屬必須和鋼基體有一樣的熱處理特性，否則成品模具焊接區將有不同的硬度。填充金屬和鋼基體成份差別越多，淬火時開裂的危險也越大。
　不管是對退火狀態還是淬火回火后的鋼基體的焊接，ASSAB都有與相應工具鋼牌號相匹配的焊條（對于所有的ASSAB熱工作工具鋼都推薦用QRO90焊條和QRO90TIG焊條）。
　對于不同的應用，被焊工具的焊接區金屬需要不同的性能。在三類模具鋼中（即冷作鋼、熱作鋼和塑膠模具鋼），焊接區金屬須具備以下性能：
•冷作鋼：硬度、韌性、耐磨性
•熱作鋼：硬度、抗回火性、韌性、耐磨性、抗熱龜裂性
•塑膠模具鋼：硬度、耐磨性、拋光性、光蝕刻花性
硬度
如果模具在淬火，回火后焊接，那么焊接后焊接區應有和鋼基體一樣的硬度。在這樣的情況下，即使沒有緊接著的回火，焊接區受到的影響也很小。所有的ASSAB焊條滿足這種要求（圖3）

圖3 718及618（使用718焊接，MMA焊接）焊接區截面硬度分布。
注：均勻的硬度分布，僅在基體和焊接區的交接處硬度較高，熱影像區非常窄，在熔合區硬度略高。
抗回火性
   如果模具在焊接后（退火狀態的鋼基體）進行熱處理，那么焊接區金屬淬火和回火后的性能應和基本鋼的性能相似，以致基體金屬和焊接區獲得同樣的硬度（圖4）。

圖4 QRO90 SUPREME和用QRO90焊條的MMA焊接得到的焊接區金屬回火曲線對照。
韌性
   盡管所焊接的模具，焊接區金屬處于鑄造狀態，但是由于快速凝固，焊區組織細，因而韌性好。一般說來，焊接區的金屬韌性在后繼的熱處理中會進一步提高。因此對于完全淬透的模具的較大焊補，即使焊接后焊接區和集體硬度一致，也應焊后回火。
　對于硬度要求非常高的冷作鋼，可以先得一層較軟的填充金屬，然后在工具工作面用較硬的焊條作最終焊接。相對于完全用較硬的焊條焊接，這種方法焊接最具有更高韌性。
耐磨性
   就像工具鋼一樣，焊接金屬的耐磨性也隨它的硬度和合金元素含量提高而提高。ASSAB生產具有和鋼基體相對應的具有同樣耐磨性的焊條。
抗熱龜裂性
   熱作工具鋼的焊接區由于較差的高溫強度，抗回火性或韌性（延展性），熱龜裂出現得通常比鋼基體早。然而如果使用的焊條能使焊接區金屬有較好的高溫強度，高溫硬度，那么抗熱龜烈性可能和基體金屬相等甚至超過基體金屬。QRO90焊條加上TIG焊接方法就會得到如下圖（圖5）所示極好熱龜裂性能的焊接區。

圖5
圖5. QRO90焊條，顯示出比優質H13鋼基體（8407 SUPREME)更好的抗回火性。
拋光
   對于焊接后需要拋光的塑膠模具，焊接區金屬得成份和硬度一定不要和基體有很大差異。否則，焊接區的輪廓在拋光后看得兼并會在塑料零件上留下可見痕跡。
　要是拋光后完全看不處焊接區痕跡，通常采用718和S136焊條（或鎢極氣體保護焊條）補焊同牌號鋼，同時要有相對應的正確的焊接步驟。
光蝕刻花性（皮紋性）
要使塑膠模具表面通過光蝕刻花產生皮紋的話，焊接區金屬和鋼基體的化學成份必須相似。如果做不到，光蝕刻花后在焊接區和基體金屬間將產生差異。這會導致塑料制品上有可見的痕跡。采用718或S136焊條（或TIC焊條）焊接718、618和S136，假如焊接方法得當通常在光蝕刻花后分辨不出焊接區。
慎防氫
工具鋼的焊接區硬度很高，因此對在焊接過程中由于氫的入侵造成的冷裂特別敏感。在許多情況下，由于電弧焊條（圖6）其易吸濕焊條皮中吸收了水蒸氣而產生氫。

