堆焊增材制造在模具制作上的應用

文／劉勝春，李華東·山東凱泰焊接技術有限公司

模具號稱“工業(yè)之母”，在鍛造、沖壓等金屬成形的工藝中，模具是實現(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)量的關鍵。

熱鍛模具在工作時承受巨大的沖擊載荷和壓應力、彎曲應力，模腔直接與高溫坯料接觸，模具溫度快速升高且機械性能同步降低，同時受到快速流動金屬帶來的摩擦和沖刷作用，模具很容易出現(xiàn)裂紋、磨損、塑性變形等情況而導致模具失效。長期以來，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，近年來模具的堆焊增材制造技術受到了越來越多的鍛造、沖壓企業(yè)的重視和應用。

堆焊增材制造的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的模具翻新方法是將疲勞的模具上表面用機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”或者“下落修復”。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到新面，不僅極易造成模具鋼材的浪費，且因模具厚度減少，機械性能下降會導致壽命比原始狀態(tài)有所降低。相比傳統(tǒng)降面翻新模具，堆焊修復具有明顯優(yōu)勢。

節(jié)約模具鋼，模具基材費用降低

⑴廢舊模具的再生修復利用。

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

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

⑶可用低價的模具鋼(如5CrMnMo)替代中、高價的模具鋼(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。對于模具焊接工藝而言，模具基體材料無論是用低價的5CrNiMo，還是用價格稍高的H13，因為模具型腔都更換成了焊接合金，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，就沒必要選擇價格更高的H13 等模具鋼，選擇小型的機鍛模和切邊模，甚至可以選擇45 號鋼作基體，這樣可以降低購買模具鋼的成本。

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提高模具型腔的機械性能，雖然能起到一定效果，但無法滿足模具型腔內(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械性能方面的要求。

另外，無論是淬火還是滲氮、滲碳等表面處理技術，基本都是以整塊模具為單位進行的，比如對模具進行淬火就是整個模塊進入淬火池，所以模塊進行淬火后表面各個部位的硬度差別不大，無法實現(xiàn)一塊模具有多種硬度。然而模具在進行鍛造作業(yè)時，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，需要有針對性地選擇不同的硬度和不同機械性能的金屬組織。很顯然傳統(tǒng)的模具制作方法是無法達到這個要求的，而堆焊增材制造的方法可以根據(jù)模具受力、受熱等情況有針對性地選擇不同的硬度和機械性能的焊材，從而實現(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℃時仍可以保持50HRC 左右的硬度，在620℃和10 小時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。在高溫力學性能方面，焊材(如EUREKA750)比國內(nèi)常用的模具鋼要好很多，所以針對模具設計的焊材其熱穩(wěn)定性要遠遠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)高溫力學性能對比

熱處理費用的節(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，而焊接的模具無需重新淬火，只需要簡單的去應力回火，這樣可以降低熱處理費用和難度。

機加工費用的節(jié)約

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

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時間，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械性能更好的焊接合金，其在高溫下仍能保持高強度、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致整副模具失效的問題

對于模具型腔內(nèi)早期損壞的部位，比如凸臺的早期磨損、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切造成尺寸超差等情況都可以采用焊接的方法來挽救或者延長模具的使用壽命。

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，所以獲得越來越多鍛造企業(yè)的青睞。

模具堆焊增材制造的發(fā)展過程

整體堆焊技術的推廣

二十多年前，中國的鍛造企業(yè)因受觀念和模具加工能力的影響，認為模具是不能焊接的。一方面，當時的焊接技術和焊接材料確實無法確保焊接后模具的安全性；另外一方面，當時只有很少的企業(yè)擁有少量的數(shù)控加工設備，大部分鍛造企業(yè)采用傳統(tǒng)的先“車銑刨磨”，然后放電加工的方法，而對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。當時有少數(shù)企業(yè)采用國產(chǎn)的397 或者337的電焊條進行局部的小修小補，與歐美國家的整體堆焊增材制造完全不是一個概念。

隨著改革開放的深入，特別是中國汽車工業(yè)的崛起，帶動了中國鍛造行業(yè)的快速發(fā)展，當時模具的生產(chǎn)能力和制造工藝越來越無法滿足鍛造的需要，且矛盾日漸突出。歐美一些做模具焊接的公司，看準了中國市場的機會，開始在中國大力推廣模具整體堆焊技術。

整體堆焊技術的出現(xiàn)及普及

整體堆焊是首先通過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。由于當時國內(nèi)焊材生產(chǎn)技術相比西方發(fā)達國家還有不小的差距，而且模具焊接是個小眾行業(yè)，從焊材噸位上講，總體的用量遠遠低于結(jié)構(gòu)鋼的焊接，再加上模具焊接技術難度大，售后服務繁瑣，國內(nèi)沒有廠家研究、生產(chǎn)相應的焊接設備和焊接材料，所以當時使用的焊材和焊接設備基本都是從歐美進口的。而且無論是大型電焊條焊接，還是自動送絲的氣保焊，當時在國外、國內(nèi)都是人工焊接，沒有實現(xiàn)自動化焊接。

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無法解決的問題，優(yōu)勢非常明顯，迅速獲得了鍛造企業(yè)的認可，逐漸在鍛造行業(yè)推廣開來，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雜，人工焊接時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，工人無法根據(jù)模具型腔的形狀進行仿形焊接，并且人工仿形焊接最容易出現(xiàn)的問題是焊接缺料或者焊偏。無奈之下，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。可以說滿焊的方法是不得已為之，沒有其他更好的方法。但是這種方法的缺點同樣非常顯著：首先是對于模具而言，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，這部分焊接的金屬在機加工時還要加工掉，不僅浪費焊材和焊接工時，還浪費很多加工的時間和刀具的消耗。

