莱芜大横梁

一体式全封闭高强度侧围加强板冲压工艺研究
导读：本文主要介绍了某车型不拼焊一体式全封闭侧围加强板，阐述了其在工艺、成本、生产稳定性、余废料利用等方面的优越性，既提升了整车材料利用率，又推动了一体式全封闭高强板侧围加强板的应用。
全封闭侧围加强板具有提升白车身材料利用率，车身安全强度高，尺寸稳定性高，匹配关系简单，生产效率高，车身轻的优点。经过几个车型的应用，虽然全封闭侧围加强板优点众多，但是其拼焊成本高、生产稳定性差的问题一直是困扰行业的难题。本文介绍的一体式全封闭侧围加强板，就很好的克服了这两个问题，具有一定的推广应用价值。
侧围加强板
传统的侧围加强板是由几个简单的高强板组合拼接而成，这种方式的侧围加强板总成尺寸稳定性较低，降低了汽车白车身的尺寸合格率。
整体封闭结构的侧围加强板(图1），相对于多个小零件点焊合成的侧围加强板总成具有整车减重、总成强度高、尺寸相对稳定、板料成本低、大幅度降低生产设备总吨位、减少工装数量和制造成本、降低生产成本、减少生产准备的匹配时间等优势。
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图1 整体式拼焊加强板
整体式拼焊加强板在冲压成形过程中，**问题有两个：⑴激光拼焊焊缝端头引起的开裂问题，导致尺寸稳定性较差、废品率高。⑵生产中焊缝区域模具镀层磨损严重问题。而采用不拼焊的一体式封闭侧围加强板很好的了这两个问题。
产品特性
某车型侧围加强板采用不拼焊的一体式全封闭侧围加强板，如图2所示。
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图2 一体式全封闭加强板
如图3所示，零件板材尺寸大小为1.6mm×1475mm×1830mm，重量为37.97kg，材质为TRIP600。
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图3 零件板材示意图
工艺分析
该产品工序内容如图4所示。
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图4 工序流程图
通过使用计算机模拟技术，识别产品开裂、起皱、回弹状态，对制件进行模拟分析，分析图如图5所示。
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图5 CAE模拟分析效果图
余废料利用
一体式全封闭加强板在落料过程中，门洞废料尺寸较大，二次利用价值高，如表1所示。
表1 废料参数
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如图6所示，根据门洞废料的大小和形状，确定落料时门洞废料的收集方式，通过与相同的材料、以及类似材料的制件进行对比，将侧围加强板、侧围内板综合评价，确定了门洞废料的利用方案：门洞废料收集用于侧围内板T02。此方案得到产品试验认可，单车降成本56.8元。
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图6 废料利用
板料性能测试机分析
前期通过模拟分析，一体式全封闭侧围加强板，需采购材质为TRIP600、厚度为1.6mm、卷宽为1570mm的卷料，属于**宽类钢板。经过与国内外钢材生产厂家技术沟通后，目前正在试验阶段，在此项目调试阶段可以满足需求，如表2所示。
表2 模拟数据表及拉伸试验报告
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成本分析
在产品设计初期，关于侧围加强板产品设计，采用何种方式，我们也进行了充分论证，关键点是设计为整体式还是拼焊式，为此我们进行了详细的分析和论证，主要涉及下面三个方案：⑴不等厚激光拼焊全封闭结构。⑵等厚激光拼焊全封闭结构。⑶一体式全封闭结构。
三种方案在材料利用率、钢加成本、拼焊成本、开卷落料成本、制件调试难度、预计冲压废品、模具国产化难易程度、尺寸精度控制、投资成本等方面进行对比，如表3所示。
表3 侧围加强板不同拼焊方式对比估算表
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通过综合对比，一体式全封闭侧围加强板投资成本低于其他方案。
实施效果
该侧围加强板量产以来，各项性能指标均达到或**出项目目标。
⑴板料成本：单车板料成本165元，较以往车型降低33%。
⑵生产效率：预计生产效率5次/分，实际单批次生产效率达到5.63次/分，较预期提升近12.6%。
