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1、軋制機齒輪軸的焊接修復 1.引言 金屬結構因具有良好的物理化學特性和力學性能 而廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領域。由于應力腐蝕和 疲勞，以及外來物的沖擊，現(xiàn)役金屬結構容易產(chǎn)生裂紋 和損傷。 金屬構件的修復可以分為兩類:一類是存在的缺 陷或損傷使結構的性能降低到設計不能允許的水平， 對此類損傷結構必須進行修復或更換;另一類缺陷或 損傷較小，其存在對結構的性能影響程度有限，但在使 用條件下，這類缺陷或損傷可能進一步擴展，不能滿足 使用要求。對此類損傷結構需要進行有效地監(jiān)測與控 制，當損傷發(fā)展到一定程度后，要及時進行修復或更 換。焊接是金屬結構修復的重要手段，目前常用的焊 接修復方法有焊條電弧焊、埋

2、弧焊、氣體保護焊、釬焊、 激光焊、攪拌摩擦焊等。 焊接修復工藝的好壞直接影響焊接質量。熔滴過 渡、弧焊電弧穩(wěn)定性、焊接過程控制、焊縫跟蹤及殘余 應力的檢測與控制等技術是焊接工藝研究的重難點， 因此通過視覺傳感技術、小波分析、輪廓法等一些應用 于焊接過程以及焊后檢測的先進技術，研究不同控制 監(jiān)測方法對焊接電弧平穩(wěn)性和焊接質量的提高、焊后 殘余應力的減小的作用，有助于對焊接修復過程的理 解，可為新的修復控制方法的提出、新的焊接電源的開 發(fā)和工藝的改進提供有效的技術參考。 2.焊接修復工藝 2.1熔焊修復 2.1.1焊條電弧焊 電弧焊是利用焊條和工件間產(chǎn)生電弧熱，將工件 和焊條加熱熔化而進行

3、焊接的，其優(yōu)點是操作靈活，待 焊接頭裝配要求低、可焊金屬廣且熔敷速度較低。 2010 年，石金磊等人［1］將焊條電弧焊應用于管道 修復中，系統(tǒng)研究了焊條電弧焊的工藝要點，焊條直 徑、種類、牌號、焊接電流、電源種類和極性、電弧電壓、 焊接速度和焊接層次等。2012 年，白霞光等人［2］對焊 條電弧焊在管道修復中的操作過程進行研究，將焊接 操作分為引弧、熔池保持、電弧行走及收弧四個步驟， 并分別確定了各個步驟的常用方法以及焊接運動方 式。同年，張鑫等人［3］分析了焊條電弧焊在管線修繕 工作中的危險性，認為電弧過大侵蝕管材，使管材變薄 而不能承受內(nèi)在介質的壓力而破裂，并且通過對河南 安陽燃氣天然管

4、道和山東東明石化煉油廠管線進行維 護，得出焊條電弧焊在管線修復中有較好工程效果的 結論。2013 年，馬國等人［4］通過對 2 種不同的汽車覆 蓋件鑄造模具鋼材料的焊接修復工藝進行對比，研究 更能夠適用焊接接頭的母材的熱處理方案。不同的熱 處理工藝表明，鑄造模具鋼材料在鑄態(tài)焊接時:焊接接 頭按照母材退火工藝 860 ℃保溫 2 h，隨后 760 ℃ 保溫 4 h，然后爐冷，進行退火后，不論哪種電流焊接均在原 淬火區(qū)中出現(xiàn)了再熱裂紋，母材的退火工藝并不適用 于焊接接頭。 2.1.2埋弧焊 埋弧焊相對于焊條電弧焊機械化程度及生產(chǎn)效率 高，其工作原理是焊接電弧在焊絲與工件之間燃燒，電 弧熱將焊絲

5、端部及電弧附近的母材和焊劑熔化。熔渣 則凝固成渣殼，覆蓋于焊縫表面。 2006 年，張羽等人采用變頻調(diào)速自動埋弧焊技術 針對冷凝管車間 1 200 t 臥式擠壓機主柱塞、穿孔塞進 行修復。2010 年，Ｒupesh Kaushik ［5］通過保持焊接電 流、電壓、焊接速度以及其他參量恒定單一研究了助焊 劑對高強度低合金焊縫拉伸強度、沖擊強度、硬度、顯 微結構等影響，通過分析試驗數(shù)據(jù)、仿真模擬及對顯微 結構的分析，確定了焊接接頭各項性能較好的助焊劑。 王清寶［6］針對埋弧堆焊藥芯焊絲，通過優(yōu)化 Cr5 系合 金成分，改變藥芯焊絲的合金元素加入形式，研究了熔 敷金屬高溫拉伸性能、熱疲勞性能和磨損

