熱作模具堆焊修復再制造技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

黃國開

摘要：對各類熱作模具的工程背景及應用現(xiàn)狀進行了分析。闡述了堆焊技術在熱作模具修復中的作用;堆焊材料分類特點和適用范圍。

Abstract： The engineering background and application status of various hot work molds are analyzed. The role of surfacing welding technology in hot work die repairing; the classification characteristics and scope of application of surfacing welding materials are described.

關鍵詞：熱作模具;堆焊修復;堆焊合金

Key words： hot work die;surfacing repair;surfacing alloy

中圖分類號：TG441????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0111-02

0? 引言

在使用過程中，模具要承受較高的單位壓力，由于金屬塑變流動產生的巨大沖擊載荷和劇烈的摩擦，另外，在高達1200℃的鍛件還可對型腔進行反復加熱，使得模腔表面溫度迅速升高，溫度通常在500～650℃。由于條件很差，熱制模常發(fā)生熱堆裂、損傷如熱磨損、熱疲勞、甚至是破裂失效。對有故障的模具，在修復時常用堆焊技術過程中，對模具鋼進行堆焊修復的研究和實踐，關于堆焊連接組織和各微區(qū)組成的研究很少，對不同的加工方法所產生的組織和微區(qū)域成分并不直接，但卻是確定工藝參數的主要依據。

1? 熱作模具堆焊修復發(fā)展趨勢

經過大量的實踐表明，相較于多種表面強化及修復技術，堆焊技術在實際使用過程當中是最為理想可靠的模具修復制造技術，并且在較早的時間內用于模具修復的表面技術。所謂焊堆修復即是采用焊接的方式，將一定性能的材料放置于模具受損或恢復區(qū)域，以此對失效區(qū)的尺寸進行恢復，提高耐磨耐熱的機械性能，堆焊工藝種類繁多，隨著焊接熱源的不同，在性能中即可分為火焰堆焊、電弧堆焊、電渣堆焊、等離子堆焊及激光對焊等等，在當前國內外模具的修復工藝當中，使用較多的便是電弧堆焊、等離子堆焊及激光對焊。采用電弧對焊，在實際工作過程當中，主要利用電弧作為熱源，將焊條或者焊絲作為其補充金屬，堆焊層致密性較好，且相互結合過程當中強度較高，所引用的設備在使用過程當中較為簡單，并且能夠與焊接設備在實際使用過程當中進行通用，以此滿足各種不同工況的實際要求。因此，在現(xiàn)實工藝使用當中，使用的范圍較為廣泛。激光對焊模具修復，即是通過同步送粉送絲，或是在模具機體上填充金屬粉末，采用柱狀光斑或是巨型光斑，以此作為熱源能夠快速的將填充金屬機器機體表面進行同時融化并快速凝固，以此形成稀釋率極低的表面涂層，采用激光對抗技術加熱及冷卻速度較為快速。采用此項技術的最大優(yōu)點便為修復層與基體結合過程當中強度較高，在重新獲得修層組織的表面較為均勻，結構緊致，且無開裂氣孔燈現(xiàn)象，特別是應用于小型復雜的精密精密模具的修復，相較于電弧堆焊，激光堆焊能量密度較高，對用量需求較小且成型較為快速，在實際性能上能夠得到較低的稀釋率及良好的組織性能。但在激光熔覆效率方面較慢，采用該設備在造價方面較高，電焊設備相對來說較為普通，于是便在實際運行當中較為普及。所以激光堆焊在實際使用過程當中，更適用于小型精密度較高且性能要求較為嚴格的模具。等離子堆焊技術是采用不融化電極和壓縮電弧加熱工件實現(xiàn)焊接的方法，相較于電弧堆焊，采用該技術在模具修復過程中熱影響區(qū)域較小，并且具有高效的成形性。模具堆焊技術在未來的發(fā)展中具有廣闊的前景，且具備較高的實用價值。