⑶生产废品率：预计废品率控制在0.3%以下，实际废品率在0.054%。
⑷余废料利用：达成预计效果，单车降成本56.8元。
总结
整体高强度封闭结构拼焊板冲压生产，存在成形激光拼焊焊缝端头引起的开裂问题，导致尺寸稳定性较差、废品率高，这些问题在已经量产的车型中不同程度地制约了整体结构侧围加强板优势的展现。不拼焊的一体式全封闭侧围加强板可以完避免这个问题，同时生产成本大幅降低。
结束语
⑴本项目通过对某车型侧围加强板的工艺结构进行优化，消除以往车型生产稳定性差的问题，同时通过余废料利用，提升了整车材料利用率，保证了侧围加强板的工艺先进性，大大的推动了一体式全封闭加强板的应用，为**宽TR类高强钢的应用提供了数据支撑。
⑵从长远来看，提高白车身尺寸精度、提高高强板应用率是个永恒不变的话题，产品质量决定了产品的竞争力。
⑶从内部来看，能够快速提高工艺人员生准的水平，提高工艺人员对零件、材料的掌握能力，提高工艺人员对产品质量的控制能力；从横向来看，行业内均能够进行推广，提高企业整体实力。

发动机活塞演变过程及锻钢活塞研究
活塞是汽车发动机的“心脏”，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件恶劣的关键零部件之一。随着国五及国六排放标准实施，常规的铝合金和铸铁活塞已远远不能适应高性能发动机的高增压、低油耗、低排放等新技术要求。
锻钢结构活塞因的抗高温性能，可承受住重型商用车发动机的高爆发压力，成为了解决方案。爆发压力是发动机气缸里压力，它决定了发动机对外输出的功率及排放，发动机爆发压力在1961年只有110Bar，2000年上升到180Bar，随后几年加速上升至240Bar，预计2020年可达到270Bar。
随着越来越严苛的排放标准实施，中国汽车发动机行业将发生较大变化，尤其是重型柴油机对钢活塞的需求将会日益上升，锻钢活塞的需求量将会逐年攀升，市场前景会更加宽广。
发动机活塞产品介绍
活塞在高温、高压、高负荷条件下工作，对材料、机械性能要求相对比较高，要有足够的强度、刚度，重量要轻，以保证小的惯性，导热性还要好，还需耐高温、高压、腐蚀，保证充足的散热能力，且受热面积要小。按制造活塞的材料及演变过程可分为铝合金活塞、铸铁活塞、钢活塞三大类。
铝合金活塞
铝合金活塞材质轻，能有效降低总成重量，密度小，大大减小了活塞的质量及往复运动的惯性力。铝合金活塞常常应用于中小缸径的中高速内燃机上，工作过程中产生的惯性小，对高速内燃机的减振和降低发动机的质量有重要意义，典型铝合金活塞如图1所示。
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图1 铝合金活塞
铸铁活塞
现代发动机尤其是柴油机为了大幅度地提高热效率，增压程度不断提高，这使得气缸内部的热负荷明显增大。铝合金活塞本身固有的热强度不高、线膨胀系数较大的缺点越来越严重，使其在柴油机上的使用范围受到明显的限制。为此，在一些大负荷的柴油机上，开始采用热强度和耐磨性较高而线膨胀系数较低的铸铁活塞，铸铁的密度约为铝合金的3倍，中、小型卡车典型的铸铁活塞如图2所示。
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图2 铸铁活塞
锻造钢活塞
以上活塞都是采用铸造工艺进行生产，随着大马力汽车发动机快速发展，尤其是重型柴油发动机涡轮增压，低排放等要求的不断提高，传统铝合金及铸钢活塞材料已无法满足使用要求。目前国外很多公司已将钢活塞应用于高性能中重型柴油机上，如曼、卡特彼勒、康明斯、戴姆勒、沃尔沃、奔驰等公司。
钢的机械强度高，耐热性、耐蚀性以及耐磨性均优于铝合金和铸铁，具有高弹性模量，优良而稳定的高温性能和比较低的线膨胀系数等优点，但缺点是密度大、加工麻烦、成本高，对缸套的磨损严重，为使活塞质量更轻，通常将钢制活塞的结构设计得十分复杂，活塞裙部断面很薄，锻造工艺难度较大，复杂系数达到S4级别，钢活塞产品如图3所示。
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图3 商用车钢活塞
锻造钢活塞生产研究
锻造钢活塞在近几年发展比较迅速，是活塞产品的主流生产工艺，随着国家对环保力度的加强，发动机排放标准日趋严格，钢活塞产品的发展空间将会更大。锻造活塞对产品结构、形状要求严格，生产成本高，后续机加工难度比较大，在生产过程中容易产生模具寿命低、裙部充不满、裙部变形、淬火裂纹、表面质量不满足要求等问题。
活塞锻件结构分析
⑴活塞进、出油孔。
