摘要：通過(guò)對(duì)電火花沉積焊材的選用、堆焊接頭抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、斷口微觀形貌分析、焊縫和接頭的金相分析和熱影響區(qū)寬度值的測(cè)量及堆焊接頭成份分析等試驗(yàn)，證明了電火花沉積工藝具有焊接熱輸入量極小、熱影響區(qū)極窄，殘余應(yīng)力可忽略不計(jì)、堆焊焊縫與被修復(fù)母材為冶金結(jié)合等特點(diǎn)，適用于精密部件微量失重型尺寸失效的修復(fù)等領(lǐng)域。可實(shí)現(xiàn)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和泵等的軸、葉輪與齒輪等重要部件進(jìn)行尺寸超差及缺陷的修復(fù)。

　　關(guān)鍵詞：電火花沉積,熱輸入量小,冶金結(jié)合,修復(fù)

　　電火花沉積工藝是將電源存儲(chǔ)的高能量電能，在電極與金屬母材間瞬時(shí)高頻釋放，使高合金電極與母材表面產(chǎn)生瞬間微區(qū)高溫、高壓的物理化學(xué)冶金過(guò)程;同時(shí)微區(qū)內(nèi)離子態(tài)的電極材料熔滲、擴(kuò)散到母材基體，形成冶金結(jié)合[1]。

　　由于電火花沉積熱輸入小，熱影響區(qū)和變形極小，因而焊層的殘余應(yīng)力小、與基體呈冶金結(jié)合等特點(diǎn)[2]，但沉積效率低，適用于精密部件微量失重型尺寸失效的修復(fù)等領(lǐng)域。轉(zhuǎn)子軸頸等精密部件在加工時(shí)扎刀、尺寸超差或裝配時(shí)碰傷，軸徑發(fā)生磨損或拉傷的情況在生產(chǎn)中時(shí)有發(fā)生。通過(guò)電火花沉積的試驗(yàn)研究，為解決在生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題和為用戶服務(wù)找到一條較好的途徑。可實(shí)現(xiàn)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和泵等的軸、葉輪與齒輪等重要部件進(jìn)行尺寸超差及缺陷的修復(fù)。

　　1電火花沉積修復(fù)的材料選用

　　結(jié)合生產(chǎn)中重要轉(zhuǎn)動(dòng)件的常用材料，選取42CrMoE和KMN兩個(gè)有代表性的材料作為基體進(jìn)行了堆焊試驗(yàn)。42CrMoE的化學(xué)成份為：C:0.43%，Mn：0.60%，Si：0.23%，P:0.018%，S:0.003%,Cr：1.03%，Mo：0.19%;KMN的化學(xué)成份為：C:0.18%,Mn：0.55%，Si：0.32%，P:0.016%，S:0.008%,Cr：2.36%，Mo：0.93%。42CrMoE焊前經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，其抗拉強(qiáng)度逸800MPa，屈服強(qiáng)度逸650MPa，伸長(zhǎng)率逸14%，斷面收縮率逸50%，沖擊功逸50J,硬度HB為241耀286;KMN焊前經(jīng)正火+淬火+回火后，其抗拉強(qiáng)度逸931MPa，屈服強(qiáng)度逸833MPa，伸長(zhǎng)率逸12%，斷面收縮率逸35%，沖擊功逸55J，硬度HB為293耀331。根據(jù)生產(chǎn)中遇到的實(shí)際情況，選用牌號(hào)N22和N24兩種鎳基作為填充材料進(jìn)行了堆焊試驗(yàn)。

　　2電火花沉積試驗(yàn)

　　2.1氬氣保護(hù)的影響

　　沉積試驗(yàn)時(shí)，氧化是影響堆焊層質(zhì)量和厚度的重要因素，所以應(yīng)做好焊接區(qū)的氣體保護(hù)。氬氣流量過(guò)小，不足以形成良好的保護(hù)，影響堆焊層的質(zhì)量;氬氣流量過(guò)大，在基體表面返彈后形成紊流，使空氣卷入保護(hù)區(qū)，堆焊層金屬氧化后不能形成良好的沉積層。

