堆焊增材制造在模具制作上的应用

文／刘胜春，李华东·山东凯泰焊接技术有限公司

模具号称“工业之母”，在锻造、冲压等金属成形的工艺中，模具是实现金属成形的重要保障，也是提高生产效率、降低成本、提高金属零部件质量的关键。

热锻模具在工作时承受巨大的冲击载荷和压应力、弯曲应力，模腔直接与高温坯料接触，模具温度快速升高且机械性能同步降低，同时受到快速流动金属带来的摩擦和冲刷作用，模具很容易出现裂纹、磨损、塑性变形等情况而导致模具失效。长期以来，锻造行业内一直寻求如何快速制作模具、提高模具寿命和降低模具成本的方法，近年来模具的堆焊增材制造技术受到了越来越多的锻造、冲压企业的重视和应用。

传统的模具翻新方法是将疲劳的模具上表面用机械加工的方法切除掉，然后在新的金属面上加工出新的型腔，俗称“降面修复”或者“下落修复”。这种方法有很大的局限性，模具每降面一次模块厚度便有所减少，模块的各种机械性能也随之降低。在遇到型腔深、拔模斜度小、有深度裂纹的情况，需要切除掉很大的模具基体厚度才能使原模具型腔见到新面，不仅极易造成模具钢材的浪费，且因模具厚度减少，机械性能下降会导致寿命比原始状态有所降低。相比传统降面翻新模具，堆焊修复具有明显优势。

节约模具钢，模具基材费用降低

⑴废旧模具的再生修复利用。

对于因数次降面而导致高度不足以满足锻压设备行程的模具，锻造工厂一般将此类模具当废钢处理，造成极大的浪费，这种模具都可以通过堆焊增材制造的方法重新利用起来。

⑵一副模具能反复多次堆焊，有的可以堆焊几十次，这样就大大减少新模具钢的投入，可以减少开新模具产生的机加工和热处理费用。

⑶可用低价的模具钢(如5CrMnMo)替代中、高价的模具钢(如H13、3Cr2W8V)作基材。

堆焊的方法大部分只考虑模具基体材料的可焊性，基体材料只是选择焊接材料的参考，并不是选择焊接材料的决定性因素。对于模具焊接工艺而言，模具基体材料无论是用低价的5CrNiMo，还是用价格稍高的H13，因为模具型腔都更换成了焊接合金，所以焊接后的锻打寿命基本都是一样的。如果采用焊接的工艺，就没必要选择价格更高的H13 等模具钢，选择小型的机锻模和切边模，甚至可以选择45 号钢作基体，这样可以降低购买模具钢的成本。

大幅提高单次使用寿命

传统的模具生产工艺，同一块模具一般是同一种金属组成，有的厂家采用镶块的方式来提高模具型腔的机械性能，虽然能起到一定效果，但无法满足模具型腔内因不同部位上的受力、受热的不同，从而需要金属不同的机械性能方面的要求。

另外，无论是淬火还是渗氮、渗碳等表面处理技术，基本都是以整块模具为单位进行的，比如对模具进行淬火就是整个模块进入淬火池，所以模块进行淬火后表面各个部位的硬度差别不大，无法实现一块模具有多种硬度。然而模具在进行锻造作业时，模具不同的工作部位承受的作用力不同，受热情况也有较大的差异，表现出不同的损坏状况。

模具型腔根部和较小的R 角处，因压应力比较集中容易出现裂纹；
而模具的飞边桥部或者型腔内凸起的部位，由于受热较快，并且受到金属的冲刷和摩擦极易出现磨损或者塑性变形。这就要求模具不同的部位和受力情况，需要有针对性地选择不同的硬度和不同机械性能的金属组织。很显然传统的模具制作方法是无法达到这个要求的，而堆焊增材制造的方法可以根据模具受力、受热等情况有针对性地选择不同的硬度和机械性能的焊材，从而实现同一块模具的“不同的部位，不同的金属组织、不同的硬度和机械性能”。所以堆焊的模具单次使用寿命一般都比传统的降面翻新的模具寿命高。H13 模具钢的高温硬度见表1。