传统的钢活塞内腔进、出油孔都是通过机加工实现的，这样活塞产品内腔结构比较简单，模具内芯经过氮化处理后抗磨损性能加强，模具寿命较高。随着客户对产品要求的不断提高，原来经过机加工方式获得的进、出油孔结构需要采用锻造方式实现，这就给锻造工艺带来很大的难度，常见的活塞进、出油孔结构如图4所示。
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图4 常见活塞进、出油孔形状
目前高压缩比活塞产品进、出油孔结构比较复杂，个别出油孔直径只有φ8mm左右，拔模角在5°～10°，这样给模具制造带来很大难度，进、出油孔直径比较小，在模具上呈现凸起结构，耐磨性差，导致模具寿命偏低。同时客户对锻件进、出油孔尺寸精度要求非常高，有轮廓度、公差的要求，轮廓度要求±0.5mm，生产过程中模具稍有磨损就可能导致轮廓度**差，产生批量废品，油孔形状如图5所示。
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图5 高压缩比活塞进、出油孔形状
⑵锻钢活塞结构。
1)整体结构：发动机在国四排放标准之前，国内主流锻造活塞为整体结构，将活塞头与活塞裙集成为一体，锻件毛坯重量约为成品重量的2～2.5倍，经过机加工后成品重量比较轻，同时强度及性能都可以满足工况要求，活塞整体高度降低，减小了发动机高度，节约了装配空间，同时对减轻整车的重量有着积极的作用，但是这种结构的活塞加工成本较高，活塞油道环状凹槽加工难度大，对机加工设备、工艺、加工刀具的寿命具有很大的挑战性，典型的整体锻造钢活塞产品如图6所示。
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图6 整体钢结构活塞
2)铰接结构（钢活塞**部+铝合金裙部）：大马力发动机的活塞负载很大，所以要用钢材料，而活塞是往返运动件，消耗的能量很多，这就要求重量应尽量轻一些，所以底部还是要用轻材料铝合金，这样就诞生了铰接结构活塞，如图7所示。
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图7 铰接结构（锻钢+铝合金）
3)分体结构（钢活塞头+钢活塞裙）：活塞头和活塞裙通过激光焊接组成的活塞可以满足发动机排放标准要求，同时此种活塞以高压缩比，燃烧更充分等优点将逐渐替代整体钢活塞，锻造钢活塞头及活塞裙产品如图8所示。
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图8 分体结构（活塞头+活塞裙）
锻造过程模拟分析
活塞产品设计过程中采用Forge软件进行工艺模拟，通过对镦粗、预锻、终锻各工位数值模拟，在项目开发过程中将工艺、设计等问题的风险降到，经过几轮的工艺模拟论证，终确定数模用于模具加工制造。
⑴镦粗模拟结果分析。
镦粗工位主要控制坯料镦粗高度及去除氧化皮，镦粗高度对预锻件充满程度有很大影响，此活塞产品坯料高度由135mm镦粗至90mm。
⑵预锻模拟结果分析。
预锻是活塞产品工艺设计成败的关键，保证预锻充满良好的同时锻打力还不能**出锻造设备的额定吨位。图9所示状态均为设计厚度(N+1)mm时的模拟情况，预锻充满良好，预锻工位的锻打力在额定的设备吨位以内。
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图9 预锻充满情况
⑶终锻模拟结果分析。
终锻工序是保证客户终产品的工位，此工位的模拟结果直接影响现场实际生产时终锻件的质量，模拟参数的设置很关键，模拟步骤设置的越细结果越接近实际生产情况。
终锻件充满情况如图10所示，由模拟结果可以看出，在厚度尺寸+1mm情况下，终锻件充满良好，这样设置模拟的目的是保证实际生产过程中锻件充满，为充满预留一定的保险系数，同时也为实际生产原材料下料提供数据参考。
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图10 终锻充满情况
总结
锻造钢活塞是发动机活塞将来发展的趋势，也是主流生产工艺，一汽锻造公司没有该类产品的开发经验，在公司的大力支持下，项目团队临危受命，经过两年多的技术攻关实现活塞产品大批量生产，产品质量获得客户的充分认可。开发过程中获得**一项，技术创新二十余项，后续针对未关闭的项目加大研发力度，突破锻钢活塞技术、工艺难题，为公司提质、降本、增效提供强有力的支持。

耙斗机安好尾滑轮并且进行有关的安全检查，便可启动电动机，开始装岩工作。工作时，拉紧工作滚筒的操纵杆，工作滚筒便牵引耙斗，扒取岩石，沿料槽卸人矿车。然后松开工作滚筒操纵杆，拉紧滚筒操纵杆，使空耙斗回到迎头，重复扒岩动作。连扒2—3次便可装满一矿车。
