鍛模自動(dòng)堆焊再制造技術(shù)及裝備

文/付成·鞍山天利機(jī)械工程有限公司

鍛模自動(dòng)堆焊再制造技術(shù)及裝備

文/付成·鞍山天利機(jī)械工程有限公司

付成，總經(jīng)理，高級(jí)工程師，主要從事再制造裝備的設(shè)計(jì)研究工作，重點(diǎn)是冶金備件、軋輥表面堆焊合金，進(jìn)行表面改性處理和失效備件再制造技術(shù)的工藝和材料研究，設(shè)計(jì)研制了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)鍛模自動(dòng)堆焊再制造工作站，第一臺(tái)80t大型支撐輥?zhàn)詣?dòng)堆焊工作站、第一臺(tái)雙絲、雙擺動(dòng)埋弧自動(dòng)堆焊機(jī)床，獲實(shí)用新型專利5項(xiàng)，發(fā)明專利1項(xiàng)。

我國(guó)已成為世界公認(rèn)的制造大國(guó)和世界加工廠，但較為粗放的傳統(tǒng)制造業(yè)受到了能源、資源和環(huán)境日益緊迫的挑戰(zhàn)，向可持續(xù)的綠色制造轉(zhuǎn)變成為當(dāng)務(wù)之急。而再制造作為綠色制造的重要內(nèi)容和方向，近年來(lái)發(fā)展迅速，日益引起政府和公眾的關(guān)注。再制造作為循環(huán)發(fā)展的重要模式，已在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家形成產(chǎn)業(yè)化。最近，國(guó)家發(fā)改委已將再制造專業(yè)服務(wù)和裝備生產(chǎn)等再制造產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，資源循環(huán)利用技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目，作為“十二五”期間重點(diǎn)支持的項(xiàng)目。再制造在節(jié)能、節(jié)材、降耗、減少污染和提高經(jīng)濟(jì)效益上的作用是巨大的。目前我國(guó)模鍛件產(chǎn)量已居世界第一位，成為真正的模鍛大國(guó)，由于鍛造模具價(jià)格較高，消耗量大，設(shè)法提高鍛模壽命，將大量失效的模具修復(fù)再生利用可大大降低模鍛企業(yè)的生產(chǎn)成本，通常在模鍛的生產(chǎn)中模具費(fèi)用約占模鍛直接成本的15%。而模鍛行業(yè)的平均利潤(rùn)率也只有10%，若能使模具壽命平均提高一倍的話，實(shí)現(xiàn)鍛模循環(huán)使用，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

熱鍛模堆焊再制造工藝

熱鍛模自動(dòng)堆焊再造技術(shù)的特點(diǎn)是利用原有報(bào)廢的鍛模為載體，根據(jù)母材和工況要求，設(shè)計(jì)選擇最佳的過(guò)渡合金和工作層耐磨合金材料及焊接工藝參數(shù)。采用獨(dú)特的堆焊工藝和專用的自動(dòng)堆焊機(jī)床將模腔整體更換成耐磨的堆焊合金，相當(dāng)于在原模腔內(nèi)表面形成一層耐磨的硬殼，起到“好鋼用在刀刃上”的作用，使鍛模壽命提高50%～150%，所以說(shuō)鍛模堆焊再造技術(shù)不是簡(jiǎn)單的修復(fù)過(guò)程，而是一個(gè)再制造的過(guò)程，體現(xiàn)了可反復(fù)堆焊再生的循環(huán)經(jīng)濟(jì)型的特點(diǎn)，是鍛造企業(yè)節(jié)材降耗的重要措施。

自動(dòng)連續(xù)分層注滿式的鍛模堆焊技術(shù)，它包括環(huán)保綠色封閉的自動(dòng)堆焊設(shè)備和適合連續(xù)自動(dòng)堆焊的專用焊接材料及工藝。對(duì)比目前模鍛業(yè)通用的手工焊補(bǔ)，不僅生產(chǎn)效率提高至少5倍，而且隔熱，環(huán)保，無(wú)煙塵和輻射，特制的藥芯焊絲特別適合高速焊接，堆焊時(shí)不需要中途更換焊絲，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)堆焊，確保了鍛模的堆焊質(zhì)量的穩(wěn)定，內(nèi)外質(zhì)量均勻一致。

