轧制机齿轮轴的焊接修复

1、轧制机齿轮轴的焊接修复1.引言金属结构因具有良好的物理化学特性和力学性能 而广泛应用于国民经济的各个领域。由于应力腐蚀和 疲劳，以及外来物的冲击，现役金属结构容易产生裂纹 和损伤。 金属构件的修复可以分为两类:一类是存在的缺 陷或损伤使结构的性能降低到设计不能允许的水平， 对此类损伤结构必须进行修复或更换;另一类缺陷或 损伤较小，其存在对结构的性能影响程度有限，但在使 用条件下，这类缺陷或损伤可能进一步扩展，不能满足 使用要求。对此类损伤结构需要进行有效地监测与控 制，当损伤发展到一定程度后，要及时进行修复或更 换。焊接是金属结构修复的重要手段，目前常用的焊 接修复方法有焊条电弧焊、埋弧焊、气

2、体保护焊、钎焊、 激光焊、搅拌摩擦焊等。 焊接修复工艺的好坏直接影响焊接质量。熔滴过 渡、弧焊电弧稳定性、焊接过程控制、焊缝跟踪及残余 应力的检测与控制等技术是焊接工艺研究的重难点， 因此通过视觉传感技术、小波分析、轮廓法等一些应用 于焊接过程以及焊后检测的先进技术，研究不同控制 监测方法对焊接电弧平稳性和焊接质量的提高、焊后 残余应力的减小的作用，有助于对焊接修复过程的理 解，可为新的修复控制方法的提出、新的焊接电源的开 发和工艺的改进提供有效的技术参考。2.焊接修复工艺2.1熔焊修复2.1.1焊条电弧焊电弧焊是利用焊条和工件间产生电弧热，将工件 和焊条加热熔化而进行焊接的，其优点是操作灵活

3、，待 焊接头装配要求低、可焊金属广且熔敷速度较低。2010 年，石金磊等人1将焊条电弧焊应用于管道 修复中，系统研究了焊条电弧焊的工艺要点，焊条直 径、种类、牌号、焊接电流、电源种类和极性、电弧电压、 焊接速度和焊接层次等。2012 年，白霞光等人2对焊 条电弧焊在管道修复中的操作过程进行研究，将焊接 操作分为引弧、熔池保持、电弧行走及收弧四个步骤， 并分别确定了各个步骤的常用方法以及焊接运动方 式。同年，张鑫等人3分析了焊条电弧焊在管线修缮 工作中的危险性，认为电弧过大侵蚀管材，使管材变薄 而不能承受内在介质的压力而破裂，并且通过对河南 安阳燃气天然管道和山东东明石化炼油厂管线进行维 护，得

4、出焊条电弧焊在管线修复中有较好工程效果的 结论。2013 年，马国等人4通过对 2 种不同的汽车覆 盖件铸造模具钢材料的焊接修复工艺进行对比，研究 更能够适用焊接接头的母材的热处理方案。不同的热 处理工艺表明，铸造模具钢材料在铸态焊接时:焊接接 头按照母材退火工艺 860 保温 2 h，随后 760 保温 4 h，然后炉冷，进行退火后，不论哪种电流焊接均在原 淬火区中出现了再热裂纹，母材的退火工艺并不适用 于焊接接头。2.1.2埋弧焊埋弧焊相对于焊条电弧焊机械化程度及生产效率 高，其工作原理是焊接电弧在焊丝与工件之间燃烧，电 弧热将焊丝端部及电弧附近的母材和焊剂熔化。熔渣 则凝固成渣壳，覆盖于

5、焊缝表面。2006 年，张羽等人采用变频调速自动埋弧焊技术 针对冷凝管车间 1 200 t 卧式挤压机主柱塞、穿孔塞进 行修复。2010 年，upesh Kaushik 5通过保持焊接电 流、电压、焊接速度以及其他参量恒定单一研究了助焊 剂对高强度低合金焊缝拉伸强度、冲击强度、硬度、显 微结构等影响，通过分析试验数据、仿真模拟及对显微 结构的分析，确定了焊接接头各项性能较好的助焊剂。 王清宝6针对埋弧堆焊药芯焊丝，通过优化 Cr5 系合 金成分，改变药芯焊丝的合金元素加入形式，研究了熔 敷金属高温拉伸性能、热疲劳性能和磨损性能的差异， 同时研究了熔滴及熔池阶段的凝固组织，焊态及热处 理态显微组

