1第一章 绪论
1.1 选题意义
当今激烈的机械制造市场竞争中，模具在各种产品的生产过程中所起到的作用越来越突出，由于模具的质量将直接决定着产品工艺性能及使用寿命，因此人们不断寻求更好的处理手段以提高模具的性能。而模具钢作为制作模具的基础材料成为人们研究的重点，人们希望通过对模具钢采取合适的处理手段获得能够满足不同使用条件的模具。从 2005 年到 2011 年这几年内模具制造业的发展情况可以看到，我国模具行业的发展速度已经由 2005 年的年增长 16%到现在的年增长 30%，我国模具产量在世界所占的比重也攀升至 43%，这一现状直接导致模具钢的需求量逐年增多。
改革开放以后，我国模具钢的制造技术逐渐从过去的效仿国外发展到如今的自主研发，在保证质量的同时，产量也升至世界首位。但是与世界先进的模具制造技术相比，我国的模具制造技术仍然比较落后。具体表现在我国自主研发的模具钢的种类甚少，低档次的模具钢在其中占有很大的比例，所以大多数模具制造业依然使用进口的高档次模具钢；国产模具钢的质量和性能在一定程度上受到生产设备和工艺的制约，特别是后续处理工艺不能满足高性能模具的要求；我国现行的模具钢标准也比较落后，与相同档次的进口模具钢相比仍处于下风；另外，国产模具钢的成分纯净程度和组织均匀程度上与进口模具钢仍存在一定的差距，导致国产模具钢寿命明显低于进口模具钢。以常用的 D2 和 SKD11 模具钢为例，国产的这两种模具钢的售价分别约为 2.8 万元/吨和 2.5 万元/吨，而进口的价格则高达 7 万元/吨和 6 万元/吨，可见，由于工业技术水平的不同所导致的国内外同种模具钢价格上的巨大差异。
根据模具在生产中服役情况的不同，将模具钢分为热作模具钢、冷作模具钢与塑料模具钢。其中以热作模具钢占的比重最大，约为 51%，这种模具钢是热挤压模具、热成型模具和压力铸造模具的原材料。这些模具在使用过程中与炽热的液态金属接触，模具型腔内部的温度最高可达 1300℃以上，然后使用水或油等介质使模具冷却，以便进入下一个工作循环。在如此反复热胀冷缩的作用下，模具不断承受着交变的拉压应力，极易产生热疲劳裂纹，引起模具开裂，最终导致模具的失效。而且每批模具需要一个较长的制造周期，成本也非常高，在使用过程中一旦发生开裂或者磨损，都将给企业造成无法估量的损失。据不完全统计，我国机械制造业每年由于模具失效造成的资金浪费多达 5 亿元人民币，由此可见，模具在机械制造业的市场十分巨大。模具失效会导致生产线停滞，模具的大量浪费又直接增加机械制造业的生产成本。
因此，针对失效模具的修复技术逐渐成为人们关注的焦点，这项技术既能提高模具的使用寿命，又能降低企业的生产成本，常用的修复技术有热处理、焊接、表面处理等。除此之外，近些年兴起的瞬态高能处理技术也逐渐成为模具修复的又一技术手段，相比其他几种修复技术，瞬态高能处理具有一定高效性和瞬时性，并且不会对环境产生污染，设备灵活方便操作，能在合适的参数及条件下能够快速修复模具的疲劳裂纹，使模具的批量修复在将来成为可能，但是人们对其促进金属内部再结晶，改善凝固组织及疲劳寿命的机理方面仍处于探索阶段。本文以新型热作模具钢(HHD)为研究对象，采用药芯焊丝钨极氩弧焊(TIG)对HHD 钢进行焊接试验，分别研究热处理条件下和电脉冲处理条件下 HHD 钢焊接接头组织和性能的变化规律，探讨脉冲电流作用下 HHD 钢焊缝裂纹的愈合规律和机理。
1.2 国内外热作模具钢的研究现状
国际上对热作模具钢的分类有以下几种形式。一种是按照用途分类，将其分为压铸模具钢、热挤压模具钢、锤锻模具钢、热冲裁模具钢；一种是按照所含合金元素分类，将其分为高合金热作模具钢、中合金热作模具钢、低合金热作模具钢；最后一种是按照性能分类，将其分为高耐磨模具钢、高韧性模具钢。
1.2.1 国内热作模具钢的研究现状
我国的模具行业的发展十分缓慢，直到上个世纪六、七时年代模具的生产才初具规模。改革开放以后，随着工业技术的不断发展，我国的模具行业以前所未有速度向前迈进，年增长速度由上个世纪末期的 10%增长到这个世纪初期的 25%，我国模具钢产量已经占据世界模具钢总产量的 35%。其中 2009 年和 2010 年的总产值更是达到了惊人的 740 亿元和 837 亿元人民币。
第二章 试验材料、设备及试验方案
2.1 试验材料
本文中焊接试验所采用的材料为新型热作模具钢，英文名称为 High ChromiumHot Working Die Steel(HHD)，其化学成分和质量百分比如表 2.1 所示，制作药芯焊丝所用原材料的化学成分和质量百分比如表 2.2 所示。
2.2 试验设备
