文／劉勝春，李華東·山東凱泰焊接技術(shù)有限公司

模具號(hào)稱“工業(yè)之母”，在鍛造、沖壓等金屬成形的工藝中，模具是實(shí)現(xiàn)金屬成形的重要保障，也是提高生產(chǎn)效率、降低成本、提高金屬零部件質(zhì)量的關(guān)鍵。

熱鍛模具在工作時(shí)承受巨大的沖擊載荷和壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力，模腔直接與高溫坯料接觸，模具溫度快速升高且機(jī)械性能同步降低，同時(shí)受到快速流動(dòng)金屬帶來(lái)的摩擦和沖刷作用，模具很容易出現(xiàn)裂紋、磨損、塑性變形等情況而導(dǎo)致模具失效。長(zhǎng)期以來(lái)，鍛造行業(yè)內(nèi)一直尋求如何快速制作模具、提高模具壽命和降低模具成本的方法，近年來(lái)模具的堆焊增材制造技術(shù)受到了越來(lái)越多的鍛造、沖壓企業(yè)的重視和應(yīng)用。

堆焊增材制造的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的模具翻新方法是將疲勞的模具上表面用機(jī)械加工的方法切除掉，然后在新的金屬面上加工出新的型腔，俗稱“降面修復(fù)”或者“下落修復(fù)”。這種方法有很大的局限性，模具每降面一次模塊厚度便有所減少，模塊的各種機(jī)械性能也隨之降低。在遇到型腔深、拔模斜度小、有深度裂紋的情況，需要切除掉很大的模具基體厚度才能使原模具型腔見(jiàn)到新面，不僅極易造成模具鋼材的浪費(fèi)，且因模具厚度減少，機(jī)械性能下降會(huì)導(dǎo)致壽命比原始狀態(tài)有所降低。相比傳統(tǒng)降面翻新模具，堆焊修復(fù)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

節(jié)約模具鋼，模具基材費(fèi)用降低

⑴廢舊模具的再生修復(fù)利用。

對(duì)于因數(shù)次降面而導(dǎo)致高度不足以滿足鍛壓設(shè)備行程的模具，鍛造工廠一般將此類模具當(dāng)廢鋼處理，造成極大的浪費(fèi)，這種模具都可以通過(guò)堆焊增材制造的方法重新利用起來(lái)。

⑵一副模具能反復(fù)多次堆焊，有的可以堆焊幾十次，這樣就大大減少新模具鋼的投入，可以減少開(kāi)新模具產(chǎn)生的機(jī)加工和熱處理費(fèi)用。

⑶可用低價(jià)的模具鋼(如5CrMnMo)替代中、高價(jià)的模具鋼(如H13、3Cr2W8V)作基材。

堆焊的方法大部分只考慮模具基體材料的可焊性，基體材料只是選擇焊接材料的參考，并不是選擇焊接材料的決定性因素。對(duì)于模具焊接工藝而言，模具基體材料無(wú)論是用低價(jià)的5CrNiMo，還是用價(jià)格稍高的H13，因?yàn)槟＞咝颓欢几鼡Q成了焊接合金，所以焊接后的鍛打壽命基本都是一樣的。如果采用焊接的工藝，就沒(méi)必要選擇價(jià)格更高的H13 等模具鋼，選擇小型的機(jī)鍛模和切邊模，甚至可以選擇45 號(hào)鋼作基體，這樣可以降低購(gòu)買(mǎi)模具鋼的成本。

大幅提高單次使用壽命

傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)工藝，同一塊模具一般是同一種金屬組成，有的廠家采用鑲塊的方式來(lái)提高模具型腔的機(jī)械性能，雖然能起到一定效果，但無(wú)法滿足模具型腔內(nèi)因不同部位上的受力、受熱的不同，從而需要金屬不同的機(jī)械性能方面的要求。

另外，無(wú)論是淬火還是滲氮、滲碳等表面處理技術(shù)，基本都是以整塊模具為單位進(jìn)行的，比如對(duì)模具進(jìn)行淬火就是整個(gè)模塊進(jìn)入淬火池，所以模塊進(jìn)行淬火后表面各個(gè)部位的硬度差別不大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一塊模具有多種硬度。然而模具在進(jìn)行鍛造作業(yè)時(shí)，模具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，表現(xiàn)出不同的損壞狀況。

