CN101239413B - 废旧模具电磁堆焊修复和表面改性方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及废旧模具电磁堆焊修复和表面改性方法，包括以下步骤：对废旧模具进行清洁，预热处理，采用外加磁场控制的脉冲射流电弧弧源堆焊方法，对废旧模具需修复和表面改性部位进行堆焊；对模具处理达到模具所需的技术要求。本发明方法突破了堆焊的高熔覆率与低稀释率的两个相互矛盾的限制，实现了堆焊质量和堆焊效率的有效协调与合理统一，降低了堆焊和模具成本，提高了竞争力；解决了废旧模具再制造领域中的高强硬性与低韧塑性的矛盾问题；创新性地采用脉冲旋转射流气体保护电磁堆焊新热源，利用该电弧热源所具有的高效、优质、变形与温度可控的特性，对废旧模具进行再制造。同时，本发明还提供了相关的设备。

Description

废旧模具电磁堆焊修复和表面改性方法与设备

技术领域

本发明涉及模具修复和改性工程领域，特别是一种废旧模具循环利用再制造过程中新型堆焊修复和改性方法与设备，具体涉及废旧模具脉冲旋转射流气体保护电磁堆焊修复和表面改性方法与设备。

背景技术

模具在制造业中被广泛使用，直接影响到产品的质量，是保障产品质量与精度、产品制造速度、产品成本的关键性与控制性环节之一，其模型设计、材料的选择和制作工艺要求较高，因此模具的制造成本也较高。由于模具需要反复使用，必然存在磨损，而且使用中也可能存在损伤使模具成为废品。而一套模具从几公斤到几十吨不等，由于占模具重量不到10％-20％的局部位置、或表面刃口、或型腔失效而导致占模具重量80％以上模具材料报废，经济损失比较严重。为了提高废旧模具的利用率，废旧模具循环利用引起人们的高度重视。目前，关于废旧模具修复和表面改性的方法中，公开了很多的专利申请文献：如中国专利“工模具修补方法及修补机”(申请号94108743.3)，它是采用可控脉冲电能把补片材料固定连接在工模具修补部位，并逐次多层固连叠加成坯，再修磨复原工作面，这种方法比工艺繁琐，效率不高，不易推广应用；中国专利“金属熔融填充修补技术”(申请号为：02104351.5)，它是利用可调的大电流(1900-4200A)在短时间内(0.5-2.5s)将不同规格的金属球或棒熔化并压焊填充在零件或模具表面的损伤处，使补焊材料与基体材料间达到冶金结合，该方法使用瞬时大电流，对电网冲击很大，不节能；中国专利“一种修复模具的焊合工艺”(申请号为：200310106328.3)，它是一种对磨损超限或产生裂纹的模具进行修复的焊合工艺，利用喷焊枪，将合金粉末与氧-乙炔混合燃烧后，在模具待加工面上喷上合金粉末作为底粉，再加热合金粉末底粉，并点喷合金粉末，使合金粉末与模具熔化结合为一体，这种方法结合强度差，难以控制，提高性能有限；中国专利“工模具表面改质和修复方法”(申请号为：200510018292.2)，它既发挥熔射法高效、低成本的优点，又保留激光熔敷法将基体表面上的涂覆材料与基体形成冶金结合的长处，并采用多轴数控加工技术，得到具有不同性能、复杂形状的工模具表面处理层，但是所用设备昂贵，工艺复杂，增加了模具修复或表面改性的成本。

目前，实现废旧模具再制造存在以下困难：(1)废旧模具堆焊再制造领域中的高熔敷率与低稀释率两难问题；(2)废旧模具再制造领域中的高强硬性与低韧塑性的矛盾问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种废旧模具循环利用过程中对废旧模具进行循环再利用，减少资源浪费，降低模具制造成本，突破传统焊接技术不能满足焊接质量要求的废旧模具电磁堆焊修复和表面改性方法。

