模具堆焊修復(fù)的優(yōu)點及成本分析

文／孟會濤·許昌中興鍛造有限公司

模具堆焊修復(fù)的優(yōu)點及成本分析

文／孟會濤·許昌中興鍛造有限公司

模具堆焊修復(fù)在歐美國家是模鍛行業(yè)普遍采用的成熟技術(shù)，引進(jìn)到國內(nèi)大約已有10年的時間，近幾年開始被國內(nèi)模鍛企業(yè)普遍接受，該技術(shù)的成功應(yīng)用使許多模鍛企業(yè)的模具成本大幅下降，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益及競爭優(yōu)勢。

模具堆焊修復(fù)在歐美國家是模鍛行業(yè)普遍采用的模具翻新修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)最早應(yīng)用于航空、航天及軍事領(lǐng)域，后廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，是一種比較成熟的技術(shù)。

以前我公司與大多數(shù)模鍛企業(yè)一樣，主要采用下落降面的方法修復(fù)失效的模具，但模具每降面一次，模塊質(zhì)量便有所減少，模塊的力學(xué)性能也隨之降低。這種模具修復(fù)方法最大的問題是容易造成模具材料的浪費，模具壽命也普遍不高，最大的難題是鍛件質(zhì)量難以控制，鍛件的尺寸公差、重量公差難以控制，外觀質(zhì)量差等，嚴(yán)重的甚至?xí)斐膳渴鹿实某霈F(xiàn)，失去客戶，丟掉市場。

2001年我公司嘗試在3t、5t模鍛錘使用的鍛模上應(yīng)用堆焊修復(fù)技術(shù)，雖有一定的效果，但經(jīng)濟(jì)效益一直不明顯。2009年我公司開始將此技術(shù)大量應(yīng)用到機(jī)鍛模上，到目前為止，我公司所有機(jī)鍛模均采用該技術(shù)進(jìn)行翻新修復(fù)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，對錘鍛模我們也一直在反復(fù)試驗，但目前尚未取得有效突破。下面僅就我公司在該技術(shù)的應(yīng)用過程中所遇到的問題及取得的經(jīng)驗與各位同仁分享如下。

堆焊修復(fù)的優(yōu)點

可以使模具不同的部位具有不同的硬度

鍛造模具使用條件苛刻，工作時受力狀態(tài)復(fù)雜，除了承受較大的壓應(yīng)力外，還受到熾熱金屬對模具型腔的加熱和劇烈摩擦，冷卻與潤滑時反復(fù)的“冷擊”引起的溫度應(yīng)力，而且同一模具在不同的工作部位承受的作用力不同，受熱時間也有較大的差異，所以模具雖然有脆性裂紋、熱疲勞龜裂、熱磨損、變形等多種失效形式，但大部分模具通常還是以綜合形式失效。傳統(tǒng)的制作工藝中，在模具進(jìn)行淬火等熱處理時都是以整塊模具為單位進(jìn)行的，也就是說，進(jìn)行淬火時是模塊整體進(jìn)入淬火池，所以模塊進(jìn)行淬火后表面的硬度各個部位差別不大，然而模具在工作時不同的工作部位承受的作用力不同，受熱情況也有較大的差異，這時模具就會表現(xiàn)出不同的損壞狀況，例如大部分模具型腔的根部由于壓應(yīng)力比較集中很容易出現(xiàn)深度裂紋，這就需要降低模具型腔根部的硬度以提高此部位的韌性，而模具飛邊橋或者型腔內(nèi)凸臺等部位受到大量的金屬沖刷極易出現(xiàn)磨損，這就需要提高模具此部位的硬度來增強(qiáng)模具的耐磨性。很多模具對于這種不同部位的硬度要求差別是非常大的，但整體淬火的模具是無法實現(xiàn)這種不同的硬度要求的，而堆焊修復(fù)可以根據(jù)模具不同的硬度要求選用不同性質(zhì)的焊材來實現(xiàn)同一塊模具的多種硬度。