6、织的演变规律，对堆焊熔敷金属力学性能 的影响因素和规律进行了分析，改善轧辊表面材料失 效的问题。另外，王元良等人7对汽车磨损零件裂纹 进行多电源双(多)丝埋弧焊、单电源串并列双丝埋弧 焊焊接修复，系统梳理了不同焊接方式在节约电能、减 少裂纹倾向、提高生产率、改善接头性能、提高焊缝质 量方面的特点，满足焊接缺陷变形和残余应力控制的 要求。因此，埋弧焊在修复金属结构方面主要用于材料 表面改性，广泛应用于对机械、航空航天、汽车领域的 凸轮、曲轴、活塞、汽缸、离合器等表面易磨损零部件的 修复或修补。针对高温环境下工作的飞机发动机涡 轮、皮带轮、油压机柱塞等，也有很好的修复性。2.1.3气体保护焊气体保

7、护焊利用气体作为电弧介质，并且可以保 护电弧和焊接区。由于 CO2 气体保护焊修复对焊件表 面油污不敏感，且气体价格低廉，以 CO2 气体保护焊修 复受损零件为主。早于 1993 年，太原重型机械集团有限公司黄家 鸿8就运用 CO2 气体保护焊对大型锤头进行修复。 2003 年，该公司王成文9采用 CO2 气体保护焊对大型 水压机立柱进行焊接修复，严格控制焊前预热温度以及焊后时效处理，质量检查合格。同时，也对大型轧机 铸轧辊进行富氩混合气体保护焊，经着色探伤检测，未 发现裂纹、夹渣、剥离等缺陷，修复成功。2015 年，高党 寻等人10对清华大学 1922 级喷水塔进行修补，针对塔 身裂缝处灰铸

8、铁材料的特点，采取 CO2 气体保护半自 动焊配合高塑性材料进行修复。聂刚等人通过叶片裂 纹补焊工艺试验，确定采用镍基焊接材料的 TIG 焊接 工艺，成功地补焊修复了大量叶片裂纹。MIG 与 TIG 工艺类似，MIG 焊将焊炬内的钨电极用金属丝代替，赵 卓11研究了新型铸造热作模具钢 MIG 焊接接头组织 结构特点、焊接工艺参数对接头组织及硬度的影响、接 头的力学性能及裂纹敏感性。通过试验以及对焊接接 头组织分析和硬度测试，评价焊接性能，设计并优化出 合理的焊接工艺参数以达到对失效热作模具实用、快 速、高效的修复。气体保护焊主要用于对高碳钢材料及铸铁结构的 焊接修复。铸铁焊接性能差，气体保护焊

9、由于电弧在 保护气流的压缩下热量集中，焊接速度较快，熔池较 小，热影响区窄，焊件焊后变形小，因此避免了高碳钢 及铸铁由于塑性不足而产生裂纹。另外，惰性气体保 护焊(TIG，MIG)也可以焊接化学活泼性强和易形成高 熔点氧化膜的镁、铝、钛及其合金。其缺点是成本高、 焊前清理要求严格且对环境风力要求苛刻。如何扬长 避短还有待进一步的研究。2.1.4激光焊激光焊接生产线大规模出现在汽车行业。根据汽 车工业批量大、自动化程度高的特点，激光焊接设备向 大功率、多路式方向发展。在激光焊接修复金属结构 方面，海军航空工程学院姜伟等人12为研究修复 K418 涡轮导向器的工艺，以 CO2 连续激光器为热源，在

10、涡轮 导向器试验叶片表面熔覆自配粉末，获得了微观形貌 和显微硬度均优于基体组织的熔覆层。随后改用 YAG 脉冲激光器作为热源，进行熔覆效果对比，同时尝试调 整粉末成分，加入铌等稀土元素，进一步优化材料参数 和工艺参数，焊接性能较好。随后，空军第一航空学院 代永超13对飞机的 TC4 钛合金结构激光焊接修复工 艺进行研究，取 3 个式样进行激光焊接参数设计及激 光焊接试验，并对接头进行力学性能测试，以接头强度 值为评估指标对工艺参数进行优化，最后分析焊接接 头的微观组织。近些年，激光焊在医疗器械方面应用 广泛。清华大学的李晓莉等人14，研究了高温合金 K403 基体上采用镍基自熔合金和自配无硼、

