基于弧焊机器人结合增材制造技术修复超大型模具的可行性分析

刘德建 孙朝远 李蓬川 郑 华 谢 静

(中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川618000)

随着锻件材质变形抗力的增长，如广泛用于制造航空航天工业起落架、火箭发动机外壳的Aermet100钢的合金化程度已超过28%，且强度已经达到2000 MPa级[1]，同时尺寸和结构复杂性也随之增加，如中国二重万航模锻公司为波音787生产的主起落架外筒锻件重量已达近5 t重，对模具的要求也在不断提高，模具总量需求提高，种类样式更多，且为了降低成本提高适用性，模具的结构更为复杂，出现了组合模和镶芯模等结构，同时随着材质变形抗力的增加，模具的工作温度也逐渐由原来的200℃逐渐提高到现在的420℃，且部分用于高温合金生产的模具预热和工作温度已经达到600℃。

现公司在800 MN模锻压机上制造的模具单块重量已经接近100 t，因此模具的制造难度也急剧提升。同时锻件成形过程对于模具表面的耐磨性和红硬性的需求也急剧增加，模具型腔硬度一般要求在400～460HBW以上。区别于锤上模锻，压机用模具在整个变形过程中长时间接触锻件坯料，受热更严重，模具冲头等在变形过程中剪切力较为严重的位置，在锻造结束后温度可达到750℃以上，远超出了5CrNiMo在该温度下的屈服强度。因此压机锻造过程中，经常出现因模具表面强度及其红硬性无法满足要求造成模具尺寸变形、堆塌和光洁度下降，进而导致锻件空烧等生产中断、粘模和尺寸超差等质量问题。

模具局部失效后，常用的方式是将失效位置采用气刨或机加工的方式将失效位置去除，之后采用人工焊接的方式进行堆焊。使用过程中的模具局部补焊一般采用焊条方式进行，模具使用后的局部改型或补焊则采用自动送丝的方式焊接。由于采用人工方式焊接，焊接质量往往难以保障，具体表现为：焊接速度、焊缝缺陷、药渣清理、残余应力消除等均不稳定可控，进而可能会因焊接质量不可控带来焊缝的偏析和夹杂、气孔、裂纹等问题，如某型号飞机起落架因设计更改，其模具在精加工制造后需通过焊接方式进行改型，该套模具在生产前的溜模过程即发生开裂，经分析主要原因是因为人工焊接过程对焊接速度的把控、焊缝晶粒的细化、焊后残余应力的消除的不可控带来了焊接缺陷如裂纹和气孔，并成为裂纹源，在后期的调质过程中加速了模具裂纹的扩展，进而导致了整套模具的非正常失效。此外由于焊接后的检验不彻底等因素，往往造成因补焊量不够导致的后续模具加工黑皮或二次补焊，进而带来较大的周期延期和制造成本上升等问题。此外由于模具焊接前需预热至350℃附近，采用人工焊接的工作环境恶劣，工人需要在高温、高噪音、高气体燃烧的环境下长时间工作，对工人的身心健康均带来不良影响。由于人工焊接的不可控因素较多，因此后期模具若失效，往往无法对焊接过程进行故障再现，增加了失效分析的难度。

增材制造(Additive Manufacturing, AM)技术是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动，采用材料逐层累加的方法制造实体零件的快速成形技术[2-3]，该制造技术因采用了预扫描、模型生成、程序控制，可实现高效率焊接，低成本制造，并可根据预先设定的轨迹成形任何复杂的曲面空间。它的出现和发展为模具修复提供了新思路。本文提出基于弧焊机器人结合增材制造技术的模具修复思路，分析需要修复模具的具体特性，并利用3D扫描设备如Scan-master对模具的型腔进行扫描，生成igs格式文件后，利用catia软件的逆向工程实现实物→3D数模的转换，并通过与改型制造模具的3D数模进行比对和布尔运算，提取出待修复区域差值的三维模型，然后根据焊接原理，利用增材制造软件对待修复区域的三维模型进行切片，并规划焊接的轮廓线，对其进行计算机程序编制，导入机器人执行焊接程序，实现对模具的增材制造。

由于服役条件的恶劣性和模具时效的方式，在大型模锻压机用锻模的桥部、冲头等位置容易出现磨损、堆塌等失效方式，因此根据模具应力分析结果和实际应用过程中的模具变形形式，在模具易失效位置采用镍基或钴基焊材予以强化。由于增材制造所选取的材料往往较模具母材的合金化程度和硬度更高，若直接将增材材料和母材焊接的话，会出现焊接不稳定、焊接材料脱落等现象，因此为避免此问题，在模具母材和对焊层之间选择合适的过渡层予以过渡，其中过渡层的强度、合金化程度均处于母材和焊材之间。采用电弧熔丝自动增材制造的方式将硬质合金的过渡层和高温合金的强化层堆焊到需要强化或修复的位置，可实现整个修复过程的自动化和智能化，实现加工余量小于3 mm的增材制造，进而降低焊材的浪费，节约成本的同时，缩短焊接时间，提高生产效率。

