一种高耐磨重载轴类开式型腔锻模工作面的堆焊方法与流程

本发明涉及重载轴锻模加工领域，更具体地说，涉及一种高耐磨重载轴类开式型腔锻模工作面的堆焊方法。

背景技术：

铁路运输业是国家大力扶持和发展的重点行业，关系着我国市场发展的空间和范围。因此，需要高度重视铁路运输业的发展状况，车轴是铁路机车车辆走行部的重要部件，其质量的好坏直接会影响到铁路运输的安全。随着现代化社会的发展和时代的不断进步，交通运输业也在不断发展，对车辆载重及使用可靠性要求的进一步提高，迫切的需要提高车轴的强度，增强车轴的使用寿命，进而提高机车运输的安全性。

锻造是金属加工的主要方法和手段之一，其是借助工具或模具在冲击或压力作用下，对金属坯料施加外力，使工件产生塑性变形，改变尺寸、形状及性能，用以制造机械零件或零件毛坯的成形加工方法。除此之外，锻造还具有细化晶粒、致密组织，并可使工件具有连贯的锻造流线，进而改善金属的力学性能的作用。此外，锻造还具有生产率高、节省材料的优点；因此锻造在金属热加工中占有重要的地位。与此同时，模锻是装备制造业中不可或缺的主要加工工艺，并且是车轴加工的重要的处理工艺。

在车轴锻造的过程中对锻模具有较高的要求，由于锻模在加工的过程中的存在一定缺陷，且在锻造重载轴的过程中锻模不断的与重载轴相互打击、碰撞、摩擦；因此在锻打过程中易造成锻模损坏，使得锻模更换频繁，不仅增加了企业的损耗成本，而且严重影响生产效率，急需开发出一种新的锻模堆焊方法，从而解决上述不足。

经检索，已经有先关技术文献公开。例如，发明创造的名称为：一种修复锻模型腔堆焊工艺(申请号：201410770283.8，申请日：2014-12-15)、一种5crnimo热锻模具的改制方法(申请号：201210511815.7，申请日：2012-12-04)；此外还有：一种基于铸钢基体的双层金属堆焊制备锻模的方法(申请号：200910104604.x，申请日为：2009-08-11)，其利用铸钢作为锻模基体，形成波浪形基体表面，并通过在基体层上进行双层金属堆焊，再回火去应力，模具最后机加工成型，从而使得锻模模具在硬度、强度和韧性等方面的性能要求。上述公开的技术文献，虽然对现有技术的锻模制造方法进行了改进，并取得了一定的效果，但是上述方法不是生产成本较高，就是对锻模性能的提升效果有限，急需进行进一步地改进。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中，锻模在使用过程中易损坏、使用寿命低的不足，提供一种高耐磨重载轴类开式型腔锻模工作面的堆焊方法；通过在过渡圆弧段采用井字堆焊单元分格堆焊，中部圆弧段和端部圆弧段采用网格堆焊单元堆焊，可以提高锻模的性能，提高锻模的使用寿命；进一步地，结合过渡圆弧段的锻模工作面厚度由端部圆弧段至中部圆弧段逐渐增加，可以避免过渡圆弧段发生塌陷，避免发生损坏。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种高耐磨重载轴类开式型腔锻模工作面的堆焊方法，锻模工作面的过渡圆弧段采用井字堆焊单元分格堆焊，锻模工作面的中部圆弧段和端部圆弧段采用网格堆焊单元堆焊。

优选地，所述的过渡圆弧段由井字堆焊单元组合、堆叠而成，该井字堆焊单元由2-5条轴向焊道和2-5条弧形焊道交叉堆叠构成。

优选地，所述的中部圆弧段和端部圆弧段由网格堆焊单元堆叠而成，该网格堆焊单元的轴向焊道和弧形焊道贯穿整个堆焊区域。

优选地，锻模工作面由底层到顶层依次包括打底层、过渡层和工作层，所述的打底层与锻模基材表面直接接触。

优选地，轴向焊道与弧形焊道的夹角为90°。

优选地，过渡圆弧段的锻模工作面厚度由端部圆弧段至中部圆弧段逐渐增加。

优选地，过渡圆弧段的打底层厚度由端部圆弧段至中部圆弧段逐渐增加。

优选地，具体的步骤如下：

s1、将锻模基材放置于顶部开口的堆焊加热炉中对锻模基材进行加热，并升温至350-450℃并保持；

s2、保持锻模基材在350-450℃下，锻模工作面的过渡圆弧段的打底层、过渡层和工作层由井字堆焊单元分格堆焊而成，锻模工作面的中部圆弧段和端部圆弧段打底层、过渡层和工作层由网格堆焊单元堆焊而成。

