本文介紹了堆焊修復(fù)工藝在鍛造企業(yè)中的成本價(jià)值及在鍛模修復(fù)中的重要作用，闡述了鍛模模具對(duì)基體材質(zhì)、工作條件、性能指標(biāo)和堆焊工藝要點(diǎn)等方面的要求。以生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用為切入點(diǎn)，針對(duì)大型曲軸類模具壽命偏低的情況，進(jìn)行失效性分析，包括輸出影響因素及控制要點(diǎn)。選擇某廠家的焊材材料對(duì)模具進(jìn)行堆焊翻新，控制使用過程。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，堆焊翻新的模具修復(fù)效果良好，壽命得到顯著提高。
前言
鍛造生產(chǎn)是機(jī)械制造工業(yè)中提供機(jī)械零件毛坯的主要加工方法之一。廣泛的應(yīng)用于冶金、礦山、汽車、拖拉機(jī)、收獲機(jī)械、石油、化工、航空、航天、兵器等工業(yè)部門，具有重要的位置。從某種意義上說，鍛件的年產(chǎn)量，模鍛件在鍛件總產(chǎn)量中所占的比例，以及鍛造設(shè)備大小和擁有量等指標(biāo)，在一定程度上反映了一個(gè)國家的工業(yè)水平。隨著機(jī)械壓力機(jī)的發(fā)展和廣泛使用，模鍛件在鍛件中占的比重日益增大，而熱鍛模又是鍛件生產(chǎn)中必不可少的重要工藝裝備，多年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，鍛件的模具費(fèi)已占產(chǎn)品成本的10%～20%，模具的使用壽命直接影響著產(chǎn)品的發(fā)展和更新、質(zhì)量和效率。但鍛模是在高溫狀態(tài)下加工金屬，型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作條件惡劣，承受反復(fù)沖擊載荷和冷熱交變的作用，使得鍛模產(chǎn)生很高的應(yīng)力，因此模具壽命較低，例如目前國內(nèi)大型曲軸模具的壽命約為0.15萬～0.25萬件，僅為國外的1/5～1/3。國內(nèi)鍛造企業(yè)技術(shù)裝備差、工藝落后等局面又給企業(yè)經(jīng)營和規(guī)模效益帶來了不小的困難，如何從模具的使用壽命、成本效益上下功夫，儼然成為國內(nèi)鍛造企業(yè)不可回避的課題。
模具的失效性分析
要想提升模具壽命，首先要清楚模具失效的形式及原因。鍛模失效形式主要是斷裂失效（圖1）、塑性變形與堆塌失效、熱疲勞失效（圖2）、熱磨損失效（圖3）。出現(xiàn)的根本原因是模具的承載應(yīng)力在整體范圍或局部位置超過材料的高溫?cái)嗔褟?qiáng)度，或模具承受的瞬時(shí)沖擊載荷超過材料的高溫韌度指標(biāo)。
主要原因是材料的高溫屈服強(qiáng)度低于模具的承載應(yīng)力水平，塑變累計(jì)所致，或材料的熱穩(wěn)定性不能適應(yīng)長時(shí)間工作的高溫條件。熱疲勞失效損傷主要是由材料的高溫屈服強(qiáng)度決定的，也與材料的高溫沖擊韌性和熱穩(wěn)定性有關(guān)。研究表明，材料越難變形、韌性越高，熱疲勞抗力越好。拉應(yīng)力是形成疲勞裂紋的驅(qū)動(dòng)力，材料的屈服強(qiáng)度是疲勞裂紋的阻力。驅(qū)動(dòng)力和阻力綜合作用最初反映在模具塑性變形上，表面會(huì)形成擠出擠入槽，同時(shí)增加了應(yīng)力、應(yīng)變集中，加速應(yīng)變損傷的形成；裂紋形成后，裂紋前沿又繼續(xù)形成應(yīng)變損傷區(qū)，周而復(fù)始，裂紋不斷向前擴(kuò)展。熱磨損失效損傷主要體現(xiàn)在刃口鈍化、棱角變圓、平面下陷、表面溝痕、剝落粘模等，提高材料的硬度、強(qiáng)度、回火穩(wěn)定性及抗氧化能力均可提高熱磨損抗力。熱作模具型腔，橋部等打擊力較大且金屬流動(dòng)較多、較快的部位，極易磨損。綜上所述，模具使用壽命偏低在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的影響因素歸結(jié)見表1。