6、性能的差異， 同時研究了熔滴及熔池階段的凝固組織，焊態(tài)及熱處 理態(tài)顯微組織的演變規(guī)律，對堆焊熔敷金屬力學性能 的影響因素和規(guī)律進行了分析，改善軋輥表面材料失 效的問題。另外，王元良等人［7］對汽車磨損零件裂紋 進行多電源雙(多)絲埋弧焊、單電源串并列雙絲埋弧 焊焊接修復，系統(tǒng)梳理了不同焊接方式在節(jié)約電能、減 少裂紋傾向、提高生產(chǎn)率、改善接頭性能、提高焊縫質 量方面的特點，滿足焊接缺陷變形和殘余應力控制的 要求。 因此，埋弧焊在修復金屬結構方面主要用于材料 表面改性，廣泛應用于對機械、航空航天、汽車領域的 凸輪、曲軸、活塞、汽缸、離合器等表面易磨損零部件的 修復或修補。針對高溫環(huán)境下工作的飛機

7、發(fā)動機渦 輪、皮帶輪、油壓機柱塞等，也有很好的修復性。 2.1.3氣體保護焊 氣體保護焊利用氣體作為電弧介質，并且可以保 護電弧和焊接區(qū)。由于 CO2 氣體保護焊修復對焊件表 面油污不敏感，且氣體價格低廉，以 CO2 氣體保護焊修 復受損零件為主。 早于 1993 年，太原重型機械集團有限公司黃家 鴻［8］就運用 CO2 氣體保護焊對大型錘頭進行修復。 2003 年，該公司王成文［9］采用 CO2 氣體保護焊對大型 水壓機立柱進行焊接修復，嚴格控制焊前預熱溫度以及焊后時效處理，質量檢查合格。同時，也對大型軋機 鑄軋輥進行富氬混合氣體保護焊，經(jīng)著色探傷檢測，未 發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣、剝離等缺陷，

8、修復成功。2015 年，高黨 尋等人［10］對清華大學 1922 級噴水塔進行修補，針對塔 身裂縫處灰鑄鐵材料的特點，采取 CO2 氣體保護半自 動焊配合高塑性材料進行修復。聶剛等人通過葉片裂 紋補焊工藝試驗，確定采用鎳基焊接材料的 TIG 焊接 工藝，成功地補焊修復了大量葉片裂紋。MIG 與 TIG 工藝類似，MIG 焊將焊炬內(nèi)的鎢電極用金屬絲代替，趙 卓［11］研究了新型鑄造熱作模具鋼 MIG 焊接接頭組織 結構特點、焊接工藝參數(shù)對接頭組織及硬度的影響、接 頭的力學性能及裂紋敏感性。通過試驗以及對焊接接 頭組織分析和硬度測試，評價焊接性能，設計并優(yōu)化出 合理的焊接工藝參數(shù)以達到對失效熱作模

9、具實用、快 速、高效的修復。 氣體保護焊主要用于對高碳鋼材料及鑄鐵結構的 焊接修復。鑄鐵焊接性能差，氣體保護焊由于電弧在 保護氣流的壓縮下熱量集中，焊接速度較快，熔池較 小，熱影響區(qū)窄，焊件焊后變形小，因此避免了高碳鋼 及鑄鐵由于塑性不足而產(chǎn)生裂紋。另外，惰性氣體保 護焊(TIG，MIG)也可以焊接化學活潑性強和易形成高 熔點氧化膜的鎂、鋁、鈦及其合金。其缺點是成本高、 焊前清理要求嚴格且對環(huán)境風力要求苛刻。如何揚長 避短還有待進一步的研究。 2.1.4激光焊 激光焊接生產(chǎn)線大規(guī)模出現(xiàn)在汽車行業(yè)。根據(jù)汽 車工業(yè)批量大、自動化程度高的特點，激光焊接設備向 大功率、多路式方向發(fā)展。在激光焊接

10、修復金屬結構 方面，海軍航空工程學院姜偉等人［12］為研究修復 K418 渦輪導向器的工藝，以 CO2 連續(xù)激光器為熱源，在渦輪 導向器試驗葉片表面熔覆自配粉末，獲得了微觀形貌 和顯微硬度均優(yōu)于基體組織的熔覆層。隨后改用 YAG 脈沖激光器作為熱源，進行熔覆效果對比，同時嘗試調(diào) 整粉末成分，加入鈮等稀土元素，進一步優(yōu)化材料參數(shù) 和工藝參數(shù)，焊接性能較好。隨后，空軍第一航空學院 代永超［13］對飛機的 TC4 鈦合金結構激光焊接修復工 藝進行研究，取 3 個式樣進行激光焊接參數(shù)設計及激 光焊接試驗，并對接頭進行力學性能測試，以接頭強度 值為評估指標對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，最后分析焊接接 頭的微觀組織