焊接區金屬中得氫濃度（毫米/100克）
圖6 使用不同焊接方法及不同類別得焊條對與焊接區氫含量的影響。
•焊接區對金屬的顯微組織（不同的顯微組織有不同的氫敏感性）
•鋼的硬度（硬度越高敏感性越強）
•應力大小
•在焊接時氫的融解量
顯微組織/硬度
應力大小
焊接區應力來自于三個方面：
•熔池凝固時的收縮。
•在焊接區，熱影響區和鋼基體之間溫度差異。
•冷卻淬火過程中焊接區和熱影響區組織轉變應力。
　一般來說，焊接區周圍的應力值將達到金屬屈服應力，這對于已淬火的工具鋼來說實際上是非常高的。對于這種情況沒有任何徹底解決的方法，但不管這種情況沒有任何徹底解決的方法，但不管怎樣，可通過適當的焊接設計（焊珠位置，多層焊的順序）加以改善。如果焊接區不幸地受到大量氫侵入，即使降低應力也無濟于事。
氫的溶解量
焊接區對冷裂敏感性，取決于氫的溶解量。通過預防，在焊接使氫入的氫含量能明顯下降。
•由焊條皮的焊條，一旦打開包裝盒（如前所述），就應始終存放在加熱的儲藏箱或加熱容器內。
•焊接區周圍的表面贓物，例如油、跡或油漆是氫的一個來源。因此在焊接區周圍表面，在焊接開始前應加以模削。
•如果用丙烷燃燒器來預熱，應該記住在火焰不直接燃燒到的工具表面會產生一層水汽。
高溫焊接
    高溫下焊接工具鋼主要原因是工具鋼高的淬透性容易引起焊接區和熱影響區的開裂敏感性。冷作鋼的焊接會引起在焊縫間焊接區和熱影響區的迅速冷卻，隨之產生較脆的馬氏體組織而帶來開裂的危險。如在常溫下焊接，在焊接區產生的裂紋會穿過整個模具導致完全開裂。因此模具在焊接時應保持在Ms溫度以上50~100℃，嚴格地來說就是焊接區金屬的Ms溫度以上，它可能和鋼基體不相等。
　在某些情況下，鋼基體完全淬透并在低于Ms溫度回火。因此，焊接時預熱工具會引起硬度下降。例如大多數低溫回火冷作鋼不得不被預熱到超過回火的溫度，回火溫度通常在200℃左右。為了進行適當的預熱，減輕焊接時開裂的危險，鋼材的硬度一定會下降。
    一個預熱恰當的工具在多層焊接時，焊接區的大部分在焊接過程中保持在奧氏體態并隨工具的冷卻而慢慢轉變，與單層焊時每焊一次馬氏體轉變一次相比，多層焊確保了整個焊接區均勻的硬度和顯微組織，但重焊有開裂的危險。
    根據以上所述，很明顯，整個焊接過程應在工模熱的時候完成。不推薦先焊一部分讓工具冷卻下來然后繼續預熱來完成整個焊接，因為這有相當大開裂的危險。
　雖然在爐內預熱模具時可行的，但溫度有可能不均勻（產生應力）并會在完成焊接前造成過度冷卻（特別是小型工具）。
焊接時，在所需溫度下預熱和保持工具溫度的最好方法是使用一個在箱壁內有電熱元件的絕緣盒（見左下圖）。
　圖7顯示了在爐內預熱和在絕緣盒內預熱的工模在焊接區截面上硬度分部的差異。很清楚，爐內預熱工模其硬度波動壁絕緣盒內預熱工具大得多。

——— 爐內預熱溫度
－－－ 絕緣盒內預熱溫度
圖7 用QRO90焊條在爐內和絕緣盒內預熱后焊接的焊接區截面硬度分布。

資料來源：ASSAB TOOLING
編譯：東莞市弘超模具科技有限公司
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（待續）瑞典一勝百工具鋼的焊接(二)---工藝流程