模具型腔根部和較小的R 角處，因壓應(yīng)力比較集中容易出現(xiàn)裂紋；而模具的飛邊橋部或者型腔內(nèi)凸起的部位，由于受熱較快，并且受到金屬的沖刷和摩擦極易出現(xiàn)磨損或者塑性變形。這就要求模具不同的部位和受力情況，需要有針對(duì)性地選擇不同的硬度和不同機(jī)械性能的金屬組織。很顯然傳統(tǒng)的模具制作方法是無(wú)法達(dá)到這個(gè)要求的，而堆焊增材制造的方法可以根據(jù)模具受力、受熱等情況有針對(duì)性地選擇不同的硬度和機(jī)械性能的焊材，從而實(shí)現(xiàn)同一塊模具的“不同的部位，不同的金屬組織、不同的硬度和機(jī)械性能”。所以堆焊的模具單次使用壽命一般都比傳統(tǒng)的降面翻新的模具壽命高。H13 模具鋼的高溫硬度見(jiàn)表1。

表1 H13 模具鋼的高溫硬度

從圖1、表2 可以看出，焊材(如EUREKA750)在593℃時(shí)仍可以保持50HRC 左右的硬度，在620℃和10 小時(shí)回火后硬度也可以保持在45 ～50HRC，高溫狀態(tài)下保持硬度的能力要好于H13 模具鋼，而5CrNiMo在此溫度下回火硬度只有30HRC左右。在高溫力學(xué)性能方面，焊材(如EUREKA750)比國(guó)內(nèi)常用的模具鋼要好很多，所以針對(duì)模具設(shè)計(jì)的焊材其熱穩(wěn)定性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于常用的模具鋼材，這樣才能提高鍛模的壽命。

圖1 焊材的高溫硬度曲線(EUREKA750)

表2 5CrNiMo 模具鋼與焊材(EUREKA750)高溫力學(xué)性能對(duì)比

熱處理費(fèi)用的節(jié)約

由于模塊淬火受到淬透性的限制，大部分模具在降面翻新后需要重新淬火，而焊接的模具無(wú)需重新淬火，只需要簡(jiǎn)單的去應(yīng)力回火，這樣可以降低熱處理費(fèi)用和難度。

機(jī)加工費(fèi)用的節(jié)約

模具單次使用壽命的提高將大大減少開(kāi)新模具的次數(shù)，這樣可以大幅度降低因開(kāi)新模具而產(chǎn)生的機(jī)加工費(fèi)用，特別是模具外形的機(jī)加工費(fèi)用。另外，因下落修復(fù)而產(chǎn)生的分模面和鎖口等部位的機(jī)加工費(fèi)用也會(huì)大幅降低。

生產(chǎn)效率的提高

模具壽命的提高大大減少換模次數(shù)，從而大幅度減少鍛造停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

鍛件外觀質(zhì)量的提高

堆焊后的模具型腔因更換成了機(jī)械性能更好的焊接合金，其在高溫下仍能保持高強(qiáng)度、高硬度和高韌性。模具在使用中鍛打第一件和最后一件時(shí)的型腔尺寸變化較小，型腔內(nèi)出現(xiàn)拉傷、磨損、龜裂的部位大大減少，從而提高了鍛件的精度和外觀質(zhì)量。

解決模具因局部早期損壞導(dǎo)致整副模具失效的問(wèn)題

對(duì)于模具型腔內(nèi)早期損壞的部位，比如凸臺(tái)的早期磨損、型腔的裂紋、鎖扣磨損或者裂紋、燕尾裂紋、模具局部掉塊或者加工過(guò)切造成尺寸超差等情況都可以采用焊接的方法來(lái)挽救或者延長(zhǎng)模具的使用壽命。

綜上所述，堆焊增材制造是鍛造企業(yè)不可或缺的模具制作方法，是提高模具壽命的有效途徑，所以獲得越來(lái)越多鍛造企業(yè)的青睞。

模具堆焊增材制造的發(fā)展過(guò)程

整體堆焊技術(shù)的推廣

二十多年前，中國(guó)的鍛造企業(yè)因受觀念和模具加工能力的影響，認(rèn)為模具是不能焊接的。一方面，當(dāng)時(shí)的焊接技術(shù)和焊接材料確實(shí)無(wú)法確保焊接后模具的安全性；另外一方面，當(dāng)時(shí)只有很少的企業(yè)擁有少量的數(shù)控加工設(shè)備，大部分鍛造企業(yè)采用傳統(tǒng)的先“車(chē)銑刨磨”，然后放電加工的方法，而對(duì)于焊接的模具用傳統(tǒng)的加工方法加工則比較困難，特別是放電加工更加困難。當(dāng)時(shí)有少數(shù)企業(yè)采用國(guó)產(chǎn)的397 或者337的電焊條進(jìn)行局部的小修小補(bǔ)，與歐美國(guó)家的整體堆焊增材制造完全不是一個(gè)概念。