　　經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)表明，氬氣流量為7L/min時(shí)堆焊層的質(zhì)量略好些，但沉積層的厚度非常薄，且沉積后瞬間形成凸點(diǎn)，表面粗糙度大，為保證焊接質(zhì)量須反復(fù)打磨凸點(diǎn)，因而堆焊的效率非常低，且堆焊層致密度差，存在大量漏焊點(diǎn)。通過(guò)資料查詢，成型差的原因主要是氣體保護(hù)不好，導(dǎo)致熔融金屬表面張力大造成。但如何提高氣體保護(hù)效果成為擺在面前的難題。最后，通過(guò)在主機(jī)面板的保護(hù)氣體輸出接頭上直接接入一氣管，側(cè)吹實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接區(qū)保護(hù)，并對(duì)氣管端口截面的改形及保護(hù)氣管在焊接區(qū)的位置等進(jìn)行了改進(jìn)和調(diào)試，終于取得了理想的試驗(yàn)效果。沉積時(shí)電火花數(shù)量多，為銀白色均勻焊層，表面平滑，粗糙度小，層間只需偶爾打磨，致密度好。

　　2.2試驗(yàn)過(guò)程

　　采用模擬試驗(yàn)方案，考慮到電火花沉積主要應(yīng)用于車間重要轉(zhuǎn)動(dòng)件精加工后局部微小缺陷的修復(fù)，故選用兩種不同強(qiáng)度等級(jí)的鎳基填充焊材進(jìn)行試驗(yàn)。因?yàn)槿毕菪迯?fù)的質(zhì)量考核指標(biāo)主要是界面結(jié)合力和堆焊層的組織致密性問(wèn)題，所以堆焊了拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和金相評(píng)定。選用兩種典型基體材料的鍛件進(jìn)行最終熱處理后，機(jī)械加工出具有一定形狀系數(shù)(一般寬轅深比應(yīng)該大于3)溝槽的拉伸試樣。

　　對(duì)于42CrMoE材料，試驗(yàn)編號(hào)為1裕，采用規(guī)格準(zhǔn)3.2mm的鎳基焊材N22，工藝規(guī)范參數(shù)如下：電壓75耀83V，頻率310耀350Hz，氣體流量6耀9L/min;KMN材料，試驗(yàn)編號(hào)為2裕，采用規(guī)格準(zhǔn)3.2mm的鎳基焊材N24，工藝規(guī)范參數(shù)如下：電壓70耀85V，頻率310耀350Hz，氣體流量6耀9L/min。

　　3試驗(yàn)結(jié)果分析

　　3.1電火花堆焊接頭力學(xué)性能分析

　　3.1.1電火花堆焊接頭抗拉強(qiáng)度分析

　　對(duì)于試驗(yàn)編號(hào)為1裕的試樣，抗拉強(qiáng)度值分別為705和715MPa，斷裂位置均為靠近熔合線的焊縫處;對(duì)于試驗(yàn)編號(hào)為2裕的試樣，抗拉強(qiáng)度值分別為835和840MPa，斷裂位置均為靠近熔合線的焊縫處。

　　3.1.2電火花堆焊接頭硬度分析

　　分別取1#、2#試樣進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)母材及熱影響區(qū)(HV1)、熔合線(HV1)、焊縫(HV1)進(jìn)行試驗(yàn)。在焊縫表面取二點(diǎn)，進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，1裕焊縫表面的硬度值為305HB、298HB，2裕焊縫表面的硬度值為341HB、345HB。

　　3.2斷口微觀形貌分析

　　對(duì)拉伸試樣的斷口形貌進(jìn)行了分析。從斷口的微觀形貌(伊1000)可以看出，是脆性斷裂。

　　3.3焊縫的微觀組織形貌分析

　　可以看出，電火花沉積焊縫組織致密，為柱狀晶結(jié)構(gòu)，且晶軸方向處于焊縫與母材結(jié)合面的法線方向，說(shuō)明沿結(jié)合界面焊縫的冷卻速度極高，無(wú)裂紋缺陷。由于沉積堆焊是逐層進(jìn)行的，且修磨凸點(diǎn)、補(bǔ)焊凹點(diǎn)，堆焊操作過(guò)程無(wú)方向性，所以在斷面組織結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出了一定的差別。

