軋制機(jī)齒輪軸的焊接修復(fù)

1、軋制機(jī)齒輪軸的焊接修復(fù)1.引言金屬結(jié)構(gòu)因具有良好的物理化學(xué)特性和力學(xué)性能 而廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。由于應(yīng)力腐蝕和 疲勞，以及外來(lái)物的沖擊，現(xiàn)役金屬結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生裂紋 和損傷。 金屬構(gòu)件的修復(fù)可以分為兩類(lèi):一類(lèi)是存在的缺 陷或損傷使結(jié)構(gòu)的性能降低到設(shè)計(jì)不能允許的水平， 對(duì)此類(lèi)損傷結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行修復(fù)或更換;另一類(lèi)缺陷或 損傷較小，其存在對(duì)結(jié)構(gòu)的性能影響程度有限，但在使 用條件下，這類(lèi)缺陷或損傷可能進(jìn)一步擴(kuò)展，不能滿足 使用要求。對(duì)此類(lèi)損傷結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)與控 制，當(dāng)損傷發(fā)展到一定程度后，要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)或更 換。焊接是金屬結(jié)構(gòu)修復(fù)的重要手段，目前常用的焊 接修復(fù)方法有焊條電弧焊、埋弧焊、氣

2、體保護(hù)焊、釬焊、 激光焊、攪拌摩擦焊等。 焊接修復(fù)工藝的好壞直接影響焊接質(zhì)量。熔滴過(guò) 渡、弧焊電弧穩(wěn)定性、焊接過(guò)程控制、焊縫跟蹤及殘余 應(yīng)力的檢測(cè)與控制等技術(shù)是焊接工藝研究的重難點(diǎn)， 因此通過(guò)視覺(jué)傳感技術(shù)、小波分析、輪廓法等一些應(yīng)用 于焊接過(guò)程以及焊后檢測(cè)的先進(jìn)技術(shù)，研究不同控制 監(jiān)測(cè)方法對(duì)焊接電弧平穩(wěn)性和焊接質(zhì)量的提高、焊后 殘余應(yīng)力的減小的作用，有助于對(duì)焊接修復(fù)過(guò)程的理 解，可為新的修復(fù)控制方法的提出、新的焊接電源的開(kāi) 發(fā)和工藝的改進(jìn)提供有效的技術(shù)參考。2.焊接修復(fù)工藝2.1熔焊修復(fù)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(jìn)行焊接的，其優(yōu)點(diǎn)是操作靈活

3、，待 焊接頭裝配要求低、可焊金屬?gòu)V且熔敷速度較低。2010 年，石金磊等人1將焊條電弧焊應(yīng)用于管道 修復(fù)中，系統(tǒng)研究了焊條電弧焊的工藝要點(diǎn)，焊條直 徑、種類(lèi)、牌號(hào)、焊接電流、電源種類(lèi)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(duì)焊 條電弧焊在管道修復(fù)中的操作過(guò)程進(jìn)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(gè)步驟， 并分別確定了各個(gè)步驟的常用方法以及焊接運(yùn)動(dòng)方 式。同年，張?chǎng)蔚热?分析了焊條電弧焊在管線修繕 工作中的危險(xiǎn)性，認(rèn)為電弧過(guò)大侵蝕管材，使管材變薄 而不能承受內(nèi)在介質(zhì)的壓力而破裂，并且通過(guò)對(duì)河南 安陽(yáng)燃?xì)馓烊还艿篮蜕綎|東明石化煉油廠管線進(jìn)行維 護(hù)，得

4、出焊條電弧焊在管線修復(fù)中有較好工程效果的 結(jié)論。2013 年，馬國(guó)等人4通過(guò)對(duì) 2 種不同的汽車(chē)覆 蓋件鑄造模具鋼材料的焊接修復(fù)工藝進(jìn)行對(duì)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(shí):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(jìn)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(duì)于焊條電弧焊機(jī)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

5、焊縫表面。2006 年，張羽等人采用變頻調(diào)速自動(dòng)埋弧焊技術(shù) 針對(duì)冷凝管車(chē)間 1 200 t 臥式擠壓機(jī)主柱塞、穿孔塞進(jìn) 行修復(fù)。2010 年，upesh Kaushik 5通過(guò)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(duì)高強(qiáng)度低合金焊縫拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、硬度、顯 微結(jié)構(gòu)等影響，通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)、仿真模擬及對(duì)顯微 結(jié)構(gòu)的分析，確定了焊接接頭各項(xiàng)性能較好的助焊劑。 王清寶6針對(duì)埋弧堆焊藥芯焊絲，通過(guò)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、熱疲勞性能和磨損性能的差異， 同時(shí)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