耙斗机还可用于倾斜巷道装岩，但在坡度较大时，除使用原有的前轨器外，还应增设阻车装置，加强防滑措施和安全保护。为保证较高的生产率及便于铺设前轨器，装岩机工作时，离开迎头远不宜**过 15m。为避免放炮时机器受损，机器离迎头一般不小于6m。
耙斗机安好固定楔后，便可把尾轮挂在楔体的圆环上，尾轮的悬挂位置随巷道情况而定，一般悬挂在迎头岩石堆上面800～1000mm高度处为佳，为减轻工作辅助劳动，提高机器的装载率，应视岩石堆积情况而左右移动悬挂位置，以扒净中间和两侧货物为准。在悬挂和取下尾轮时，应先将绞车滚筒边缘的辅助刹车弹簧松载，以便人工能轻松地拉动钢丝绳，便于悬挂，待尾轮悬挂好后，再将弹簧复位或调节到合适压力。

激光焊接技术在电镀模具的应用
随着模具电镀（表面镀铬）技术的日趋成熟，为了防止制件拉毛缺陷，拉延模具表面进行电镀已经成为常态化，目前汽车覆盖件主机厂60%以上的模具在调试稳定后都需要电镀。电镀后的拉延模一旦损伤，以传统的方法修复成本较高，维修周期长。本文介绍了一种针对电镀拉延模具简单快捷、维修成本低的修复方法—激光焊接修复法（本文使用的激光焊机型号为ALM200），可以有效降低维修成本及维修时间。
传统电镀模具修复方法及优缺点
模具镀铬技术是在模具工作表面电镀上一层金属铬，铬层具有很高的硬度，其硬度一般可达到64HRC以上、且表面粗糙度小，使得电镀模有很好的耐磨性。同时镀铬层也具有较好的耐热性。然而电镀模具一旦损伤再修复及其困难。传统电镀模具损伤后的修复方法有两种。
一种是直接光顺模具或者用气焊烤起模具损伤部位再研修。此种方法的维修周期短，一般根据模具损伤面及损伤部位，在几十分钟到几个小时内即可完成。但直接光顺模具，电镀层会遭到进一步的破坏（图1），在镀层与非镀层交汇处制件成形后往往会产生质量缺陷。另外气焊的温度能够达到3200℃，模具电镀层在烘烤后必然会遭到破坏(图2）。
另一种方法是先脱镀再修复，修复完成后再电镀。其优点是可以彻底消除制件质量缺陷保正模具的成形的稳定性，但是脱镀后重新电镀的维修成本高。以普通车型翼子板为例，脱镀后重新电镀一次大约需要3～4万元，而且此方法的维修周期长，一个脱镀电镀加维修的周期至少需要3到5天时间，维修期间需要充分考虑模具的产量及生产周期。
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图1 电镀层光顺后损坏
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图2 电镀层气焊烘烤后损坏
传统方法修复时往往涉及到烧焊，普通焊接温度较高，而且辐射范围大，会较大的破坏电镀层。据铁碳合金相图可知，铸铁的熔化温度至少在1148℃，远**电镀层的损坏温度(700℃），而手工氩弧焊的电弧温度可以达到10000℃以上，手工电焊的电弧温度也在6000℃～8000℃，这样电镀层周围很大区域都会受到电弧的热影响。普通焊接的焊接层的余量不易控制，较大余量较易造成在研修过程中电镀层二次损伤(图3）。
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图3 镀层烧焊边缘损坏
激光焊接
目前主机厂常用焊接设备（手工氩弧焊与手工电弧焊）热量高，并且热辐射范围大是导致修复电镀拉延模具失败的根本原因，那么要想更加有效的修复电镀拉延模具，就需要有一种好的焊接方法，热量低并且热影响范围小。
通过对比和多次实验，发现激光焊具两个优点：⑴热量小，焊接边缘不易咬边；⑵焊接精准，烧焊层的厚度易于控制，目前激光焊设备焊层可控制在0.2～0.6mm。
图4为型号ALM200的激光焊机。图5为该焊机焊接时的照片。激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种焊接方法。焊接过程中热量从表面逐渐传递到内部，使工件熔化形成熔池，再向熔池内添加焊丝，以形成激光焊缝。
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图4 ALM200激光焊机
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图5 ALM200焊接照片
ALM200激光焊机的使用方法
⑴调节立体显微镜。1）调节目镜镜筒以配合眼睛瞳孔间的距离。2）定位眼睛观察位置。3）调整眼睛接触点。4）调整视力矫正设定。
⑵开启焊机。等待直到准备好的绿色指示灯点亮。