优选地，过渡型腔面的过渡层厚度均匀相同。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种高耐磨重载轴类开式型腔锻模工作面的堆焊方法，锻模工作面的过渡圆弧段采用井字堆焊单元分格堆焊，锻模工作面的中部圆弧段和端部圆弧段采用网格堆焊单元堆焊，锻模锻打的过程中井字堆焊单元可以更好的将过渡圆弧段应力分散至锻模基材，进而提高了提高锻模的性能，提高锻模的使用寿命；

(2)本发明的一种高耐磨重载轴类开式型腔锻模工作面的堆焊方法，过渡圆弧段的锻模工作面厚度由端部圆弧段至中部圆弧段逐渐增加，增大了过渡圆弧段支撑效果，避免在过渡圆弧段的连接处，锻模发生损坏和塌陷，特别可以避免过渡圆弧段发生塌陷，从而可以提高锻模的使用寿命；

(3)本发明的一种高耐磨重载轴类开式型腔锻模工作面的堆焊方法，通过将锻模基材保持在350-450℃进行堆焊，井字堆焊单元相互拼凑、堆叠，使得堆焊得到锻模工作面具有更好的组织密度，并可以有效地消除锻模工作面的内部应力。

附图说明

图1为本发明的开式型腔锻模剖面结构示意图；

图2为本发明的开式型腔锻模整体结构示意图；

图3为本发明实施例1的井字堆焊单元的结构示意图；

图4为本发明的网格堆焊单元的结构示意图；

图5为本发明实施例4的井字堆焊单元的结构示意图。

示意图中的标号说明：

100、锻模基材；110、中部型腔面；120、过渡型腔面；130、端部型腔面；

200、锻模工作面；211、打底层；212、过渡层；213、工作层；221、中部圆弧段；222、过渡圆弧段；223、端部圆弧段；

301、轴向焊道；302、弧形焊道；303、轴向方向；304、圆弧方向；310、井字堆焊单元；320、网格堆焊单元。

具体实施方式

下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。

下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。

实施例1

结合图1、图2、图3和图4，本发明的一种高耐磨重载轴类开式型腔锻模工作面的堆焊方法，锻模工作面200包括中部圆弧段221、过渡圆弧段222和端部圆弧段223，其中过渡圆弧段222用于连接中部圆弧段221和端部圆弧段223；其中过渡圆弧段222的锻模工作面200厚度由端部圆弧段223至中部圆弧段221逐渐增加。

锻模基材100型腔包括中部型腔面110、过渡型腔面120和端部型腔面130，且中部型腔面110、过渡型腔面120和端部型腔面130均为圆弧面；中部型腔面110位于锻模基材100型腔的中部，且过渡型腔面120和端部型腔面130在同一平面上，即过渡型腔面120和端部型腔面130共面；且中部型腔面110凸出于过渡型腔面120和端部型腔面130所在的平面。所述的锻模工作面200由底层到顶层依次包括打底层211、过渡层212和工作层213，所述的打底层211与锻模基材100表面直接接触。具体的堆焊方法如下：

