易損機(jī)械零件堆焊修復(fù)技術(shù)及其應(yīng)用

黃河，曾欣，劉良，劉福華，劉存平

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代制造工程系，四川宜賓644003）

易損機(jī)械零件堆焊修復(fù)技術(shù)及其應(yīng)用

黃河，曾欣，劉良，劉福華，劉存平

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代制造工程系，四川宜賓644003）

對(duì)受損或廢舊機(jī)械零件的修復(fù)與再制造，是資源優(yōu)化利用的重要舉措，對(duì)制造業(yè)轉(zhuǎn)型和優(yōu)化升級(jí)具有重要意義。機(jī)械零件的修復(fù)方法較多，影響因素及修復(fù)工藝也比較復(fù)雜，修復(fù)的依據(jù)主要是故障現(xiàn)象、零件的材料及其工藝性能、受損類型及損傷程度等。在分析常見修復(fù)技術(shù)及其基本原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析國內(nèi)外堆焊技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、研究熱點(diǎn)及技術(shù)發(fā)展趨勢。

修復(fù)；堆焊；機(jī)械零件；技術(shù)應(yīng)用

0 引言

目前我國制造業(yè)發(fā)展規(guī)模越來越大，但是相配套的機(jī)械零件修復(fù)技術(shù)還不能適應(yīng)制造業(yè)快速發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)的需求，其水平也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家。主要問題是主要機(jī)械零件的制造周期長、壽命短、精度低，不能完全滿足實(shí)際需求。隨著制造業(yè)的轉(zhuǎn)型和優(yōu)化升級(jí)，降低損耗與制造成本，促進(jìn)資源的優(yōu)化利用是一項(xiàng)十分重要的舉措。通過對(duì)受損或廢舊機(jī)械零件的修復(fù)與再制造，延長其使用壽命，是當(dāng)前迫切需要解決的問題。與更換新零件相比，對(duì)失效的機(jī)械零件進(jìn)行修復(fù)不僅可以減少資源消耗、節(jié)省成本，還可以利用新技術(shù)提高舊件的某些性能[1]。根據(jù)機(jī)械零件的損壞形式及性能缺陷的不同，修復(fù)技術(shù)和工藝也比較多樣。堆焊修復(fù)技術(shù)作為修復(fù)和增強(qiáng)工件表面性能的工藝方法，越來越廣泛應(yīng)用于機(jī)械零件的修復(fù)與強(qiáng)化中。在分析機(jī)械零件修復(fù)技術(shù)及其基本原理的基礎(chǔ)上，論述堆焊修復(fù)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、研究熱點(diǎn)及其技術(shù)發(fā)展趨勢。

1 機(jī)械零件的修復(fù)技術(shù)

機(jī)械零件的修復(fù)方法很多，主要有機(jī)械加工修理技術(shù)、塑性變形修復(fù)技術(shù)、焊接修復(fù)技術(shù)、熱噴涂技術(shù)、電鍍修復(fù)技術(shù)、黏結(jié)修復(fù)技術(shù)、研磨技術(shù)等。歸納起來主要有3大類：一是修理尺寸法，即對(duì)已磨損的零件進(jìn)行機(jī)械加工，使其重新具有正確的幾何形狀（改變了原有尺寸）；二是名義尺寸修理法，即利用堆焊、噴涂、電鍍和黏結(jié)等方法增補(bǔ)零件的磨損表面，然后再進(jìn)行機(jī)械加工，并恢復(fù)其名義尺寸、幾何形狀及表面粗糙度等；三是特別修復(fù)技術(shù)，改變零件的某些性能，或利用零件的金屬的塑性變形來修復(fù)零件磨損部分的尺寸和形狀，如鐓粗法、擠壓法、擴(kuò)張法等。

