锻切模堆焊修补技术应用研究

万慧+廖可+李琼+邓少平

摘 要：通过锻切模堆焊修补工艺试验，建立了堆焊修补工艺规范，实践证明锻切模修复工艺技术可行、经济效益明显。希望通过文章的分析，能够促进相关工作的发展。

关键词：锻切模；堆焊修补；修复工艺

中图分类号：TG455 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）30-0155-03

1 概述

在锻压过程中模具由于承受高压、高热应力的影响，易产生变形和裂纹造成锻切模报废。对失效报废的模具进行堆焊修复，早在五、六十年代，日本、西德、瑞士和前苏联等国家就已经开始研究和应用模具堆焊修复技术了，到了八、九十年代，随着堆焊技术的发展和多样化，从而使堆焊工艺得到较广泛的应用。随着国外技术的引进，模具堆焊技术也得到了较大的发展，国内哈工大、清华大学、各汽车制造厂都进行了研究和应用模具堆焊技术，取得了可喜的效果。

2 模具失效形式及其产生原因分析

为了更好地把握模具堆焊工艺，提高堆焊质量，首先要分析研究热锻模具失效的形式及原因。

模具的品种繁多，有热锻模具、切边模具等。热锻模具是在一定温度下使金属变形的工具，它在工作过程中除了承受较大压应力外，还受到炽热金属对模具型腔的摩擦作用，工作条件十分恶劣，因此，很容易在模槽边缘及模槽根部处产生裂纹及变形，致使模具失效而无法使用[1]。

2.1 模具失效形式

模具失效形式主要有断裂、变形、热疲劳龟裂、热磨损等，其中断裂失效模具寿命最低，技术上被视为不允许的非正常失效形式。

2.2 模具失效的根本原因分析

2.2.1 断裂失效（包括整体开裂、局部断裂 及机械疲劳裂纹等），模具出现断裂主要原因有四点：

（1）模具承受的瞬间冲击载荷超过材料的高温韧度指标。

（2）模具承受应力在整体范围内或局部位置超过材料的高温断裂强度。

（3）操作时打击过重，锻模没有预热致使打裂。

（4）熱处理工艺不合理造成等。

2.2.2 变形失效

模具变形失效是常见缺陷，主要原因是模具材料选择不合理，热处理硬度太低，模具冷却不及时等造成。

2.2.3 热疲劳失效和热磨损失效

模具在生产时，受到炽热金属对模具型腔的摩擦作用，很容易产生热疲劳失效和热磨损失效，主要是模具材料的耐热性能差所致。热锻模具的失效特点见表1。[2]

3 堆焊设备和材料的选择

3.1 堆焊设备选择

堆焊手工电弧焊焊机应为直流电焊机，其最大额定电流为300A。

3.2 堆焊材料选择

3.2.1 锻模堆焊材料选择

（1）哈工大焊接材料技术有限公司制造的模具堆焊焊条热模2号。

（2）德国卡陪拉64号和65号焊条。

3.2.2 切边模堆焊材料选择

（1）哈工大焊接材料技术有限公司制造的模具堆焊焊条热模2号。

（2）德国卡陪拉521号焊条。

3.2.3 模具堆焊材料应用方式见图1

4 工艺试验

4.1 焊前准备

堆焊工艺试验模具见图2。

该锻件材料为42CrMo，锻模材料为5CrMnMo。由于锻件较薄，仅6mm，锻打时金属冷却较快，很容易打沉模具，特别在三个凸台周边最容易变形，致使模具常常失效不能工作而报废，因锻件批量大，消耗模具特别多。

4.2 焊前清理

对废模具进行焊前清理，主要是对待模槽焊接处的缺陷，如裂纹等，油污、氧化皮和疲劳层进行清理，将已损坏的模膛表面用机械加工或碳弧气刨加工的方法去除表层5mm。其主要目的是防止堆焊层中予埋缺陷和裂纹，同时也防止油污和氧化皮进入堆焊层中影响堆焊金属焊缝的性能。清理完后可用磁粉探伤或着色探伤检查缺陷的清理情况，如有必要还应采取超声波探伤检查深部缺陷情况，直到缺陷完全清理为止。[3]