熱鍛模堆焊再制造工藝步驟如下：首先要對(duì)失效的模具進(jìn)行清理，除去油污和氧化鐵皮，按照模具預(yù)處理圖紙（依照原型腔外擴(kuò)12～15mm）用碳弧氣刨去除疲勞層和裂紋，清理后的型腔應(yīng)平整、過(guò)渡圓滑，適合焊槍連續(xù)運(yùn)動(dòng)，并用角磨機(jī)打磨除去滲碳層和積碳，使用著色探傷檢查是否有殘余裂紋，清理干凈后送入加熱爐預(yù)熱至450℃，保溫2小時(shí)后取出，上機(jī)逐層堆焊，每層焊后用氣鏟清理干凈焊渣后再焊第二層。逐層堆焊，直至焊滿，送入加熱爐均熱處理400℃保溫2小時(shí)，隨爐緩冷至室溫后，再根據(jù)熱處理硬度回火曲線，將堆焊好的模塊入爐，緩慢加熱（≤50℃/h）至指定溫度，保溫8小時(shí)以上，再以≤50℃/h的降溫速率緩冷至200℃以下出爐空冷至室溫。檢查硬度和外形尺寸合格，確保留有足夠的加工余量，上機(jī)CNC或電火花加工至成品出廠。熱鍛模具堆焊再制造焊接工藝過(guò)程，如圖1所示。

圖1 熱鍛模具堆焊再制造焊接工藝過(guò)程

熱鍛模具堆焊材料的發(fā)展

適合熱模鍛的熱作模具鋼應(yīng)具備良好的高溫強(qiáng)韌性，紅硬性，抗熱疲勞性能，適合于沖擊載荷大、工作溫差高的模具，抗回火性能穩(wěn)定，并具有良好的鍛造、熱處理及機(jī)械加工性能。用于鍛模修復(fù)的焊接耗材的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足如此惡劣的使用條件，還應(yīng)考慮抗磨損、抗腐蝕、抗塑性變形、低和高應(yīng)變速率下的粗糙度以及熱軟化和機(jī)械疲勞。在材料選擇時(shí)，經(jīng)常需要妥協(xié)，因?yàn)楹附硬牧嫌泻芏嗵攸c(diǎn)，從某種程度上看他們是互相排斥矛盾的，需要綜合考慮的。焊接耗材的選擇取決于焊機(jī)生產(chǎn)能力，耗材成本。事實(shí)上傳統(tǒng)的模具修復(fù)多為局部使用焊接來(lái)修補(bǔ)鍛模，這是一種比較實(shí)用的減少工具成本的方法。然而，在很多情況下，利用通用的MIG（熔化極惰性氣體保護(hù)焊）焊機(jī)和焊材進(jìn)行修復(fù)，由于這種手工堆焊技術(shù)發(fā)展的局限性，鍛模焊接的潛在效益并沒(méi)有得到發(fā)揮。

熱鍛模具堆焊技術(shù)著眼于模具承受的極端惡劣的工況條件下，如何優(yōu)化焊接工藝流程，選擇設(shè)計(jì)適合鍛造工業(yè)特殊要求的焊接耗材。堆焊材料的設(shè)計(jì)思想是基于鍛模的失效機(jī)理?？鼓p性通常決定硬度的高低，而鍛模的磨損不僅僅由于單純的摩擦而產(chǎn)生，鍛模失效很少取決于單一的典型失效現(xiàn)象，例如摩擦，擠壓、腐蝕、熱疲勞等，而是需要綜合的全面分析。因此，僅通過(guò)選擇高碳合金材料來(lái)提高熱鍛模耐磨性，效果并不可取。事實(shí)上，實(shí)踐證實(shí)可以通過(guò)焊接高鉻和低碳熔敷合金來(lái)減少表面軟化，而不是使用傳統(tǒng)的鍛模鋼系列合金。

鍛造類型、鍛模設(shè)計(jì)和機(jī)加及熱處理方式和工藝都會(huì)直接影響材料的選擇和判斷。從理解焊接金屬冶金和工具鋼設(shè)計(jì)的角度，提出適合鍛模修復(fù)的三組焊接耗材的常用組成成分見(jiàn)表1。