隨著改革開(kāi)放的深入，特別是中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的崛起，帶動(dòng)了中國(guó)鍛造行業(yè)的快速發(fā)展，當(dāng)時(shí)模具的生產(chǎn)能力和制造工藝越來(lái)越無(wú)法滿足鍛造的需要，且矛盾日漸突出。歐美一些做模具焊接的公司，看準(zhǔn)了中國(guó)市場(chǎng)的機(jī)會(huì)，開(kāi)始在中國(guó)大力推廣模具整體堆焊技術(shù)。

整體堆焊技術(shù)的出現(xiàn)及普及

整體堆焊是首先通過(guò)氣刨的方法將模具型腔的疲勞層去除掉，一般去除量都要在15 毫米以上，錘鍛模需要去除的更多一些，去除后模具型腔內(nèi)不能有裂紋和尖角等。然后用特制的焊接合金通過(guò)焊接的金屬熔煉方法填充型腔，最后再根據(jù)圖紙加工出新的型腔。

一般情況下此方法的焊接量比較大，特別是大型的模具需要用上百公斤甚至幾百公斤焊材，這就要求較高的焊接速度。為了追求較快的焊接速度，就要選擇較大直徑的焊絲或者焊條。由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)焊材生產(chǎn)技術(shù)相比西方發(fā)達(dá)國(guó)家還有不小的差距，而且模具焊接是個(gè)小眾行業(yè)，從焊材噸位上講，總體的用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)鋼的焊接，再加上模具焊接技術(shù)難度大，售后服務(wù)繁瑣，國(guó)內(nèi)沒(méi)有廠家研究、生產(chǎn)相應(yīng)的焊接設(shè)備和焊接材料，所以當(dāng)時(shí)使用的焊材和焊接設(shè)備基本都是從歐美進(jìn)口的。而且無(wú)論是大型電焊條焊接，還是自動(dòng)送絲的氣保焊，當(dāng)時(shí)在國(guó)外、國(guó)內(nèi)都是人工焊接，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。

即便如此，堆焊增材制造的方法不僅能提高模具單次使用壽命，還能輕松解決降面修復(fù)無(wú)法解決的問(wèn)題，優(yōu)勢(shì)非常明顯，迅速獲得了鍛造企業(yè)的認(rèn)可，逐漸在鍛造行業(yè)推廣開(kāi)來(lái)，成為鍛造企業(yè)降低模具成本、提高生產(chǎn)效率的法寶。

人工堆焊增材制造模具的局限性

⑴一般鍛造模具的型腔形狀都比較復(fù)雜，人工焊接時(shí)工人很難把握模具型腔的尺寸，特別是使用大直徑的電焊條和焊絲，由于較快的熔覆速度，工人無(wú)法根據(jù)模具型腔的形狀進(jìn)行仿形焊接，并且人工仿形焊接最容易出現(xiàn)的問(wèn)題是焊接缺料或者焊偏。無(wú)奈之下，為了保證不出現(xiàn)焊接缺料，只能先將型腔填滿，然后再加工出新型腔?？梢哉f(shuō)滿焊的方法是不得已為之，沒(méi)有其他更好的方法。但是這種方法的缺點(diǎn)同樣非常顯著：首先是對(duì)于模具而言，只需要焊接氣刨去除的部分即可，滿焊的話也需要將型腔的空檔填實(shí)，這部分焊接的金屬在機(jī)加工時(shí)還要加工掉，不僅浪費(fèi)焊材和焊接工時(shí)，還浪費(fèi)很多加工的時(shí)間和刀具的消耗。

