汽车前轴辊锻模的表面堆焊再制造技术

刘元伟，沈 辉，张 露，李建波

（山东恒泰车桥有限公司，山东 新泰271200）

汽车前轴辊锻模的表面堆焊再制造技术

刘元伟，沈 辉，张 露，李建波

（山东恒泰车桥有限公司，山东 新泰271200）

介绍了汽车前轴辊锻模具的堆焊再制造工艺，包括焊前模具处理和模具预热，堆焊合金层，焊后退火热处理等。堆焊修复后的模具大幅度提高了辊锻模具寿命。

辊锻；模具；表面堆焊；汽车前轴；模具修复；模具寿命

前轴是汽车上的重要保安件，是汽车上最大最重的锻件。其生产工艺流程是：下料→中频加热→第一道、第二道、第三道（三道次）辊锻制坯→弯曲→模锻→切边→热校正，其中辊锻制坯是此流程的关键工艺。辊锻制坯是一种生产效率高、质量好、节约原材料的先进生产工艺。

辊锻工作原理如图1所示。它利用一对装有扇形辊锻模的辊子（锻辊），两辊轴线相互平行，辊子的转动方向相反，在旋转中由扇形辊锻模咬入坯料并对其产生压力从而使金属产生塑性变形。坯料在充填模膛时，其金属变形特征是高度方向受到压缩，截面积减少，少部分金属展宽，大部分金属沿长度方向流动，从而得到各种变截面锻件或预成形件，某型号前轴第二道辊锻模示意图如图2所示。

辊锻模材料一般为5CrMnMo或5CrNiMo。辊锻模在辊锻生产5万件后，往往发生严重局部磨损、产生局部裂纹和型腔变大，增加材料消耗和生产成本，继续使用就会发生裂纹扩大以致断裂而导致模具报废，所以在辊锻模生产一定数量后型腔发生变形，就要进行修复。

图1 辊锻工作原理

图2 某型号前轴第二道辊锻模示意图

前轴辊锻模第二、三道模具上下模对称，外径一般为覬985mm；第一道的上下模不对称，上模外径一般为覬1046～覬1052，下模外径一般为覬906～覬920。一般第二道最重，约570kg左右，第三道最轻，约240kg左右。辊锻模型腔体积大致有6000～15000cm3，每件辊锻模的成本约12万元。开发新产品时，也可用堆焊的方法再制造修复利用旧模具改型,就是在辊锻模型腔内用模具焊条进行模具型腔堆焊，堆焊后用数控加工中心重新加工出所需要的辊锻型腔轮廓。

采用模具堆焊修复技术修复和改型辊锻模具，辊锻模型腔表面硬度比原模具高，达到“表硬里韧”的效果，型腔不易压塌，提高辊锻模具使用寿命。特别在新产品开发时，减少了新辊锻模具投入的费用，缩短开发时间；为争取市场赢取了宝贵时间，经济效益极大。

本文主要介绍辊锻模在长期使用后型腔或变形失效或磨损失效后进行老模具改型再制造时，对辊锻模型腔的堆焊方法。

1 堆焊前准备工作

为了保证堆焊强度和提高辊锻模具的使用寿命，堆焊前应先将辊锻模具型腔的整体扩大，而不能在模具原有的型腔上直接堆焊，我公司扩大辊锻模型腔常用的方法是用碳弧气刨将模具型腔扩大，扩大后的辊锻模具型腔断面如图3所示。

图3 扩大后的辊锻模具型腔断面示意图

气刨后的第一道辊锻模下模型腔如图4所示。用直径覬10碳棒气刨，气刨刨痕长度等于辊锻模宽265mm，气刨刨痕约深3mm～5mm，宽和碳棒的直径相当，约10mm，气刨刨痕垂直于模具型腔长度方向。

图4 碳弧气刨后的第一道辊锻模下模型腔

如果没有碳弧气刨，也可采用其他工艺方法扩大辊锻模型腔。如在数控机床上用合金铣刀沿型腔底面向内（深度方向）铣削加工，或沿型腔侧壁向外（水平方向）铣削加工。按照我公司的生产实际情况，辊锻模型腔单边扩大量以10mm～15mm为宜。也可采用较大石墨电极电火花加工型腔。

利用碳弧气刨法加工扩大型腔的加工时间短，上马快，能满足新产品开发的需要，但工人劳动强度大。在数控机床上用合金铣刀加工和采用石墨电极电火花加工相对时间较长，工人劳动强度小。

