廢舊模具堆焊修復(fù)技術(shù)研究

莊青風(fēng)

【摘?要】模具是工業(yè)生產(chǎn)中極其重要的特殊基礎(chǔ)裝備之一，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車(chē)、航空、軍工、能源等領(lǐng)域，模具水平的高低標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的高低。壽命較短成為制約零部件快速連續(xù)生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵因素。通過(guò)對(duì)其修復(fù)再制造，使品質(zhì)不低于新品，甚至優(yōu)于新品，延長(zhǎng)了模具使用壽命，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的目的。本文概述了熱作模具堆焊修復(fù)工藝，指出了未來(lái)熱作模具堆焊修復(fù)發(fā)展的趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】熱作模具;修復(fù)與再制造;堆焊;近凈成形;焊材

熱作模具在模具行業(yè)占有較大比重，主要分為熱鍛模、熱擠壓模和壓鑄模，壽命較短成為制約零部件快速連續(xù)生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵因素。但熱作模具的失效不可避免，與制造新模具相比，再制造模具均是以舊模具為基礎(chǔ)進(jìn)行修復(fù)，顯著提高材料的利用率，縮短生產(chǎn)周期。尤其對(duì)一些高強(qiáng)度特殊性能合金模具，其材料成本高、制造工序復(fù)雜、周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)附加值高，通過(guò)對(duì)其修復(fù)再制造，使品質(zhì)不低于新品，甚至優(yōu)于新品，延長(zhǎng)了模具使用壽命，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的目的。

1熱作模具的修復(fù)工藝

熱作模具的堆焊修復(fù)，需要根據(jù)模具的幾何結(jié)構(gòu)特征，失效形式、損傷程度等，選用合適的方法，遵循一定的工藝原則和步驟，才能完成模具的修復(fù)再制造，達(dá)到所需的尺寸及物理機(jī)械性能，并重新投入生產(chǎn)，達(dá)到延長(zhǎng)模具壽命的目的。

1.1模具修復(fù)工序

由于熱作模具一般由高強(qiáng)度合金制造，模腔表面硬度達(dá)到40～50HRC，可切削加工性較差，需要硬質(zhì)合金刀具甚至是陶瓷刀具，且對(duì)機(jī)床剛性要求較高。電弧氣刨是利用碳棒（石墨棒）與工件之間產(chǎn)生的高溫電弧，并用壓縮空氣將受高溫熔化的金屬吹掉。

由于熱輸入較大，焊道表面冷卻速度較快，焊層與基體會(huì)有較大的溫差，而熱作模具通常硬度較高，延展性較小，受熱不均易產(chǎn)生拉壓應(yīng)力，從而導(dǎo)致焊層裂紋。因此需要將模具預(yù)熱，緩和焊接層至母材的溫度梯度，從而分散應(yīng)力，同時(shí)徐冷焊接也可釋放高溫層的應(yīng)力，減輕馬氏體變態(tài)應(yīng)力。由于開(kāi)裂與模具基體及堆焊層金屬的含碳量、合金元素有關(guān)系，所以預(yù)熱溫度一般根據(jù)所用焊材的碳當(dāng)量來(lái)計(jì)算的。

每焊完一層，焊接金屬尚在高溫時(shí)就用錘頭敲擊焊層表面，通過(guò)使焊接層發(fā)生塑性變形，減少焊層的收縮量，從而減少內(nèi)部應(yīng)力。焊接完后加熱至適當(dāng)?shù)臏囟冗M(jìn)行回火，可釋放內(nèi)部應(yīng)力，有效地防治裂紋產(chǎn)生。緩冷目的是達(dá)到平衡的微觀晶相結(jié)構(gòu)和韌性，從而在鍛造過(guò)程中達(dá)到最佳效果。焊接過(guò)程中，焊接電流、電壓、電弧長(zhǎng)度、焊接速度、保護(hù)氣的配比需要根據(jù)所用焊材及工藝合理選擇與控制，從而保證一定的焊接形貌和足夠的焊接性能。

1.2分層焊接

中大型熱鍛模具的基體底部與模具型腔表面的機(jī)械性能通常不一致，模腔由于要受到鍛件的擠壓、摩擦和冷熱沖擊，需要有較高的硬度和耐磨性，抵抗冷熱疲勞裂紋和磨損;模具表面一些凸出、大曲率部位會(huì)首先和鍛件發(fā)生接觸，磨損裂紋較嚴(yán)重，對(duì)硬度耐磨性要求更高;而模具底部和燕尾由于要承受較大的鍛壓沖擊載荷，則需要具有一定的剛度和韌性，防止過(guò)載時(shí)發(fā)生脆性斷裂。因此在進(jìn)行焊接時(shí)，應(yīng)該根據(jù)焊接的部位、焊接層的深度等選擇滿足性能要求的焊材，采用多層焊接金屬過(guò)渡的形式，降低基體和焊層之間的合金元素、金相組織的變化梯度，以及韌性和硬度等機(jī)械性能的變化梯度等。

1.3堆焊成形策略

熱作模具的失效形式可以分為如下幾種類(lèi)型：①模具分型面磨損或塑性變形。②有局部塑性變形造成的凹坑。③工作面型腔的整體磨損導(dǎo)致型腔擴(kuò)大，或者型腔表面裂紋。④模具局部或整體斷裂。對(duì)于模具分模面有磨損變形的情況，需要通過(guò)機(jī)加工降面，保證結(jié)合面足夠的平面度，使得上下模精密貼合。對(duì)于模具局部塑性變形造成的凹坑，所需的堆焊金屬量較小，可以采用效率較慢但堆焊性能較好的鎢極氬弧焊（TIG）進(jìn)行局部堆焊填充修補(bǔ)，然后進(jìn)行機(jī)加工或打磨清理。對(duì)于模具工作面型腔因磨損變形整體擴(kuò)大，或者型腔表面有裂紋的，一般先要刨掉表面疲勞層，導(dǎo)致需要堆焊修復(fù)的部分較大，尤其是中大型模具，填充金屬量大。目前工廠普遍采用手工電弧焊堆焊，將整個(gè)型腔填平，然后進(jìn)行機(jī)加工形成型腔，工人工作量大，工作環(huán)境惡劣，且浪費(fèi)了堆焊材料。