2? 熱作模具的工作條件、失效形式及性能要求

2.1 熱作模具是一類金屬高溫變形的工具

熱作模具鋼是構成此類模具的重要材料，適用于熱鍛模具、熱擠壓模具和熱沖裁模具等。模具的工作條件很惡劣，它的使用壽命的長短，很大程度上取決于熱作模具鋼的性能，隨著服務期延長，它的機構會改變，因此，性能也會發(fā)生相應的變化。

2.2 堆焊的定義

堆焊是具有一定使用性能的合金材料采用一定的熱源法，熔敷于母材表面，為增強母材的特殊使用性能一種將零件恢復到原來形狀大小的工藝方法。堆焊可同時修復材料在使用期間所造成的失效部位，也可以用來加強材料或零件的表面。

3? 熱作模具堆焊修復技術

在面對表面強化修復工程中，經過大量的實踐表明，采用堆焊工藝較為理想，模具修模再制造技術應用時間較早，早在上世紀五十年代就被投入使用。堆焊材料以其自身的實際性能，用一個或幾個層次在損壞的模子區(qū)域上堆砌的工藝過程，修復損壞區(qū)域的大小，或改善耐磨性以及耐腐蝕或其他機械性能。焊料的種類較為繁多，當前使用較多的為電堆焊技術，該結構主要以電弧熱源為主，利用焊條或者是焊絲以此對金屬部位進行填充，以此形成的堆焊較為緊密，可實現(xiàn)與母材的冶金結合，高粘結力。使用的設備比較簡單，能適應各種不同條件的需要，用途最廣。常見的焊接方法有手工電弧焊、鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護焊接。美國尤利金公司采用重慶長征重工有限公司（Eureka）E450/E650準4.8毫米對5 CrNiMo的兩種型號焊條，用手工電弧堆焊方法修復疲勞失效熱鍛模。這些焊料的主要化學成分與模具材料相同，兩者的熔融程度更高，焊后熔化狀態(tài)下的原子遷移擴散能使二者形成較為穩(wěn)定的焊接區(qū);對這兩者型號的焊條進行了合理的焊接前熱處理，經修復的模腔硬度達51～52HRC，由表至基的梯度分布，既有良好的熱強度、熱硬性，還可承受較大的沖擊載荷，熱疲勞，因而疲勞壽命延長，實踐應用中發(fā)現(xiàn)，堆焊修復后的模具比新模具壽命提高一倍以上。

4? 熱作模具的堆焊修復材料

4.1 鐵基堆焊材料

在熱作模具堆焊材料中，鐵基高溫堆焊材料是最常用的一種材料。國內鐵基高溫堆焊材料主要以焊條為主，還可制成焊絲及合金粉。一般采用H08A、H08E等各種不銹鋼焊絲及其它焊絲作焊芯，外涂各種鐵合金元素。用藥皮、焊芯和藥皮過渡到堆焊層，因此，堆焊層具有高硬度，耐磨性能良好，可承受較高的工作溫度。為延長修模的使用壽命，這種堆焊材料的研究一直在進行，已開發(fā)出多種鐵基堆焊材料。在現(xiàn)有市場上研究的模具堆焊材料性能存在較大差異，區(qū)分堆焊材料合金體系的模具、類型如下：堆焊碳素馬氏體高強度鋼，堆焊材料熱作模具鋼，堆焊馬氏體不銹鋼材料等。

4.2 鈷基堆焊材料

鈷基堆焊焊條：國內鈷基堆焊焊接條主要有D802，D812，D822三種，焊條分別是低碳、中碳、高碳鈷鉻合金焊芯具有優(yōu)良的抗腐蝕的堆焊層，耐磨損，耐高溫，溫度高于600℃時仍保持上述特性。D802是一種較好的韌性焊條，能夠經受嚴寒和熱浪，不太可能出現(xiàn)裂縫，主要用于高溫高壓閥門和熱剪切刀片等堆焊。D812的碳、鎢含量居中，有中等硬度，耐磨性能比D802好，但是塑性差，主要用于高溫高壓閥、高壓泵的軸套和化纖設備切刀片等進行堆焊。D822碳鎢含量最高，故硬度高，耐磨性能好，耐沖擊性差，同步堆焊時易產生裂紋主要用于牙輪鉆頭軸承、螺旋式進料器等易磨損部件的堆焊。

