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【摘 要】模具是工业生产中极其重要的特殊基础装备之一，被广泛应用于机械、汽车、航空、军工、能源等领域，模具水平的高低标志着一个国家制造业水平的高低。寿命较短成为制约零部件快速连续生产的一个关键因素。通过对其修复再制造，使品质不低于新品，甚至优于新品，延长了模具使用寿命，实现循环利用，达到节能减排、可持续发展的目的。本文概述了热作模具堆焊修复工艺，指出了未来热作模具堆焊修复发展的趋势。
【关键词】热作模具;修复与再制造;堆焊;近净成形;焊材
热作模具在模具行业占有较大比重，主要分为热锻模、热挤压模和压铸模，寿命较短成为制约零部件快速连续生产的一个关键因素。但热作模具的失效不可避免，与制造新模具相比，再制造模具均是以旧模具为基础进行修复，显著提高材料的利用率，缩短生产周期。尤其对一些高强度特殊性能合金模具，其材料成本高、制造工序复杂、周期长、经济附加值高，通过对其修复再制造，使品质不低于新品，甚至优于新品，延长了模具使用寿命，实现循环利用，达到节能减排、可持续发展的目的。
1热作模具的修复工艺
热作模具的堆焊修复，需要根据模具的几何结构特征，失效形式、损伤程度等，选用合适的方法，遵循一定的工艺原则和步骤，才能完成模具的修复再制造，达到所需的尺寸及物理机械性能，并重新投入生产，达到延长模具寿命的目的。
1.1模具修复工序
由于热作模具一般由高强度合金制造，模腔表面硬度达到40～50HRC，可切削加工性较差，需要硬质合金刀具甚至是陶瓷刀具，且对机床刚性要求较高。电弧气刨是利用碳棒（石墨棒）与工件之间产生的高温电弧，并用压缩空气将受高温熔化的金属吹掉。
由于热输入较大，焊道表面冷却速度较快，焊层与基体会有较大的温差，而热作模具通常硬度较高，延展性较小，受热不均易产生拉压应力，从而导致焊层裂纹。因此需要将模具预热，缓和焊接层至母材的温度梯度，从而分散应力，同时徐冷焊接也可释放高温层的应力，减轻马氏体变态应力。由于开裂与模具基体及堆焊层金属的含碳量、合金元素有关系，所以预热温度一般根据所用焊材的碳当量来计算的。
每焊完一层，焊接金属尚在高温时就用锤头敲击焊层表面，通过使焊接层发生塑性变形，减少焊层的收缩量，从而减少内部应力。焊接完后加热至适当的温度进行回火，可释放内部应力，有效地防治裂纹产生。缓冷目的是达到平衡的微观晶相结构和韧性，从而在锻造过程中达到最佳效果。焊接过程中，焊接电流、电压、电弧长度、焊接速度、保护气的配比需要根据所用焊材及工艺合理选择与控制，从而保证一定的焊接形貌和足够的焊接性能。
1.2分层焊接
中大型热锻模具的基体底部与模具型腔表面的机械性能通常不一致，模腔由于要受到锻件的挤压、摩擦和冷热冲击，需要有较高的硬度和耐磨性，抵抗冷热疲劳裂纹和磨损;模具表面一些凸出、大曲率部位会首先和锻件发生接触，磨损裂纹较严重，对硬度耐磨性要求更高;而模具底部和燕尾由于要承受较大的锻压冲击载荷，则需要具有一定的刚度和韧性，防止过载时发生脆性断裂。因此在进行焊接时，应该根据焊接的部位、焊接层的深度等选择满足性能要求的焊材，采用多层焊接金属过渡的形式，降低基体和焊层之间的合金元素、金相組织的变化梯度，以及韧性和硬度等机械性能的变化梯度等。
1.3堆焊成形策略