s1、预热保温

将锻模基材100放入顶部开口的加热炉中，将锻模基材100预热至350-450℃，优选400℃，并保温该温度下堆焊锻模工作面200；

s2、堆焊工作面

(1)堆焊打底层211

(1-1)在过渡型腔面120上堆焊打底层211，打底层211由多个分层堆叠而成；该打底层211采用井字堆焊单元310分格堆焊，即采用“小井字形”分格堆焊，详细说明的是：将打底层211进行分格，从而分成多个小的区域，且井字堆焊单元310为模块化的，相邻井字堆焊单元310之间相互独立，每个小的区域内都堆焊有井字堆焊单元310，且井字堆焊单元310由2-5条轴向焊道301和2-5条弧形焊道302交叉堆叠构成，轴向焊道301与弧形焊道302的夹角为90°，本实施例优选2条轴向焊道301和2条弧形焊道302(如图3所示)；其中轴向焊道301平行于轴向方向303，弧形焊道302平行于圆弧方向304，轴向焊道301与弧形焊道302相互垂直(如图2所示)；单个的井字堆焊单元310的面积远远小于过渡型腔面120的面积，打底层211的每一个分层都由多个井字堆焊单元310分格堆焊，并组合、拼凑而成，多个分层堆叠即构成打底层211；堆焊井字堆焊单元310时需要对其之间的间隙进行清理，进而将井字堆焊单元310焊道之间的残渣去除；打底层211采用井字堆焊单元310分格堆焊完成后，再对打底层211表面进行补焊，从而将过渡型腔面120的打底层211堆焊平整，形成过渡圆弧段222的打底层211；

(1-2)在端部型腔面130上堆焊打底层211，该打底层211采用网格堆焊单元320堆叠而成，即采用“大井字形”整体堆焊，该网格堆焊单元320由相邻的轴向焊道301和弧形焊道302交错形成(如图3所示)，其中轴向焊道301贯穿端部型腔面130的轴向方向303，轴向焊道301沿着轴向方向303的圆弧面由端部型腔面130的一侧延伸至另一侧；其弧形焊道302贯穿端部型腔面130的圆弧方向304(如图2所示)，即轴向焊道301和弧形焊道302堆叠组成网格堆焊单元320的焊道网格，网格堆焊单元320的面积与端部型腔面130的面积基本相同，网格堆焊单元320覆盖于端部型腔面130，形成端部圆弧段223的打底层211；

(1-3)采用步骤(1-2)中的方法在中部型腔面110上堆焊打底层211，形成中部圆弧段221的打底层211；

中部型腔面110、过渡型腔面120和端部型腔面130的打底层211组成锻模工作面200的打底层211；在堆焊打底层211的过程中每次堆焊的井字堆焊单元310或者网格堆焊单元320的深度为3mm，此处的深度也可以称之为井字堆焊单元310或者网格堆焊单元320的厚度。

(2)堆焊过渡层212

(2-1)采用步骤(1-1)中的方法在过渡圆弧段222的打底层211上堆焊过渡层212，形成过渡圆弧段222的过渡层212；

(2-2)采用步骤(1-2)中的方法在端部圆弧段223的打底层211上堆焊过渡层212，形成端部圆弧段223的过渡层212；

(2-3)采用步骤(1-2)中的方法在中部圆弧段221的打底层211上堆焊过渡层212，形成中部圆弧段221的过渡层212；

中部型腔面110、过渡型腔面120和端部型腔面130的过渡层212组成锻模工作面200的过渡层212；在堆焊过渡层212的过程中每次堆焊的井字堆焊单元310或者网格堆焊单元320的深度为3mm，此处的深度也可以称之为井字堆焊单元310或者网格堆焊单元320的厚度。

(3)堆焊工作层213

(2-1)采用步骤(1-1)中的方法在过渡圆弧段222的过渡层212上堆焊工作层213，形成过渡圆弧段222的工作层213；

(2-2)采用步骤(1-2)中的方法在端部圆弧段223的过渡层212上堆焊工作层213，形成端部圆弧段223的工作层213；

(2-3)采用步骤(1-2)中的方法在中部圆弧段221的过渡层212上堆焊工作层213，形成中部圆弧段221的工作层213；

中部型腔面110、过渡型腔面120和端部型腔面130的工作层213组成锻模工作面200的工作层213；在堆焊工作层213的过程中每次堆焊的井字堆焊单元310或者网格堆焊单元320的深度为7.5mm，此处的深度也可以称之为井字堆焊单元310或者网格堆焊单元320的厚度；堆焊完成后得到锻模工作面200，即在工作层213即堆叠两层井字堆焊单元310或者网格堆焊单元320就可以完成焊接，增大堆焊深度(厚度)，可以减少堆叠的层数，可以改善锻模表面工作层213的耐磨性和韧性，而打底层211和过渡层212采用较多的层数，可以有效地的受力进行分散和传递，从而提高了锻模工作面200整体强度，进而改善了锻模的性能，提高了使用寿命。

本发明的过渡圆弧段222的打底层211、过渡层212和工作层213由井字堆焊单元310分格堆焊而成，锻模工作面200的中部圆弧段221和端部圆弧段223打底层211、过渡层212和工作层213由网格堆焊单元320堆焊而成。