⑶准备工作。1）移动激光焊机接近工作位置。2）定位光标到焊接位置。
⑷焊接。1）打开激光安全闸门。2）设定所需的激光参数数值。3）将氩气的开关靠近激光焦点合适的位置上。
⑸关闭焊机。1）向左方向转动主电源开关，使之转动到关断位置。2）关闭氩气气瓶上的阀门。
ALM200激光焊机参数的选定
结合实际操作，总结经验参数选定方案如下。
⑴焊丝直径。焊丝直径的选择与所焊接的零件形状有关。一般在焊接较大面积的焊接堆填，可以用直径0.7mm或0.6mm的焊丝。一般的边线和较精细的平面，可以用直径0.4mm或0.5mm的焊丝。一般精细的边线和精细尖角，可以用直径0.2mm或0.3mm的焊丝。焊丝的直径一般不应**过0.8mm。
⑵光束直径。光束直径的选择与所选用的焊丝直径有关，一般为焊丝直径的1.2～2倍，在此范围内看所需焊补零件的部位情况而定，如平面大面积的堆填，可以用到2倍。尖角位置的补焊，可以用1.2倍再取整调节出激光束大小的值。较为常用的为1.4或1.5倍左右。如0.3mm的焊丝，用直径0.4mm，直径0.5mm，直径0.6mm的光束，而较常用的为0.5mm的光束直径。
⑶激光脉冲持续时间。一般使用的时间长度为4ms到7ms之间为宜，较常用的参数为5ms左右。
⑷激光产生频率。激光产生频率是焊接速度的参数，其与焊接操作者的熟练程度、所焊接零件焊接难易程度及复杂程度有关。焊接操作者的熟练程度越高，对焊接技术把握越好，就可以使用较高的焊接频率以提高速度，提高工作效率。反之，则需要使用较低的焊接频率，以把握好焊接的质量和可靠性。
⑸焊接脉冲波形。该参数有4种，S-，S1，S2，S3，其中S-的波形是不可变动的固定方波，S1，S2，S3是用户自定义的波形，一般情况下选用S-。
⑹焊机的焊接电压。在以上参数确定后，一般情况下，焊丝直径大，电压需调高，焊丝直径小，电压需调低。激光光束直径大，电压需调高，激光光束直径小，电压需调低。激光激励时间长，电压需稍低，激光激励时间短，电压需稍高。波形样式中波形削减越多，电压在与方波情况相比则需越高。焊接工件焊点面积大，热量散失多，电压就需调高。焊接工件越精细，尖角，锐边的情况，电压就需稍调低。
⑺氩气的调节。一般情况下，氩气的流量可以控制在每分钟5升到7升，在焊接工件部位复杂，喷气角度不方便调，需使用两支喷嘴时，可适当加大流量，一般也不**过每分钟12升。
激光焊接修复实例
以下以某车型前门外板拉延凸模为例，介绍激光焊接的具体修复。
⑴损坏情况。生产过程中模具垫异物损坏，损坏深度约0.2mm，损坏区域直径约为10mm，如图6所示。
⑵焊接方法。本次焊接使用直径为0.4mm的激光焊焊丝，烧焊一层即可达到烧焊高度要求，图7为焊接后的状态，烧焊边缘电镀层没有损坏，烧焊边缘没有咬口。
⑶研修方法。
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图6 模具损伤照片
1）在研磨量较大时根据使用工具的种类选用砂轮机或者角磨机，研修过程中要用研板和刀口尺检查研修后的型面（图8），研修剩余大约0.02mm的余量。
2）用小油石（油石颗粒密度120左右）去除烧焊处的高点(图9），并用研板和刀口尺检查，研修至剩余大约0.005mm的余量。
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图7 焊接后效果图
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图8 研板刀口检查
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图9 小油石去高点
表1 实际工作中总结的焊接参数（根据实际情况可微量调整）
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图10 大油石光顺
3）用大油石（颗粒密度250左右）研修光顺整个烧焊周围的型面，直至烧焊处与周围电镀层完全接上 (图10）。
⑷修复的效果。
1）本次维修烧焊30分钟，研修30分钟，较大的缩短维修周期，提高了工作效率。2）图11为修复后的效果，研修后焊点周围电镀层无损坏，制件表面无缺陷。
结论
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图11 修复效果
⑴通过多次利用激光焊接技术对电镀拉延模具的成功修复，证明激光焊接技术修复法是一项比较成熟的修复方法，已形成操作标准。
⑵在大量的修复工作中，针对焊接不同材料，不同型面的模具，总结出了较合适的焊接参数(表1）。