扩大后的辊锻模型腔表面应使用渗透剂和显像剂进行着色探伤，探测辊锻模型腔底层和侧壁气刨加工后其内部是否还存在裂纹，若存在裂纹时则应继续气刨扩大，直至彻底清除。

我公司在不少情况下还将旧的辊锻模改造成新产品的辊锻模。一般对辊锻模第一道上模采用仿形焊接的方法，就是在旧模具加工型腔轮廓的情况下，为减少焊材的焊接浪费，针对模具型腔缺肉及加工余量不足的位置采取的堆焊方法，如图5所示。

图5 堆焊后的第一道辊锻模上模

第一道辊锻模下模和第二、三道辊锻模的型腔采用满焊的方法，如图6、7所示。我公司堆焊完成的第一道辊锻模下模（图6），不仅型腔内腔缩小，而且辊锻模型腔的外圆弧表面也由焊接形成的焊疤填敷。我公司焊接完成的第二道辊锻模上模（图7），辊锻模型腔完全没有了，辊锻模的外圆弧表面全部由焊接形成的焊材满焊填充。

图6 堆焊后的第一道辊锻模下模

图7 型腔满焊的第二道辊锻模

2 堆焊焊丝选用和焊前模具预热

2.1 堆焊焊丝的选用

我公司常用的模具堆焊焊丝型号为735CW、455CW、750CW,规格覬2.4。选用焊丝焊接，比选用焊条焊接速度快，生产效率高，焊接质量好，不易产生裂纹、夹杂、气孔等焊接缺陷。

堆焊对焊丝的要求主要有：①具有良好的焊接性能，堆焊金属与基体金属能均匀熔合，有足够的剪切强度、硬度、耐磨性、冲击韧性。②堆焊部位能够进行机械加工，不易产生气孔、裂纹、夹渣等缺陷。③电弧容易引燃，焊接过程中燃烧平稳。药皮均匀熔化，无成块脱落现象。焊接过程中，没有过大、过多的飞溅。焊缝成型正常，熔渣容易清除。

2.2 堆焊工艺

所用设备及工具：台车炉、风铲、电磨、清渣工具、气体保护焊机等。

（1）焊前准备。使用包装完好的焊丝，如焊丝受潮，使用前要烘干，避免焊接时产生气孔，对降低焊条的含氢量也有好处。烘干温度为50～100℃，时间1～2h。

（2）焊前模具的预热。热作模具钢的碳当量高，焊接性差，容易产生冷裂纹，故堆焊时必须对模具整体预热。预热要均匀，尤其对于大型模具特别重要。我公司设计了专门的预热炉，将要堆焊的辊锻模整体放入炉中。一般随炉升温到400℃保温，保温时间可根据模具厚度以1h/30mm计，通常保温时间为4～12h。第一道辊锻模下模和第三道辊锻模上、下模由于模具较小保温时间可稍短，一般不少于4h；大模具的保温时间稍长，一般不大于12h。模具预热完出炉后放入保温箱中或用石棉板盖好，等待焊接。

3 堆焊合金层

堆焊时尽量把要堆焊的辊锻模置于平焊或易于使用旋转工装的位置，从底部开始依次堆焊第一层（打底层）、第二层（过渡层）和第三层（工作层）。三层的总厚度为10～15mm，每一层厚约3～5mm。第一层（打底层）用735CW焊丝焊接，焊层硬度为38～42HRC；较高的第二层（过渡层）用455CW焊接，焊层硬度为44～48HRC；第三层（工作层）用750CW焊丝焊接，焊层硬度48～52HRC。如果工作层的厚度较厚，需要堆焊第二道工作层、第三道工作层，仍采用750CW焊丝满焊型腔。

堆焊层次示意图如图8所示，加工后的焊层示意图如图9所示。

各层焊缝搭边成形应良好，不允许有未焊透、夹渣、气孔和裂纹等缺陷，焊缝尺寸应符合工艺要求，对于第一道辊锻模的仿形焊接，工作层至少应当有3mm的机加工余量。如果焊接余量尺寸不方便测量，也可以将加工余量适当放大。

图8 堆焊层次示意图

图9 加工后焊层示意图

堆焊合金层时应注意以下几个具体的操作工艺问题：①要注意收弧前，焊丝在原位稍停留或作圆周运动3～5s，或在前一道焊道收弧处开始后一道焊缝的起弧。这样不但避免产生收弧裂纹（火口裂纹），也保证了收弧位置焊接平缓无凹凸缺陷。收弧时还应注意控制好层间温度，避免收弧点温度过高，加剧产生弧坑裂纹的可能。②选择合理的焊接参数。通常以保证电弧燃烧过程稳定和不使模具堆焊处长时间受热为标准：覬1.6mm药芯焊丝，焊接电流强度260～360A，电弧电压26～32V；覬2.4mm药芯焊丝，焊接电流强度360～540A，电弧电压30～38V。选择的保护气体为氩气（Ar）和二氧化碳（CO2）的混合气体，Ar占80%～90%，CO2占20%～10%。CO2气体出口必须接加热器。③避免产生气孔。④避免产生夹渣。每焊完一层都要把焊渣清除干净。