表1 H13 模具钢的高温硬度

从图1、表2 可以看出，焊材(如EUREKA750)在593℃时仍可以保持50HRC 左右的硬度，在620℃和10 小时回火后硬度也可以保持在45 ～50HRC，高温状态下保持硬度的能力要好于H13 模具钢，而5CrNiMo在此温度下回火硬度只有30HRC左右。在高温力学性能方面，焊材(如EUREKA750)比国内常用的模具钢要好很多，所以针对模具设计的焊材其热稳定性要远远好于常用的模具钢材，这样才能提高锻模的寿命。

图1 焊材的高温硬度曲线(EUREKA750)

表2 5CrNiMo 模具钢与焊材(EUREKA750)高温力学性能对比

热处理费用的节约

由于模块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，而焊接的模具无需重新淬火，只需要简单的去应力回火，这样可以降低热处理费用和难度。

机加工费用的节约

模具单次使用寿命的提高将大大减少开新模具的次数，这样可以大幅度降低因开新模具而产生的机加工费用，特别是模具外形的机加工费用。另外，因下落修复而产生的分模面和锁口等部位的机加工费用也会大幅降低。

生产效率的提高

模具寿命的提高大大减少换模次数，从而大幅度减少锻造停机时间，提高生产效率。

锻件外观质量的提高

堆焊后的模具型腔因更换成了机械性能更好的焊接合金，其在高温下仍能保持高强度、高硬度和高韧性。模具在使用中锻打第一件和最后一件时的型腔尺寸变化较小，型腔内出现拉伤、磨损、龟裂的部位大大减少，从而提高了锻件的精度和外观质量。

解决模具因局部早期损坏导致整副模具失效的问题

对于模具型腔内早期损坏的部位，比如凸台的早期磨损、型腔的裂纹、锁扣磨损或者裂纹、燕尾裂纹、模具局部掉块或者加工过切造成尺寸超差等情况都可以采用焊接的方法来挽救或者延长模具的使用寿命。

综上所述，堆焊增材制造是锻造企业不可或缺的模具制作方法，是提高模具寿命的有效途径，所以获得越来越多锻造企业的青睐。

整体堆焊技术的推广

二十多年前，中国的锻造企业因受观念和模具加工能力的影响，认为模具是不能焊接的。一方面，当时的焊接技术和焊接材料确实无法确保焊接后模具的安全性；
另外一方面，当时只有很少的企业拥有少量的数控加工设备，大部分锻造企业采用传统的先“车铣刨磨”，然后放电加工的方法，而对于焊接的模具用传统的加工方法加工则比较困难，特别是放电加工更加困难。当时有少数企业采用国产的397 或者337的电焊条进行局部的小修小补，与欧美国家的整体堆焊增材制造完全不是一个概念。

随着改革开放的深入，特别是中国汽车工业的崛起，带动了中国锻造行业的快速发展，当时模具的生产能力和制造工艺越来越无法满足锻造的需要，且矛盾日渐突出。欧美一些做模具焊接的公司，看准了中国市场的机会，开始在中国大力推广模具整体堆焊技术。

整体堆焊技术的出现及普及

整体堆焊是首先通过气刨的方法将模具型腔的疲劳层去除掉，一般去除量都要在15 毫米以上，锤锻模需要去除的更多一些，去除后模具型腔内不能有裂纹和尖角等。然后用特制的焊接合金通过焊接的金属熔炼方法填充型腔，最后再根据图纸加工出新的型腔。

一般情况下此方法的焊接量比较大，特别是大型的模具需要用上百公斤甚至几百公斤焊材，这就要求较高的焊接速度。为了追求较快的焊接速度，就要选择较大直径的焊丝或者焊条。由于当时国内焊材生产技术相比西方发达国家还有不小的差距，而且模具焊接是个小众行业，从焊材吨位上讲，总体的用量远远低于结构钢的焊接，再加上模具焊接技术难度大，售后服务繁琐，国内没有厂家研究、生产相应的焊接设备和焊接材料，所以当时使用的焊材和焊接设备基本都是从欧美进口的。而且无论是大型电焊条焊接，还是自动送丝的气保焊，当时在国外、国内都是人工焊接，没有实现自动化焊接。