本发明的另一目的是提供一种实现上述方法的设备。

本发明的目的是这样实现的：废旧模具电磁堆焊修复和表面改性方法，包括以下步骤：

a.对废旧模具进行清洁，包括除锈、除脏污、除油、清除钢屑和刨去裂纹缺陷；

b.对上述清洁过的废旧模具进行焊前预热至350℃～650℃，时间为30min～240min；

c.采用电磁控制脉冲射流气体保护堆焊工艺，对所述废旧模具需修复或表面改性的部位进行堆焊；

d.堆焊完成后，将所述废旧模具立即送入300℃～600℃烘炉中保温30min～60min，然后，对所述废旧模具所在的环境每小时降低80℃～120℃，并逐渐降低至室温，取出；

e.再将经过步骤d处理后的废旧模具堆焊部位进行机械加工，使表面平整，满足模具尺寸要求；

f.对经过步骤e处理后的废旧模具表面进行处理和清理，去毛边，打磨或者抛光，达到模具所需的技术要求。

电磁控制脉冲射流气体保护堆焊的工艺参数是：脉冲峰值焊接电流：300～550A，脉冲基值焊接电流：200～400A，脉冲时间：5～15ms，励磁电流：0～10A，励磁频率：0～20Hz，焊丝直径：0.8～2.4mm。

废旧模具电磁堆焊修复和表面改性的方法，在模具的基体上形成功能层，或者梯度功能层。

实现上述方法的废旧模具电磁堆焊修复和表面改性设备，包括励磁设备、辅助加热设备、励磁电源和焊接电流；

励磁设备为设于支架上的轴对称、圆环结构的电磁搅拌励磁线圈；在电磁搅拌励磁线圈的支架的端部设有与焊炬相连的夹持锁紧机构，所述夹持锁紧机构将励磁线圈固定在焊炬喷嘴上，且与焊炬同轴，使励磁线圈与工件有一定距离的自由调节度；所述支架内装有水冷系统；励磁电源为时变或恒流电源；焊接电源为数字逆变焊接电源；

辅助加热设备是采用工业人工煤气或天然气，加热喷枪与焊炬通过连接定位支架相连，位于焊接正方向焊炬的前方，在焊接过程中起到焊前预热的作用。

废旧模具电磁堆焊修复和表面改性设备中，电磁搅拌励磁线圈带有导磁铁芯；导磁铁芯活动安装在的电磁搅拌励磁线圈中，可以自由调节其在励磁线圈中的位置直至全部从线圈中去除；所述导磁铁芯端部的形状可设计为漏斗型、直桶型、圆锥型或曲面型，导磁铁芯的下端面形状收缩，以便于磁力线更集中作用于焊缝。

废旧模具电磁堆焊修复和表面改性设备，带励磁线圈的焊炬可以与另一个相同种类的焊炬，或其它种类的焊炬同时工作，形成双丝或复合堆焊方式。

废旧模具电磁堆焊修复和表面改性设备，电磁搅拌励磁线圈和导磁铁芯不通过支架，而直接与焊炬喷嘴集成为一体，采用绝缘材料使焊炬喷嘴的外壁与线圈的线匝保持绝缘状态，导磁铁芯内建有水冷系统，并通过焊炬喷嘴内部构建的水冷系统进行双向冷却，使焊矩、导磁铁芯和励磁线圈均处于良好的工作状态。

废旧模具电磁堆焊修复和表面改性设备，电磁搅拌励磁线圈的支架和导磁铁芯内的水冷系统采用盖板式矩形脉冲形冷凝水流模式，支架和导磁铁芯内设有水流沟槽和错开排列的两排水流隔壁，两排水流隔板分别与水流沟槽两侧的外挡板相连。

废旧模具电磁堆焊修复和表面改性设备，焊炬喷嘴内的水冷系统采用盖板式螺旋形冷凝水流流动模式，焊炬喷嘴壁内设计有螺旋状的螺纹水流沟槽，结合焊炬喷嘴挡板形成了焊炬喷嘴内全方位的冷凝水通道，使冷凝水围绕焊炬喷嘴呈螺旋形流动，到达焊炬喷嘴的端部，焊炬不变形。