热作模具的失效形式可以分为如下几种类型：①模具分型面磨损或塑性变形。②有局部塑性变形造成的凹坑。③工作面型腔的整体磨损导致型腔扩大，或者型腔表面裂纹。④模具局部或整体断裂。对于模具分模面有磨损变形的情况，需要通过机加工降面，保证结合面足够的平面度，使得上下模精密贴合。对于模具局部塑性变形造成的凹坑，所需的堆焊金属量较小，可以采用效率较慢但堆焊性能较好的钨极氩弧焊（TIG）进行局部堆焊填充修补，然后进行机加工或打磨清理。对于模具工作面型腔因磨损变形整体扩大，或者型腔表面有裂纹的，一般先要刨掉表面疲劳层，导致需要堆焊修复的部分较大，尤其是中大型模具，填充金属量大。目前工厂普遍采用手工电弧焊堆焊，将整个型腔填平，然后进行机加工形成型腔，工人工作量大，工作环境恶劣，且浪费了堆焊材料。
近年来，随着3D打印、增材制造成为热点，模具堆焊修复也向着增材制造、近净成形方向发展，从而实现模具的绿色高效增材再制造修复。其具体思路是：利用逆向工程三维扫描技术，将经过清理的失效待修复模具进行三维扫描，得到其三维测量数模，并与模具的设计模型进行比对，得到缺损待堆焊填充区域，再利用3D打印增材制造领域较为成熟的分层制造技术进行精确控制的累加层近净成形，留出3～5mm的加工余量，最后进行粗精机加工，得到满足尺寸和性能要求的修复再制造模具。
2热作模具堆焊修复发展趋势
随着模具产业规模的逐年增长，且向着高精度、高耐磨性和长寿命方向发展，模具的修复量越来越大，修复要求也越来越高。实践证明，模具修复尤其是热作模具的修复再制造技术具有巨大的经济效益和广阔的应用前景。自堆焊技术应用到模具修复行业以来，各方面都取得许多研究成果。随着各国研究者对模具堆焊修复再制造技术研究进一步拓展，将在以下几个方面取得进展：
（1）热作模具长期受到热力耦合交变载荷的作用，模具内部易产生疲劳裂纹、磨损、塑性变形等现象，模具表面硬度降低，导致模具失效。然而裂纹长度、深度、分布状况以及模具塑性变形量等状态难以直接检测。通过对热锻模具寿命的建模，基于数值模拟技术，研究失效机理，确定模具失效的分布区域，对失效层进行精确评价及机械去除;同时，分析修复再制造模具的精度及机械性能指标，建立模具服役性能的评价体系，结合热作模具的失效机理分析，建立其剩余寿命和可靠性评价方法，预测模具的服役寿命，为模具的适时、高效修复奠定基础。
（2）开发成本低、强度高、成形性好、系列化和专业化的模具堆焊材料，匹配各种类型模具的修复，满足模具不同部位、不同深度堆焊修复的特殊性能要求。使用无渣型的金属芯焊丝，调整和优化药芯成分，从而满足焊接快速成形对熔滴过渡、焊道形状和焊接变形的要求。
（3）将增材制造快速近净成型系统（RP）与数控加工（CNC）相融合，开发出具有高控制精度，较好的可靠性和柔性，适应多种成形材料的堆焊修复系统，发挥快速成型技术对恢复复杂零件尺寸的优势;采用多种焊接工艺、多个送丝机构，并集成多轴CNC加工单元。研究堆焊成型中二维、三维快速轨迹规划算法，以及不同成形材料的稳定成形工艺，建立焊接过程中工艺参数、熔池形状、焊缝质量的在线监控和反馈控制，快速实现模具多层过渡梯度功能材料的净近成形堆焊修复;每层焊接完成后，可通过CNC粗加工表面，既清理掉焊渣，又保证了堆焊表面的平整度，有利于增材堆焊的高精度成型，堆焊完成可以进行精加工。
3结语
热作模具的堆焊修复再制造技术具有诸多优点，对我国模具发展具有重要的战略意义。受先进制造技术理念的影响，堆焊技术与智能控制技术及精密切削技术相结合形成的近净成形技术引起了制造业的广泛关注，模具的修复再制造未来必然将与CAD/CAE/CAM、数控、机器人以及增材制造等新兴技术相结合，形成多学科交叉的新技术。
参考文献：
[1] 宋岩，丁旭辉，杨孝享，等.锻模堆焊修复工艺的研究及应用[J].锻造与冲压，2019，000（013）：71-74.