⑵人工焊接受到焊工素質(zhì)、勞動(dòng)強(qiáng)度、勞動(dòng)環(huán)境等因素影響較大，而且人工焊接整個(gè)過(guò)程很難進(jìn)行監(jiān)督和考核，特別是對(duì)每一種焊材的分布和焊接量，除了焊接工人自己其他人是很難監(jiān)督的，對(duì)于焊接過(guò)程中出現(xiàn)的諸如氣孔、夾渣等缺陷也很難控制。焊接質(zhì)量波動(dòng)較大表現(xiàn)在模具上就是有的模具質(zhì)量很好，無(wú)氣孔、夾渣等缺陷，模具壽命較高，有的模具不僅氣孔、夾渣較多，而且容易出現(xiàn)早期失效的情況。

以上情況充斥著整個(gè)人工焊接階段，甚至導(dǎo)致一部分鍛造企業(yè)放棄了堆焊增材制造的工藝。隨著我國(guó)鍛造行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)和新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換深入推進(jìn)，智能制造、綠色鍛造是鍛造業(yè)積極踐行的發(fā)展之路。相對(duì)應(yīng)的人工堆焊制造模具的方法已經(jīng)無(wú)法滿足鍛造企業(yè)發(fā)展的需求，模具焊接也必須向自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)型。2015 年山東凱泰焊接技術(shù)有限公司與意大利DGWELD 和美國(guó)EUREKA 聯(lián)合開(kāi)發(fā)模具3D 打印機(jī)器人和適用的焊接合金，開(kāi)啟了模具人工焊接轉(zhuǎn)向自動(dòng)化、數(shù)字化焊接的帷幕，成為行業(yè)的先行軍和領(lǐng)航者。

3D 打印機(jī)器人自動(dòng)化焊接模具的優(yōu)勢(shì)分析

⑴機(jī)器人焊接采用三維數(shù)據(jù)做出焊接程序，可以仿照模具型腔的原始形狀來(lái)焊接，這樣就無(wú)需將模具型腔填滿，節(jié)省了大量的焊材和后續(xù)加工的成本和時(shí)間。一般情況下，同一塊模具機(jī)器人仿形焊接比人工填滿焊接可以節(jié)省15%～40%的焊材使用量。所以機(jī)器人焊接在降低焊接和加工成本，提高模具焊接的質(zhì)量和穩(wěn)定性方面具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

⑵機(jī)器人焊接幾乎可以杜絕人工焊接出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題。由于模具焊接工作環(huán)境比較差、勞動(dòng)強(qiáng)度大，人工焊接很容易受操作工人的技術(shù)水平、工作時(shí)的個(gè)人情緒、工作環(huán)境的變化和勞累程度等因素的影響，致使在焊接時(shí)出現(xiàn)焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，而且不同的操作人員或者同一個(gè)操作人員在不同的時(shí)間段焊接的質(zhì)量差別較大。機(jī)器人焊接可以完全避免上述質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，況且機(jī)器人焊接是數(shù)控程序的操作，可以避免焊接“缺料”等缺陷。

⑶一名操作工人可以同時(shí)操作3 ～4 臺(tái)模具焊接機(jī)器人，大大減少了人力資源的支出。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)的人工成本越來(lái)越高，像焊接這種環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大的工種即便是高薪也很難獲得年輕人的青睞，所以近幾年出現(xiàn)了招工難的現(xiàn)象。機(jī)器人自動(dòng)化的操作代替人工操作是我國(guó)今后發(fā)展的方向。

⑷對(duì)比人工焊接，機(jī)器人焊接整個(gè)過(guò)程容易控制，易于管理。由于每個(gè)焊接工人在技術(shù)水平、身體狀況、責(zé)任心等方面的差別，在平時(shí)工作中管理人員對(duì)其焊接效率、焊接質(zhì)量等方面的考核是非常困難的，這種勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)環(huán)境差的工作難免會(huì)出現(xiàn)工人消極怠工、掩蓋質(zhì)量缺陷等現(xiàn)象，所以人工焊接模具的整個(gè)過(guò)程是管理人員無(wú)法管控的。而機(jī)器人焊接是由設(shè)計(jì)好的焊接程序控制的，可以避免這類問(wèn)題。

⑸采用同樣的焊接合金，機(jī)器人焊接的模具壽命一般比人工焊接的模具壽命要高，而且穩(wěn)定性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于人工焊接。

模具焊接往往需要使用多種型號(hào)的焊材，人工操作要靠工人強(qiáng)烈的責(zé)任心來(lái)保證焊材的選擇和焊材分布的位置，在操作過(guò)程中很難進(jìn)行量化監(jiān)控，具體表現(xiàn)在模具壽命上，也就是每次焊接的模具壽命差別較大，人工滿焊的模具見(jiàn)圖2。

