劉德建 孫朝遠(yuǎn) 李蓬川 鄭 華 謝 靜

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)

隨著鍛件材質(zhì)變形抗力的增長，如廣泛用于制造航空航天工業(yè)起落架、火箭發(fā)動機(jī)外殼的Aermet100鋼的合金化程度已超過28%，且強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到2000 MPa級[1]，同時尺寸和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性也隨之增加，如中國二重萬航模鍛公司為波音787生產(chǎn)的主起落架外筒鍛件重量已達(dá)近5 t重，對模具的要求也在不斷提高，模具總量需求提高，種類樣式更多，且為了降低成本提高適用性，模具的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，出現(xiàn)了組合模和鑲芯模等結(jié)構(gòu)，同時隨著材質(zhì)變形抗力的增加，模具的工作溫度也逐漸由原來的200℃逐漸提高到現(xiàn)在的420℃，且部分用于高溫合金生產(chǎn)的模具預(yù)熱和工作溫度已經(jīng)達(dá)到600℃。

現(xiàn)公司在800 MN模鍛壓機(jī)上制造的模具單塊重量已經(jīng)接近100 t，因此模具的制造難度也急劇提升。同時鍛件成形過程對于模具表面的耐磨性和紅硬性的需求也急劇增加，模具型腔硬度一般要求在400～460HBW以上。區(qū)別于錘上模鍛，壓機(jī)用模具在整個變形過程中長時間接觸鍛件坯料，受熱更嚴(yán)重，模具沖頭等在變形過程中剪切力較為嚴(yán)重的位置，在鍛造結(jié)束后溫度可達(dá)到750℃以上，遠(yuǎn)超出了5CrNiMo在該溫度下的屈服強(qiáng)度。因此壓機(jī)鍛造過程中，經(jīng)常出現(xiàn)因模具表面強(qiáng)度及其紅硬性無法滿足要求造成模具尺寸變形、堆塌和光潔度下降，進(jìn)而導(dǎo)致鍛件空燒等生產(chǎn)中斷、粘模和尺寸超差等質(zhì)量問題。

模具局部失效后，常用的方式是將失效位置采用氣刨或機(jī)加工的方式將失效位置去除，之后采用人工焊接的方式進(jìn)行堆焊。使用過程中的模具局部補(bǔ)焊一般采用焊條方式進(jìn)行，模具使用后的局部改型或補(bǔ)焊則采用自動送絲的方式焊接。由于采用人工方式焊接，焊接質(zhì)量往往難以保障，具體表現(xiàn)為：焊接速度、焊縫缺陷、藥渣清理、殘余應(yīng)力消除等均不穩(wěn)定可控，進(jìn)而可能會因焊接質(zhì)量不可控帶來焊縫的偏析和夾雜、氣孔、裂紋等問題，如某型號飛機(jī)起落架因設(shè)計更改，其模具在精加工制造后需通過焊接方式進(jìn)行改型，該套模具在生產(chǎn)前的溜模過程即發(fā)生開裂，經(jīng)分析主要原因是因為人工焊接過程對焊接速度的把控、焊縫晶粒的細(xì)化、焊后殘余應(yīng)力的消除的不可控帶來了焊接缺陷如裂紋和氣孔，并成為裂紋源，在后期的調(diào)質(zhì)過程中加速了模具裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致了整套模具的非正常失效。此外由于焊接后的檢驗不徹底等因素，往往造成因補(bǔ)焊量不夠?qū)е碌暮罄m(xù)模具加工黑皮或二次補(bǔ)焊，進(jìn)而帶來較大的周期延期和制造成本上升等問題。此外由于模具焊接前需預(yù)熱至350℃附近，采用人工焊接的工作環(huán)境惡劣，工人需要在高溫、高噪音、高氣體燃燒的環(huán)境下長時間工作，對工人的身心健康均帶來不良影響。由于人工焊接的不可控因素較多，因此后期模具若失效，往往無法對焊接過程進(jìn)行故障再現(xiàn)，增加了失效分析的難度。

增材制造(Additive Manufacturing, AM)技術(shù)是基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動，采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的快速成形技術(shù)[2-3]，該制造技術(shù)因采用了預(yù)掃描、模型生成、程序控制，可實(shí)現(xiàn)高效率焊接，低成本制造，并可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的軌跡成形任何復(fù)雜的曲面空間。它的出現(xiàn)和發(fā)展為模具修復(fù)提供了新思路。本文提出基于弧焊機(jī)器人結(jié)合增材制造技術(shù)的模具修復(fù)思路，分析需要修復(fù)模具的具體特性，并利用3D掃描設(shè)備如Scan-master對模具的型腔進(jìn)行掃描，生成igs格式文件后，利用catia軟件的逆向工程實(shí)現(xiàn)實(shí)物→3D數(shù)模的轉(zhuǎn)換，并通過與改型制造模具的3D數(shù)模進(jìn)行比對和布爾運(yùn)算，提取出待修復(fù)區(qū)域差值的三維模型，然后根據(jù)焊接原理，利用增材制造軟件對待修復(fù)區(qū)域的三維模型進(jìn)行切片，并規(guī)劃焊接的輪廓線，對其進(jìn)行計算機(jī)程序編制，導(dǎo)入機(jī)器人執(zhí)行焊接程序，實(shí)現(xiàn)對模具的增材制造。