機(jī)械加工是零件修復(fù)最主要、最基本的方法，具有簡單易行、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、修理成本低、應(yīng)用廣等特點(diǎn)。它可以作為一種獨(dú)立的手段直接修復(fù)零件，也可以是其他修復(fù)方法的工藝中的準(zhǔn)備或最后的工序。當(dāng)采用名義尺寸修理法修復(fù)零件時(shí)，經(jīng)過堆焊、噴涂、電鍍等技術(shù)修復(fù)的零件表面，仍需經(jīng)過機(jī)械加工才能達(dá)到配合精度和表面粗糙度的要求。例如，空心活塞銷外圓磨損后，一般用鍍鉻法修復(fù)后進(jìn)行外圓磨削加工；但若沒有鍍鉻設(shè)備時(shí)，可用擴(kuò)張法進(jìn)行修復(fù)，擴(kuò)張后的活塞銷應(yīng)按技術(shù)要求進(jìn)行熱處理，然后磨削其外圓，直到達(dá)到尺寸要求。

機(jī)械零件修復(fù)的依據(jù)主要是故障現(xiàn)象、零件的材料及其工藝性能、受損類型及損傷程度等。具體在制定修復(fù)方案時(shí)，要結(jié)合修復(fù)工藝對(duì)零件材質(zhì)的適應(yīng)性、各種修復(fù)工藝能達(dá)到的修補(bǔ)層厚度、零件尺寸和結(jié)構(gòu)的限制、修復(fù)后的強(qiáng)度等因素綜合考慮。

2 堆焊修復(fù)技術(shù)基本原理

堆焊是表面工程中很重要的一個(gè)分支，它是利用急速升溫的熱源將性能優(yōu)異的合金材料熔敷于工件表面或邊緣，進(jìn)而形成一層耐磨、耐蝕、耐熱等優(yōu)良性能的金屬層，具有適用性廣、結(jié)合強(qiáng)度高、不受零件尺寸和修復(fù)場地限制，成本低、效率高、靈活性大等優(yōu)點(diǎn)。堆焊可用于新零件的制造，也可用于舊件的表面修復(fù)與強(qiáng)化。

根據(jù)堆焊原理的不同，目前應(yīng)用較多的堆焊方法主要有以下幾種[2-4]：一是電弧堆焊，即利用焊條電弧焊的方法，通過電極放電引燃電弧，使焊條和基體金屬熔化，形成堆焊熔敷層，具有成本較低、能量密度高、與基體結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)；二是埋弧堆焊，即在焊絲和焊件之間引燃電弧，電弧熱使焊絲、焊劑在焊件表面熔化，并有部分蒸發(fā)，金屬和焊劑的蒸發(fā)形成一個(gè)空腔，電弧在空腔內(nèi)燃燒，隔絕了大氣對(duì)電弧和熔池的影響，并防止熱量迅速散失，具有生產(chǎn)效率高、熔深大、質(zhì)量穩(wěn)定、無弧光輻射等優(yōu)點(diǎn)；三是等離子弧堆焊，即利用等離子弧作為熱源將填加金屬熔化，使之熔敷于零件表面，具有生產(chǎn)效率高、成型美觀以及易于實(shí)現(xiàn)堆焊過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)；四是激光堆焊，即利用高能量密度的激光束作為熱源，具有加熱及冷卻速度快、可靠性高、堆焊層性能高等優(yōu)點(diǎn)。

3 堆焊修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用

堆焊技術(shù)在我國經(jīng)歷了60多年的發(fā)展歷史，其應(yīng)用遍及各種軸類、軸承類、軋輥類零件的制造和修復(fù)等基礎(chǔ)工業(yè)的眾多領(lǐng)域，尤其在汽車、重型機(jī)械、冶金石化、航空航天等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)統(tǒng)計(jì)，用于修復(fù)舊件的堆焊金屬量占總堆焊材料用量的72.2%，修復(fù)舊件的費(fèi)用很低，而使用壽命往往比新件的壽命還高，如堆焊舊軋輥的費(fèi)用僅是新軋輥的30%左右[5]。