　　3.4熱影響區(qū)組織分析

　　熱影響區(qū)與母材的微觀組織形貌(伊4000)對(duì)比分析可以看出，熱影響區(qū)組織明顯細(xì)化。其值約為110滋m(0.11mm)，說(shuō)明電火花堆焊熱輸入極小，熱影響區(qū)極窄，焊接殘余應(yīng)力可忽略不計(jì)。

　　3.5堆焊接頭成份分析

　　3.5.1堆焊接頭線掃描分析

　　對(duì)1裕試樣的堆焊接頭進(jìn)行了線掃描分析，主要元素為Fe、Ni及Si，其中紅色曲線代表Fe元素，綠色曲線代表Ni元素，藍(lán)色曲線代表Si元素。

　　3.5.2堆焊接頭對(duì)應(yīng)點(diǎn)的化學(xué)元素定量分析

　　對(duì)堆焊接頭的主要元素進(jìn)行了電子探針的定量分析。編號(hào)1#試樣，在母材和熱影響區(qū)上隨機(jī)選取2點(diǎn)，焊縫上選取1點(diǎn)，編號(hào)2#試樣，在焊縫上隨機(jī)選取2點(diǎn)。化學(xué)元素含量的線分布與點(diǎn)分布可以看出，母材與焊縫熔合界面兩側(cè)的化學(xué)元素濃度呈漸變趨勢(shì)，互擴(kuò)散明顯。因此可以認(rèn)為援電火花堆焊工藝下，焊絲與母材在高溫下發(fā)生了一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)冶金反應(yīng)，元素互相熔滲、擴(kuò)散和重新合金化，形成了牢固的冶金結(jié)合焊接接頭。

　　4結(jié)論

　　淤電火花修復(fù)工藝具有焊接熱輸入量極小、熱影響區(qū)極窄，殘余應(yīng)力可忽略不計(jì)，母材組織不造成任何損傷的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。于電火花堆焊焊縫與被修復(fù)基體母材為冶金結(jié)合，極大提高了修復(fù)層的可靠性和使用壽命。盂可以現(xiàn)場(chǎng)施工，不用拆卸被修復(fù)件，節(jié)省時(shí)間;補(bǔ)焊后加工量小，節(jié)約后加工成本;工件不需焊前預(yù)熱和焊后熱處理，工期短，成本低。榆層的最大厚度可達(dá)3mm，可填焊修復(fù)深度6mm深坑與線性缺陷。

　　虞N22和N24兩種鎳基材料都可作為重要部件尺寸超差及缺陷的修復(fù)，其選擇原則應(yīng)使焊材的硬度略小于或等于工件的硬度。愚堆焊層兩側(cè)易產(chǎn)生未熔合缺陷，應(yīng)加大坡口角度，并先堆焊坡口的四周，再進(jìn)行內(nèi)部的填充堆焊。輿電火花堆焊工藝應(yīng)注意氬氣的保護(hù)，并易產(chǎn)生未熔合和夾渣物缺陷，因而焊工應(yīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的培訓(xùn)后方能上崗。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]黃小鷗，汪瑞軍.大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸徑磨損的電火花堆焊修復(fù)[J].WeldingTechnology，2000，29(6)：17-19.

　　[2]王華仁.電火花沉積/堆焊技術(shù)試驗(yàn)研究[J].表面技術(shù)，2007，36(1)：35-38.

　　相關(guān)期刊推薦：表面技術(shù)主要報(bào)道電鍍技術(shù)、涂料與涂裝技術(shù)、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)、真空鍍膜、三廢治理及環(huán)保方面的科學(xué)研究、新技術(shù)、新工藝等方面的內(nèi)容，是從事金屬、非金屬表面處理的廣大科研人員、工程技術(shù)人員以及與表面技術(shù)專業(yè)相關(guān)的大專院校師生，廠礦技術(shù)人員、管理人員的良師益友，在全國(guó)擁有眾多讀者。