可以使模具不同的部位具有不同的金屬組織

現(xiàn)在的模具一般都由同一種金屬組成，有的采用“鑲心?！钡姆绞絹硖岣吣＞咝颓坏牧W(xué)性能，雖然這樣能起到一定效果，但無法滿足模具因不同部位受力、受熱不同而需用不同金屬組織的要求，而堆焊修復(fù)的方法可以滿足此項要求。下面以較常用的5CrNiMo和某公司代理的X型焊接合金的性能比較來說明。

5CrNiMo模具鋼在使用過程中受坯料加熱的作用會產(chǎn)生碳化物球化現(xiàn)象，這會導(dǎo)致模具在使用過程中一直在軟化，硬度不斷降低，也就是說，5CrNiMo的高溫穩(wěn)定性不是很好；而X型焊接合金為單一奧氏體鋼，不存在相變，在500～600℃時組織穩(wěn)定，模具從開始使用到最后工作完畢硬度變化很小，這就大大增加了模具的耐磨性。

熱鍛模在高溫下工作，要求材料必須具有良好的抗氧化性能。Cr是主要的抗氧化元素，5CrNiMo鋼中僅含有0.7%左右的Cr，模具鋼表面在高溫下形成低含量的氧化膜，這種氧化膜多孔，而且很容易被工件材料所磨掉；而X型焊接合金含有12%左右的Cr，可以在表面形成致密且防護(hù)性良好的以Cr2O3為主的氧化膜，抗氧化性良好，可顯著增加模具的耐磨性。

可以用很低的成本解決傳統(tǒng)方法很難解決的問題

⑴解決模具型腔底部的深度裂紋無法徹底清除干凈的問題。

因為模具的高度是有限的，所以在下落降面時都希望下落很薄一層就可以見到新的金屬面，這樣不僅機(jī)加的成本低，而且還可以增加模具的翻新次數(shù)，也就是延長模具的使用壽命。但使用過的模具型腔會呈現(xiàn)出多種損壞形式，尤其是型腔內(nèi)部的裂紋，它們呈不規(guī)則走向，如果降面厚度太小，很難把裂紋徹底清除干凈，加工后的模具型腔內(nèi)有裂紋源，下次使用時有裂紋源的部位很快會產(chǎn)生更大的裂紋，造成模具過快失效。如果想徹底清除裂紋，就需要增加降面的厚度，這樣不僅造成加工費用攀升，更重要的是大幅減少了模具可以降面的次數(shù)，使模具提前報廢。

堆焊修復(fù)的方法是先用碳弧氣刨沿裂紋的走向把裂紋徹底清除干凈，再用抗拉強(qiáng)度非常高的焊材比如Y型焊接合金把裂紋焊接修復(fù)完畢，再進(jìn)行降面等后續(xù)處理，這樣既可以從根本上解決裂紋的問題，又減小了降面厚度和加工時間。

⑵解決模具因局部早期損壞導(dǎo)致整副模具失效的問題。

企業(yè)在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會遇到這種情況：模具型腔內(nèi)的特殊部位比如型腔內(nèi)的凸出部位因與熱坯料接觸時間較長、受熱快而導(dǎo)致硬度降低快，加之此部位受力較大，極易造成該部位磨損或者塌陷，而模具其他部位完好無損，只是因為該部位的早期失效導(dǎo)致整副模具不能使用。這種情況下，可以通過選用耐高溫的紅硬性好的焊材比如X型焊接合金局部焊接凸臺來延長模具的壽命，因為焊接量非常小，所以焊接修復(fù)的成本非常低，用極低的成本可以大大延長模具的壽命。

⑶解決模具鎖扣的材料浪費問題。

對于模具特別是凸模的鎖扣，傳統(tǒng)的方法是在整塊模具上用機(jī)加工的方法切銑掉鎖扣之外的模具材料，最后形成模具的鎖扣。這種方法需要銑掉大量的模具鋼，造成模具鋼的浪費，且大大增加了機(jī)加成本?，F(xiàn)在我們采用焊接的辦法來制作模具鎖扣，因為只是焊接鎖扣，所以焊接量并不大，選用的焊材韌性非常好，硬度適中，效果好，成本低。

⑷解決模具局部崩塊或加工尺寸超差的問題。

在模具使用中經(jīng)常會遇到一些因特殊原因?qū)е碌哪＞呒庸こ叽缇植砍罨蚰＞咝×康魤K等問題，這種情況用傳統(tǒng)的下落降面的辦法修復(fù)會大大增加模具的加工量，可以采用局部焊接的方法解決此問題。