即便如此，堆焊增材制造的方法不仅能提高模具单次使用寿命，还能轻松解决降面修复无法解决的问题，优势非常明显，迅速获得了锻造企业的认可，逐渐在锻造行业推广开来，成为锻造企业降低模具成本、提高生产效率的法宝。

⑴一般锻造模具的型腔形状都比较复杂，人工焊接时工人很难把握模具型腔的尺寸，特别是使用大直径的电焊条和焊丝，由于较快的熔覆速度，工人无法根据模具型腔的形状进行仿形焊接，并且人工仿形焊接最容易出现的问题是焊接缺料或者焊偏。无奈之下，为了保证不出现焊接缺料，只能先将型腔填满，然后再加工出新型腔。可以说满焊的方法是不得已为之，没有其他更好的方法。但是这种方法的缺点同样非常显著：首先是对于模具而言，只需要焊接气刨去除的部分即可，满焊的话也需要将型腔的空档填实，这部分焊接的金属在机加工时还要加工掉，不仅浪费焊材和焊接工时，还浪费很多加工的时间和刀具的消耗。

⑵人工焊接受到焊工素质、劳动强度、劳动环境等因素影响较大，而且人工焊接整个过程很难进行监督和考核，特别是对每一种焊材的分布和焊接量，除了焊接工人自己其他人是很难监督的，对于焊接过程中出现的诸如气孔、夹渣等缺陷也很难控制。焊接质量波动较大表现在模具上就是有的模具质量很好，无气孔、夹渣等缺陷，模具寿命较高，有的模具不仅气孔、夹渣较多，而且容易出现早期失效的情况。

以上情况充斥着整个人工焊接阶段，甚至导致一部分锻造企业放弃了堆焊增材制造的工艺。随着我国锻造行业的产业升级和新旧动能转换深入推进，智能制造、绿色锻造是锻造业积极践行的发展之路。相对应的人工堆焊制造模具的方法已经无法满足锻造企业发展的需求，模具焊接也必须向自动化、数字化、信息化转型。2015 年山东凯泰焊接技术有限公司与意大利DGWELD 和美国EUREKA 联合开发模具3D 打印机器人和适用的焊接合金，开启了模具人工焊接转向自动化、数字化焊接的帷幕，成为行业的先行军和领航者。

⑴机器人焊接采用三维数据做出焊接程序，可以仿照模具型腔的原始形状来焊接，这样就无需将模具型腔填满，节省了大量的焊材和后续加工的成本和时间。一般情况下，同一块模具机器人仿形焊接比人工填满焊接可以节省15%～40%的焊材使用量。所以机器人焊接在降低焊接和加工成本，提高模具焊接的质量和稳定性方面具有非常大的优势。

⑵机器人焊接几乎可以杜绝人工焊接出现的质量问题。由于模具焊接工作环境比较差、劳动强度大，人工焊接很容易受操作工人的技术水平、工作时的个人情绪、工作环境的变化和劳累程度等因素的影响，致使在焊接时出现焊接质量不稳定的问题，而且不同的操作人员或者同一个操作人员在不同的时间段焊接的质量差别较大。机器人焊接可以完全避免上述质量不稳定的问题，况且机器人焊接是数控程序的操作，可以避免焊接“缺料”等缺陷。

⑶一名操作工人可以同时操作3 ～4 台模具焊接机器人，大大减少了人力资源的支出。随着社会经济的飞速发展，现代企业的人工成本越来越高，像焊接这种环境差、劳动强度大的工种即便是高薪也很难获得年轻人的青睐，所以近几年出现了招工难的现象。机器人自动化的操作代替人工操作是我国今后发展的方向。