11、。近些年，激光焊在醫(yī)療器械方面應用 廣泛。清華大學的李曉莉等人［14］，研究了高溫合金 K403 基體上采用鎳基自熔合金和自配無硼、硅元素鎳 基合金的激光同步送粉熔覆過程，分析了基體組織狀態(tài)、熔覆層材料和熔覆工藝參數(shù)對熔覆層裂紋傾向的 影響，探討了激光熔覆技術強化和修復高溫合金葉片 的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，激光熔覆時大多數(shù)裂紋是從基 體形成后深人到熔覆層中，而基體組織中縮松等鑄造 缺陷及晶界低熔點共晶的存在是熔覆層開裂的重要原 因。采用無硼、硅元素合金熔覆改善了結合區(qū)性能，與 自熔合金相比，有助于改善熔覆層裂紋傾向。此外，吉 林大學一些學者［15］研究了激光堆焊修復模具開裂后的 仿生耦合強化問題，

12、根據(jù)仿生耦合原理，利用激光技術 在疲勞試樣表面設計并制備出具有修復和止裂功能的 單元體，使單元體按生物體表強化單元分布規(guī)律組合， 并與母體材料構成仿生耦合表面，并考察了強化后試 樣的抗拉強度和熱疲勞性能，并將此技術應用于對熱 作模具的修復上。 激光焊對于鈦及鈦合金的薄板及精密零件的焊接 具有更廣泛的前景，只要工藝參數(shù)匹配合理，TC4 鈦合 金焊縫內(nèi)部質量可達到 GB3233—87K 級焊縫要求。 2.2固相焊修復 2.2.1釬焊 釬焊可以采用比母材熔點低的金屬材料作釬料， 將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點，低于母材熔化溫 度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相 互擴散實現(xiàn)連接焊件

13、的方法。 1999 年，潘輝等人［16］針對一級、二級鎳基高溫合 金導向葉片的釬焊修復進行了研究。此類葉片修復難 度較大，主要難點有兩方面;一是待修復裂紋表面長期 在高溫燃氣作用下產(chǎn)生較厚的氧化膜，且由于母材中 含鈦、鋁和鉻等元素，很難用簡單的酸洗方法將此類氧 化膜去除;另外葉片裂紋開敞性差、材質硬，普通刀具 及機加工方法無法加工，因此機械加工去除氧化膜也 有一定的難度。二是葉片要求修復后形成的大間隙釬 焊接頭，具有較高的高溫持久性能、耐蝕性能和重熔溫 度。2010 年，王剛等人［17］對 K465 鎳基高溫合金葉片 進行修復，采用自制 1 號釬料合金進行了真空電子束 釬焊開非貫通槽和貫通槽

14、葉片模擬件試驗。發(fā)現(xiàn)開貫 通槽試件很少產(chǎn)生裂紋;而開非貫通槽試件都產(chǎn)生裂 紋，裂紋大多產(chǎn)生于焊縫或釬料和母材界面附近的母 材，整體沿著橫向穿過釬縫。2016 年，杜靜等人［18］對 K24 合金鑄件缺陷的真空釬焊修復工藝進行了研究， 選擇了適合 K24 合金鑄件缺陷釬焊修復的高溫釬料 B － 24，并對 B － 24 釬料進行了工藝性能試驗和釬焊接 頭的力學性能試驗。確定了 K24 用機械打磨和切割的 方式來清理合金鑄造件缺陷處(特別是裂紋)氧化膜的方案，以及真空釬焊修復工藝及鑄件釬焊修復后變形 的熱校形的方法。 釬焊不適于一般鋼結構和重載、動載機件的焊接 修復。主要用于制造精密儀表、電氣零部

15、件、異種金屬 構件以及復雜薄板結構，如夾層構件、蜂窩結構等。在 金屬結構的修復中，硬釬料(如銅基、銀基、鋁基、鎳基 等)具有較高的強度，廣泛應用于修復發(fā)動機渦輪葉 片、高溫合金葉片、大型汽輪機末級葉片等方面。 2.2.2攪拌摩擦焊 參考文獻 [1]張林儒,宮平,李志強.S355J2+N鋼板缺陷焊接修復接頭的組織和力學性能[J].焊接技術,2018,47(12):57-60. [2]郭有瑞.汽車塑料件焊接修復教學的可行性探究[J].汽車維護與修理,2018(24):66-68. [3]付威,呂宇玲.油氣管道在役焊接燒穿及氫致開裂預測[J].熱加工工藝,2018,47(23):241-2

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