黃國(guó)開

摘要：對(duì)各類熱作模具的工程背景及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。闡述了堆焊技術(shù)在熱作模具修復(fù)中的作用;堆焊材料分類特點(diǎn)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(guān)鍵詞：熱作模具;堆焊修復(fù);堆焊合金

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

中圖分類號(hào)：TG441????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0111-02

0? 引言

在使用過(guò)程中，模具要承受較高的單位壓力，由于金屬塑變流動(dòng)產(chǎn)生的巨大沖擊載荷和劇烈的摩擦，另外，在高達(dá)1200℃的鍛件還可對(duì)型腔進(jìn)行反復(fù)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(duì)有故障的模具，在修復(fù)時(shí)常用堆焊技術(shù)過(guò)程中，對(duì)模具鋼進(jìn)行堆焊修復(fù)的研究和實(shí)踐，關(guān)于堆焊連接組織和各微區(qū)組成的研究很少，對(duì)不同的加工方法所產(chǎn)生的組織和微區(qū)域成分并不直接，但卻是確定工藝參數(shù)的主要依據(jù)。

1? 熱作模具堆焊修復(fù)發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐表明，相較于多種表面強(qiáng)化及修復(fù)技術(shù)，堆焊技術(shù)在實(shí)際使用過(guò)程當(dāng)中是最為理想可靠的模具修復(fù)制造技術(shù)，并且在較早的時(shí)間內(nèi)用于模具修復(fù)的表面技術(shù)。所謂焊堆修復(fù)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(fù)區(qū)域，以此對(duì)失效區(qū)的尺寸進(jìn)行恢復(fù)，提高耐磨耐熱的機(jī)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(duì)焊等等，在當(dāng)前國(guó)內(nèi)外模具的修復(fù)工藝當(dāng)中，使用較多的便是電弧堆焊、等離子堆焊及激光對(duì)焊。采用電弧對(duì)焊，在實(shí)際工作過(guò)程當(dāng)中，主要利用電弧作為熱源，將焊條或者焊絲作為其補(bǔ)充金屬，堆焊層致密性較好，且相互結(jié)合過(guò)程當(dāng)中強(qiáng)度較高，所引用的設(shè)備在使用過(guò)程當(dāng)中較為簡(jiǎn)單，并且能夠與焊接設(shè)備在實(shí)際使用過(guò)程當(dāng)中進(jìn)行通用，以此滿足各種不同工況的實(shí)際要求。因此，在現(xiàn)實(shí)工藝使用當(dāng)中，使用的范圍較為廣泛。激光對(duì)焊模具修復(fù)，即是通過(guò)同步送粉送絲，或是在模具機(jī)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(jī)器機(jī)體表面進(jìn)行同時(shí)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(duì)抗技術(shù)加熱及冷卻速度較為快速。采用此項(xiàng)技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)便為修復(fù)層與基體結(jié)合過(guò)程當(dāng)中強(qiáng)度較高，在重新獲得修層組織的表面較為均勻，結(jié)構(gòu)緊致，且無(wú)開裂氣孔燈現(xiàn)象，特別是應(yīng)用于小型復(fù)雜的精密精密模具的修復(fù)，相較于電弧堆焊，激光堆焊能量密度較高，對(duì)用量需求較小且成型較為快速，在實(shí)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(shè)備在造價(jià)方面較高，電焊設(shè)備相對(duì)來(lái)說(shuō)較為普通，于是便在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中較為普及。所以激光堆焊在實(shí)際使用過(guò)程當(dāng)中，更適用于小型精密度較高且性能要求較為嚴(yán)格的模具。等離子堆焊技術(shù)是采用不融化電極和壓縮電弧加熱工件實(shí)現(xiàn)焊接的方法，相較于電弧堆焊，采用該技術(shù)在模具修復(fù)過(guò)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(shù)在未來(lái)的發(fā)展中具有廣闊的前景，且具備較高的實(shí)用價(jià)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(gòu)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(zhǎng)短，很大程度上取決于熱作模具鋼的性能，隨著服務(wù)期延長(zhǎng)，它的機(jī)構(gòu)會(huì)改變，因此，性能也會(huì)發(fā)生相應(yīng)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(qiáng)母材的特殊使用性能一種將零件恢復(fù)到原來(lái)形狀大小的工藝方法。堆焊可同時(shí)修復(fù)材料在使用期間所造成的失效部位，也可以用來(lái)加強(qiáng)材料或零件的表面。