近年來(lái)，隨著3D打印、增材制造成為熱點(diǎn)，模具堆焊修復(fù)也向著增材制造、近凈成形方向發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)模具的綠色高效增材再制造修復(fù)。其具體思路是：利用逆向工程三維掃描技術(shù)，將經(jīng)過(guò)清理的失效待修復(fù)模具進(jìn)行三維掃描，得到其三維測(cè)量數(shù)模，并與模具的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比對(duì)，得到缺損待堆焊填充區(qū)域，再利用3D打印增材制造領(lǐng)域較為成熟的分層制造技術(shù)進(jìn)行精確控制的累加層近凈成形，留出3～5mm的加工余量，最后進(jìn)行粗精機(jī)加工，得到滿足尺寸和性能要求的修復(fù)再制造模具。

2熱作模具堆焊修復(fù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著模具產(chǎn)業(yè)規(guī)模的逐年增長(zhǎng)，且向著高精度、高耐磨性和長(zhǎng)壽命方向發(fā)展，模具的修復(fù)量越來(lái)越大，修復(fù)要求也越來(lái)越高。實(shí)踐證明，模具修復(fù)尤其是熱作模具的修復(fù)再制造技術(shù)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。自堆焊技術(shù)應(yīng)用到模具修復(fù)行業(yè)以來(lái)，各方面都取得許多研究成果。隨著各國(guó)研究者對(duì)模具堆焊修復(fù)再制造技術(shù)研究進(jìn)一步拓展，將在以下幾個(gè)方面取得進(jìn)展：

（1）熱作模具長(zhǎng)期受到熱力耦合交變載荷的作用，模具內(nèi)部易產(chǎn)生疲勞裂紋、磨損、塑性變形等現(xiàn)象，模具表面硬度降低，導(dǎo)致模具失效。然而裂紋長(zhǎng)度、深度、分布狀況以及模具塑性變形量等狀態(tài)難以直接檢測(cè)。通過(guò)對(duì)熱鍛模具壽命的建模，基于數(shù)值模擬技術(shù)，研究失效機(jī)理，確定模具失效的分布區(qū)域，對(duì)失效層進(jìn)行精確評(píng)價(jià)及機(jī)械去除;同時(shí)，分析修復(fù)再制造模具的精度及機(jī)械性能指標(biāo)，建立模具服役性能的評(píng)價(jià)體系，結(jié)合熱作模具的失效機(jī)理分析，建立其剩余壽命和可靠性評(píng)價(jià)方法，預(yù)測(cè)模具的服役壽命，為模具的適時(shí)、高效修復(fù)奠定基礎(chǔ)。

（2）開(kāi)發(fā)成本低、強(qiáng)度高、成形性好、系列化和專(zhuān)業(yè)化的模具堆焊材料，匹配各種類(lèi)型模具的修復(fù)，滿足模具不同部位、不同深度堆焊修復(fù)的特殊性能要求。使用無(wú)渣型的金屬芯焊絲，調(diào)整和優(yōu)化藥芯成分，從而滿足焊接快速成形對(duì)熔滴過(guò)渡、焊道形狀和焊接變形的要求。

（3）將增材制造快速近凈成型系統(tǒng)（RP）與數(shù)控加工（CNC）相融合，開(kāi)發(fā)出具有高控制精度，較好的可靠性和柔性，適應(yīng)多種成形材料的堆焊修復(fù)系統(tǒng)，發(fā)揮快速成型技術(shù)對(duì)恢復(fù)復(fù)雜零件尺寸的優(yōu)勢(shì);采用多種焊接工藝、多個(gè)送絲機(jī)構(gòu)，并集成多軸CNC加工單元。研究堆焊成型中二維、三維快速軌跡規(guī)劃算法，以及不同成形材料的穩(wěn)定成形工藝，建立焊接過(guò)程中工藝參數(shù)、熔池形狀、焊縫質(zhì)量的在線監(jiān)控和反饋控制，快速實(shí)現(xiàn)模具多層過(guò)渡梯度功能材料的凈近成形堆焊修復(fù);每層焊接完成后，可通過(guò)CNC粗加工表面，既清理掉焊渣，又保證了堆焊表面的平整度，有利于增材堆焊的高精度成型，堆焊完成可以進(jìn)行精加工。

3結(jié)語(yǔ)

熱作模具的堆焊修復(fù)再制造技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)我國(guó)模具發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。受先進(jìn)制造技術(shù)理念的影響，堆焊技術(shù)與智能控制技術(shù)及精密切削技術(shù)相結(jié)合形成的近凈成形技術(shù)引起了制造業(yè)的廣泛關(guān)注，模具的修復(fù)再制造未來(lái)必然將與CAD/CAE/CAM、數(shù)控、機(jī)器人以及增材制造等新興技術(shù)相結(jié)合，形成多學(xué)科交叉的新技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋巖，丁旭輝，楊孝享，等.鍛模堆焊修復(fù)工藝的研究及應(yīng)用[J].鍛造與沖壓，2019，000（013）：71-74.

[2] 孫國(guó).堆焊修復(fù)鍛模新工藝[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2016（01）：85.

（作者單位：保定市保勝車(chē)架有限公司）