本发明废旧模具脉冲旋转射流气体保护电磁堆焊修复和表面改性的方法或设备，在下述方面的用途：

用于废旧模具的修复改性；

用于模具的表面改性；

用于机械零件的修复改性；

用于具有特殊要求的材料表面的改性；

用于以下材质的焊接：低碳钢，合金钢，特种钢，不锈钢，管线钢等其它黑色金属上使用。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

(1)本发明方法突破了高熔覆率和低稀释率的两个相互矛盾的限制，实现了焊接质量和焊接速度的有效协调与合理统一，降低了焊接成本，提高了竞争力；

(2)解决了废旧模具表面改性领域中的高强硬性与低韧塑性的矛盾问题；

(3)创新性地采用外加磁场控制的脉冲射流电弧新热源，利用该电弧热源所具有的高效、优质、与温度精确可控性的特性，对废旧模具进行修复与表面改性；

(4)辅助加热，保持废旧堆焊模具的预热温度，防止堆焊层开裂和微裂纹产生。

(5)本发明方法必将在模具制造与再制造，机械设备的循环制造与利用，关键部件修复，材料制备，资源循环利用，以及绿色循环制造与装备等领域具有广阔的应用价值与发展前景。总之，本发明实现了高效、低成本、高质量、高稳定性、多适用性、多方式综合易控的焊接过程。

本发明设备由于电磁搅拌励磁线圈接不同频率、不等强度、时变、方向交替变化的励磁电流，利用该外加磁场进行电磁搅拌作用，以控制焊接电弧的旋转，焊丝端部熔滴脱落，形成稳定的脉冲射流过渡；使焊接熔池熔体充分搅拌，改善焊接熔池金属的结晶状况，改变焊接凝固过程和温度场的分布(组织、相结构也会改变)，促使焊缝晶粒细化，减小化学不均匀性，降低气孔的敏感性；减少了焊接缺陷，有利于提高韧塑性，形成优质堆焊层；对废旧模具实现符合要求堆焊再制造。

采用脉冲旋转射流气体保护电磁堆焊新电弧热源，利用该电弧热源所具有的高效、优质与温度精确可控的特性，实现了对模具材料和废旧模具的循环利用。

采用新型脉冲旋转射流气体保护电磁堆焊电弧热源具有如下优点：

(1)磁控脉冲射流电弧热源是一种新型优质堆焊电弧热源；

(2)新型电弧热源具有射流熔滴过渡的高效率、低成本的特点；

(3)新型电弧热源具有协调解决废旧模具堆焊修复改性工程领域两难问题的性能，是一种正在发展创新的模具再制造技术；

(4)可以达到所需的组织性能、结构力学性能、表面性能及解决相关的工艺适应性；对废旧模具的循环再利用，保护环境，为最大限度地利用资源和最低限度地产出废物的可持续发展模式提供新技术。

附图说明

图1是本发明设备示意图。

图2是电磁搅拌励磁线圈支架水冷系统结构和冷却水流向示意图。

图3是焊矩喷嘴水冷系统结构和冷却水流向示意图。

图4是模具修复改性结构示意图。

图中，1.工件；2.连接定位支架；3.电磁搅拌励磁线圈；4.支架；5.导磁铁芯；6.焊炬喷嘴；7.焊炬；8.焊丝；9.线圈支架；10.励磁电源；11.焊接电源；12.辅助加热火焰喷枪；13.水流沟槽；14.外挡板；15.支架内水流隔板；16.焊炬喷嘴挡板；17.焊炬喷嘴壁；18.螺纹水流沟槽；19.模具基体；20.过渡层；21.表面功能层。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

