激光焊接技术在电镀模具的应用
2020-03-15

文/高艳冬·一汽-大众汽车有限公司

随着模具电镀(表面镀铬)技术的日趋成熟,为了防止制件拉毛缺陷,拉延模具表面进行电镀已经成为常态化,目前汽车覆盖件主机厂60%以上的模具在调试稳定后都需要电镀。电镀后的拉延模一旦损伤,以传统的方法修复成本较高,维修周期长。本文介绍了一种针对电镀拉延模具简单快捷、维修成本低的修复方法—激光焊接修复法(本文使用的激光焊机型号为ALM200),可以有效降低维修成本及维修时间。

传统电镀模具修复方法及优缺点

模具镀铬技术是在模具工作表面电镀上一层金属铬,铬层具有很高的硬度,其硬度一般可达到64HRC以上、且表面粗糙度小,使得电镀模有很好的耐磨性。同时镀铬层也具有较好的耐热性。然而电镀模具一旦损伤再修复及其困难。传统电镀模具损伤后的修复方法有两种。

一种是直接光顺模具或者用气焊烤起模具损伤部位再研修。此种方法的维修周期短,一般根据模具损伤面及损伤部位,在几十分钟到几个小时内即可完成。但直接光顺模具,电镀层会遭到进一步的破坏(图1),在镀层与非镀层交汇处制件成形后往往会产生质量缺陷。另外气焊的温度最高能够达到3200℃,模具电镀层在烘烤后必然会遭到破坏(图2)。

另一种方法是先脱镀再修复,修复完成后再电镀。其优点是可以彻底消除制件质量缺陷保正模具的成形的稳定性,但是脱镀后重新电镀的维修成本高。以普通车型翼子板为例,脱镀后重新电镀一次大约需要3~4万元,而且此方法的维修周期长,一个脱镀电镀加维修的周期至少需要3到5天时间,维修期间需要充分考虑模具的产量及生产周期。


图1 电镀层光顺后损坏


图2 电镀层气焊烘烤后损坏

传统方法修复时往往涉及到烧焊,普通焊接温度较高,而且辐射范围大,会极大的破坏电镀层。据铁碳合金相图可知,铸铁的熔化温度至少在1148℃,远高于电镀层的损坏温度(700℃),而手工氩弧焊的电弧温度可以达到10000℃以上,手工电焊的电弧温度也在6000℃~8000℃,这样电镀层周围很大区域都会受到电弧的热影响。普通焊接的焊接层的余量不易控制,较大余量极易造成在研修过程中电镀层二次损伤(图3)。


图3 镀层烧焊边缘损坏

激光焊接

目前主机厂常用焊接设备(手工氩弧焊与手工电弧焊)热量高,并且热辐射范围大是导致修复电镀拉延模具失败的根本原因,那么要想更加有效的修复电镀拉延模具,就需要有一种好的焊接方法,热量低并且热影响范围小。

通过对比和多次实验,发现激光焊具两个优点:⑴热量小,焊接边缘不易咬边;⑵焊接精准,烧焊层的厚度易于控制,目前激光焊设备焊层可控制在0.2~0.6mm。

图4为型号ALM200的激光焊机。图5为该焊机焊接时的照片。激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种焊接方法。焊接过程中热量从表面逐渐传递到内部,使工件熔化形成熔池,再向熔池内添加焊丝,以形成激光焊缝。


图4 ALM200激光焊机


图5 ALM200焊接照片

ALM200激光焊机的使用方法

⑴调节立体显微镜。1)调节目镜镜筒以配合眼睛瞳孔间的距离。2)定位眼睛观察位置。3)调整眼睛接触点。4)调整视力矫正设定。

⑵开启焊机。等待直到准备好的绿色指示灯点亮。

⑶准备工作。1)移动激光焊机接近工作位置。2)定位光标到焊接位置。

⑷焊接。1)打开激光安全闸门。2)设定所需的激光参数数值。3)将氩气的开关靠近激光焦点合适的位置上。

⑸关闭焊机。1)向左方向转动主电源开关,使之转动到关断位置。2)关闭氩气气瓶上的阀门。

ALM200激光焊机参数的选定

结合实际操作,总结经验参数选定方案如下。

⑴焊丝直径。焊丝直径的选择与所焊接的零件形状有关。一般在焊接较大面积的焊接堆填,可以用直径0.7mm或0.6mm的焊丝。一般的边线和较精细的平面,可以用直径0.4mm或0.5mm的焊丝。一般精细的边线和精细尖角,可以用直径0.2mm或0.3mm的焊丝。焊丝的直径一般不应超过0.8mm。