11、硅元素镍 基合金的激光同步送粉熔覆过程，分析了基体组织状态、熔覆层材料和熔覆工艺参数对熔覆层裂纹倾向的 影响，探讨了激光熔覆技术强化和修复高温合金叶片 的可行性。研究发现，激光熔覆时大多数裂纹是从基 体形成后深人到熔覆层中，而基体组织中缩松等铸造 缺陷及晶界低熔点共晶的存在是熔覆层开裂的重要原 因。采用无硼、硅元素合金熔覆改善了结合区性能，与 自熔合金相比，有助于改善熔覆层裂纹倾向。此外，吉 林大学一些学者15研究了激光堆焊修复模具开裂后的 仿生耦合强化问题，根据仿生耦合原理，利用激光技术 在疲劳试样表面设计并制备出具有修复和止裂功能的 单元体，使单元体按生物体表强化单元分布规律组合， 并与母

12、体材料构成仿生耦合表面，并考察了强化后试 样的抗拉强度和热疲劳性能，并将此技术应用于对热 作模具的修复上。 激光焊对于钛及钛合金的薄板及精密零件的焊接 具有更广泛的前景，只要工艺参数匹配合理，TC4 钛合 金焊缝内部质量可达到 GB323387K 级焊缝要求。2.2固相焊修复2.2.1钎焊钎焊可以采用比母材熔点低的金属材料作钎料， 将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温 度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相 互扩散实现连接焊件的方法。1999 年，潘辉等人16针对一级、二级镍基高温合 金导向叶片的钎焊修复进行了研究。此类叶片修复难 度较大，主要难点有两方面;一是待修复裂纹表

13、面长期 在高温燃气作用下产生较厚的氧化膜，且由于母材中 含钛、铝和铬等元素，很难用简单的酸洗方法将此类氧 化膜去除;另外叶片裂纹开敞性差、材质硬，普通刀具 及机加工方法无法加工，因此机械加工去除氧化膜也 有一定的难度。二是叶片要求修复后形成的大间隙钎 焊接头，具有较高的高温持久性能、耐蚀性能和重熔温 度。2010 年，王刚等人17对 K465 镍基高温合金叶片 进行修复，采用自制 1 号钎料合金进行了真空电子束 钎焊开非贯通槽和贯通槽叶片模拟件试验。发现开贯 通槽试件很少产生裂纹;而开非贯通槽试件都产生裂 纹，裂纹大多产生于焊缝或钎料和母材界面附近的母 材，整体沿着横向穿过钎缝。2016 年，

14、杜静等人18对 K24 合金铸件缺陷的真空钎焊修复工艺进行了研究， 选择了适合 K24 合金铸件缺陷钎焊修复的高温钎料 B 24，并对 B 24 钎料进行了工艺性能试验和钎焊接 头的力学性能试验。确定了 K24 用机械打磨和切割的 方式来清理合金铸造件缺陷处(特别是裂纹)氧化膜的方案，以及真空钎焊修复工艺及铸件钎焊修复后变形 的热校形的方法。 钎焊不适于一般钢结构和重载、动载机件的焊接 修复。主要用于制造精密仪表、电气零部件、异种金属 构件以及复杂薄板结构，如夹层构件、蜂窝结构等。在 金属结构的修复中，硬钎料(如铜基、银基、铝基、镍基 等)具有较高的强度，广泛应用于修复发动机涡轮叶 片、高温合

15、金叶片、大型汽轮机末级叶片等方面。2.2.2搅拌摩擦焊参考文献1张林儒,宫平,李志强.S355J2+N钢板缺陷焊接修复接头的组织和力学性能J.焊接技术,2018,47(12):57-60.2郭有瑞.汽车塑料件焊接修复教学的可行性探究J.汽车维护与修理,2018(24):66-68.3付威,吕宇玲.油气管道在役焊接烧穿及氢致开裂预测J.热加工工艺,2018,47(23):241-245.4付健.烧焦线焊接弯头的失效分析及补焊修复J.焊接技术,2018,47(11):83-85.5王宇新,李晓杰,王小红,闫鸿浩,范述宁.基于爆炸焊接技术对磨损失效轧辊的修复研究J.爆破器材,2018,47(06):

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