文/付成·鞍山天利機械工程有限公司

鍛模自動堆焊再制造技術及裝備

文/付成·鞍山天利機械工程有限公司

付成，總經理，高級工程師，主要從事再制造裝備的設計研究工作，重點是冶金備件、軋輥表面堆焊合金，進行表面改性處理和失效備件再制造技術的工藝和材料研究，設計研制了國內第一臺鍛模自動堆焊再制造工作站，第一臺80t大型支撐輥自動堆焊工作站、第一臺雙絲、雙擺動埋弧自動堆焊機床，獲實用新型專利5項，發(fā)明專利1項。

我國已成為世界公認的制造大國和世界加工廠，但較為粗放的傳統(tǒng)制造業(yè)受到了能源、資源和環(huán)境日益緊迫的挑戰(zhàn)，向可持續(xù)的綠色制造轉變成為當務之急。而再制造作為綠色制造的重要內容和方向，近年來發(fā)展迅速，日益引起政府和公眾的關注。再制造作為循環(huán)發(fā)展的重要模式，已在工業(yè)發(fā)達國家形成產業(yè)化。最近，國家發(fā)改委已將再制造專業(yè)服務和裝備生產等再制造產業(yè)化項目，資源循環(huán)利用技術裝備產業(yè)化示范項目，作為“十二五”期間重點支持的項目。再制造在節(jié)能、節(jié)材、降耗、減少污染和提高經濟效益上的作用是巨大的。目前我國模鍛件產量已居世界第一位，成為真正的模鍛大國，由于鍛造模具價格較高，消耗量大，設法提高鍛模壽命，將大量失效的模具修復再生利用可大大降低模鍛企業(yè)的生產成本，通常在模鍛的生產中模具費用約占模鍛直接成本的15%。而模鍛行業(yè)的平均利潤率也只有10%，若能使模具壽命平均提高一倍的話，實現(xiàn)鍛模循環(huán)使用，其經濟效益十分可觀。

熱鍛模堆焊再制造工藝

熱鍛模自動堆焊再造技術的特點是利用原有報廢的鍛模為載體，根據母材和工況要求，設計選擇最佳的過渡合金和工作層耐磨合金材料及焊接工藝參數(shù)。采用獨特的堆焊工藝和專用的自動堆焊機床將模腔整體更換成耐磨的堆焊合金，相當于在原模腔內表面形成一層耐磨的硬殼，起到“好鋼用在刀刃上”的作用，使鍛模壽命提高50%～150%，所以說鍛模堆焊再造技術不是簡單的修復過程，而是一個再制造的過程，體現(xiàn)了可反復堆焊再生的循環(huán)經濟型的特點，是鍛造企業(yè)節(jié)材降耗的重要措施。

自動連續(xù)分層注滿式的鍛模堆焊技術，它包括環(huán)保綠色封閉的自動堆焊設備和適合連續(xù)自動堆焊的專用焊接材料及工藝。對比目前模鍛業(yè)通用的手工焊補，不僅生產效率提高至少5倍，而且隔熱，環(huán)保，無煙塵和輻射，特制的藥芯焊絲特別適合高速焊接，堆焊時不需要中途更換焊絲，可實現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)堆焊，確保了鍛模的堆焊質量的穩(wěn)定，內外質量均勻一致。

熱鍛模堆焊再制造工藝步驟如下：首先要對失效的模具進行清理，除去油污和氧化鐵皮，按照模具預處理圖紙（依照原型腔外擴12～15mm）用碳弧氣刨去除疲勞層和裂紋，清理后的型腔應平整、過渡圓滑，適合焊槍連續(xù)運動，并用角磨機打磨除去滲碳層和積碳，使用著色探傷檢查是否有殘余裂紋，清理干凈后送入加熱爐預熱至450℃，保溫2小時后取出，上機逐層堆焊，每層焊后用氣鏟清理干凈焊渣后再焊第二層。逐層堆焊，直至焊滿，送入加熱爐均熱處理400℃保溫2小時，隨爐緩冷至室溫后，再根據熱處理硬度回火曲線，將堆焊好的模塊入爐，緩慢加熱（≤50℃/h）至指定溫度，保溫8小時以上，再以≤50℃/h的降溫速率緩冷至200℃以下出爐空冷至室溫。檢查硬度和外形尺寸合格，確保留有足夠的加工余量，上機CNC或電火花加工至成品出廠。熱鍛模具堆焊再制造焊接工藝過程，如圖1所示。