一.废旧模具(脉冲旋转射流气体保护)电磁堆焊修复和表面改性的方法废旧模具电磁堆焊修复和表面改性设备，包括以下步骤：

a.对废旧模具进行清洁，包括除锈、除脏污、除油、清除钢屑和刨去裂纹缺陷；

b.对上述清洁过的废旧模具进行焊前预热至350℃～650℃，时间为30min～240min；

c.采用电磁控制脉冲射流气体保护堆焊工艺，对所述废旧模具需修复或表面改性的部位进行堆焊；

d.堆焊完成后，将所述废旧模具立即送入300℃～600℃烘炉中保温30min～60min，然后，对所述废旧模具所在的环境每小时降低80℃～120℃，并逐渐降低至室温，取出；

e.再将经过步骤d处理后的废旧模具堆焊部位进行机械加工，使表面平整，满足模具尺寸要求；

f.对经过步骤e处理后的废旧模具表面进行处理和清理，去毛边，打磨或者抛光，达到模具所需的技术要求。

废旧模具(脉冲旋转射流气体保护)电磁堆焊修复和表面改性的方法，其工艺参数为：脉冲峰值焊接电流：300～550A，脉冲基值焊接电流：200～400A，脉冲时间：5～15ms，励磁电流：0～10A，励磁频率：0～20Hz，焊丝直径：0.8～2.4mm。根据具体的堆焊对象，通过优化堆焊接工艺参数，达到所需的组织、结构和表面力学性能。

二.废旧模具电磁堆焊修复和表面改性设备

如图1所示，废旧模具(脉冲旋转射流气体保护)电磁堆焊修复和表面改性的设备，包括励磁设备、辅助加热设备、励磁电源10和焊接电源11。所述励磁设备为设于支架4上的轴对称、圆环结构的电磁搅拌励磁线圈3；在电磁搅拌励磁线圈3的支架4的端部设有与焊炬7相连的夹持锁紧机构，所述夹持锁紧机构将励磁线圈3固定在焊炬喷嘴6上，且与焊炬7同轴，使励磁线圈3与工件1有一定距离的自由调节度；所述支架4内装有水冷系统；励磁电源10采用产生多种频率和不同强度的时变励磁电流或恒流励磁电流的数字逆变焊接电源；所述辅助加热设备是采用工业人工煤气或天然气，火焰加热喷枪12与焊炬7通过连接定位支架2相连，位于焊接正方向焊炬7的前方，在焊接过程中起到焊前预热的作用。

同时，电磁搅拌励磁线圈3带有导磁铁芯5，导磁铁芯5活动安装在的电磁搅拌励磁线圈3中，可以自由调节其在励磁线圈中的位置直至全部从线圈中去除；所述导磁铁芯5端部的形状可设计为漏斗型、直桶型、圆锥型或曲面型，导磁铁芯5的下端面形状收缩，以便于磁力线更集中作用于焊缝。

另外，电磁搅拌励磁线圈3和导磁铁芯5也可以不通过支架4，而直接与焊炬喷嘴6集成为一体，采用绝缘材料使焊炬喷嘴6的外壁与线圈的线匝保持绝缘状态，导磁铁芯5内建有水冷系统，并通过焊炬喷嘴6内部构建的水冷系统进行双向冷却，使焊矩、导磁铁芯和励磁线圈均处于良好的工作状态。

而且，带励磁线圈的焊炬7可以与另一个相同种类的焊炬，或其他种类的焊炬同时工作，形成双丝或复合堆焊方式。

参见图2，电磁搅拌励磁线圈3的支架4和导磁铁芯5内的水冷系统采用盖板式矩形脉冲形冷凝水流模式，支架4和导磁铁芯5内设有水流沟槽13和错开排列的两排水流隔壁15，两排水流隔板15分别与水流沟槽13两侧的外挡板14相连。

参见图3，焊炬喷嘴6内的水冷系统采用盖板式螺旋形冷凝水流流动模式，焊炬喷嘴壁17内设计有螺旋状的螺纹水流沟槽18，结合焊炬喷嘴挡板16形成了焊炬喷嘴内全方位的冷凝水通道，使冷凝水围绕焊炬喷嘴呈螺旋形流动，到达焊炬喷嘴的端部，焊炬7不变形。

参见图4，废旧模具(脉冲旋转射流气体保护)电磁堆焊修复和表面改性的方法，在模具的基体上19形成表面功能层21，或者梯度功能层，即基体19与过渡层20和表面功能层21冶金结合。