[2] 孙国.堆焊修复锻模新工艺[J].锻压装备与制造技术，2016（01）：85.
（作者单位：保定市保胜车架有限公司）
【关键词】热作模具;修复与再制造;堆焊;近净成形;焊材
热作模具在模具行业占有较大比重，主要分为热锻模、热挤压模和压铸模，寿命较短成为制约零部件快速连续生产的一个关键因素。但热作模具的失效不可避免，与制造新模具相比，再制造模具均是以旧模具为基础进行修复，显著提高材料的利用率，缩短生产周期。尤其对一些高强度特殊性能合金模具，其材料成本高、制造工序复杂、周期长、经济附加值高，通过对其修复再制造，使品质不低于新品，甚至优于新品，延长了模具使用寿命，实现循环利用，达到节能减排、可持续发展的目的。
1热作模具的修复工艺
热作模具的堆焊修复，需要根据模具的几何结构特征，失效形式、损伤程度等，选用合适的方法，遵循一定的工艺原则和步骤，才能完成模具的修复再制造，达到所需的尺寸及物理机械性能，并重新投入生产，达到延长模具寿命的目的。
1.1模具修复工序
由于热作模具一般由高强度合金制造，模腔表面硬度达到40～50HRC，可切削加工性较差，需要硬质合金刀具甚至是陶瓷刀具，且对机床刚性要求较高。电弧气刨是利用碳棒（石墨棒）与工件之间产生的高温电弧，并用压缩空气将受高温熔化的金属吹掉。
由于热输入较大，焊道表面冷却速度较快，焊层与基体会有较大的温差，而热作模具通常硬度较高，延展性较小，受热不均易产生拉压应力，从而导致焊层裂纹。因此需要将模具预热，缓和焊接层至母材的温度梯度，从而分散应力，同时徐冷焊接也可释放高温层的应力，减轻马氏体变态应力。由于开裂与模具基体及堆焊层金属的含碳量、合金元素有关系，所以预热温度一般根据所用焊材的碳当量来计算的。
每焊完一层，焊接金属尚在高温时就用锤头敲击焊层表面，通过使焊接层发生塑性变形，减少焊层的收缩量，从而减少内部应力。焊接完后加热至适当的温度进行回火，可释放内部应力，有效地防治裂纹产生。缓冷目的是达到平衡的微观晶相结构和韧性，从而在锻造过程中达到最佳效果。焊接过程中，焊接电流、电压、电弧长度、焊接速度、保护气的配比需要根据所用焊材及工艺合理选择与控制，从而保证一定的焊接形貌和足够的焊接性能。
1.2分层焊接
中大型热锻模具的基体底部与模具型腔表面的机械性能通常不一致，模腔由于要受到锻件的挤压、摩擦和冷热冲击，需要有较高的硬度和耐磨性，抵抗冷热疲劳裂纹和磨损;模具表面一些凸出、大曲率部位会首先和锻件发生接触，磨损裂纹较严重，对硬度耐磨性要求更高;而模具底部和燕尾由于要承受较大的锻压冲击载荷，则需要具有一定的刚度和韧性，防止过载时发生脆性断裂。因此在进行焊接时，应该根据焊接的部位、焊接层的深度等选择满足性能要求的焊材，采用多层焊接金属过渡的形式，降低基体和焊层之间的合金元素、金相組织的变化梯度，以及韧性和硬度等机械性能的变化梯度等。
1.3堆焊成形策略
热作模具的失效形式可以分为如下几种类型：①模具分型面磨损或塑性变形。②有局部塑性变形造成的凹坑。③工作面型腔的整体磨损导致型腔扩大，或者型腔表面裂纹。④模具局部或整体断裂。对于模具分模面有磨损变形的情况，需要通过机加工降面，保证结合面足够的平面度，使得上下模精密贴合。对于模具局部塑性变形造成的凹坑，所需的堆焊金属量较小，可以采用效率较慢但堆焊性能较好的钨极氩弧焊（TIG）进行局部堆焊填充修补，然后进行机加工或打磨清理。对于模具工作面型腔因磨损变形整体扩大，或者型腔表面有裂纹的，一般先要刨掉表面疲劳层，导致需要堆焊修复的部分较大，尤其是中大型模具，填充金属量大。目前工厂普遍采用手工电弧焊堆焊，将整个型腔填平，然后进行机加工形成型腔，工人工作量大，工作环境恶劣，且浪费了堆焊材料。