圖1 熱鍛模具堆焊再制造焊接工藝過程

熱鍛模具堆焊材料的發(fā)展

適合熱模鍛的熱作模具鋼應具備良好的高溫強韌性，紅硬性，抗熱疲勞性能，適合于沖擊載荷大、工作溫差高的模具，抗回火性能穩(wěn)定，并具有良好的鍛造、熱處理及機械加工性能。用于鍛模修復的焊接耗材的標準應滿足如此惡劣的使用條件，還應考慮抗磨損、抗腐蝕、抗塑性變形、低和高應變速率下的粗糙度以及熱軟化和機械疲勞。在材料選擇時，經常需要妥協(xié)，因為焊接材料有很多特點，從某種程度上看他們是互相排斥矛盾的，需要綜合考慮的。焊接耗材的選擇取決于焊機生產能力，耗材成本。事實上傳統(tǒng)的模具修復多為局部使用焊接來修補鍛模，這是一種比較實用的減少工具成本的方法。然而，在很多情況下，利用通用的MIG（熔化極惰性氣體保護焊）焊機和焊材進行修復，由于這種手工堆焊技術發(fā)展的局限性，鍛模焊接的潛在效益并沒有得到發(fā)揮。

熱鍛模具堆焊技術著眼于模具承受的極端惡劣的工況條件下，如何優(yōu)化焊接工藝流程，選擇設計適合鍛造工業(yè)特殊要求的焊接耗材。堆焊材料的設計思想是基于鍛模的失效機理?？鼓p性通常決定硬度的高低，而鍛模的磨損不僅僅由于單純的摩擦而產生，鍛模失效很少取決于單一的典型失效現(xiàn)象，例如摩擦，擠壓、腐蝕、熱疲勞等，而是需要綜合的全面分析。因此，僅通過選擇高碳合金材料來提高熱鍛模耐磨性，效果并不可取。事實上，實踐證實可以通過焊接高鉻和低碳熔敷合金來減少表面軟化，而不是使用傳統(tǒng)的鍛模鋼系列合金。

鍛造類型、鍛模設計和機加及熱處理方式和工藝都會直接影響材料的選擇和判斷。從理解焊接金屬冶金和工具鋼設計的角度，提出適合鍛模修復的三組焊接耗材的常用組成成分見表1。

表1 適合鍛模修復的焊接耗材的常用組成成分范圍概述

第一組焊材屬于低碳系列，低合金熔敷金屬，適合成本效益低的鍛模修復和那些機加能力受限制的企業(yè)。焊材適合于高溫、高負荷、急熱急冷條件下的壓力機鍛模和沖擊載荷較大的錘鍛模具，如軸承熱鍛凹模、成形輥鍛模、高強度和高熱強鋼的精密鍛造、鋁和銅合金壓鑄模、熱擠壓模具等。

第二組焊材屬于中碳系列，具有高熱紅硬性，良好的抗腐蝕能力和抗熱強度使得鍛模軟化達到最小化。高溫強韌性和熱疲勞性能突出，適合于沖擊載荷大、工作溫差高的模具。如輥鍛成形模具，有色金屬壓鑄模具、耐熱不銹鋼及高強度材料鍛壓成形模具，軸承環(huán)套圈熱鍛成形凹模等，使用壽命比原用H13、3Cr2W8V和5CrNiMo都有成倍提高。

第三組焊材屬于高碳系列，添加的Mo，W和Nb用于促進抗磨損性，在成分上與熱加工工具鋼如H13相比較，更適合于極高的高溫強度、紅硬性能、熱穩(wěn)定性能和高溫耐磨性能的銅合金擠壓模具，溫鍛模具和沖擊載荷較小的熱擠沖頭模具。切邊模具、齒輪精鍛模具、軸承環(huán)擠壓沖頭、不銹鋼餐具輥軋模具的應用壽命都遠高于原H13、3Cr2W8V模具。

