热作模具堆焊修复再制造技术发展现状与趋势

黄国开

摘要：对各类热作模具的工程背景及应用现状进行了分析。阐述了堆焊技术在热作模具修复中的作用;堆焊材料分类特点和适用范围。

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.

关键词：热作模具;堆焊修复;堆焊合金

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

中圖分类号：TG441                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0111-02

0  引言

在使用过程中，模具要承受较高的单位压力，由于金属塑变流动产生的巨大冲击载荷和剧烈的摩擦，另外，在高达1200℃的锻件还可对型腔进行反复加热，使得模腔表面温度迅速升高，温度通常在500～650℃。由于条件很差，热制模常发生热堆裂、损伤如热磨损、热疲劳、甚至是破裂失效。对有故障的模具，在修复时常用堆焊技术过程中，对模具钢进行堆焊修复的研究和实践，关于堆焊连接组织和各微区组成的研究很少，对不同的加工方法所产生的组织和微区域成分并不直接，但却是确定工艺参数的主要依据。

1  热作模具堆焊修复发展趋势

经过大量的实践表明，相较于多种表面强化及修复技术，堆焊技术在实际使用过程当中是最为理想可靠的模具修复制造技术，并且在较早的时间内用于模具修复的表面技术。所谓焊堆修复即是采用焊接的方式，将一定性能的材料放置于模具受损或恢复区域，以此对失效区的尺寸进行恢复，提高耐磨耐热的机械性能，堆焊工艺种类繁多，随着焊接热源的不同，在性能中即可分为火焰堆焊、电弧堆焊、电渣堆焊、等离子堆焊及激光对焊等等，在当前国内外模具的修复工艺当中，使用较多的便是电弧堆焊、等离子堆焊及激光对焊。采用电弧对焊，在实际工作过程当中，主要利用电弧作为热源，将焊条或者焊丝作为其补充金属，堆焊层致密性较好，且相互结合过程当中强度较高，所引用的设备在使用过程当中较为简单，并且能够与焊接设备在实际使用过程当中进行通用，以此满足各种不同工况的实际要求。因此，在现实工艺使用当中，使用的范围较为广泛。激光对焊模具修复，即是通过同步送粉送丝，或是在模具机体上填充金属粉末，采用柱状光斑或是巨型光斑，以此作为热源能够快速的将填充金属机器机体表面进行同时融化并快速凝固，以此形成稀释率极低的表面涂层，采用激光对抗技术加热及冷却速度较为快速。采用此项技术的最大优点便为修复层与基体结合过程当中强度较高，在重新获得修层组织的表面较为均匀，结构紧致，且无开裂气孔灯现象，特别是应用于小型复杂的精密精密模具的修复，相较于电弧堆焊，激光堆焊能量密度较高，对用量需求较小且成型较为快速，在实际性能上能够得到较低的稀释率及良好的组织性能。但在激光熔覆效率方面较慢，采用该设备在造价方面较高，电焊设备相对来说较为普通，于是便在实际运行当中较为普及。所以激光堆焊在实际使用过程当中，更适用于小型精密度较高且性能要求较为严格的模具。等离子堆焊技术是采用不融化电极和压缩电弧加热工件实现焊接的方法，相较于电弧堆焊，采用该技术在模具修复过程中热影响区域较小，并且具有高效的成形性。模具堆焊技术在未来的发展中具有广阔的前景，且具备较高的实用价值。

2  热作模具的工作条件、失效形式及性能要求

2.1 热作模具是一类金属高温变形的工具

热作模具钢是构成此类模具的重要材料，适用于热锻模具、热挤压模具和热冲裁模具等。模具的工作条件很恶劣，它的使用寿命的长短，很大程度上取决于热作模具钢的性能，随着服务期延长，它的机构会改变，因此，性能也会发生相应的变化。

2.2 堆焊的定义

堆焊是具有一定使用性能的合金材料采用一定的热源法，熔敷于母材表面，为增强母材的特殊使用性能一种将零件恢复到原来形状大小的工艺方法。堆焊可同时修复材料在使用期间所造成的失效部位，也可以用来加强材料或零件的表面。

3  热作模具堆焊修复技术

在面对表面强化修复工程中，经过大量的实践表明，采用堆焊工艺较为理想，模具修模再制造技术应用时间较早，早在上世纪五十年代就被投入使用。堆焊材料以其自身的实际性能，用一个或几个层次在损坏的模子区域上堆砌的工艺过程，修复损坏区域的大小，或改善耐磨性以及耐腐蚀或其他机械性能。焊料的种类较为繁多，当前使用较多的为电堆焊技术，该结构主要以电弧热源为主，利用焊条或者是焊丝以此对金属部位进行填充，以此形成的堆焊较为紧密，可实现与母材的冶金结合，高粘结力。使用的设备比较简单，能适应各种不同条件的需要，用途最广。常见的焊接方法有手工电弧焊、钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊接。美国尤利金公司采用重庆长征重工有限公司（Eureka）E450/E650准4.8毫米对5 CrNiMo的两种型号焊条，用手工电弧堆焊方法修复疲劳失效热锻模。这些焊料的主要化学成分与模具材料相同，两者的熔融程度更高，焊后熔化状态下的原子迁移扩散能使二者形成较为稳定的焊接区;对这两者型号的焊条进行了合理的焊接前热处理，经修复的模腔硬度达51～52HRC，由表至基的梯度分布，既有良好的热强度、热硬性，还可承受较大的冲击载荷，热疲劳，因而疲劳寿命延长，实践应用中发现，堆焊修复后的模具比新模具寿命提高一倍以上。