本发明方法或设备均可在下述方面应用：用于废旧模具的修复改性；用于模具的表面改性；用于机械零件的修复改性；用于具有特殊要求的材料表面的改性；用于以下材质的焊接：低碳钢，合金钢，特种钢，不锈钢，管线钢等其它黑色金属上使用。

下面简述一下本设备的工作过程：

如图1和图4所示，本发明电磁搅拌励磁线圈3通过励磁电源10提供励磁电流，产生时变或恒定的、双频或单频的外加纵向磁场；本发明辅助加热火焰喷枪通过连接支架2与焊炬7相连，位于焊炬7的前面，进行堆焊的前预热；焊接电源11为焊炬7提供多种类型的焊接电流。堆焊形成的梯度功能层是模具基体19通过渡层20与表面功能层21形成冶金结合。其中：电磁搅拌励磁线圈3产生的纵向磁场主要用于控制焊接电弧的周期性的旋转运动、焊丝熔化、焊丝末端熔滴的形成与脱离、液流束的运动状态，形成熔滴周期性、稳定的旋转射流过渡状态；同时也控制熔池内熔体的流动方式和熔池的搅拌强度，改变熔池金属的凝固状况。

实际堆焊时，根据不同的堆焊对象、堆焊材质、堆焊材料和堆焊形式等，采用本发明提供的堆焊控制方法和堆焊设备，综合考虑电磁堆焊工艺参数的合理匹配，并对堆焊工艺参数进行系统优化，即可保证高效、优质、低成本堆焊过程的实施。

三.本发明废旧模具脉冲旋转射流气体保护电磁堆焊修复和表面改性的方法及设备的拓展应用包括：

用于废旧模具的修复改性；

用于模具的表面改性；

用于机械零件的修复改性；

用于具有特殊要求的材料表面的改性；

用于以下材质的焊接：

低碳钢，合金钢，特种钢，不锈钢，管线钢等其它黑色金属。

采用本发明，根据模具典型的失效形式，选取常用的模具材料和废旧模具，采用外加磁场控制的脉冲射流电弧新热源，利用该弧源所具有的高效、优质、与温度精确可控性的特性，本发明可实现多种材料的高效、低成本、高稳定性和优质焊接功能的堆焊过程。

四.具体实施例：

实施例1：在废旧模具上堆焊H13钢功能层，其堆焊工艺参数是：脉冲峰值焊接电流：350A，脉冲基值焊接电流：240A，脉冲时间：8ms，保护气体：95％Ar+CO2，焊丝外伸长度：20mmm，励磁电流：3A，励磁频率：5Hz，焊丝直径：1.2mm。

实施例2：在45号钢废旧模具上堆焊Ni基和Cr-W系梯度功能层，其堆焊工艺参数是：脉冲峰值焊接电流：400A，脉冲基值焊接电流：260A，脉冲时间：10ms，保护气体：95％Ar+O2，焊丝外伸长度：18mmm，励磁电流：2A，励磁频率：3Hz，焊丝直径：1.6mm。

根据实际堆焊对象和模具材料成分，综合考虑接头形式、堆焊功能层、堆焊材料成分与堆焊工艺参数的合理匹配，并对堆焊工艺进行系统优化，保证获得高质量堆焊再制造模具。

Claims (9)

1.废旧模具电磁堆焊修复和表面改性方法，其特征在于包括以下步骤：

a.对废旧模具进行清洁，包括除锈、除脏污、除油、清除钢屑和刨去裂纹缺陷；

b.对上述清洁过的废旧模具进行焊前预热至350℃～650℃，时间为30min～240min；

c.采用电磁控制脉冲射流气体保护堆焊工艺，对所述废旧模具需修复或表面改性的部位进行堆焊；

d.堆焊完成后，将所述废旧模具立即送入300℃～600℃烘炉中保温30min～60min，然后，对所述废旧模具所在的环境每小时降低80℃～120℃，并逐渐降低至室温，取出；

e.再将经过步骤d处理后的废旧模具堆焊部位进行机械加工，使表面平整，满足模具尺寸要求；

f.对经过步骤e处理后的废旧模具表面进行处理和清理，去毛边，打磨或者抛光，达到模具所需的技术要求。

2.根据权利要求1所述的废旧模具电磁堆焊修复和表面改性方法，其特征在于所述电磁控制脉冲射流气体保护堆焊工艺中，脉冲峰值焊接电流：300～550A，脉冲基值焊接电流：200～400A，脉冲时间：5～15ms，励磁电流：0～10A，励磁频率：0～20Hz，焊丝直径：0.8～2.4mm。