电火花线切割机(DKM200)、台式砂轮机(MD3215)、IGBT 控制交/直流 TIG 弧焊电源(YC—500WX)、金相试样抛光机(PG—2)、数显微硬度计(HV—1000)、金相显微镜(MM—2)、体式显微镜(XTS—30)、电解腐蚀仪、X 射线能谱分析仪(EDS—2100)、箱式电阻炉(SX2)、扫描式电子显微镜(JSM—6010)、力学拉伸试验机(MTS—810)。
首先进行焊前清理。使用细砂纸去除药芯焊丝表面的污物，并用丙酮清理焊丝表面，吹干待用。对待焊的 HHD 钢进行装卡时，考虑到所用材料的刚性较小，破口形式为 V 型，焊缝的重心高于焊件中性轴，并且焊接方法为多层堆焊，会使 HHD 钢焊后出现较大的弯曲变形，为了将弯曲变形量降到最低，焊接前采取预制反变形法与刚性固定法二者相结合的方法对 HHD 钢进行装卡。使用卡具对 HHD 钢进行刚性固定的同时，在背面垫起适当的高度用作反变形。装卡状态如图 2.3 所示。
第三章 调质处理对 HHD 钢 TIG ............................. 30-44
3.1 HHD 钢 TIG 焊焊接接头 ............................ 30-32
3.2 调质处理对 HHD 钢 TIG 焊 ............................ 32-42
3.2.1 合金元素在 HHD 钢中 ............................32-34
3.2.2 调质处理对 HHD 钢 TIG ............................34-36
3.2.3 调质处理对 HHD 钢 TIG ............................36-42
3.3 本章小结 ............................ 42-44
第四章 脉冲时间对 HHD 钢 TIG 焊焊接接头组 ............................44-68
4.1 脉冲时间对 HHD 钢 TIG 焊焊接接 ............................44-50
4.1.1 脉冲时间对母材组织的影响 ............................ 44-45
4.1.2 脉冲时间对热影响区组织的影响 ............................ 45-46
4.1.3 脉冲时间对熔合区组织的影响 ............................ 46-47
4.1.4 脉冲时间对堆焊层组织的影响 ............................47-50
4.2 脉冲时间对 HHD 钢 TIG 焊焊 ............................50-54
4.3 脉冲电流作用下晶粒的细化机理 ............................ 54-55
4.4 脉冲时间对焊缝裂纹的影响 ............................55-66
4.4.1 裂纹尖端愈合区域组织分析 ............................ 61-62
4.4.2 脉冲电流作用下试样裂纹 ............................ 62-65
4.4.3 HHD 钢 TIG 焊焊缝裂纹 ............................ 65-66
4.5 本章小结 ............................66-68
结论
本文采用药芯焊丝钨极氩弧焊(TIG)对 HHD 钢进行焊接试验，以焊接接头为研究对象，研究热处理工艺和电脉冲处理工艺下焊接接头组织及性能的变化规律，分析脉冲电流作用下焊缝裂纹的愈合机理。得出以下结论：
(1) HHD 钢焊接接头经调质处理后，焊缝中的大块铁素体消失，贝氏体的形态由粒状转变为针状；熔合区粗大的魏氏组织消失，转变成相对细小的珠光体和铁素体的混合组织；热影响区的马氏体转变成渗碳体；母材区域的渗碳体发生球化，与焊态时的母材组织相比，球化后的组织更为细小、均匀。
(2) 电脉冲处理能既能促进再结晶形核又能抑制晶核的长大，并促使焊缝裂纹出现不同程度的愈合，在一定范围内，脉冲时间越长，愈合效果越明显。当电压为 5V，脉冲时间 460ms 时，HHD 钢焊缝裂纹达到最佳愈合佳效果。
(3) 电脉冲处理能够提高 HHD 钢焊接接头的硬度和抗拉强度，脉冲时间 460ms时，HHD 钢焊接接头的硬度提高 10%，抗拉强度提高 25%。
(4) HHD 钢焊缝裂纹的愈合是由于脉冲电流在裂纹尖端产生绕流，并伴随较大的热压应力，裂纹边缘接近熔化的金属在热压应力的作用下，相互靠近，最终形成原子键结合，完成裂纹愈合。