⑵光束直径。光束直径的选择与所选用的焊丝直径有关,一般为焊丝直径的1.2~2倍,在此范围内看所需焊补零件的部位情况而定,如平面大面积的堆填,可以用到2倍。尖角位置的补焊,可以用1.2倍再取整调节出激光束大小的值。较为常用的为1.4或1.5倍左右。如0.3mm的焊丝,用直径0.4mm,直径0.5mm,直径0.6mm的光束,而较常用的为0.5mm的光束直径。

⑶激光脉冲持续时间。一般使用的时间长度为4ms到7ms之间为宜,较常用的参数为5ms左右。

⑷激光产生频率。激光产生频率是焊接速度的参数,其与焊接操作者的熟练程度、所焊接零件焊接难易程度及复杂程度有关。焊接操作者的熟练程度越高,对焊接技术把握越好,就可以使用较高的焊接频率以提高速度,提高工作效率。反之,则需要使用较低的焊接频率,以把握好焊接的质量和可靠性。

⑸焊接脉冲波形。该参数有4种,S-,S1,S2,S3,其中S-的波形是不可变动的固定方波,S1,S2,S3是用户自定义的波形,一般情况下选用S-。

⑹焊机的焊接电压。在以上参数确定后,一般情况下,焊丝直径大,电压需调高,焊丝直径小,电压需调低。激光光束直径大,电压需调高,激光光束直径小,电压需调低。激光激励时间长,电压需稍低,激光激励时间短,电压需稍高。波形样式中波形削减越多,电压在与方波情况相比则需越高。焊接工件焊点面积大,热量散失多,电压就需调高。焊接工件越精细,尖角,锐边的情况,电压就需稍调低。

⑺氩气的调节。一般情况下,氩气的流量可以控制在每分钟5升到7升,在焊接工件部位复杂,喷气角度不方便调,需使用两支喷嘴时,可适当加大流量,一般也不超过每分钟12升。

激光焊接修复实例

以下以某车型前门外板拉延凸模为例,介绍激光焊接的具体修复。

⑴损坏情况。生产过程中模具垫异物损坏,损坏深度约0.2mm,损坏区域直径约为10mm,如图6所示。

⑵焊接方法。本次焊接使用直径为0.4mm的激光焊焊丝,烧焊一层即可达到烧焊高度要求,图7为焊接后的状态,烧焊边缘电镀层没有损坏,烧焊边缘没有咬口。

⑶研修方法。


图6 模具损伤照片

1)在研磨量较大时根据使用工具的种类选用砂轮机或者角磨机,研修过程中要用研板和刀口尺检查研修后的型面(图8),研修剩余大约0.02mm的余量。

2)用小油石(油石颗粒密度120左右)去除烧焊处的高点(图9),并用研板和刀口尺检查,研修至剩余大约0.005mm的余量。


图7 焊接后效果图


图8 研板刀口检查


图9 小油石去高点

表1 实际工作中总结的焊接参数(根据实际情况可微量调整)



图10 大油石光顺

3)用大油石(颗粒密度250左右)研修光顺整个烧焊周围的型面,直至烧焊处与周围电镀层完全接上 (图10)。

⑷修复的效果。

1)本次维修烧焊30分钟,研修30分钟,极大的缩短维修周期,提高了工作效率。2)图11为修复后的效果,研修后焊点周围电镀层无损坏,制件表面无缺陷。

结论


图11 修复效果

⑴通过多次利用激光焊接技术对电镀拉延模具的成功修复,证明激光焊接技术修复法是一项比较成熟的修复方法,已形成操作标准。

⑵在大量的修复工作中,针对焊接不同材料,不同型面的模具,总结出了较合适的焊接参数(表1)。


作者简介

高艳冬,主要从事模具的维修、保养及质量改进工作,先后获得一汽-大众公司质量精益优秀个人,一汽集团公司技能大赛二等奖,吉林省青年技术能手等称号。