⑸解決廢棄模具的再利用問題。

大部分鍛造企業(yè)里都存有因鍛件改型或產(chǎn)品取消而長時間放置不用的模具，對于閑置的模具，我們可以采用焊接的方法填滿舊型腔或更改模具外形以此來重新制作新模具，實現(xiàn)廢物利用，這樣可以節(jié)省大量的成本。

堆焊修復(fù)的局限性

堆焊修復(fù)的確給公司帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，但仍有一些問題還需要我們研究，以下是我公司目前仍沒有解決的問題：

⑴對錘鍛模堆焊修復(fù)時經(jīng)濟(jì)效果不明顯，反而有可能增加模具成本。簡單型腔的錘鍛模(水平分模）下落一次成本低廉，而且錘鍛模斷裂失效風(fēng)險比機(jī)鍛模要高，這有可能造成新的浪費。

⑵手工焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，其受焊工素質(zhì)、焊工水平及溫度、濕度等影響較大，工藝控制有較大難度。

⑶自動焊浪費焊材，對小鍛模難以實現(xiàn)。

⑷組合焊接時結(jié)合部位容易出現(xiàn)兩種焊材不結(jié)合的問題，造成模具早期局部失效。

⑸頂出孔無法防護(hù)，造成后續(xù)加工困難，從而引起頂出孔周向出現(xiàn)毛刺等問題。

⑹多次反復(fù)焊接、退火會使模具本體硬度下降，影響焊接模具的使用效果。

⑺滿焊法存在焊材和刀具浪費、加工難度大、加工時間長等問題，能否考慮“精準(zhǔn)”焊接工藝，即均勻預(yù)留5～10mm的加工余量，改變目前滿焊法存在的問題。

針對以上一些問題，我們采取了如下的解決方案：

⑴對比較簡單的水平分模的錘鍛模，暫時采用下落降面的方法，或者針對性地局部堆焊一次，加大易損部位的焊接深度，然后降面2～3次使用。

⑵組合焊接時要保證高硬度部位具備足夠的厚度(我們的經(jīng)驗是不能小于20mm），在切換焊材時必須將該部位的焊渣等雜物清除干凈，尤其要保證焊接模具的溫度要控制在工藝要求的范圍內(nèi)，并采用振動的方法消除焊接應(yīng)力。

堆焊修復(fù)相對下落降面的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的下落降面方法相比，堆焊修復(fù)具有以下幾項明顯的優(yōu)勢：

節(jié)約了模具鋼材料，模具基材費用降低

⑴廢舊模具的再生利用。

⑵一副模具能反復(fù)堆焊數(shù)十次，有的模具可以使用幾年，減少了新模具的投入。

⑶可用普通的模具鋼(如5CrNiMo、5CrMnMo等）替代中高價的模具鋼(如H13、B2、3Cr2W8V等）做基材。

提高了模具的單次使用壽命

焊接方法改變了模具型腔內(nèi)的金屬材質(zhì)及硬度，并且根據(jù)模具局部受力、受熱等情況選用具有針對性的焊材，所以堆焊修復(fù)后的模具單次使用壽命一般都比下落降面的模具壽命高，一般可提高20%～50%，有的甚至可提高一倍或數(shù)倍。

節(jié)約了熱處理費用

由于受到模塊材料淬透性的限制，大部分模具在下落降面1～3次后需要重新淬火，而堆焊修復(fù)的模具不需要重新淬火，只需要簡單的去應(yīng)力回火即可，模具熱處理費用得到了降低。

節(jié)約了機(jī)加工費用

模具單次使用壽命的提高大大減少了開新模具的次數(shù)，這樣也就降低了因開新模具而產(chǎn)生的機(jī)加工費用。另外，因下落降面而產(chǎn)生的鎖口等部位的機(jī)加工費用也會大幅降低。