6、織的演變規(guī)律，對(duì)堆焊熔敷金屬力學(xué)性能 的影響因素和規(guī)律進(jìn)行了分析，改善軋輥表面材料失 效的問(wèn)題。另外，王元良等人7對(duì)汽車(chē)磨損零件裂紋 進(jìn)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(fù)，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(zhì) 量方面的特點(diǎn)，滿足焊接缺陷變形和殘余應(yīng)力控制的 要求。因此，埋弧焊在修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)方面主要用于材料 表面改性，廣泛應(yīng)用于對(duì)機(jī)械、航空航天、汽車(chē)領(lǐng)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(fù)或修補(bǔ)。針對(duì)高溫環(huán)境下工作的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦 輪、皮帶輪、油壓機(jī)柱塞等，也有很好的修復(fù)性。2.1.3氣體保護(hù)焊氣體保

7、護(hù)焊利用氣體作為電弧介質(zhì)，并且可以保 護(hù)電弧和焊接區(qū)。由于 CO2 氣體保護(hù)焊修復(fù)對(duì)焊件表 面油污不敏感，且氣體價(jià)格低廉，以 CO2 氣體保護(hù)焊修 復(fù)受損零件為主。早于 1993 年，太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司黃家 鴻8就運(yùn)用 CO2 氣體保護(hù)焊對(duì)大型錘頭進(jìn)行修復(fù)。 2003 年，該公司王成文9采用 CO2 氣體保護(hù)焊對(duì)大型 水壓機(jī)立柱進(jìn)行焊接修復(fù)，嚴(yán)格控制焊前預(yù)熱溫度以及焊后時(shí)效處理，質(zhì)量檢查合格。同時(shí)，也對(duì)大型軋機(jī) 鑄軋輥進(jìn)行富氬混合氣體保護(hù)焊，經(jīng)著色探傷檢測(cè)，未 發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣、剝離等缺陷，修復(fù)成功。2015 年，高黨 尋等人10對(duì)清華大學(xué) 1922 級(jí)噴水塔進(jìn)行修補(bǔ)，針對(duì)塔 身裂縫處灰鑄

8、鐵材料的特點(diǎn)，采取 CO2 氣體保護(hù)半自 動(dòng)焊配合高塑性材料進(jìn)行修復(fù)。聶剛等人通過(guò)葉片裂 紋補(bǔ)焊工藝試驗(yàn)，確定采用鎳基焊接材料的 TIG 焊接 工藝，成功地補(bǔ)焊修復(fù)了大量葉片裂紋。MIG 與 TIG 工藝類(lèi)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)、焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭組織及硬度的影響、接 頭的力學(xué)性能及裂紋敏感性。通過(guò)試驗(yàn)以及對(duì)焊接接 頭組織分析和硬度測(cè)試，評(píng)價(jià)焊接性能，設(shè)計(jì)并優(yōu)化出 合理的焊接工藝參數(shù)以達(dá)到對(duì)失效熱作模具實(shí)用、快 速、高效的修復(fù)。氣體保護(hù)焊主要用于對(duì)高碳鋼材料及鑄鐵結(jié)構(gòu)的 焊接修復(fù)。鑄鐵焊接性能差，氣體保護(hù)焊

9、由于電弧在 保護(hù)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(hù)焊(TIG，MIG)也可以焊接化學(xué)活潑性強(qiáng)和易形成高 熔點(diǎn)氧化膜的鎂、鋁、鈦及其合金。其缺點(diǎn)是成本高、 焊前清理要求嚴(yán)格且對(duì)環(huán)境風(fēng)力要求苛刻。如何揚(yáng)長(zhǎng) 避短還有待進(jìn)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(chē)行業(yè)。根據(jù)汽 車(chē)工業(yè)批量大、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，激光焊接設(shè)備向 大功率、多路式方向發(fā)展。在激光焊接修復(fù)金屬結(jié)構(gòu) 方面，海軍航空工程學(xué)院姜偉等人12為研究修復(fù) K418 渦輪導(dǎo)向器的工藝，以 CO2 連續(xù)激光器為熱源，在

10、渦輪 導(dǎo)向器試驗(yàn)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(jìn)行熔覆效果對(duì)比，同時(shí)嘗試調(diào) 整粉末成分，加入鈮等稀土元素，進(jìn)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(xué)院 代永超13對(duì)飛機(jī)的 TC4 鈦合金結(jié)構(gòu)激光焊接修復(fù)工 藝進(jìn)行研究，取 3 個(gè)式樣進(jìn)行激光焊接參數(shù)設(shè)計(jì)及激 光焊接試驗(yàn)，并對(duì)接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，以接頭強(qiáng)度 值為評(píng)估指標(biāo)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后分析焊接接 頭的微觀組織。近些年，激光焊在醫(yī)療器械方面應(yīng)用 廣泛。清華大學(xué)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(wú)硼、

11、硅元素鎳 基合金的激光同步送粉熔覆過(guò)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(duì)熔覆層裂紋傾向的 影響，探討了激光熔覆技術(shù)強(qiáng)化和修復(fù)高溫合金葉片 的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，激光熔覆時(shí)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(diǎn)共晶的存在是熔覆層開(kāi)裂的重要原 因。采用無(wú)硼、硅元素合金熔覆改善了結(jié)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(xué)一些學(xué)者15研究了激光堆焊修復(fù)模具開(kāi)裂后的 仿生耦合強(qiáng)化問(wèn)題，根據(jù)仿生耦合原理，利用激光技術(shù) 在疲勞試樣表面設(shè)計(jì)并制備出具有修復(fù)和止裂功能的 單元體，使單元體按生物體表強(qiáng)化單元分布規(guī)律組合， 并與母