3? 熱作模具堆焊修復(fù)技術(shù)

在面對(duì)表面強(qiáng)化修復(fù)工程中，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐表明，采用堆焊工藝較為理想，模具修模再制造技術(shù)應(yīng)用時(shí)間較早，早在上世紀(jì)五十年代就被投入使用。堆焊材料以其自身的實(shí)際性能，用一個(gè)或幾個(gè)層次在損壞的模子區(qū)域上堆砌的工藝過(guò)程，修復(fù)損壞區(qū)域的大小，或改善耐磨性以及耐腐蝕或其他機(jī)械性能。焊料的種類較為繁多，當(dāng)前使用較多的為電堆焊技術(shù)，該結(jié)構(gòu)主要以電弧熱源為主，利用焊條或者是焊絲以此對(duì)金屬部位進(jìn)行填充，以此形成的堆焊較為緊密，可實(shí)現(xiàn)與母材的冶金結(jié)合，高粘結(jié)力。使用的設(shè)備比較簡(jiǎn)單，能適應(yīng)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(hù)焊接。美國(guó)尤利金公司采用重慶長(zhǎng)征重工有限公司（Eureka）E450/E650準(zhǔn)4.8毫米對(duì)5 CrNiMo的兩種型號(hào)焊條，用手工電弧堆焊方法修復(fù)疲勞失效熱鍛模。這些焊料的主要化學(xué)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(kuò)散能使二者形成較為穩(wěn)定的焊接區(qū);對(duì)這兩者型號(hào)的焊條進(jìn)行了合理的焊接前熱處理，經(jīng)修復(fù)的模腔硬度達(dá)51～52HRC，由表至基的梯度分布，既有良好的熱強(qiáng)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(zhǎng)，實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，堆焊修復(fù)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(fù)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(guó)內(nèi)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(guò)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(zhǎng)修模的使用壽命，這種堆焊材料的研究一直在進(jìn)行，已開發(fā)出多種鐵基堆焊材料。在現(xiàn)有市場(chǎng)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(qiáng)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(guó)內(nèi)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(shí)仍保持上述特性。D802是一種較好的韌性焊條，能夠經(jīng)受嚴(yán)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(shè)備切刀片等進(jìn)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(shí)易產(chǎn)生裂紋主要用于牙輪鉆頭軸承、螺旋式進(jìn)料器等易磨損部件的堆焊。

5? 熱作模具堆焊技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著模具產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，在未來(lái)的研發(fā)過(guò)程中向著高精度、高耐磨性方面發(fā)展，延長(zhǎng)使用壽命，因此，可以預(yù)見的是，在今后的模具開發(fā)中將要修復(fù)的量將會(huì)越來(lái)越大，且對(duì)其工作要求也將越來(lái)越嚴(yán)格。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，在制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展當(dāng)中運(yùn)用熱模具修復(fù)技術(shù)能夠帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)收益，并且在使用上有著非常廣泛的市場(chǎng)前景。隨著堆焊技術(shù)被逐漸的引用到模具修復(fù)行業(yè)以來(lái)，對(duì)其進(jìn)行了全方面的研究。根據(jù)當(dāng)前世界各國(guó)對(duì)模具堆焊技術(shù)修復(fù)在制造研究中的研發(fā)進(jìn)一步拓展，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中將會(huì)在以下幾個(gè)方面取得較大突破：