5? 熱作模具堆焊技術未來發(fā)展趨勢

隨著模具產業(yè)的不斷發(fā)展，在未來的研發(fā)過程中向著高精度、高耐磨性方面發(fā)展，延長使用壽命，因此，可以預見的是，在今后的模具開發(fā)中將要修復的量將會越來越大，且對其工作要求也將越來越嚴格。根據實際經驗表明，在制造產業(yè)技術發(fā)展當中運用熱模具修復技術能夠帶來更大的經濟收益，并且在使用上有著非常廣泛的市場前景。隨著堆焊技術被逐漸的引用到模具修復行業(yè)以來，對其進行了全方面的研究。根據當前世界各國對模具堆焊技術修復在制造研究中的研發(fā)進一步拓展，在未來的發(fā)展過程中將會在以下幾個方面取得較大突破：

①由于熱作模具長期以來受到熱力耦合變載荷的作用，在使用時內部非常容易出現(xiàn)磨損及裂紋等現(xiàn)象發(fā)生，在這種情況下就容易造成模具表層的硬度有所下降，嚴重者將會導致模具失效。但是在實際運行過程當中針對內部產生裂紋的長度、深度、分布狀況等一些實際形態(tài)難以進行清楚的測量。基于此項問題，就可以基于數值模擬技術，對熱鍛模具壽命的建模進行有效探究，以此用來確定造成模具失效的原因，確定其失效的分布區(qū)域。之后便對失效層進行精準的評價及采用機械進行去除，同時，建立起模具服役性能評價體系，對再制造模具的進準度及機械性能指標進行相應的分析及修復，通過對熱作模具的失效成因進行分析，對其剩余壽命進行可靠評價方法，能夠對模具壽命進行簡單地預測，以便在后續(xù)的工程中對模具進行高效修復作出充分的準備。

②采用生產成本低、專業(yè)化的模具修復材料，具有高強度、高性能等方面的優(yōu)點，在實際使用中能夠對多種類型的模具進行修復，對于在實際使用過程當中針對模具不同性能、不同深度的堆焊技術要求有著良好的幫助。同時在焊接熔滴過渡、焊道形狀及焊接變形的具體要求中，可以對藥芯成分進行徹底的優(yōu)化，從而具備自適應性要求。

③為充分的發(fā)揮出成型技術對于恢復復雜零件尺寸的優(yōu)勢，就需要將增材制造快速成型系統(tǒng)與數控加工進行深度融合，以便在具體的開發(fā)過程中，開發(fā)具有高控制精度度較為可靠機型，適用多種重型材料的堆焊修復系統(tǒng)。在實際工作當中，就可以采用多種焊接工藝，經過多個送絲機構，并以此形成多軸cnc加工單元，對堆焊成型中的二維三維快速轉軌規(guī)劃算法進行深度研究。在內容中，包括不同成型材料的各項成型工藝、焊接過程中的工藝參數、熔池現(xiàn)狀，對多項工藝進行在線監(jiān)控及反饋控制。因此對于實現(xiàn)模具過渡梯度功能精進成型堆焊修復，同時在每次焊接結束之后，便可以采用cnc粗加工表面，不僅能夠有效的清理掉焊渣，也能夠保證堆焊表面的平整性。如此一來，便有效的提升增材對焊的高精度成型，以此實現(xiàn)精細加工。

6? 結束語

采用堆焊修復技術對熱作模具再制造有許多優(yōu)點。對于我國模具的發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。成本低，效率高，自適應性堆焊工藝特別適用于大中型模具大批量成形與修復。精確度高，修復性好的等離子激光等堆焊技術可用于小型高精度、高附加值模具修復。目前國內外對堆焊修復技術進行了深入的研究，可用于堆焊材料，在修復精度和性能方面還有很多問題需要解決。在先進制造技術理念影響下，智能控制技術和精密切削技術相結合而形成的技術已引起制造業(yè)的廣泛關注，在未來模具維修、制造必將與 CAD/CAE/CAM、數字控制、機器人與新出現(xiàn)的增材制造相結合，建立新技術和多學科的交叉。

參考文獻：

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