⑷对比人工焊接，机器人焊接整个过程容易控制，易于管理。由于每个焊接工人在技术水平、身体状况、责任心等方面的差别，在平时工作中管理人员对其焊接效率、焊接质量等方面的考核是非常困难的，这种劳动强度大、劳动环境差的工作难免会出现工人消极怠工、掩盖质量缺陷等现象，所以人工焊接模具的整个过程是管理人员无法管控的。而机器人焊接是由设计好的焊接程序控制的，可以避免这类问题。

⑸采用同样的焊接合金，机器人焊接的模具寿命一般比人工焊接的模具寿命要高，而且稳定性要远远好于人工焊接。

模具焊接往往需要使用多种型号的焊材，人工操作要靠工人强烈的责任心来保证焊材的选择和焊材分布的位置，在操作过程中很难进行量化监控，具体表现在模具寿命上，也就是每次焊接的模具寿命差别较大，人工满焊的模具见图2。

图2 人工满焊的模具

机器人焊接完全是数字化的控制，每种焊材的用量和分布的位置都非常精确，所以机器人焊接的模具(图3)寿命更稳定，而且普遍高于人工焊接的模具。机器人焊接设定的焊接参数使得焊枪与模具之间的距离始终是不变的，焊接过程中电流和电压值非常稳定，波动范围很小，再加上各种精密传感器的监测，焊接的质量非常稳定。人工焊接时，由于人手拿着较重的焊枪，再加上焊接时模具和熔池的温度较高，焊接的温度、弧光、烟尘等等对操作工有较大的影响，工人劳动强度大、环境差，焊接时焊枪行进的速度和焊枪与模具之间的距离变化较大，导致焊接电流和电压波动较大，直接影响金属成形，最终影响模具寿命。

图3 机器人仿形焊的模具

⑹极大提高了焊接效率，创造更好的工作环境。机器人焊接一般都选择封闭式的焊接工作站，操作面板放在工作站外面，再配备上光电保护系统，机器人工作时人员在工作站外面，可以确保操作人员的安全。另外，封闭式的工作站可以确保因焊接产生的废气和烟尘等全部进入空气过滤系统，既保证了操作人员的身体健康，又能满足政府环保部门的检查和检测。

对于自由锻的锤头(图4)、砧座和辗环设备的锥轴(图5)等等，焊接修复是具有极大优势的修复方法。通过耐高温、耐热磨损的特制焊材的堆焊，可以极大提高这些工件的使用寿命。如果没有焊接的技术手段，这些造价昂贵的工件大部分在使用一两次后就要报废。

图4 锤头

图5 辗环设备的锥轴

汽车的覆盖件(如轿车的车顶、车门、引擎盖和后盖等)大部分都是用特制薄钢板(或者铝板)通过冲压成形的，这种板材有个特点就是在冲压模具闭合的时候板材的形状是符合图纸要求的，但是当闭合的模具打开时，因板材具有一定的反弹性，板材的几何形状相对于模具闭合时(图纸尺寸)发生了变化。这种情况下，就不得不通过改变模具的几何尺寸来修正冲压后的板材尺寸使其最终符合图纸要求。那么堆焊增材就是改变模具尺寸最便捷、最有效的方法，如图6 所示。

图6 冲压模具的堆焊改型

另外，如图7 所示，冲压模具成形模的凸起部位和裁剪模的刃口也是需要通过焊接的方法来提高模具寿命的，所以堆焊增材制造也是冲压模具不可或缺的技术方法。但是，冲压模具一般都是铸铁或者铸钢制作的，特别是铸铁是非常难以焊接的金属，这就要求必须使用相对应的高品质的焊材和施工工艺。目前中国的冲压模具焊接，仍然以进口焊材和技术工艺为主。

图7 冲压模具的堆焊强化

综上所述，无论是模锻模具、自由锻模具还是冲压模具，堆焊增材制造是提高模具寿命、降低模具制作成本、缩短模具制作周期的有效方法，是锻造和冲压企业必备的技术手段之一。

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