智能化在鍛模堆焊中的應用

文／丁旭輝，王悅凱，李治國，楊孝享·一拖（洛陽）鑄鍛有限公司

鍛造工藝受作業方式及設備特點等影響，模具易失效、磨損大、成本高，為降低模具成本，近年來鍛模堆焊技術在模具制造中得到廣泛應用。傳統鍛模堆焊工藝為人工注滿堆焊法，具有作業環境惡劣、勞動強度大、焊接缺陷不受控、加工余量大、焊材浪費多等缺點，隨著鍛造工藝技術的不斷進步，智能化技術在鍛模堆焊降本中越來越發揮重要作用。本文通過對傳統鍛模堆焊工藝介紹及分析，闡述了近年來三維掃描儀、機器人、自動加熱等智能化裝置在鍛模堆焊中的應用，說明了智能化鍛模堆焊技術具有自動化程度高、勞動強度低、缺陷少、節材、高效、提高壽命等特點，已成為未來鍛模堆焊發展的必然趨勢。

傳統注滿堆焊工藝及劣勢分析

工藝過程

⑴焊前準備。

需要堆焊的模具要清理干凈模具型腔的油污、氧化皮等雜物，仔細觀察模具型腔、鎖扣、燕尾的情況，用粉筆標記裂紋位置，清理完成后用碳弧氣刨清除模具疲勞層，清除疲勞層深度8 ～10mm，有裂紋的地方刨到無裂紋為止，氣刨時注意不要留深溝窄槽，氣刨完成后要對模具型腔進行打磨，打磨到型腔各部位圓滑無尖角倒鉤為止，用肉眼對模具型腔進行檢查，若無裂紋孔洞可進行著色探傷，待探傷液完全滲透后，再次檢查型腔，發現裂紋立即進行清理。

⑵焊前預熱。

模具氣刨清理探傷完成后入爐預熱，預熱采用隨爐升溫到450℃保溫10h 的方法進行。

⑶模具堆焊。

模具預熱完成后出爐用保溫棉包裹，進行堆焊作業，焊機電壓調整到36V、電流調整到600A，送絲速度4(ipm×100)，堆焊從模具型腔最深處開始逐漸向上，逐層堆焊，每焊一層用風鎬敲擊以便清除焊渣，消除應力，堆焊過程中要時刻關注模具溫度情況，模具溫度低于300℃要停止堆焊并重新入爐預熱，堆焊過程中焊縫收尾時逐漸斷弧，避免弧抗裂紋產生，堆焊至模具邊緣時，注意降低焊接速度，調整焊槍角度，避免出現咬邊，如出現咬邊或裂紋，必須進行打磨焊補后才能繼續作業，焊接時焊機或其他設備出現異常要立即停止焊接，查明原因，排除故障后才可繼續焊接。

⑷焊后回火。

為充分消除焊接應力，使模具硬度符合使用要求，堆焊后的模具要進行兩次回火，完成后隨爐緩冷至室溫出爐。

⑸硬度檢查。

模具溫度降低到室溫后進行硬度檢查，用砂輪打磨光滑要檢查的位置，用錘擊式硬度計檢查，符合要求后安排后續加工，不符合重新回火。

劣勢分析

⑴工作環境惡劣。

⑵工人勞動強度大。

⑶焊接質量不穩定。

⑷焊材浪費多。

⑸加工成本高。

智能化堆焊工藝關鍵組件

全自動模具堆焊機器人使用3D 打印增材原理，具有自動化程度高、勞動強度低、節約焊材、節約加工時間等優點；主要由機器人系統(圖1)、焊接系統、編程軟件、三維掃描系統、封閉式焊接圍欄(圖2)、光電保護裝置和加熱平臺等幾部分組成。

圖1 機器人系統

圖2 封閉式焊接圍欄

智能化堆焊工藝過程

⑴焊前準備。

需要堆焊的模具清理干凈型腔的油污、氧化皮等雜物，仔細觀察模具基體、鎖扣、燕尾是否有裂紋，用碳弧氣刨清除模具型腔疲勞層，型腔平均擴大10 ～15mm(下部10mm，上部15mm，留有斜度)，無直角、尖角，圓弧自然過渡。著色探傷，裂紋清除干凈，打磨見金屬光澤，如圖3、圖4 所示。

圖3 需修復的模具

圖4 氣刨后的模具

⑵模具預熱。

模具氣刨清理探傷完成后入爐預熱，預熱采用隨爐升溫到450℃，保溫時間按照模塊厚度(mm)進行，要求1h/30mm。

⑶三維掃描、編程。

氣刨后的模具掃描取三維圖(圖5)，使用專用編程軟件(圖6)，把掃描氣刨后的三維圖和模具的造型圖進行重合比對(圖7)，輸入焊接參數，留出加工余量，自動生成焊接程序。

圖5 三維掃描

圖6 編程

圖7 程序模擬校對

⑷機器人仿形焊接。

預熱后的模具放到加熱平臺上，把焊接程序輸入給機器人，機器人自動仿形焊接，保證模具溫度在300℃以上，如圖8、圖9 所示。

圖8 焊接中

⑸焊后回火。

為充分消除焊接應力，使模具硬度符合使用要求，堆焊后的模具要進行兩次回火，完成后隨爐緩冷至室溫出爐。

⑹焊接后模具硬度檢測、尺寸檢測。

機器人仿形焊接后的模具進行三維掃描，掃描后的三維圖和模具造型圖進行重合比對，如圖10 所示，看是否有足夠的加工余量，缺焊的部位進行補焊。

⑺模具加工：檢測硬度和尺寸都合格的模具進行機加工(圖11)，加工余量在5mm 左右。

智能化堆焊工藝優勢分析

機器人焊接優勢詳見表1。

根據實際焊接模具情況，傳統注滿堆焊工藝和智能化工藝焊接數據比較詳見表2。

圖9 焊接后

圖10 焊接后模具尺寸檢測

圖11 機加工后模具

表1 機器人焊接優勢

表2 傳統工藝和智能化工藝焊接數據比較

結束語

從實際使用效果可以看出，隨著科技進步，智能化技術在模具堆焊中的應用，與傳統工藝比較在勞動強度、焊接穩定性、材料利用率、工作效率、模具壽命等方面有明顯優勢，適合當今工業高質量、低成本發展要求，是當今鍛模堆焊發展的必然趨勢。