表1 適合鍛模修復(fù)的焊接耗材的常用組成成分范圍概述

第一組焊材屬于低碳系列，低合金熔敷金屬，適合成本效益低的鍛模修復(fù)和那些機(jī)加能力受限制的企業(yè)。焊材適合于高溫、高負(fù)荷、急熱急冷條件下的壓力機(jī)鍛模和沖擊載荷較大的錘鍛模具，如軸承熱鍛凹模、成形輥鍛模、高強(qiáng)度和高熱強(qiáng)鋼的精密鍛造、鋁和銅合金壓鑄模、熱擠壓模具等。

第二組焊材屬于中碳系列，具有高熱紅硬性，良好的抗腐蝕能力和抗熱強(qiáng)度使得鍛模軟化達(dá)到最小化。高溫強(qiáng)韌性和熱疲勞性能突出，適合于沖擊載荷大、工作溫差高的模具。如輥鍛成形模具，有色金屬壓鑄模具、耐熱不銹鋼及高強(qiáng)度材料鍛壓成形模具，軸承環(huán)套圈熱鍛成形凹模等，使用壽命比原用H13、3Cr2W8V和5CrNiMo都有成倍提高。

第三組焊材屬于高碳系列，添加的Mo，W和Nb用于促進(jìn)抗磨損性，在成分上與熱加工工具鋼如H13相比較，更適合于極高的高溫強(qiáng)度、紅硬性能、熱穩(wěn)定性能和高溫耐磨性能的銅合金擠壓模具，溫鍛模具和沖擊載荷較小的熱擠沖頭模具。切邊模具、齒輪精鍛模具、軸承環(huán)擠壓沖頭、不銹鋼餐具輥軋模具的應(yīng)用壽命都遠(yuǎn)高于原H13、3Cr2W8V模具。

鍛模應(yīng)用第二組焊材與常規(guī)焊材修復(fù)后進(jìn)行生產(chǎn)對(duì)比，生產(chǎn)數(shù)量與模具表面粗糙度的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)數(shù)量與模具表面粗糙度的關(guān)系

熱鍛模自動(dòng)堆焊機(jī)床的發(fā)展

熱鍛模具堆焊再制造材料和工藝確定之后，最關(guān)鍵的技術(shù)就是堆焊設(shè)備的保障，只有穩(wěn)定可靠的自動(dòng)焊接設(shè)備和加熱保溫系統(tǒng)，才是鍛模堆焊再制造可靠的工藝保證。在模具的堆焊再制造中，能否成功的高質(zhì)量、高效率的堆焊，關(guān)鍵取于堆焊設(shè)備，傳統(tǒng)的手工堆焊修復(fù)，即使用機(jī)械臂手控堆焊，不僅堆焊效率低，而且很難控制好堆焊的質(zhì)量。典型傳統(tǒng)的鍛模的焊接修復(fù)，是使用MIG或者M(jìn)AG（熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊），并且要求焊工必須靠近預(yù)熱400℃的熱鍛模，頂著有毒的煙塵和高溫施焊，堆焊質(zhì)量很難保證，完全依賴操作者的技能和經(jīng)驗(yàn)，人的情緒和勞動(dòng)態(tài)度對(duì)質(zhì)量影響很大。不僅生產(chǎn)效率低，熔敷率只有3kg/h，而且經(jīng)常出現(xiàn)夾渣、氣孔和不熔合的缺陷，給后續(xù)加工和質(zhì)量帶來(lái)無(wú)可挽回的質(zhì)量問(wèn)題，也是致使鍛模自動(dòng)堆焊修復(fù)技術(shù)難以推廣的原因。現(xiàn)代化的模具堆焊機(jī)床將現(xiàn)代自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、材料、環(huán)保技術(shù)與傳統(tǒng)的堆焊技術(shù)相結(jié)合，并融入了多年的堆焊工藝訣竅。