①由于熱作模具長(zhǎng)期以來(lái)受到熱力耦合變載荷的作用，在使用時(shí)內(nèi)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(yán)重者將會(huì)導(dǎo)致模具失效。但是在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中針對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的長(zhǎng)度、深度、分布狀況等一些實(shí)際形態(tài)難以進(jìn)行清楚的測(cè)量。基于此項(xiàng)問(wèn)題，就可以基于數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)熱鍛模具壽命的建模進(jìn)行有效探究，以此用來(lái)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(duì)失效層進(jìn)行精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)及采用機(jī)械進(jìn)行去除，同時(shí)，建立起模具服役性能評(píng)價(jià)體系，對(duì)再制造模具的進(jìn)準(zhǔn)度及機(jī)械性能指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的分析及修復(fù)，通過(guò)對(duì)熱作模具的失效成因進(jìn)行分析，對(duì)其剩余壽命進(jìn)行可靠評(píng)價(jià)方法，能夠?qū)δ＞邏勖M(jìn)行簡(jiǎn)單地預(yù)測(cè)，以便在后續(xù)的工程中對(duì)模具進(jìn)行高效修復(fù)作出充分的準(zhǔn)備。

②采用生產(chǎn)成本低、專業(yè)化的模具修復(fù)材料，具有高強(qiáng)度、高性能等方面的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際使用中能夠?qū)Χ喾N類型的模具進(jìn)行修復(fù)，對(duì)于在實(shí)際使用過(guò)程當(dāng)中針對(duì)模具不同性能、不同深度的堆焊技術(shù)要求有著良好的幫助。同時(shí)在焊接熔滴過(guò)渡、焊道形狀及焊接變形的具體要求中，可以對(duì)藥芯成分進(jìn)行徹底的優(yōu)化，從而具備自適應(yīng)性要求。

③為充分的發(fā)揮出成型技術(shù)對(duì)于恢復(fù)復(fù)雜零件尺寸的優(yōu)勢(shì)，就需要將增材制造快速成型系統(tǒng)與數(shù)控加工進(jìn)行深度融合，以便在具體的開發(fā)過(guò)程中，開發(fā)具有高控制精度度較為可靠機(jī)型，適用多種重型材料的堆焊修復(fù)系統(tǒng)。在實(shí)際工作當(dāng)中，就可以采用多種焊接工藝，經(jīng)過(guò)多個(gè)送絲機(jī)構(gòu)，并以此形成多軸cnc加工單元，對(duì)堆焊成型中的二維三維快速轉(zhuǎn)軌規(guī)劃算法進(jìn)行深度研究。在內(nèi)容中，包括不同成型材料的各項(xiàng)成型工藝、焊接過(guò)程中的工藝參數(shù)、熔池現(xiàn)狀，對(duì)多項(xiàng)工藝進(jìn)行在線監(jiān)控及反饋控制。因此對(duì)于實(shí)現(xiàn)模具過(guò)渡梯度功能精進(jìn)成型堆焊修復(fù)，同時(shí)在每次焊接結(jié)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(lái)，便有效的提升增材對(duì)焊的高精度成型，以此實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工。

6? 結(jié)束語(yǔ)

采用堆焊修復(fù)技術(shù)對(duì)熱作模具再制造有許多優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于我國(guó)模具的發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。成本低，效率高，自適應(yīng)性堆焊工藝特別適用于大中型模具大批量成形與修復(fù)。精確度高，修復(fù)性好的等離子激光等堆焊技術(shù)可用于小型高精度、高附加值模具修復(fù)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)堆焊修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，可用于堆焊材料，在修復(fù)精度和性能方面還有很多問(wèn)題需要解決。在先進(jìn)制造技術(shù)理念影響下，智能控制技術(shù)和精密切削技術(shù)相結(jié)合而形成的技術(shù)已引起制造業(yè)的廣泛關(guān)注，在未來(lái)模具維修、制造必將與 CAD/CAE/CAM、數(shù)字控制、機(jī)器人與新出現(xiàn)的增材制造相結(jié)合，建立新技術(shù)和多學(xué)科的交叉。

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