圖2 人工滿焊的模具

機(jī)器人焊接完全是數(shù)字化的控制，每種焊材的用量和分布的位置都非常精確，所以機(jī)器人焊接的模具(圖3)壽命更穩(wěn)定，而且普遍高于人工焊接的模具。機(jī)器人焊接設(shè)定的焊接參數(shù)使得焊槍與模具之間的距離始終是不變的，焊接過(guò)程中電流和電壓值非常穩(wěn)定，波動(dòng)范圍很小，再加上各種精密傳感器的監(jiān)測(cè)，焊接的質(zhì)量非常穩(wěn)定。人工焊接時(shí)，由于人手拿著較重的焊槍，再加上焊接時(shí)模具和熔池的溫度較高，焊接的溫度、弧光、煙塵等等對(duì)操作工有較大的影響，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)境差，焊接時(shí)焊槍行進(jìn)的速度和焊槍與模具之間的距離變化較大，導(dǎo)致焊接電流和電壓波動(dòng)較大，直接影響金屬成形，最終影響模具壽命。

圖3 機(jī)器人仿形焊的模具

⑹極大提高了焊接效率，創(chuàng)造更好的工作環(huán)境。機(jī)器人焊接一般都選擇封閉式的焊接工作站，操作面板放在工作站外面，再配備上光電保護(hù)系統(tǒng)，機(jī)器人工作時(shí)人員在工作站外面，可以確保操作人員的安全。另外，封閉式的工作站可以確保因焊接產(chǎn)生的廢氣和煙塵等全部進(jìn)入空氣過(guò)濾系統(tǒng)，既保證了操作人員的身體健康，又能滿足政府環(huán)保部門(mén)的檢查和檢測(cè)。

堆焊增材制造在自由鍛模具上的應(yīng)用

對(duì)于自由鍛的錘頭(圖4)、砧座和輾環(huán)設(shè)備的錐軸(圖5)等等，焊接修復(fù)是具有極大優(yōu)勢(shì)的修復(fù)方法。通過(guò)耐高溫、耐熱磨損的特制焊材的堆焊，可以極大提高這些工件的使用壽命。如果沒(méi)有焊接的技術(shù)手段，這些造價(jià)昂貴的工件大部分在使用一兩次后就要報(bào)廢。

圖4 錘頭

圖5 輾環(huán)設(shè)備的錐軸

堆焊增材制造在沖壓模具上的應(yīng)用

汽車(chē)的覆蓋件(如轎車(chē)的車(chē)頂、車(chē)門(mén)、引擎蓋和后蓋等)大部分都是用特制薄鋼板(或者鋁板)通過(guò)沖壓成形的，這種板材有個(gè)特點(diǎn)就是在沖壓模具閉合的時(shí)候板材的形狀是符合圖紙要求的，但是當(dāng)閉合的模具打開(kāi)時(shí)，因板材具有一定的反彈性，板材的幾何形狀相對(duì)于模具閉合時(shí)(圖紙尺寸)發(fā)生了變化。這種情況下，就不得不通過(guò)改變模具的幾何尺寸來(lái)修正沖壓后的板材尺寸使其最終符合圖紙要求。那么堆焊增材就是改變模具尺寸最便捷、最有效的方法，如圖6 所示。

圖6 沖壓模具的堆焊改型

另外，如圖7 所示，沖壓模具成形模的凸起部位和裁剪模的刃口也是需要通過(guò)焊接的方法來(lái)提高模具壽命的，所以堆焊增材制造也是沖壓模具不可或缺的技術(shù)方法。但是，沖壓模具一般都是鑄鐵或者鑄鋼制作的，特別是鑄鐵是非常難以焊接的金屬，這就要求必須使用相對(duì)應(yīng)的高品質(zhì)的焊材和施工工藝。目前中國(guó)的沖壓模具焊接，仍然以進(jìn)口焊材和技術(shù)工藝為主。

圖7 沖壓模具的堆焊強(qiáng)化

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，無(wú)論是模鍛模具、自由鍛模具還是沖壓模具，堆焊增材制造是提高模具壽命、降低模具制作成本、縮短模具制作周期的有效方法，是鍛造和沖壓企業(yè)必備的技術(shù)手段之一。