提高了生產(chǎn)效率

模具壽命的提高減少了換模次數(shù)，從而大幅度減少了停機(jī)時間，提高了生產(chǎn)效率。

提高了鍛件外觀質(zhì)量

堆焊修復(fù)后的模具型腔耐高溫、耐沖擊、耐熱磨損的性能大大提高，模具在使用中鍛造的首件和末件產(chǎn)品的幾何尺寸變化較小，鍛件尺寸穩(wěn)定性增強(qiáng)，同時型腔內(nèi)出現(xiàn)拉傷、磨損、龜裂的時間也相應(yīng)推遲，鍛件的外觀質(zhì)量顯著提高。

堆焊修復(fù)與下落降面的模具成本對比實例

0378凸緣叉模具

0378凸緣叉的鍛造生產(chǎn)設(shè)備為2500t高能螺旋壓力機(jī)，模具材料為5CrNiMo，模塊尺寸為460mm×320mm×260mm(2件 ）、460mm×320mm×200mm(2件），模塊總重1060kg，按15元/kg的材料單價計算，材料費用為1060kg×15元/kg＝15900元，按3.5元/kg的熱處理單價計算，模具熱處理費用為1060kg×3.5元/kg＝3710元，新模具加工費為3000元，新模具費用總計共22610元，新模具生產(chǎn)鍛件的數(shù)量為3750件。

下落降面與堆焊修復(fù)的0378凸緣叉模具如圖1、2所示，0378凸緣叉模具下落降面與堆焊修復(fù)成本對比見表1，由表1數(shù)據(jù)可以看出，堆焊修復(fù)相比下落降面單件模具費用可節(jié)約(3.35－1.94）/3.35×100%＝42%。

■ 表1 0378凸緣叉模具下落降面與堆焊修復(fù)成本對比

圖1 下落降面已加工的0378凸緣叉模具

圖2 堆焊修復(fù)未加工的0378凸緣叉模具

LB軸叉模具

LB軸叉的鍛造生產(chǎn)設(shè)備為3t液氣模鍛錘，模具材料為5CrNiMo，模塊尺寸為550mm×520mm×400mm(2件），模塊總重1800kg，按15元/kg的材料單價計算，材料費用為1800kg×15元/kg＝27000元，按3.5元/kg的熱處理單價計算，模具熱處理費用為1800kg×3.5元/kg＝6300元，新模具加工費為2800元，新模具費用總計共36100元，新模具生產(chǎn)鍛件的數(shù)量為3000件。

下落降面與堆焊修復(fù)的LB軸叉模具如圖3、4所示，LB軸叉模具下落降面與堆焊修復(fù)成本對比見表2，由表2數(shù)據(jù)可以看出，堆焊修復(fù)相比下落降面單件模具費用要高(2.44－1.54）/1.54×100%＝58.4%。

■ 表2 LB軸叉模具下落降面與堆焊修復(fù)成本對比

圖3 下落降面已加工的LB軸叉模具

圖4 堆焊修復(fù)未加工的LB軸叉模具

從以上兩個實例可以看出，相對于下落降面，對機(jī)鍛模堆焊修復(fù)可節(jié)約40%左右的模具費用，而對錘鍛模堆焊修復(fù)卻增加了約60%的模具費用。不過需要說明的是，與下落降面相比，上述兩種模具在堆焊修復(fù)后生產(chǎn)的鍛件產(chǎn)品在尺寸精度及鍛件變形、外觀質(zhì)量方面均有明顯提升，下料重量也有不同程度的減小，同時提高了生產(chǎn)效率，減少了換模次數(shù)。

結(jié)束語

對于機(jī)鍛模，堆焊修復(fù)可以使模具成本顯著下降，同時帶來其他如產(chǎn)品質(zhì)量提升、生產(chǎn)效率提升等間接收益；而對于錘鍛模，堆焊修復(fù)雖然單件模具成本比較高，但考慮到其帶來的其他間接收益，是否采用此項模具修復(fù)技術(shù)還需企業(yè)根據(jù)產(chǎn)品的具體情況全面核算后決定。隨著模具堆焊修復(fù)技術(shù)的進(jìn)一步完善，相信它會給企業(yè)帶來更顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

孟會濤，總經(jīng)理，主要從事商用車傳動軸鍛件的熱模鍛造技術(shù)研究工作，獲河南省科學(xué)技術(shù)成果2項、河南省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎1項，擁有專利6項。