对有裂纹的模具加工坡口：

有的模具模槽底部R处（应力集中）有裂纹，可以用铣床加工或用焊条进行裂纹局部焊割，形成一个沟槽，直到去掉裂纹为止。沟槽宽度C一般不超过12mm，见图3裂纹示意图。

4.3 模具预热与焊条烘干

模具材料一般为高合金材料，我们要补焊的这付模具材料为5CrMnMo。为避免焊接时堆焊金属与母材之间造成的脆性区和减少冷热收缩造成的内应力，堆焊前应将模具预热至一定的温度，采用温度范围为0～1000℃箱式回火预热，规范见图4。

焊条烘干：

为了防止焊条潮湿而影响堆焊质量，所用焊条在使用前，采用温度范围0～1000℃箱式回火炉在300℃下烘干1h～2h。

4.4 手工堆焊操作

为了对比国产焊条和德国进口焊条的模具使用寿命，我们对两套模具进行对比焊补试验，焊接工艺参数参照表2。堆焊时，将预热好的模具从热处理炉中吊出，放在保温石棉材料和保温砖上，模具周围也贴上石棉板和保温砖，准备好后开始堆焊。堆焊一层一层的进行，第一层的堆焊方向和第二层的堆焊方向成90℃，焊层叠加方式见图5。在焊接过程中，每焊完一层须清除焊渣并使用0～1000℃热电偶温表检测模具表面温度，如模具的温度低于300℃时，立即停止焊接，为避免火口裂纹（收弧裂纹）、气孔、夹渣。堆焊时应注意以下事项。[2]

（1）避免产生火口裂纹（收弧裂纹），应注意：收弧前，焊条在原处焊接停留时间稍长些或收弧引弧重复2～3次，后一道的焊缝起弧时从前一道焊缝收弧处开始。（2）避免产生气孔，应注意：焊条严格实行烘干工艺；从模膛最深处开始逐层向上堆焊，尽量采用平焊。（3）避免产生夹渣：每堆焊完一道焊道应把焊渣清除干净，并用小刷子把焊渣扫净。

4.5 回火处理

经过堆焊的模具，有一定的脆性和内应力，为了减少模具变形和锻造开裂，采用0～1000℃箱式回火炉作回火处理，回火规范见图6。

4.6 堆焊模具的加工

经过堆焊和回火处理的模具，分模面和水口采用铣切加工，模槽用电火花加工。

4.7 堆焊模具的使用结果

经加工合格的模具不再进行淬火处理，直接使用。模锻设备2T模锻锤，锻件材料为42CrMo钢，始锻温度为1150℃，锻模预热温度为250℃左右。

（1）采用哈工大热模2号焊条堆焊的锻模使用寿命5012件，采用哈工大热模3号焊条堆焊修复的切边模使用寿命6500件。

（2）采用德国卡陪拉65号焊条堆焊的锻模使用寿命6156件，采用德国卡陪拉521焊条焊补切边模使用寿命9500件。

5 结束语

废旧锻切模采用堆焊修复新工艺确实可行，有利于生产发展和成本的降低，值得推广应用。哈工大研制的模具焊条和德国卡陪拉焊条各有优点，哈工大模具焊条价格便宜，但模具堆焊后加工有些难度，打的锻件数量较德国卡陪拉焊条堆焊的锻模少，卡陪拉焊条综合性能好，但焊条价格昂贵。不管采用哈工大研制的模具焊条还是德国卡陪拉焊条堆焊锻切模，一定要严格执行工艺规范，否则堆焊效果就不好。两种焊条不仅可以修复已报废的锻模、切边模，而且修复后的模具寿命比原整体模具提高二倍以上。

参考文献：

[1]蒋昌生.模具材料及使用寿命[M].南昌：江西人民出版社，1982：100-130.

[2]潘攀.几种热作模具堆焊金属组织和性能的对比研究[D].南京航空航天大学，2009.

[3] 汗清，陈金德.金属塑性成形原理[M].北京：机械工业出版社，1999.

[4]张忠纯.模具材料的选用及性能优化分析[J].科技创新与应用，2015（18）：144.endprint