本发明在堆焊过渡圆弧段222时，过渡圆弧段222的焊层厚度中部圆弧段221至端部圆弧段223逐渐增加，即过渡圆弧段222靠近中部圆弧段221的焊层厚度大于端部圆弧段223的焊层厚度，增强了过渡圆弧段222的强度，防止在锻模在锻打重载轴时过渡圆弧段222发生开裂；但是现实操作中如果简单的对过渡圆弧段222进行加厚易在堆焊的过程中产生应力集中，并在锻打的过程中发生开裂，本发明创造性的提出在过渡圆弧段222采用井字堆焊单元310分格堆焊。

一般情况下，采用井字堆焊单元310在堆焊的过程中，需要对井字堆焊单元310分格堆焊、组合、拼凑而成，多个分层堆叠即构成打底层211；堆焊井字堆焊单元310时需要对其之间的间隙进行清理，进而将井字堆焊单元310焊道之间的残渣去除，因此堆焊速度和堆焊效率，且如果一旦温度控制不当极易造成锻模基材100开裂。而本发明恰恰是打破了现有技术的技术思路，在最易损坏的过渡圆弧段222采用井字堆焊单元310分格堆焊，并通过将锻模基材100保持在350-450℃进行堆焊，井字堆焊单元310相互拼凑、堆叠，使得堆焊得到锻模工作面200具有更好的组织密度，并可以有效地消除锻模工作面的内部应力，且过渡圆弧段222的焊层厚度由端部圆弧段223至中部圆弧段221端逐渐增加，可在锻打的过程中将受力分散至井字堆焊单元310，从而避免了锻打过程中过渡圆弧段222发生应力集中而损坏，进而大大提高了锻模的使用寿命。

此外，堆焊前进行：机械加工，在锻模基材100上铣出型腔，型腔包括中部型腔面110、过渡型腔面120和端部型腔面130，且中部型腔面110、过渡型腔面120和端部型腔面130均为圆弧面；中部型腔面110位于锻模基材100型腔的中部，且过渡型腔面120和端部型腔面130在同一平面上，即过渡型腔面120和端部型腔面130共面；且中部型腔面110凸出于过渡型腔面120和端部型腔面130所在的平面。即铣出的型腔的过渡型腔面120与端部型腔面130在同一平面上，中部型腔面110凸出于上述平面；而后再进行焊前热处理，对机械加工后的锻模基材100进行热处理；

s1、将机械加工后的锻模基材100在550-650℃回火，本实施例优选600℃，回火时间为6-8h，优选7h；

s2、回火完成后，加热至800-900℃进行淬火，本实施例优选850℃；

s3、淬火完成后进行2次中温回火，回火温度为350-450℃，优选400℃，回火时间为12-18h，优选16h；且2次中温回火之间的空冷时间为10-20h，优选16h；中温回火完成后进行低温回火，回火温度为150-250℃，优选200℃，回火时间为5-8h，优选200℃；经过高温回火、淬火、中温回火、低温回火等一系列操作，消除了锻模基材100内部的内应力，提高了锻模基材100的内部性能，而且提高了锻模基材100表面与打底层211的结合效果，避免了锻模在使用过程中发生开裂；

堆焊后进行焊后热处理对堆焊完成的锻模进行热处理，将锻模随炉升温至500-600℃，优选550℃；保温8-10h，优选9h；而后随炉冷却至常温；再进行数控加工打磨

对锻模型腔进行数控加工去除焊接后表面多余的焊材，并对型腔加工后仍存在缺陷的位置进行补焊，补焊完成后在550℃下进行回火，保温5-8h，优选6h；对工作面进行打磨收光，使得表面光洁度达到3.2以上。锻模工作面200由底层到顶层依次包括打底层211、过渡层212和工作层213，所述的打底层211与锻模基材100表面直接接触。锻模工作面200的过渡圆弧段222采用井字堆焊单元310分格堆焊，锻模工作面200的中部圆弧段221和端部圆弧段223采用网格堆焊单元320堆焊。

实施例2

本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：

(1)堆焊打底层211的过程中采用直流焊机进行堆焊，打底层211采用的焊材为h13焊材，h13焊材合金成分为：c：0.35％，si：1％，mn：0.3％，cr：5％，mo：1.5％，v：1％，过渡圆弧段222的打底层211厚度由中部圆弧段221至端部圆弧段223逐渐增加，即过渡圆弧段222的打底层211靠近中部圆弧段221的厚度大于靠近端部圆弧段223的厚度，从而加强了打底层211稳定性，防止打底层211与锻模基材100结合的部位发生开裂；