由于服役條件的惡劣性和模具時效的方式，在大型模鍛壓機(jī)用鍛模的橋部、沖頭等位置容易出現(xiàn)磨損、堆塌等失效方式，因此根據(jù)模具應(yīng)力分析結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用過程中的模具變形形式，在模具易失效位置采用鎳基或鈷基焊材予以強(qiáng)化。由于增材制造所選取的材料往往較模具母材的合金化程度和硬度更高，若直接將增材材料和母材焊接的話，會出現(xiàn)焊接不穩(wěn)定、焊接材料脫落等現(xiàn)象，因此為避免此問題，在模具母材和對焊層之間選擇合適的過渡層予以過渡，其中過渡層的強(qiáng)度、合金化程度均處于母材和焊材之間。采用電弧熔絲自動增材制造的方式將硬質(zhì)合金的過渡層和高溫合金的強(qiáng)化層堆焊到需要強(qiáng)化或修復(fù)的位置，可實(shí)現(xiàn)整個修復(fù)過程的自動化和智能化，實(shí)現(xiàn)加工余量小于3 mm的增材制造，進(jìn)而降低焊材的浪費(fèi)，節(jié)約成本的同時，縮短焊接時間，提高生產(chǎn)效率。

1 模具結(jié)構(gòu)分析

本文研究的超大型模具用于800 MN模鍛液壓機(jī)設(shè)備的示范運(yùn)用典型件，該件為某發(fā)動機(jī)高壓渦輪盤，材質(zhì)為GH4169、鍛件直徑1000 mm，生產(chǎn)時模具溫度達(dá)700℃以上，模具承受高溫、高壓，工況條件惡劣，如圖1所示。為了更好確定工藝參數(shù)，需要深入分析該超大型鍛模在服役過程中的溫度場、應(yīng)力場、應(yīng)變場的分布特征，并結(jié)合失效分析，建立超大鍛模梯度功能分層結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則。圖2為該超大型模具服役過程中的有限元模擬結(jié)果。通過有限元模擬分析，測量得到了模具各處的應(yīng)力深度，其中拉應(yīng)力深度值測量范圍為250～1380 MPa，最大值為14.69 mm，壓應(yīng)力值測量范圍為-500～-2080 MPa，最大值為57.99 mm。根據(jù)鍛模各部位的受力情況，確定各梯度增材制造厚度尺寸，并根據(jù)各增材制造梯度材料的尺寸，設(shè)計了各梯度材料增材制造結(jié)構(gòu)形式。

圖1 鍛件及模具增材制造模型圖Figure 1 Forgings and die addition manufacturing model

圖2 模具服役過程的有限元模擬結(jié)果Figure 2 Finite element simulation resultsin die service process

2 模具增材制造修復(fù)工藝試驗

高溫合金鍛件對模具的變形抗力及紅硬性有較高要求，因此根據(jù)模具使用過程中的實(shí)際工況條件，表面強(qiáng)化層增材材料要求在高溫下仍具有較高的強(qiáng)度及硬度，故強(qiáng)化層采用鈷基堆焊材料。該材料以鈷為基體并加入Cr、W、C等元素構(gòu)成，其中Cr含量一般大于25%，所以在高溫氧化條件下，能形成薄而緊密粘附的起防護(hù)作用的保護(hù)膜，同時鎢具有硬度高、熔點(diǎn)高、耐蝕性高等特點(diǎn)，此外鈷元素是生產(chǎn)耐熱合金、硬質(zhì)合金和防腐合金的重要材料，因此鈷基焊條具有優(yōu)良的綜合耐熱性、耐蝕性和抗氧化性能，在600℃以上的溫度下仍能保持較高的硬度，同時具有優(yōu)良的抗磨料磨損性能。采用的焊絲牌號為HS111鈷基堆焊焊絲，屬于Co-Cr-W堆焊合金中C及W含量最低、韌性最好的一種。能承受冷熱條件下的沖擊，產(chǎn)生裂紋的傾向小，具有良好的耐蝕、耐熱和耐磨性能。主要用于要求在高溫工作時能保持良好的耐磨性及耐蝕性，如高溫、高壓閥門、熱剪切刀刃、熱鍛模等，該焊絲硬度及化學(xué)成分見表1。