1 模具结构分析

本文研究的超大型模具用于800 MN模锻液压机设备的示范运用典型件，该件为某发动机高压涡轮盘，材质为GH4169、锻件直径1000 mm，生产时模具温度达700℃以上，模具承受高温、高压，工况条件恶劣，如图1所示。为了更好确定工艺参数，需要深入分析该超大型锻模在服役过程中的温度场、应力场、应变场的分布特征，并结合失效分析，建立超大锻模梯度功能分层结构设计准则。图2为该超大型模具服役过程中的有限元模拟结果。通过有限元模拟分析，测量得到了模具各处的应力深度，其中拉应力深度值测量范围为250～1380 MPa，最大值为14.69 mm，压应力值测量范围为-500～-2080 MPa，最大值为57.99 mm。根据锻模各部位的受力情况，确定各梯度增材制造厚度尺寸，并根据各增材制造梯度材料的尺寸，设计了各梯度材料增材制造结构形式。

图1 锻件及模具增材制造模型图Figure 1 Forgings and die addition manufacturing model

图2 模具服役过程的有限元模拟结果Figure 2 Finite element simulation resultsin die service process

2 模具增材制造修复工艺试验

高温合金锻件对模具的变形抗力及红硬性有较高要求，因此根据模具使用过程中的实际工况条件，表面强化层增材材料要求在高温下仍具有较高的强度及硬度，故强化层采用钴基堆焊材料。该材料以钴为基体并加入Cr、W、C等元素构成，其中Cr含量一般大于25%，所以在高温氧化条件下，能形成薄而紧密粘附的起防护作用的保护膜，同时钨具有硬度高、熔点高、耐蚀性高等特点，此外钴元素是生产耐热合金、硬质合金和防腐合金的重要材料，因此钴基焊条具有优良的综合耐热性、耐蚀性和抗氧化性能，在600℃以上的温度下仍能保持较高的硬度，同时具有优良的抗磨料磨损性能。采用的焊丝牌号为HS111钴基堆焊焊丝，属于Co-Cr-W堆焊合金中C及W含量最低、韧性最好的一种。能承受冷热条件下的冲击，产生裂纹的倾向小，具有良好的耐蚀、耐热和耐磨性能。主要用于要求在高温工作时能保持良好的耐磨性及耐蚀性，如高温、高压阀门、热剪切刀刃、热锻模等，该焊丝硬度及化学成分见表1。

表1 HS111型钴基焊丝硬度及化学成分(质量分数，%)Table 1 Hardness and chemical composition ofHS111 Co-based wire(mass fraction,%)

表2 过渡层焊丝金属化学成分(质量分数，%)Table 2 Chemical composition of welding wirein transition layer(mass fraction, %)

表3 焊接工艺参数Table 3 Welding process parameter

图3 焊接设备及过程Figure 3 Welding equipment and processes

过渡层一般是为了实现基体与强化层材料的性能或成分的梯度变化，同时改善基体与硬面层的结合性能，故根据基体及硬面层材料的化学成分制定过渡层焊丝成分。过渡层焊丝金属化学成分见表2。

整个模具改性焊接工艺流程为：缺陷清除→3D扫描→计算焊接轨迹→模具预热→焊材烘烤→焊接→敲击消应力→模具去应力退火→机加工修复。具体如下：

首先将模具严重堆塌变形或出现裂纹的位置采用气刨和机加的方式予以去除。之后采用3D扫描仪对模具进行扫描，生成igs格式点云文件，然后导入到计算机CATIA软件中逆向生成实体，并和模具设计数模比对，对需要进行增材制造的位置进行切片和轮廓计算，然后利用增材制造的专用软件计算出焊接程序。再将待修模具放到模具预热台车炉中进行预热处理，预热温度一般采用400℃，预热时间大于12 h。预热时间满足后将模具吊出模具台车预热炉，进行模具时效位置的增材制造修复，同时为降低焊接过程中模具温度的损耗，提升焊接过程的可控性，采用10 mm厚的硅酸铝保温棉对模具进行包裹。为避免焊丝自身的水分在焊接过程中分解出来的O和H在焊缝中无法完全逸出而形成气孔和氢脆等缺陷，焊接前对焊丝进行烘烤预热，预热时间为3 h，预热温度为300℃。

过渡层焊丝在模具修复过程中属于打底层，根据过渡层焊丝的特点，选用电弧焊的方式焊接。本文中修复的模具采用氩气和二氧化碳的混合气体对整个焊接过程进行保护，其中氩气和二氧化碳的比例为4∶1。采用这种混合气体保护的熔化极电弧焊接的焊丝本身不但作为焊缝的填充金属，而且焊接过程还可以充当导电的电极；同时采用这种方式的焊接具有焊接过程中焊接飞溅小、焊缝成形美观、熔敷效率高等优势[4]。