在辊锻模型腔堆焊完成后，需检查辊锻模具的整体变形量是否影响辊锻模的装配质量，检查导致辊锻模具装配槽的变形度，由于焊接过程中的高温，以及焊前辊锻模具受热过程和焊后模具热处理过程中产生的热应力（主要是焊接应力），使模具装配槽发生变形，影响装配。堆焊时可把辊锻模装配槽（参见图3、6、7、8、9）也仿形堆焊3-5mm作为精加工余量，在辊锻模具加工时进行铣削加工，确保辊锻模具的装配质量。

一般旧辊锻模具也可以利用，但要严格保持辊锻模型腔底层和侧壁内无微裂纹，堆焊表面清洁。经气刨后的辊锻模具表面需用砂轮打磨掉气刨痕迹，直到整个型腔表面和侧壁呈现金属光泽。打磨时要将型腔底部尖角清除，使施焊时运条方便，清渣容易，防止产生焊接缺陷。

焊丝千万不能受潮，最好在使用前将焊丝放在50～100℃的干燥炉里面烘烤，以降低焊丝的含氢量，这样可减少甚至能避免产生气孔、裂纹等缺陷。模具堆焊前，不要过早拆开药芯焊丝的包装，已拆开包装的药芯焊丝应尽快用完，实在用不完的焊丝应用塑料袋包装好。

4 焊后退火热处理和检测硬度

辊锻模具堆焊后应立即进行退火热处理以消除焊接应力。模具随炉升温至500℃保温l6h，保温时间可根据模具的厚度以lh/25mm计算，通常保温时间为6～24h。第一道辊锻模具和第三道辊锻模具的保温时间较短，一般不小于8h；大模具的保温时间可长，一般不大于24h。保温后模具随炉冷却至100℃左右出炉，或把模具从炉中取出后用石棉布包裹缓冷。

按我公司的经验，堆焊辊锻模具后最好采用两次退火热处理的方法。采用两次退火热处理工艺时总的保温时间和一次退火热处理时间相同，两次退火热处理时，每次退火热处理的保温时间为一次退火热处理保温时间的一半，我公司选择为1 h/50mm。

辊锻模具冷却后，在进行机加工前，要对辊锻模具进行硬度检测并做好记录，硬度以电焊丝生产厂家推荐的检测硬度为宜，我公司选为44～48HRC。如硬度过高，影响机加工进度，需重新热处理，使硬度符合工艺要求。如硬度不符合要求，应对热处理工艺参数调整，重新对模具进行热处理。

5 辊锻模型腔的加工

辊锻模具堆焊好，经硬度检测合格后，即可机加工型腔。加工好辊锻模具型腔后即可投入使用。

采用堆焊工艺减少了模具加工工时，减轻了模具车间焊材费用和加工费用。根据我公司的经验，堆焊后的模具使用寿命更长，一次可生产前轴辊锻件5～7万件。由于模具能多次修复，使辊锻模的使用寿命得到大幅度提高，经济效益极大。

（鸣谢：本文在写作过程中，得到了重庆理工大学胡亚民教授的大力支持和亲切指导，在此表示衷心感谢！）

[1] 周发明，李 伟.辊锻模具堆焊修复技术[J].金属加工（热加工），2012，（16）.

[2]胡亚民，华 林.锻造工艺过程及模具设计[M].北京：北京大学出版社，2012.

[3] 江 山，周理华，崔远良，等.铜衬垫在箱形梁焊接中的应用[J].锻压装备与制造技术，2011，46（4）.

[4] 何彦忠，胡志梅，黄建民.压力机大型焊接齿轮结构设计与制造[J].锻压装备与制造技术，2013，48（4）.

Surface welding technology for reparation and re-fabrication of roll forging die for the automobile front axle

LIU Yuanwei,SHEN Hui,ZHANG Lu,LI Jianbo
（Shandong Hengtai Auto Axle Co.,Ltd.,Xintai 271200,Shandong China）

The surface welding technology for reparation and re-fabrication of roll forging die for the automobile front axle has been mainly introduced in the text,including material removing of die flaws,preheating of dies,welding of alloy layer and annealing,etc.The service life of roll forging dies has been obviously improved after being surface welded for reparation and re-fabrication.

Automobile front axle;Roll forging die;Surface-weldingReparation;Service life of dies

TG315.2

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.031

1672-0121（2016）02-0113-04

2015-07-15；

2015-09-07

刘元伟（1987-），男，助工，从事锻造工艺及模具设计、制造等工作。E-mail:13562815653@163.com