表1 HS111型鈷基焊絲硬度及化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Hardness and chemical composition ofHS111 Co-based wire(mass fraction,%)

表2 過渡層焊絲金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical composition of welding wirein transition layer(mass fraction, %)

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding process parameter

圖3 焊接設(shè)備及過程Figure 3 Welding equipment and processes

過渡層一般是為了實(shí)現(xiàn)基體與強(qiáng)化層材料的性能或成分的梯度變化，同時改善基體與硬面層的結(jié)合性能，故根據(jù)基體及硬面層材料的化學(xué)成分制定過渡層焊絲成分。過渡層焊絲金屬化學(xué)成分見表2。

整個模具改性焊接工藝流程為：缺陷清除→3D掃描→計算焊接軌跡→模具預(yù)熱→焊材烘烤→焊接→敲擊消應(yīng)力→模具去應(yīng)力退火→機(jī)加工修復(fù)。具體如下：

首先將模具嚴(yán)重堆塌變形或出現(xiàn)裂紋的位置采用氣刨和機(jī)加的方式予以去除。之后采用3D掃描儀對模具進(jìn)行掃描，生成igs格式點(diǎn)云文件，然后導(dǎo)入到計算機(jī)CATIA軟件中逆向生成實(shí)體，并和模具設(shè)計數(shù)模比對，對需要進(jìn)行增材制造的位置進(jìn)行切片和輪廓計算，然后利用增材制造的專用軟件計算出焊接程序。再將待修模具放到模具預(yù)熱臺車爐中進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度一般采用400℃，預(yù)熱時間大于12 h。預(yù)熱時間滿足后將模具吊出模具臺車預(yù)熱爐，進(jìn)行模具時效位置的增材制造修復(fù)，同時為降低焊接過程中模具溫度的損耗，提升焊接過程的可控性，采用10 mm厚的硅酸鋁保溫棉對模具進(jìn)行包裹。為避免焊絲自身的水分在焊接過程中分解出來的O和H在焊縫中無法完全逸出而形成氣孔和氫脆等缺陷，焊接前對焊絲進(jìn)行烘烤預(yù)熱，預(yù)熱時間為3 h，預(yù)熱溫度為300℃。

過渡層焊絲在模具修復(fù)過程中屬于打底層，根據(jù)過渡層焊絲的特點(diǎn)，選用電弧焊的方式焊接。本文中修復(fù)的模具采用氬氣和二氧化碳的混合氣體對整個焊接過程進(jìn)行保護(hù)，其中氬氣和二氧化碳的比例為4∶1。采用這種混合氣體保護(hù)的熔化極電弧焊接的焊絲本身不但作為焊縫的填充金屬，而且焊接過程還可以充當(dāng)導(dǎo)電的電極；同時采用這種方式的焊接具有焊接過程中焊接飛濺小、焊縫成形美觀、熔敷效率高等優(yōu)勢[4]。

由于強(qiáng)化層鈷基焊絲的合金化程度較高，焊接過程采用某公司的機(jī)器人非脈沖直流的焊接方式，同時增加電弧的來回擺動。由于鈷基焊絲流動性差，熔深淺，而脫渣性好，飛濺小，選擇這種方式可以最大程度地避免未熔合等缺陷的產(chǎn)生。過渡層焊絲的焊接參數(shù)為：焊接電流115 A，焊接電壓15 V，焊接速度40 cmmin。強(qiáng)化層焊絲的焊接參數(shù)為：焊接電流210 A，焊接電壓25 V，焊接速度32 cmmin。實(shí)驗設(shè)備及過程如圖3所示。制定的焊接工藝參數(shù)如表3所示。

根據(jù)焊接工藝中焊縫組織和性能控制的原理，振動結(jié)晶和錘擊處理可以破壞正在成長的晶粒，增加非自發(fā)形核的質(zhì)點(diǎn)，從而獲得細(xì)小的結(jié)晶組織，同時錘擊在細(xì)化本層晶粒的同時，還可以使后層焊縫在結(jié)晶時發(fā)生細(xì)化，另外錘擊還可以將焊接過程中焊縫表面的殘余應(yīng)力由表面拉應(yīng)力通過塑性變形優(yōu)化為表面壓應(yīng)力，進(jìn)而降低焊縫表面的微裂紋的形成傾向并提高疲勞性能[4]。因此為了使模具逐層梯度強(qiáng)化中的焊接熔池產(chǎn)生的殘余應(yīng)力得到釋放，同時去除焊渣，細(xì)化晶粒，改善焊縫成形質(zhì)量，采用壓縮空氣驅(qū)動的風(fēng)鎬對焊縫進(jìn)行間歇性敲擊，同時采用型號為Raynger 3i的高溫紅外測溫儀(有效測量區(qū)間為400～2000℃)對焊縫溫度進(jìn)行監(jiān)控，控制敲擊溫度≥600℃，保證敲擊效果。此外，采用型號為Raynger ST60+的低溫模具紅外測溫槍(測量溫度-30～600℃)對模具溫度進(jìn)行監(jiān)控，焊接過程中全程采用硅酸鋁保溫棉包裹模具進(jìn)行保溫，當(dāng)模具溫度≤200℃后，停止焊接，將模具吊入臺車預(yù)熱爐中進(jìn)行再預(yù)熱，之后重復(fù)上述焊接過程。并在所有焊接過程結(jié)束后，將模具整體吊入臺車爐進(jìn)行大于24 h的消應(yīng)處理，消應(yīng)溫度為500℃。