近年来，随着3D打印、增材制造成为热点，模具堆焊修复也向着增材制造、近净成形方向发展，从而实现模具的绿色高效增材再制造修复。其具体思路是：利用逆向工程三维扫描技术，将经过清理的失效待修复模具进行三维扫描，得到其三维测量数模，并与模具的设计模型进行比对，得到缺损待堆焊填充区域，再利用3D打印增材制造领域较为成熟的分层制造技术进行精确控制的累加层近净成形，留出3～5mm的加工余量，最后进行粗精机加工，得到满足尺寸和性能要求的修复再制造模具。
2热作模具堆焊修复发展趋势
随着模具产业规模的逐年增长，且向着高精度、高耐磨性和长寿命方向发展，模具的修复量越来越大，修复要求也越来越高。实践证明，模具修复尤其是热作模具的修复再制造技术具有巨大的经济效益和广阔的应用前景。自堆焊技术应用到模具修复行业以来，各方面都取得许多研究成果。随着各国研究者对模具堆焊修复再制造技术研究进一步拓展，将在以下几个方面取得进展：
（1）热作模具长期受到热力耦合交变载荷的作用，模具内部易产生疲劳裂纹、磨损、塑性变形等现象，模具表面硬度降低，导致模具失效。然而裂纹长度、深度、分布状况以及模具塑性变形量等状态难以直接检测。通过对热锻模具寿命的建模，基于数值模拟技术，研究失效机理，确定模具失效的分布区域，对失效层进行精确评价及机械去除;同时，分析修复再制造模具的精度及机械性能指标，建立模具服役性能的评价体系，结合热作模具的失效机理分析，建立其剩余寿命和可靠性评价方法，预测模具的服役寿命，为模具的适时、高效修复奠定基础。
（2）开发成本低、强度高、成形性好、系列化和专业化的模具堆焊材料，匹配各种类型模具的修复，满足模具不同部位、不同深度堆焊修复的特殊性能要求。使用无渣型的金属芯焊丝，调整和优化药芯成分，从而满足焊接快速成形对熔滴过渡、焊道形状和焊接变形的要求。
（3）将增材制造快速近净成型系统（RP）与数控加工（CNC）相融合，开发出具有高控制精度，较好的可靠性和柔性，适应多种成形材料的堆焊修复系统，发挥快速成型技术对恢复复杂零件尺寸的优势;采用多种焊接工艺、多个送丝机构，并集成多轴CNC加工单元。研究堆焊成型中二维、三维快速轨迹规划算法，以及不同成形材料的稳定成形工艺，建立焊接过程中工艺参数、熔池形状、焊缝质量的在线监控和反馈控制，快速实现模具多层过渡梯度功能材料的净近成形堆焊修复;每层焊接完成后，可通过CNC粗加工表面，既清理掉焊渣，又保证了堆焊表面的平整度，有利于增材堆焊的高精度成型，堆焊完成可以进行精加工。
3结语
热作模具的堆焊修复再制造技术具有诸多优点，对我国模具发展具有重要的战略意义。受先进制造技术理念的影响，堆焊技术与智能控制技术及精密切削技术相结合形成的近净成形技术引起了制造业的广泛关注，模具的修复再制造未来必然将与CAD/CAE/CAM、数控、机器人以及增材制造等新兴技术相结合，形成多学科交叉的新技术。
参考文献：
[1] 宋岩，丁旭辉，杨孝享，等.锻模堆焊修复工艺的研究及应用[J].锻造与冲压，2019，000（013）：71-74.
[2] 孙国.堆焊修复锻模新工艺[J].锻压装备与制造技术，2016（01）：85.
（作者单位：保定市保胜车架有限公司）