4  热作模具的堆焊修复材料

4.1 铁基堆焊材料

在热作模具堆焊材料中，铁基高温堆焊材料是最常用的一种材料。国内铁基高温堆焊材料主要以焊条为主，还可制成焊丝及合金粉。一般采用H08A、H08E等各种不锈钢焊丝及其它焊丝作焊芯，外涂各种铁合金元素。用药皮、焊芯和药皮过渡到堆焊层，因此，堆焊层具有高硬度，耐磨性能良好，可承受较高的工作温度。为延长修模的使用寿命，这种堆焊材料的研究一直在进行，已开发出多种铁基堆焊材料。在现有市场上研究的模具堆焊材料性能存在较大差异，区分堆焊材料合金体系的模具、类型如下：堆焊碳素马氏体高强度钢，堆焊材料热作模具钢，堆焊马氏体不锈钢材料等。

4.2 钴基堆焊材料

钴基堆焊焊条：国内钴基堆焊焊接条主要有D802，D812，D822三种，焊条分别是低碳、中碳、高碳钴铬合金焊芯具有优良的抗腐蚀的堆焊层，耐磨损，耐高温，温度高于600℃时仍保持上述特性。D802是一种较好的韧性焊条，能够经受严寒和热浪，不太可能出现裂缝，主要用于高温高压阀门和热剪切刀片等堆焊。D812的碳、钨含量居中，有中等硬度，耐磨性能比D802好，但是塑性差，主要用于高温高压阀、高压泵的轴套和化纤设备切刀片等进行堆焊。D822碳钨含量最高，故硬度高，耐磨性能好，耐冲击性差，同步堆焊时易产生裂纹主要用于牙轮钻头轴承、螺旋式进料器等易磨损部件的堆焊。

5  热作模具堆焊技术未来发展趋势

随着模具产业的不断发展，在未来的研发过程中向着高精度、高耐磨性方面发展，延长使用寿命，因此，可以预见的是，在今后的模具开发中将要修复的量将会越来越大，且对其工作要求也将越来越严格。根据实际经验表明，在制造产业技术发展当中运用热模具修复技术能够带来更大的经济收益，并且在使用上有着非常广泛的市场前景。随着堆焊技术被逐渐的引用到模具修复行业以来，对其进行了全方面的研究。根据当前世界各国对模具堆焊技术修复在制造研究中的研发进一步拓展，在未来的发展过程中将会在以下几个方面取得较大突破：

①由于热作模具长期以来受到热力耦合变载荷的作用，在使用时内部非常容易出现磨损及裂纹等现象发生，在这种情况下就容易造成模具表层的硬度有所下降，严重者将会导致模具失效。但是在实际运行过程当中针对内部产生裂纹的长度、深度、分布状况等一些实际形态难以进行清楚的测量。基于此项问题，就可以基于数值模拟技术，对热锻模具寿命的建模进行有效探究，以此用来确定造成模具失效的原因，确定其失效的分布区域。之后便对失效层进行精准的评价及采用机械进行去除，同时，建立起模具服役性能评价体系，对再制造模具的进准度及机械性能指标进行相应的分析及修复，通过对热作模具的失效成因进行分析，对其剩余寿命进行可靠评价方法，能够对模具寿命进行简单地预测，以便在后续的工程中对模具进行高效修复作出充分的准备。

②采用生产成本低、专业化的模具修复材料，具有高强度、高性能等方面的优点，在实际使用中能够对多种类型的模具进行修复，对于在实际使用过程当中针对模具不同性能、不同深度的堆焊技术要求有着良好的帮助。同时在焊接熔滴过渡、焊道形状及焊接变形的具体要求中，可以对药芯成分进行彻底的优化，从而具备自适应性要求。

③为充分的发挥出成型技术对于恢复复杂零件尺寸的优势，就需要将增材制造快速成型系统与数控加工进行深度融合，以便在具体的开发过程中，开发具有高控制精度度较为可靠机型，适用多种重型材料的堆焊修复系统。在实际工作当中，就可以采用多种焊接工艺，经过多个送丝机构，并以此形成多轴cnc加工单元，对堆焊成型中的二维三维快速转轨规划算法进行深度研究。在内容中，包括不同成型材料的各项成型工艺、焊接过程中的工艺参数、熔池现状，对多项工艺进行在线监控及反馈控制。因此对于实现模具过渡梯度功能精进成型堆焊修复，同时在每次焊接结束之后，便可以采用cnc粗加工表面，不仅能够有效的清理掉焊渣，也能够保证堆焊表面的平整性。如此一来，便有效的提升增材对焊的高精度成型，以此实现精细加工。

6  結束语

采用堆焊修复技术对热作模具再制造有许多优点。对于我国模具的发展具有重大战略意义。成本低，效率高，自适应性堆焊工艺特别适用于大中型模具大批量成形与修复。精确度高，修复性好的等离子激光等堆焊技术可用于小型高精度、高附加值模具修复。目前国内外对堆焊修复技术进行了深入的研究，可用于堆焊材料，在修复精度和性能方面还有很多问题需要解决。在先进制造技术理念影响下，智能控制技术和精密切削技术相结合而形成的技术已引起制造业的广泛关注，在未来模具维修、制造必将与 CAD/CAE/CAM、数字控制、机器人与新出现的增材制造相结合，建立新技术和多学科的交叉。

参考文献：

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