由于堆焊技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中具有非常重要的意義，因此國內(nèi)外對(duì)堆焊技術(shù)的研究都非常重視。我國在堆焊基礎(chǔ)理論的研究方面與國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比并不遜色，但是在堆焊材料方面存在“焊條多焊絲少、熔煉焊劑多燒結(jié)焊劑少、實(shí)心焊絲多藥芯焊絲少”的問題，在堆焊設(shè)備方面存在“改裝設(shè)備多專用設(shè)備少、機(jī)械化設(shè)備多自動(dòng)化設(shè)備少”的問題[5-6]，因此在堆焊材料開發(fā)、堆焊設(shè)備的自動(dòng)化與智能化水平、計(jì)算機(jī)技術(shù)及模擬仿真技術(shù)應(yīng)用等方面與國外存在較大差距，這也是近年來國內(nèi)堆焊技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

4 堆焊修復(fù)技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化與智能化將成為堆焊技術(shù)及其裝備的重要發(fā)展方向。

①自動(dòng)化。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，越來越多的堆焊設(shè)備中引入PLC和步進(jìn)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)堆焊電流、電弧電壓、焊劑輸送量、堆焊速度等工藝參數(shù)的精確控制；另外在堆焊系統(tǒng)中引入數(shù)控系統(tǒng)，可以控制焊槍和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)相關(guān)的堆焊參數(shù)，可以在一定范圍內(nèi)對(duì)堆焊層的厚度、寬度、硬度等性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[3]。

②智能化。由于堆焊工藝過程非常復(fù)雜，涉及多學(xué)科交叉融合，其生產(chǎn)工藝、操作及質(zhì)量都嚴(yán)重依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)和技能，因此人工智能在堆焊修復(fù)技術(shù)的發(fā)展中具有十分重要的意義。例如，在堆焊工藝實(shí)施前進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真優(yōu)化堆焊工藝參數(shù)，在焊劑組分優(yōu)化控制中引入遺傳算法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可有效防止因堆焊修復(fù)方法、修復(fù)材料及工件形狀不同產(chǎn)生的堆焊修復(fù)失效問題；在堆焊過程控制中引入視覺傳感技術(shù)，建立知識(shí)模型和專家推理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量預(yù)測和熔池動(dòng)態(tài)過程與成型質(zhì)量的智能控制[7-8]。

5 結(jié)論

隨著全球制造業(yè)競爭的加劇，提高易損機(jī)械零件的修復(fù)效率和質(zhì)量，對(duì)保證企業(yè)的正常生產(chǎn)、降低維修成本、提高產(chǎn)品競爭力都有重要影響。堆焊修復(fù)技術(shù)在機(jī)械零件失效修復(fù)中具有廣闊的應(yīng)用前景，其技術(shù)發(fā)展和裝備的自動(dòng)化和智能化水平的提高，對(duì)于我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)也具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)堆焊系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化、機(jī)器人與柔性焊接等焊接先進(jìn)制造技術(shù)的研究與應(yīng)用，將成為我國制造業(yè)趕超發(fā)達(dá)國家先進(jìn)水平的重要途徑。

［1］徐濱士，董世運(yùn)，等．再制造成形技術(shù)發(fā)展及展望[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，8（15）．

［2］游國強(qiáng)，陳勇，等．電火花堆焊技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J]．材料導(dǎo)報(bào)，2011，11（11）．

［3］鄧德偉，陳蕊，等．等離子堆焊技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，4（7）．

［4］王小范，姚建華，等．激光表面堆焊技術(shù)的應(yīng)用及展望[J]．兵器材料科學(xué)與工程，2005，7（4）．

［5］張文毓．堆焊技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]．現(xiàn)代焊接，2014，12（12）．［6］單際國，董祖玨，等．我國堆焊技術(shù)的發(fā)展及其在基礎(chǔ)工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J]．中國表面工程，2002，8（4）．

［7］陳善本，林濤，等．智能化焊接制造工程的概念與技術(shù)[J]．焊接學(xué)報(bào)，2004，12（6）．

［8］林惠樂．基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的CO2弧焊機(jī)器人工藝參數(shù)優(yōu)化研究

[D]．廣西大學(xué)，2015．

〔編輯利文〕

TG403.1

B

四川省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目，《機(jī)械零件的堆焊修復(fù)及仿真研究》項(xiàng)目編號(hào)：16ZB0551

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.17