由于强化层钴基焊丝的合金化程度较高，焊接过程采用某公司的机器人非脉冲直流的焊接方式，同时增加电弧的来回摆动。由于钴基焊丝流动性差，熔深浅，而脱渣性好，飞溅小，选择这种方式可以最大程度地避免未熔合等缺陷的产生。过渡层焊丝的焊接参数为：焊接电流115 A，焊接电压15 V，焊接速度40 cmmin。强化层焊丝的焊接参数为：焊接电流210 A，焊接电压25 V，焊接速度32 cmmin。实验设备及过程如图3所示。制定的焊接工艺参数如表3所示。

根据焊接工艺中焊缝组织和性能控制的原理，振动结晶和锤击处理可以破坏正在成长的晶粒，增加非自发形核的质点，从而获得细小的结晶组织，同时锤击在细化本层晶粒的同时，还可以使后层焊缝在结晶时发生细化，另外锤击还可以将焊接过程中焊缝表面的残余应力由表面拉应力通过塑性变形优化为表面压应力，进而降低焊缝表面的微裂纹的形成倾向并提高疲劳性能[4]。因此为了使模具逐层梯度强化中的焊接熔池产生的残余应力得到释放，同时去除焊渣，细化晶粒，改善焊缝成形质量，采用压缩空气驱动的风镐对焊缝进行间歇性敲击，同时采用型号为Raynger 3i的高温红外测温仪(有效测量区间为400～2000℃)对焊缝温度进行监控，控制敲击温度≥600℃，保证敲击效果。此外，采用型号为Raynger ST60+的低温模具红外测温枪(测量温度-30～600℃)对模具温度进行监控，焊接过程中全程采用硅酸铝保温棉包裹模具进行保温，当模具温度≤200℃后，停止焊接，将模具吊入台车预热炉中进行再预热，之后重复上述焊接过程。并在所有焊接过程结束后，将模具整体吊入台车炉进行大于24 h的消应处理，消应温度为500℃。

图4 堆焊完成后的模具及三维测量示意图Figure 4 Schematic diagram of die and3D measurement after surfacing

图5 实际堆焊模具与目标模型的误差对比Figure 5 Error comparison between actual surfacing dieand target model

3 工艺方案验证

3.1 堆焊完成后模具尺寸及硬度检验

模具消应处理后，采用型号为Metras CAN750 +HandypROBE Next Elite的3D扫描仪对型腔进行扫描，并用专业的软件与设计模型进行比对，如图4所示。图5为对比统计的结果，可以看出其形状尺寸大致相同，85%以上的区域误差在4 mm范围内，且整体以正误差为主，尺寸满足技术指标要求。将电弧增材制造修复后的模具在进行回火处理后转至数控车床按照模具精加工尺寸去除多余的焊材。机加完成后使用手持式硬度计在模具表面沿直径方向选取10个点对焊接面进行硬度检测，其硬度值在400～470HBW范围内，平均值为435HBW，满足大于400HBW的要求。

3.2 模具应用效果验证

为验证增材修复后模具的使用效果和模具使用后的变形情况，进行5批次的验证考核，每批次生产<10件，累计生产46件。

生产前模具在模具台车预热炉内预热24 h以上，台车炉加热温度600℃，精度±25℃，同时生产前采用1000℃的假料对模具型腔再次预热10～20 min，确保模具型腔温度为500～600℃。锻件材质为GH4169，加热温度>1000℃，产品欠压量设置为6 mm，载荷设置为<300 MN，锻件始锻温度为910～930℃，终锻温度为860～870℃，模具型腔工作温度500～700℃。

模具经5批次共46件产品的考核验证，表明采用该方法修复的模具可实现至少连续生产50件再进行打磨修复的频次，而传统方法制造的模具每批次生产10件后需打磨修复一次，其维修频次明显降低，生产效率明显提高，制造成本也明显降低了。同时对5批次共46件锻件生产后的模具型腔尺寸进行三维扫描和表面外观的检验，未发现模具尺寸变形和表面堆塌、开裂、刮伤等模具表面缺陷。另外对模具的硬度进行了检测，模具型腔表面的硬度在390～450HBW区间之内，与模具使用前硬度值在400～460HBW范围内基本相当，达到研究考核指标要求。

4 结论

为了解决超大型锻模在锻造服役过程中出现变形、堆塌、光洁度下降、维修频次高、生产效率低下等问题，本文提出采用有限元软件分析模具应力分布，进而对锻模设计具有梯度结构的锻模修复层，以增加模具寿命。采用弧焊和机器人相结合的方法修复模具，以提高模具修复效率以及智能化和自动化水平。采用上述方法修复的模具可以很好地满足模具服役的力学性能要求，同时修复的模具寿命要明显高于原材料生产的模具。这表明该方法不仅可以有效解决模具缺陷问题，而且还能提升模具寿命。