3.根据权利要求1或2所述的废旧模具电磁堆焊修复和表面改性方法，其特征在于：在模具的基体上(19)形成功能层(21)，或者梯度功能层(20，21)。

4.实现权利要求1、2或3所述方法的废旧模具电磁堆焊修复和表面改性设备，包括励磁设备、辅助加热设备、励磁电源(10)和焊接电源(11)，其特征在于：

所述励磁设备为设于支架(4)上的轴对称、圆环结构的电磁搅拌励磁线圈(3)；在电磁搅拌励磁线圈(3)的支架(4)的端部设有与焊炬(7)相连的夹持锁紧机构，所述夹持锁紧机构将励磁线圈(3)固定在焊炬喷嘴(6)上，且与焊炬(7)同轴，使励磁线圈(3)与工件(1)有一定距离的自由调节度；所述支架(4)内装有水冷系统；励磁电源(10)为时变或恒流电源；焊接电源(11)为数字逆变焊接电源；

所述辅助加热设备是采用工业人工煤气或天然气，火焰加热喷枪(12)与焊炬(7)通过连接定位支架(2)相连，位于焊接正方向焊炬(7)的前方，在焊接过程中起到焊前预热的作用。

5.根据权利要求4所的废旧模具电磁堆焊修复和表面改性设备，其特征在于：所述电磁搅拌励磁线圈(3)带有导磁铁芯(5)；所述导磁铁芯(5)活动安装在电磁搅拌励磁线圈(3)中，可以自由调节其在励磁线圈中的位置直至全部从线圈中去除；所述导磁铁芯(5)端部的形状为漏斗型、直桶型、圆锥型或曲面型，导磁铁芯(5)的下端面形状收缩，以便于磁力线更集中作用于焊缝。

6.根据权利要求4所述的废旧模具电磁堆焊修复和表面改性设备，其特征在于：所述带励磁线圈的焊炬(7)与另一个相同种类的焊炬，或其它种类的焊炬同时工作，形成双丝或复合堆焊方式。

7.根据权利要求5所述废旧模具电磁堆焊修复和表面改性设备，其特征在于：所述电磁搅拌励磁线圈(3)和导磁铁芯(5)直接与焊炬喷嘴(6)集成为一体，采用绝缘材料使焊炬喷嘴(6)的外壁与线圈的线匝保持绝缘状态，导磁铁芯(5)内建有水冷系统，并通过焊炬喷嘴(6)内部构建的水冷系统进行双向冷却，使焊矩、导磁铁芯和励磁线圈均处于良好的工作状态。

8.根据权利要求5所述的废旧模具电磁堆焊修复和表面改性设备，其特征在于：所述电磁搅拌励磁线圈(3)的支架(4)和导磁铁芯(5)内的水冷系统采用盖板式矩形脉冲形冷凝水流模式，支架(4)和导磁铁芯(5)内设有水流沟槽(13)和错开排列的两排水流隔板(15)，两排水流隔板(15)分别与水流沟槽(13)两侧的外挡板(14)相连。

9.根据权利要求4所述的废旧模具电磁堆焊修复和表面改性设备，其特征在于：所述焊炬喷嘴(6)内的水冷系统采用盖板式螺旋形冷凝水流流动模式，焊炬喷嘴壁(17)内设计有螺旋状的螺纹水流沟槽(18)，结合焊炬喷嘴挡板(16)形成了焊炬喷嘴内全方位的冷凝水通道，使冷凝水围绕焊炬喷嘴呈螺旋形流动，到达焊炬喷嘴的端部，焊炬(7)不变形。

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