熱鍛模具自動(dòng)堆焊工作站是焊接自動(dòng)化的革命性進(jìn)步，它突破了鍛模堆焊修復(fù)傳統(tǒng)方式，開(kāi)拓了一種自動(dòng)化全新方式，模具自動(dòng)堆焊機(jī)床徹底消除了上述的人為因素，操作者不再需要高超的操作技能，只要預(yù)置好焊接參數(shù)后即可保證連續(xù)高速焊接，鍛模每層熔敷堆焊層可達(dá)到3～5mm，熔敷率可達(dá)到20kg/h，堆焊效率是人工堆焊的5～7倍，操作者只需透過(guò)抗紫外線的視窗輕松的操縱遙控桿控制焊槍的運(yùn)動(dòng)方向，無(wú)需人工精確控制搭接量及熔合情況，堆焊機(jī)床可以按預(yù)先編制好的程序，自動(dòng)完成精確步進(jìn)，確保最佳的搭接熔合，以保證堆焊層的平整，大大減少了加工余量，改進(jìn)后的新型堆焊機(jī)床除具有自動(dòng)堆焊的功能外，還增加了焊接軌跡自動(dòng)記憶功能，堆焊后氣動(dòng)除渣器可憑計(jì)算機(jī)的記憶沿焊接的軌跡連續(xù)除渣，同時(shí)振動(dòng)打點(diǎn)，起到降低焊接應(yīng)力的作用。避免了電弧產(chǎn)生的弧光輻射對(duì)人體的傷害。焊接產(chǎn)生的致癌的煙塵集中過(guò)濾處理達(dá)標(biāo)排放，使得對(duì)外界空氣的污染達(dá)到最小化。

熱鍛模具自動(dòng)堆焊工作站以環(huán)保、節(jié)能、高效為目標(biāo)，綜合現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控及機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)制造的鍛模堆焊再制造設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)鍛模全壽命周期管理的延伸和創(chuàng)新，它是對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的補(bǔ)充和發(fā)展，使造價(jià)昂貴的模具實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要技術(shù)途徑，使報(bào)廢的模具經(jīng)修復(fù)、再制造后變?yōu)槌^(guò)原性能數(shù)倍，并可反復(fù)循環(huán)使用的長(zhǎng)壽化熱鍛模具。

熱鍛模具堆焊再制造焊接機(jī)床的特點(diǎn)如下：實(shí)現(xiàn)了鍛模修復(fù)工作的高度自動(dòng)化、人性化；避免了焊工頂著450℃高溫模具的近距離焊接的烘烤，大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度；消除了濃烈的有害焊接煙塵對(duì)焊工身體的侵害和對(duì)環(huán)境的污染；避免強(qiáng)烈的焊接弧光的照射對(duì)人員和環(huán)境的弧光輻射污染；消除了產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的一切人為因素，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，消除了人工堆焊不可避免的夾渣，氣孔和熱裂紋；提高了模具修復(fù)和再制造的生產(chǎn)效率達(dá)5倍以上。改進(jìn)型堆焊機(jī)床具有自動(dòng)除渣功能，從而提高堆焊效率1倍；人機(jī)界面的數(shù)字控制，使高難度的修復(fù)技術(shù)簡(jiǎn)單化，操作人員只需簡(jiǎn)單培訓(xùn)就能熟練操作。以上既是焊接工作站對(duì)比目前傳統(tǒng)手工或目前通用的堆焊工藝的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，也是該設(shè)備的創(chuàng)新點(diǎn)，其技術(shù)水平是國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的同類產(chǎn)品。

應(yīng)用熱鍛模具再制造堆焊機(jī)床是焊接自動(dòng)化的革命性進(jìn)步，它突破了鍛模堆焊修復(fù)傳統(tǒng)方式，開(kāi)拓了一種自動(dòng)化全新方式。只要輸入焊接工藝相關(guān)參數(shù)，設(shè)備即可自動(dòng)完成焊接和除渣工作，無(wú)需改變?nèi)魏斡布洼o助條件。該工作站由以下幾部分組成：焊接機(jī)艙、機(jī)械手、控制系統(tǒng)裝置、驅(qū)動(dòng)單元、焊接輔助設(shè)施、保溫焊接工作臺(tái)、工件變位機(jī)。

結(jié)束語(yǔ)

熱鍛模具再制造自動(dòng)堆焊工作站只需輸入焊接工藝相關(guān)參數(shù)，設(shè)備即可自動(dòng)完成焊接和除渣工作?？梢源蠓岣吣＞咝迯?fù)和再制造的生產(chǎn)效率和鍛模修復(fù)質(zhì)量，其生產(chǎn)效率比人工堆焊修復(fù)提高5倍以上。