圖4 堆焊完成后的模具及三維測量示意圖Figure 4 Schematic diagram of die and3D measurement after surfacing

圖5 實(shí)際堆焊模具與目標(biāo)模型的誤差對比Figure 5 Error comparison between actual surfacing dieand target model

3 工藝方案驗證

3.1 堆焊完成后模具尺寸及硬度檢驗

模具消應(yīng)處理后，采用型號為Metras CAN750 +HandypROBE Next Elite的3D掃描儀對型腔進(jìn)行掃描，并用專業(yè)的軟件與設(shè)計模型進(jìn)行比對，如圖4所示。圖5為對比統(tǒng)計的結(jié)果，可以看出其形狀尺寸大致相同，85%以上的區(qū)域誤差在4 mm范圍內(nèi)，且整體以正誤差為主，尺寸滿足技術(shù)指標(biāo)要求。將電弧增材制造修復(fù)后的模具在進(jìn)行回火處理后轉(zhuǎn)至數(shù)控車床按照模具精加工尺寸去除多余的焊材。機(jī)加完成后使用手持式硬度計在模具表面沿直徑方向選取10個點(diǎn)對焊接面進(jìn)行硬度檢測，其硬度值在400～470HBW范圍內(nèi)，平均值為435HBW，滿足大于400HBW的要求。

3.2 模具應(yīng)用效果驗證

為驗證增材修復(fù)后模具的使用效果和模具使用后的變形情況，進(jìn)行5批次的驗證考核，每批次生產(chǎn)<10件，累計生產(chǎn)46件。

生產(chǎn)前模具在模具臺車預(yù)熱爐內(nèi)預(yù)熱24 h以上，臺車爐加熱溫度600℃，精度±25℃，同時生產(chǎn)前采用1000℃的假料對模具型腔再次預(yù)熱10～20 min，確保模具型腔溫度為500～600℃。鍛件材質(zhì)為GH4169，加熱溫度>1000℃，產(chǎn)品欠壓量設(shè)置為6 mm，載荷設(shè)置為<300 MN，鍛件始鍛溫度為910～930℃，終鍛溫度為860～870℃，模具型腔工作溫度500～700℃。

模具經(jīng)5批次共46件產(chǎn)品的考核驗證，表明采用該方法修復(fù)的模具可實(shí)現(xiàn)至少連續(xù)生產(chǎn)50件再進(jìn)行打磨修復(fù)的頻次，而傳統(tǒng)方法制造的模具每批次生產(chǎn)10件后需打磨修復(fù)一次，其維修頻次明顯降低，生產(chǎn)效率明顯提高，制造成本也明顯降低了。同時對5批次共46件鍛件生產(chǎn)后的模具型腔尺寸進(jìn)行三維掃描和表面外觀的檢驗，未發(fā)現(xiàn)模具尺寸變形和表面堆塌、開裂、刮傷等模具表面缺陷。另外對模具的硬度進(jìn)行了檢測，模具型腔表面的硬度在390～450HBW區(qū)間之內(nèi)，與模具使用前硬度值在400～460HBW范圍內(nèi)基本相當(dāng)，達(dá)到研究考核指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

為了解決超大型鍛模在鍛造服役過程中出現(xiàn)變形、堆塌、光潔度下降、維修頻次高、生產(chǎn)效率低下等問題，本文提出采用有限元軟件分析模具應(yīng)力分布，進(jìn)而對鍛模設(shè)計具有梯度結(jié)構(gòu)的鍛模修復(fù)層，以增加模具壽命。采用弧焊和機(jī)器人相結(jié)合的方法修復(fù)模具，以提高模具修復(fù)效率以及智能化和自動化水平。采用上述方法修復(fù)的模具可以很好地滿足模具服役的力學(xué)性能要求，同時修復(fù)的模具壽命要明顯高于原材料生產(chǎn)的模具。這表明該方法不僅可以有效解決模具缺陷問題，而且還能提升模具壽命。