12、體材料構(gòu)成仿生耦合表面，并考察了強(qiáng)化后試 樣的抗拉強(qiáng)度和熱疲勞性能，并將此技術(shù)應(yīng)用于對(duì)熱 作模具的修復(fù)上。 激光焊對(duì)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(zhì)量可達(dá)到 GB323387K 級(jí)焊縫要求。2.2固相焊修復(fù)2.2.1釬焊釬焊可以采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料， 將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)，低于母材熔化溫 度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙并與母材相 互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。1999 年，潘輝等人16針對(duì)一級(jí)、二級(jí)鎳基高溫合 金導(dǎo)向葉片的釬焊修復(fù)進(jìn)行了研究。此類(lèi)葉片修復(fù)難 度較大，主要難點(diǎn)有兩方面;一是待修復(fù)裂紋表

13、面長(zhǎng)期 在高溫燃?xì)庾饔孟庐a(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(jiǎn)單的酸洗方法將此類(lèi)氧 化膜去除;另外葉片裂紋開(kāi)敞性差、材質(zhì)硬，普通刀具 及機(jī)加工方法無(wú)法加工，因此機(jī)械加工去除氧化膜也 有一定的難度。二是葉片要求修復(fù)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(duì) K465 鎳基高溫合金葉片 進(jìn)行修復(fù)，采用自制 1 號(hào)釬料合金進(jìn)行了真空電子束 釬焊開(kāi)非貫通槽和貫通槽葉片模擬件試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)開(kāi)貫 通槽試件很少產(chǎn)生裂紋;而開(kāi)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(guò)釬縫。2016 年，

14、杜靜等人18對(duì) K24 合金鑄件缺陷的真空釬焊修復(fù)工藝進(jìn)行了研究， 選擇了適合 K24 合金鑄件缺陷釬焊修復(fù)的高溫釬料 B 24，并對(duì) B 24 釬料進(jìn)行了工藝性能試驗(yàn)和釬焊接 頭的力學(xué)性能試驗(yàn)。確定了 K24 用機(jī)械打磨和切割的 方式來(lái)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(fù)工藝及鑄件釬焊修復(fù)后變形 的熱校形的方法。 釬焊不適于一般鋼結(jié)構(gòu)和重載、動(dòng)載機(jī)件的焊接 修復(fù)。主要用于制造精密儀表、電氣零部件、異種金屬 構(gòu)件以及復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)，如夾層構(gòu)件、蜂窩結(jié)構(gòu)等。在 金屬結(jié)構(gòu)的修復(fù)中，硬釬料(如銅基、銀基、鋁基、鎳基 等)具有較高的強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉 片、高溫合

15、金葉片、大型汽輪機(jī)末級(jí)葉片等方面。2.2.2攪拌摩擦焊參考文獻(xiàn)1張林儒,宮平,李志強(qiáng).S355J2+N鋼板缺陷焊接修復(fù)接頭的組織和力學(xué)性能J.焊接技術(shù),2018,47(12):57-60.2郭有瑞.汽車(chē)塑料件焊接修復(fù)教學(xué)的可行性探究J.汽車(chē)維護(hù)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(kāi)裂預(yù)測(cè)J.熱加工工藝,2018,47(23):241-245.4付健.燒焦線焊接彎頭的失效分析及補(bǔ)焊修復(fù)J.焊接技術(shù),2018,47(11):83-85.5王宇新,李曉杰,王小紅,閆鴻浩,范述寧.基于爆炸焊接技術(shù)對(duì)磨損失效軋輥的修復(fù)研究J.爆破器材,2018,47(06):

16、8-14.6殷驪晨.壓力管道在役焊接燒穿失穩(wěn)情況研究J.化工設(shè)計(jì)通訊,2018,44(10):110.7馮永豪,劉丕剛,鐘登學(xué),李振球,王慶生.高壓輥磨機(jī)輥?zhàn)雍附有迯?fù)工藝J.設(shè)備管理與維修,2018(19):36-37.8王亮.礦用刮板輸送機(jī)中部槽的焊接修復(fù)技術(shù)與工藝研究J.世界有色金屬,2017(22):274-275.9張?jiān)粕?李領(lǐng),詹芳蘋(píng).蒸汽鍋爐三級(jí)過(guò)熱器管泄漏焊接修復(fù)J.焊接技術(shù),2017,46(12):90-92.10王恩生.高爐鐵口保護(hù)板裂紋形成的原因及焊接修復(fù)J.本鋼技術(shù),2017(Z1):133-134.11吳立紅.板坯運(yùn)輸掛車(chē)隔熱墊板的焊接修復(fù)研究與實(shí)踐J.本鋼技術(shù),2017(Z1