模具堆焊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及工藝要點(diǎn)
面對(duì)諸多影響因素及熱鍛模不同程度的失效模式，如何提高模具壽命，降低模具成本，對(duì)于企業(yè)而言無疑是一件極具意義的工作。采用模具堆焊，對(duì)模具進(jìn)行利用及再利用，應(yīng)該是最有效的辦法了。模具堆焊的實(shí)質(zhì)就是用焊接的方法，將具有一定使用性能的合金材料熔覆在模具型腔表面，賦予已失效的模具新的使用性能的工藝。近年來堆焊技術(shù)修復(fù)熱鍛模具逐漸得到廣泛應(yīng)用。其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾方面。⑴節(jié)約成本費(fèi)用。利用堆焊技術(shù)修復(fù)后，減少新模塊的投入使用，可節(jié)省25%～75%的成本費(fèi)用。⑵提高模具使用壽命，降低設(shè)備停機(jī)時(shí)間。與原模具相比，經(jīng)堆焊修復(fù)的模具，使用壽命可不同程度的增加30%～300%，模具壽命明顯延長，同時(shí)大大降低因模具損壞帶來的設(shè)備停機(jī)。
⑶縮短模具制造周期，減少備用件數(shù)。通過堆焊修復(fù)，大大縮短了新制模具的采購制造周期，提高投產(chǎn)速度，同時(shí)堆焊后改制代用的方式，減少了模具的備用件數(shù)，進(jìn)一步節(jié)約成本。性能要求及工藝要點(diǎn)
性能要求
熱鍛模在工作過程中一方面受到熾熱金屬的摩擦作用，另一方面，被擠壓的材料反作用給模具比較大的壓應(yīng)力。因此，熱鍛模在高溫下應(yīng)有較高的強(qiáng)度、硬度和韌性。但實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，不同設(shè)備、不同規(guī)格的模具，失效的方式差異很大，因此性能要求也應(yīng)有所不同，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)出熱作模具的性能要求及硬度指標(biāo)見表2。
堆焊工藝要點(diǎn)
模鍛時(shí)，模膛長時(shí)間接觸高溫鍛件，溫度高達(dá)200～300℃。模膛的角部或凸起部分等較薄部分的溫度甚至高達(dá)500～600℃以上。此外，模膛的角部還要承受打擊時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力和冷卻液的爆發(fā)性燃燒，工作條件非常惡劣。因此，要求鍛模材料具有以下性質(zhì)：耐熱性和耐磨性高，有較好的沖擊韌性，易于進(jìn)行熱處理，不易走形，機(jī)械加工時(shí)的切削性能良好。我國常用的鍛模材料為5CrNiMo或B2鋼，鍛件批量小時(shí)也可以選擇其他代替材料。主要設(shè)備設(shè)施如圖4所示，焊接相關(guān)參數(shù)見表3。
由于鍛模在使用過程中，反復(fù)加熱冷卻，鍛件與模腔接觸面積大、時(shí)間長，造成鍛模出現(xiàn)龜裂和型腔下陷。因此，在堆焊前必須用風(fēng)鏟鏟除龜裂，然后將清鏟的邊緣用砂輪打磨。清理干凈油污及其他臟物。尖角部位都應(yīng)該磨成圓角，垂直面應(yīng)氣刨成10°～15°斜面，產(chǎn)生龜裂紋處應(yīng)將裂紋全部氣刨成“U”溝槽。用清渣槍清理干凈，無法用焊槍施焊部位，用焊條焊成，電焊條易吸潮，使用前應(yīng)先烘干，烘干溫度為350～400℃，保溫1小時(shí)以上。模具鋼焊接性能較差，堆焊時(shí)容易產(chǎn)生開裂、夾渣、層間剝落等缺陷。因此，在堆焊前，首先對(duì)被堆焊的模具進(jìn)行預(yù)熱，將爐溫設(shè)置在450～500℃，待爐溫≥450℃時(shí)，模具入爐，恒溫保溫8～10小時(shí)，待模具整體溫度達(dá)到450℃以上時(shí)施焊。