⑵人工焊接受到焊工素質(zhì)、勞動強度、勞動環(huán)境等因素影響較大，而且人工焊接整個過程很難進行監(jiān)督和考核，特別是對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，對于焊接過程中出現(xiàn)的諸如氣孔、夾渣等缺陷也很難控制。焊接質(zhì)量波動較大表現(xiàn)在模具上就是有的模具質(zhì)量很好，無氣孔、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人工焊接階段，甚至導致一部分鍛造企業(yè)放棄了堆焊增材制造的工藝。隨著我國鍛造行業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級和新舊動能轉(zhuǎn)換深入推進，智能制造、綠色鍛造是鍛造業(yè)積極踐行的發(fā)展之路。相對應的人工堆焊制造模具的方法已經(jīng)無法滿足鍛造企業(yè)發(fā)展的需求，模具焊接也必須向自動化、數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)型。2015 年山東凱泰焊接技術有限公司與意大利DGWELD 和美國EUREKA 聯(lián)合開發(fā)模具3D 打印機器人和適用的焊接合金，開啟了模具人工焊接轉(zhuǎn)向自動化、數(shù)字化焊接的帷幕，成為行業(yè)的先行軍和領航者。

3D 打印機器人自動化焊接模具的優(yōu)勢分析

⑴機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焊接，這樣就無需將模具型腔填滿，節(jié)省了大量的焊材和后續(xù)加工的成本和時間。一般情況下，同一塊模具機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。

⑵機器人焊接幾乎可以杜絕人工焊接出現(xiàn)的質(zhì)量問題。由于模具焊接工作環(huán)境比較差、勞動強度大，人工焊接很容易受操作工人的技術水平、工作時的個人情緒、工作環(huán)境的變化和勞累程度等因素的影響，致使在焊接時出現(xiàn)焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，而且不同的操作人員或者同一個操作人員在不同的時間段焊接的質(zhì)量差別較大。機器人焊接可以完全避免上述質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，況且機器人焊接是數(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操作3 ～4 臺模具焊接機器人，大大減少了人力資源的支出。隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)的人工成本越來越高，像焊接這種環(huán)境差、勞動強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。機器人自動化的操作代替人工操作是我國今后發(fā)展的方向。

⑷對比人工焊接，機器人焊接整個過程容易控制，易于管理。由于每個焊接工人在技術水平、身體狀況、責任心等方面的差別，在平時工作中管理人員對其焊接效率、焊接質(zhì)量等方面的考核是非常困難的，這種勞動強度大、勞動環(huán)境差的工作難免會出現(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過程是管理人員無法管控的。而機器人焊接是由設計好的焊接程序控制的，可以避免這類問題。

⑸采用同樣的焊接合金，機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)定性要遠遠好于人工焊接。

模具焊接往往需要使用多種型號的焊材，人工操作要靠工人強烈的責任心來保證焊材的選擇和焊材分布的位置，在操作過程中很難進行量化監(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，人工滿焊的模具見圖2。

圖2 人工滿焊的模具

機器人焊接完全是數(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。機器人焊接設定的焊接參數(shù)使得焊槍與模具之間的距離始終是不變的，焊接過程中電流和電壓值非常穩(wěn)定，波動范圍很小，再加上各種精密傳感器的監(jiān)測，焊接的質(zhì)量非常穩(wěn)定。人工焊接時，由于人手拿著較重的焊槍，再加上焊接時模具和熔池的溫度較高，焊接的溫度、弧光、煙塵等等對操作工有較大的影響，工人勞動強度大、環(huán)境差，焊接時焊槍行進的速度和焊槍與模具之間的距離變化較大，導致焊接電流和電壓波動較大，直接影響金屬成形，最終影響模具壽命。

圖3 機器人仿形焊的模具

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，再配備上光電保護系統(tǒng)，機器人工作時人員在工作站外面，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入空氣過濾系統(tǒng)，既保證了操作人員的身體健康，又能滿足政府環(huán)保部門的檢查和檢測。

堆焊增材制造在自由鍛模具上的應用

對于自由鍛的錘頭(圖4)、砧座和輾環(huán)設備的錐軸(圖5)等等，焊接修復是具有極大優(yōu)勢的修復方法。通過耐高溫、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。如果沒有焊接的技術手段，這些造價昂貴的工件大部分在使用一兩次后就要報廢。

圖4 錘頭

圖5 輾環(huán)設備的錐軸

堆焊增材制造在沖壓模具上的應用

汽車的覆蓋件(如轎車的車頂、車門、引擎蓋和后蓋等)大部分都是用特制薄鋼板(或者鋁板)通過沖壓成形的，這種板材有個特點就是在沖壓模具閉合的時候板材的形狀是符合圖紙要求的，但是當閉合的模具打開時，因板材具有一定的反彈性，板材的幾何形狀相對于模具閉合時(圖紙尺寸)發(fā)生了變化。這種情況下，就不得不通過改變模具的幾何尺寸來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焊接的方法來提高模具壽命的，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應的高品質(zhì)的焊材和施工工藝。目前中國的沖壓模具焊接，仍然以進口焊材和技術工藝為主。

圖7 沖壓模具的堆焊強化

結(jié)束語

綜上所述，無論是模鍛模具、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)必備的技術手段之一。