廢舊模具堆焊修復技術研究

莊青風

【摘?要】模具是工業生產中極其重要的特殊基礎裝備之一，被廣泛應用于機械、汽車、航空、軍工、能源等領域，模具水平的高低標志著一個國家制造業水平的高低。壽命較短成為制約零部件快速連續生產的一個關鍵因素。通過對其修復再制造，使品質不低于新品，甚至優于新品，延長了模具使用壽命，實現循環利用，達到節能減排、可持續發展的目的。本文概述了熱作模具堆焊修復工藝，指出了未來熱作模具堆焊修復發展的趨勢。

【關鍵詞】熱作模具;修復與再制造;堆焊;近凈成形;焊材

熱作模具在模具行業占有較大比重，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生產的一個關鍵因素。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進行修復，顯著提高材料的利用率，縮短生產周期。尤其對一些高強度特殊性能合金模具，其材料成本高、制造工序復雜、周期長、經濟附加值高，通過對其修復再制造，使品質不低于新品，甚至優于新品，延長了模具使用壽命，實現循環利用，達到節能減排、可持續發展的目的。

1熱作模具的修復工藝

熱作模具的堆焊修復，需要根據模具的幾何結構特征，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再制造，達到所需的尺寸及物理機械性能，并重新投入生產，達到延長模具壽命的目的。

1.1模具修復工序

由于熱作模具一般由高強度合金制造，模腔表面硬度達到40～50HRC，可切削加工性較差，需要硬質合金刀具甚至是陶瓷刀具，且對機床剛性要求較高。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，受熱不均易產生拉壓應力，從而導致焊層裂紋。因此需要將模具預熱，緩和焊接層至母材的溫度梯度，從而分散應力，同時徐冷焊接也可釋放高溫層的應力，減輕馬氏體變態應力。由于開裂與模具基體及堆焊層金屬的含碳量、合金元素有關系，所以預熱溫度一般根據所用焊材的碳當量來計算的。

每焊完一層，焊接金屬尚在高溫時就用錘頭敲擊焊層表面，通過使焊接層發生塑性變形，減少焊層的收縮量，從而減少內部應力。焊接完后加熱至適當的溫度進行回火，可釋放內部應力，有效地防治裂紋產生。緩冷目的是達到平衡的微觀晶相結構和韌性，從而在鍛造過程中達到最佳效果。焊接過程中，焊接電流、電壓、電弧長度、焊接速度、保護氣的配比需要根據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、大曲率部位會首先和鍛件發生接觸，磨損裂紋較嚴重，對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，防止過載時發生脆性斷裂。因此在進行焊接時，應該根據焊接的部位、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致型腔擴大，或者型腔表面裂紋。④模具局部或整體斷裂。對于模具分模面有磨損變形的情況，需要通過機加工降面，保證結合面足夠的平面度，使得上下模精密貼合。對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）進行局部堆焊填充修補，然后進行機加工或打磨清理。對于模具工作面型腔因磨損變形整體擴大，或者型腔表面有裂紋的，一般先要刨掉表面疲勞層，導致需要堆焊修復的部分較大，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，將整個型腔填平，然后進行機加工形成型腔，工人工作量大，工作環境惡劣，且浪費了堆焊材料。

近年來，隨著3D打印、增材制造成為熱點，模具堆焊修復也向著增材制造、近凈成形方向發展，從而實現模具的綠色高效增材再制造修復。其具體思路是：利用逆向工程三維掃描技術，將經過清理的失效待修復模具進行三維掃描，得到其三維測量數模，并與模具的設計模型進行比對，得到缺損待堆焊填充區域，再利用3D打印增材制造領域較為成熟的分層制造技術進行精確控制的累加層近凈成形，留出3～5mm的加工余量，最后進行粗精機加工，得到滿足尺寸和性能要求的修復再制造模具。

2熱作模具堆焊修復發展趨勢

隨著模具產業規模的逐年增長，且向著高精度、高耐磨性和長壽命方向發展，模具的修復量越來越大，修復要求也越來越高。實踐證明，模具修復尤其是熱作模具的修復再制造技術具有巨大的經濟效益和廣闊的應用前景。自堆焊技術應用到模具修復行業以來，各方面都取得許多研究成果。隨著各國研究者對模具堆焊修復再制造技術研究進一步拓展，將在以下幾個方面取得進展：

（1）熱作模具長期受到熱力耦合交變載荷的作用，模具內部易產生疲勞裂紋、磨損、塑性變形等現象，模具表面硬度降低，導致模具失效。然而裂紋長度、深度、分布狀況以及模具塑性變形量等狀態難以直接檢測。通過對熱鍛模具壽命的建模，基于數值模擬技術，研究失效機理，確定模具失效的分布區域，對失效層進行精確評價及機械去除;同時，分析修復再制造模具的精度及機械性能指標，建立模具服役性能的評價體系，結合熱作模具的失效機理分析，建立其剩余壽命和可靠性評價方法，預測模具的服役壽命，為模具的適時、高效修復奠定基礎。

（2）開發成本低、強度高、成形性好、系列化和專業化的模具堆焊材料，匹配各種類型模具的修復，滿足模具不同部位、不同深度堆焊修復的特殊性能要求。使用無渣型的金屬芯焊絲，調整和優化藥芯成分，從而滿足焊接快速成形對熔滴過渡、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（RP）與數控加工（CNC）相融合，開發出具有高控制精度，較好的可靠性和柔性，適應多種成形材料的堆焊修復系統，發揮快速成型技術對恢復復雜零件尺寸的優勢;采用多種焊接工藝、多個送絲機構，并集成多軸CNC加工單元。研究堆焊成型中二維、三維快速軌跡規劃算法，以及不同成形材料的穩定成形工藝，建立焊接過程中工藝參數、熔池形狀、焊縫質量的在線監控和反饋控制，快速實現模具多層過渡梯度功能材料的凈近成形堆焊修復;每層焊接完成后，可通過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，堆焊完成可以進行精加工。

3結語

熱作模具的堆焊修復再制造技術具有諸多優點，對我國模具發展具有重要的戰略意義。受先進制造技術理念的影響，堆焊技術與智能控制技術及精密切削技術相結合形成的近凈成形技術引起了制造業的廣泛關注，模具的修復再制造未來必然將與CAD/CAE/CAM、數控、機器人以及增材制造等新興技術相結合，形成多學科交叉的新技術。

參考文獻：

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

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

（作者單位：保定市保勝車架有限公司）