鍛模應用第二組焊材與常規(guī)焊材修復后進行生產對比，生產數(shù)量與模具表面粗糙度的關系，如圖2所示。

圖2 生產數(shù)量與模具表面粗糙度的關系

熱鍛模自動堆焊機床的發(fā)展

熱鍛模具堆焊再制造材料和工藝確定之后，最關鍵的技術就是堆焊設備的保障，只有穩(wěn)定可靠的自動焊接設備和加熱保溫系統(tǒng)，才是鍛模堆焊再制造可靠的工藝保證。在模具的堆焊再制造中，能否成功的高質量、高效率的堆焊，關鍵取于堆焊設備，傳統(tǒng)的手工堆焊修復，即使用機械臂手控堆焊，不僅堆焊效率低，而且很難控制好堆焊的質量。典型傳統(tǒng)的鍛模的焊接修復，是使用MIG或者MAG（熔化極活性氣體保護電弧焊），并且要求焊工必須靠近預熱400℃的熱鍛模，頂著有毒的煙塵和高溫施焊，堆焊質量很難保證，完全依賴操作者的技能和經驗，人的情緒和勞動態(tài)度對質量影響很大。不僅生產效率低，熔敷率只有3kg/h，而且經常出現(xiàn)夾渣、氣孔和不熔合的缺陷，給后續(xù)加工和質量帶來無可挽回的質量問題，也是致使鍛模自動堆焊修復技術難以推廣的原因?，F(xiàn)代化的模具堆焊機床將現(xiàn)代自動化、計算機、材料、環(huán)保技術與傳統(tǒng)的堆焊技術相結合，并融入了多年的堆焊工藝訣竅。

熱鍛模具自動堆焊工作站是焊接自動化的革命性進步，它突破了鍛模堆焊修復傳統(tǒng)方式，開拓了一種自動化全新方式，模具自動堆焊機床徹底消除了上述的人為因素，操作者不再需要高超的操作技能，只要預置好焊接參數(shù)后即可保證連續(xù)高速焊接，鍛模每層熔敷堆焊層可達到3～5mm，熔敷率可達到20kg/h，堆焊效率是人工堆焊的5～7倍，操作者只需透過抗紫外線的視窗輕松的操縱遙控桿控制焊槍的運動方向，無需人工精確控制搭接量及熔合情況，堆焊機床可以按預先編制好的程序，自動完成精確步進，確保最佳的搭接熔合，以保證堆焊層的平整，大大減少了加工余量，改進后的新型堆焊機床除具有自動堆焊的功能外，還增加了焊接軌跡自動記憶功能，堆焊后氣動除渣器可憑計算機的記憶沿焊接的軌跡連續(xù)除渣，同時振動打點，起到降低焊接應力的作用。避免了電弧產生的弧光輻射對人體的傷害。焊接產生的致癌的煙塵集中過濾處理達標排放，使得對外界空氣的污染達到最小化。

熱鍛模具自動堆焊工作站以環(huán)保、節(jié)能、高效為目標，綜合現(xiàn)代電子技術、計算機技術、數(shù)控及機器人技術，設計制造的鍛模堆焊再制造設備，可以實現(xiàn)鍛模全壽命周期管理的延伸和創(chuàng)新，它是對先進制造技術的補充和發(fā)展，使造價昂貴的模具實現(xiàn)循環(huán)經濟的重要技術途徑，使報廢的模具經修復、再制造后變?yōu)槌^原性能數(shù)倍，并可反復循環(huán)使用的長壽化熱鍛模具。

熱鍛模具堆焊再制造焊接機床的特點如下：實現(xiàn)了鍛模修復工作的高度自動化、人性化；避免了焊工頂著450℃高溫模具的近距離焊接的烘烤，大大降低勞動強度；消除了濃烈的有害焊接煙塵對焊工身體的侵害和對環(huán)境的污染；避免強烈的焊接弧光的照射對人員和環(huán)境的弧光輻射污染；消除了產品質量不穩(wěn)定的一切人為因素，從而大大提高產品的質量穩(wěn)定性，消除了人工堆焊不可避免的夾渣，氣孔和熱裂紋；提高了模具修復和再制造的生產效率達5倍以上。改進型堆焊機床具有自動除渣功能，從而提高堆焊效率1倍；人機界面的數(shù)字控制，使高難度的修復技術簡單化，操作人員只需簡單培訓就能熟練操作。以上既是焊接工作站對比目前傳統(tǒng)手工或目前通用的堆焊工藝的多項優(yōu)點，也是該設備的創(chuàng)新點，其技術水平是國內最先進的同類產品。

應用熱鍛模具再制造堆焊機床是焊接自動化的革命性進步，它突破了鍛模堆焊修復傳統(tǒng)方式，開拓了一種自動化全新方式。只要輸入焊接工藝相關參數(shù)，設備即可自動完成焊接和除渣工作，無需改變任何硬件和輔助條件。該工作站由以下幾部分組成：焊接機艙、機械手、控制系統(tǒng)裝置、驅動單元、焊接輔助設施、保溫焊接工作臺、工件變位機。

結束語

熱鍛模具再制造自動堆焊工作站只需輸入焊接工藝相關參數(shù)，設備即可自動完成焊接和除渣工作?？梢源蠓岣吣＞咝迯秃驮僦圃斓纳a效率和鍛模修復質量，其生產效率比人工堆焊修復提高5倍以上。