待模具溫度≥450℃時(shí)，模具出爐放置于適合焊接的位置，用石棉被包裹模具，只露出補(bǔ)焊位置，同時(shí)四周圍設(shè)置防風(fēng)擋板。采取分區(qū)、分層的堆焊方法，每堆焊一層，用風(fēng)鎬垂直打擊堆焊表面，消除焊縫應(yīng)力，防止脆裂傾向。待焊縫表面清理干凈后，方可進(jìn)行第二層堆焊。施焊期間應(yīng)注意接頭及弧坑等位置，并應(yīng)錯(cuò)開接頭。特別對(duì)轉(zhuǎn)彎、凹坑的地方，必須徹底清除干凈，再焊下一層。焊縫與焊縫的搭接距離不小于焊縫寬度的三分之一。首先要注意焊縫兩側(cè)停留時(shí)間要相對(duì)長些，第二電弧不可太高，在確保視線良好的前提下采取短弧焊接。如果在焊補(bǔ)過程中發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、夾雜等缺陷，應(yīng)立即停止補(bǔ)焊，用氣刨清除裂紋，重新修模補(bǔ)焊，如果模具溫度低于350℃，需停止施焊，模具重新預(yù)熱。為消除焊接應(yīng)力，使模具硬度符合使用要求，堆焊后的模具要進(jìn)行回火，回火溫度為570℃，時(shí)間按照模具厚度1mm/25.4h進(jìn)行。二次回火同一次回火，完成后隨爐緩冷至室溫出爐。焊接過程中，每焊完一層都要用風(fēng)鎬敲擊清除焊渣，仔細(xì)檢查是否有表面裂紋、表面氣孔、咬邊、焊瘤、氣孔、夾渣等缺陷，如果發(fā)現(xiàn)要及時(shí)清理干凈重新進(jìn)行焊接。焊接過程中一定要控制電流，浮動(dòng)不得超過15%，要隨時(shí)根據(jù)焊接位置調(diào)整焊槍的角度控制電弧長度。時(shí)刻關(guān)注模具溫度的變化，模具溫度小于350℃，要果斷停止作業(yè)，入電爐加熱，待溫度達(dá)到要求后，再次進(jìn)行焊接作業(yè)。
應(yīng)用實(shí)例
我廠生產(chǎn)的一種曲軸，產(chǎn)品長度609mm，鍛件重約41kg，因產(chǎn)品形狀特殊（平衡塊有急拐且窄、深），鍛模壽命較低，為了降低模塊采購費(fèi)用，對(duì)到達(dá)使用壽命的模具進(jìn)行堆焊翻新，根據(jù)模具材質(zhì)5CrNiMo的特點(diǎn)選用合適的焊材進(jìn)行堆焊翻新。首先將到達(dá)使用壽命的模具進(jìn)行清理，刨掉表面的疲勞層，將型腔打磨圓滑，入爐預(yù)熱，升溫到450℃，保溫8小時(shí)，隨后出爐用保溫棉包裹。使用米勒焊機(jī)二氧化碳、氬氣保護(hù)焊進(jìn)行焊接，焊接過程中電壓控制在36V，電流控制在550A左右。焊接完成后入爐進(jìn)行去應(yīng)力回火，第一次回火溫度為570℃，隨爐緩冷，一次回火完成后進(jìn)行二次回火，溫度、時(shí)間同一次回火，緩冷至室溫后出爐，檢測(cè)硬度為dB=3.0～3.2，進(jìn)行加工，加工完生產(chǎn)驗(yàn)證。生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格控制模具預(yù)熱溫度在180～200℃，每生產(chǎn)一件對(duì)模具型腔進(jìn)行隨型潤滑，最終生產(chǎn)1400件，與以往此套模具的平均壽命700件相比，此次堆焊翻新模具壽命提升了100%，達(dá)到了提高模具壽命、降低成本、提高生產(chǎn)效率的預(yù)期效果。
結(jié)論
通過合理的設(shè)計(jì)，有針對(duì)性的選材，強(qiáng)化模具預(yù)熱、潤滑等過程控制，嚴(yán)格遵照堆焊工藝要點(diǎn)操作，加強(qiáng)適時(shí)有效的維護(hù)維修，切實(shí)對(duì)模具壽命起到了有效的提升效果。隨著鍛造行業(yè)的發(fā)展，市場競爭必將日趨激烈，由于熱鍛模堆焊工藝簡單實(shí)用，且是實(shí)際、有效、可行的方法，所以該工藝在熱鍛模制造、維修中的應(yīng)用，將大大提升投產(chǎn)速率，降低生產(chǎn)成本，其經(jīng)濟(jì)效益的體現(xiàn)，將在市場競爭中發(fā)揮著極其重要的主導(dǎo)地位，具有極大的市場推廣價(jià)值。