(2)堆焊过渡层212的过程中采用气体保护焊进行堆焊，过渡层212采用的焊材为合金镍钼焊材，过渡层212的焊材为合金镍钼焊材合金成分为：c：0.07％，si：0.8％，mn:0.8％，cr：3.5％，mo：4.2％，fe：3.2％；采用气体保护焊进行堆焊的过程中可以使得堆焊得到过渡层212具有一定的弹性，从而使得在锻模锻打重载轴时过渡层212可以发生较小的弹性变形，从而将受力传递、分散至打底层211，且过渡圆弧段222的打底层211厚度由中部圆弧段221至端部圆弧段223逐渐增加，避免在锻打的过程中锻模开裂；

(3)堆焊工作层213的过程中采用氩弧焊进行堆焊，工作层213采用的焊材为高合金镍钼焊材，工作层213的焊材为高合金镍钼焊材合金成分为：c：0.08％，s：0.6％，mn：0.7％，cr：5.6％，mo：7.5％，fe：6％，co：0.1％；采用氩弧焊堆焊工作层213，使得工作层213表面具有较强的硬度、强度和耐磨性，并配合过渡层212具有一定的弹性，可以保证锻打过程中工作层213不会发生开裂，从而提高了使用寿命。

实施例3

本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：

采用步骤(1-2)中的方法在过渡圆弧段222的打底层211上堆焊过渡层212，形成过渡圆弧段222的过渡层212；采用步骤1-2中的方法在过渡圆弧段222的过渡层212上堆焊工作层213，形成过渡圆弧段222的工作层213；即过渡圆弧段222的打底层211采用井字堆焊单元310分格堆焊，而过渡圆弧段222的过渡层212和工作层213采用网格堆焊单元320堆焊。

过渡圆弧段222的打底层211采用井字堆焊单元310分格堆焊，且过渡圆弧段222的打底层211厚度由中部圆弧段221至端部圆弧段223逐渐增加，即过渡圆弧段222的打底层211靠近中部圆弧段221的厚度大于靠近端部圆弧段223的厚度，从而加强了打底层211稳定性，从而提高了打底层211的强度，在锻打的过程中过渡圆弧段222的打底层211可以将受力分散至锻模基材100上，且打底层211采用井字堆焊单元310分格堆焊，可以实现过渡圆弧段222的打底层211厚度由中部圆弧段221至端部圆弧段223逐渐增加，从而防止锻打的过程中打底层211塌陷，进而提高了使用寿命。

此外，值得注意的是中部圆弧段221、过渡圆弧段222和端部圆弧段223的过渡层212的厚度(深度)相同，且均为15mm，过渡层212厚度均匀，可以提高过渡层212的稳定性和应力传递效果，避免在锻打的过程中发生损坏；中部圆弧段221、过渡圆弧段222和端部圆弧段223的工作层213厚度相同，且均为15mm；进而提高锻模表面工作层213的耐磨性和韧性。

实施例4

本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：所述的井字堆焊单元310由2-5条轴向焊道301和2-5条弧形焊道302交叉堆叠构成，本实施例优选3条轴向焊道301和3条弧形焊道302(如图5所示)。井字堆焊单元310相互拼凑、堆叠，且过渡圆弧段222的焊层厚度由端部圆弧段223至中部圆弧段221端逐渐增加，可在锻打的过程中将受力分散至井字堆焊单元310，从而避免了锻打过程中过渡圆弧段222发生应力集中而损坏；过渡圆弧段222的打底层211厚度由端部圆弧段223至中部圆弧段221逐渐增加，过渡型腔面120的过渡层212厚度均匀相同，即由端部圆弧段223至中部圆弧段221的过渡层212的厚度不变；过渡型腔面120的工作层213厚度均匀相同，即由端部圆弧段223至中部圆弧段221的工作层213的厚度不变，可以提高锻模的性能，提高锻模的使用寿命。

在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。

更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、(例如各个实施例之间的)组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。例如，在本发明中，术语“优选地”不是排他性的，这里它的意思是“优选地，但是并不限于”。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。