DT4材料螺紋激光熔覆修復(fù)方法研究

王亞軍　周騁　張傳勇　江怡南

摘要：燃油電磁閥用于燃油系統(tǒng)中油路的控制，在產(chǎn)品修理過(guò)程中經(jīng)常遇到螺紋倒牙、斷扣、滑扣的情況，影響螺紋的連接強(qiáng)度。針對(duì)燃油電磁閥的線圈組件用材料DT4，使用激光熔覆的方法進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)前進(jìn)行焊接強(qiáng)度論證，修復(fù)后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)及性能檢查。結(jié)果表明：對(duì)于DT4材料，可采用激光熔覆的方法進(jìn)行焊接修復(fù)，修復(fù)后的產(chǎn)品強(qiáng)度滿(mǎn)足要求;直接在原螺紋上進(jìn)行焊接修復(fù)影響焊接質(zhì)量，修復(fù)時(shí)需去除原螺紋，以免出現(xiàn)裂紋、結(jié)合面縫隙等情況;降低激光功率可減小或消除焊接氣孔。

關(guān)鍵詞：燃油電磁閥;螺紋;DT4;激光熔覆

中圖分類(lèi)號(hào)：TG456.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）12-0074-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.15

0 前言

電磁閥是一種在電磁力作用下動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電磁閥工作時(shí)，給線圈加上額定電壓使線圈帶電勵(lì)磁，鐵心帶動(dòng)閥芯克服彈簧力動(dòng)作，打開(kāi)或關(guān)閉閥門(mén)，控制介質(zhì)流動(dòng)。線圈斷電時(shí)，磁場(chǎng)力消失，閥芯在彈簧力作用下回到初始狀態(tài)[1]。DT4是一種碳含量很低的鐵基軟磁合金，由于其具有飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高、矯頑力低、磁導(dǎo)率高、冷熱加工性能好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)[2]，在電磁領(lǐng)域和航空工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[3]。

某型飛機(jī)燃油電磁閥的線圈組件采用DT4材料，在電磁閥修理過(guò)程中出現(xiàn)線圈組件螺紋倒牙、斷扣、滑扣等損傷情況，導(dǎo)致螺紋的連接強(qiáng)度下降。

螺紋損傷是一種常見(jiàn)的故障模式，一般情況下額外摩擦力和裝配過(guò)程中產(chǎn)生的熱量是導(dǎo)致螺紋副損傷、咬死的主要原因，相似材料的使用、螺紋副表面粗糙度及多余物都能增加螺紋副損傷及咬死的風(fēng)險(xiǎn)。目前對(duì)螺紋損傷的應(yīng)力分析、檢測(cè)評(píng)判研究較多，對(duì)螺紋損傷的焊接修復(fù)方法研究較少。李文頂?shù)热薣4]對(duì)不銹鋼螺紋聯(lián)接副損傷及咬死現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并提出了潤(rùn)滑、涂覆、熱控制等改進(jìn)措施。李廣明[5]對(duì)動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架螺紋孔損傷機(jī)理進(jìn)行了研究，得出環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)因素、過(guò)程管控為損傷的主要原因，提出了控制潔凈度、檢查螺紋孔狀態(tài)、噴涂緩釋劑、避免強(qiáng)行拆卸等對(duì)策。余作長(zhǎng)等人[6]對(duì)輕微損傷小升角內(nèi)螺紋的螺紋副應(yīng)力進(jìn)行了分析并對(duì)輕微損傷提出了打磨、拋光等處理方法。沈燁超等人[7]利用電火花沉積的方法對(duì)損傷的半軸套管螺紋進(jìn)行了修復(fù)，并使用滲透、磁粉等方法對(duì)修復(fù)區(qū)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

激光熔覆是采用激光作為熱源，將粉末或絲材等材料熔覆在基體材料之上，并形成冶金結(jié)合的熔覆工藝，堆積材料可通過(guò)送粉或送絲的形式預(yù)置于基體上。激光熔覆具有熱影響區(qū)小、熔覆速率快、覆層稀釋率低、與基體結(jié)合強(qiáng)度高、覆層裂紋傾向低、熔覆厚度大、成型精度高、耐磨損等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于再制造領(lǐng)域。孟氫鋇等人[8]利用激光熔覆方法對(duì)軸類(lèi)部件損傷部位進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)了軸類(lèi)部件的力學(xué)性能。鄧蘋(píng)等人[9]研究了微變形激光熔覆焊接工藝并完成了安裝座板的焊接修復(fù)。閆曉玲等人[10]對(duì)激光熔覆再制造涂層應(yīng)力的無(wú)損評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，提高了檢測(cè)的可靠性。黃勇[11]等人對(duì)激光熔覆的再制造可視化損傷修復(fù)區(qū)域進(jìn)行了研究，提出了一種損傷邊界識(shí)別及關(guān)鍵尺寸提取方法，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

文中采用激光熔覆的焊接方式對(duì)損傷的螺紋進(jìn)行修復(fù)，之后重新加工螺紋，保證了產(chǎn)品的使用性能。

1 概述

某型飛機(jī)燃油電磁閥用于燃油系統(tǒng)中控制燃油的接通與斷開(kāi)。燃油電磁閥的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，主要由線圈組件、銜鐵、底座組件、殼體組件、彈簧、堵蓋、墊片等零部件組成。燃油通過(guò)進(jìn)口進(jìn)入產(chǎn)品中，在線圈組件斷電的情況下，底座組件受到彈簧的彈力作用，阻斷燃油流向出口;在線圈組件通電的情況下，底座組件在銜鐵的作用下克服彈簧的彈力，使得燃油順利流向出口。

線圈組件和殼體組件使用螺紋連接并通過(guò)墊片密封，在燃油電磁閥修理過(guò)程中，需要將線圈組件從殼體組件上分解下來(lái)，但是由于連接螺紋嚴(yán)重咬合導(dǎo)致分解后線圈組件上的螺紋出現(xiàn)損傷，如圖2所示。

在電磁閥修理過(guò)程中易出現(xiàn)線圈組件螺紋倒牙、斷扣、滑扣等損傷情況，導(dǎo)致螺紋的連接強(qiáng)度下降，無(wú)法保證燃油電磁閥的正常工作性能，損傷的螺紋如圖3所示。

線圈組件的待修復(fù)螺紋為DT4材料，其化學(xué)成分如表1所示，電磁性能如表2所示。

DT4材料含碳量極低，無(wú)淬硬傾向，焊接性能良好，適用于各種方法的焊接。因激光熔覆具有熱影響區(qū)小、結(jié)合強(qiáng)度高、焊接精度高等特點(diǎn)，故采用激光熔覆的焊接方式對(duì)損傷的螺紋進(jìn)行修復(fù)。

2 修復(fù)方案

2.1 焊接強(qiáng)度論證

對(duì)DT4材料進(jìn)行激光熔覆粉末匹配并進(jìn)行激光熔覆試驗(yàn)，以驗(yàn)證激光熔覆后試樣的力學(xué)性能是否滿(mǎn)足該產(chǎn)品的使用性能。由于目前激光熔覆領(lǐng)域無(wú)DT4粉末，因此按等強(qiáng)度原則選取了強(qiáng)度相近的BLT-G01粉末進(jìn)行激光熔覆。設(shè)計(jì)專(zhuān)用的焊接試件，結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示。用電子試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試件抗拉強(qiáng)度為289 MPa，而DT4材料的抗拉強(qiáng)度在76～274 MPa，滿(mǎn)足產(chǎn)品強(qiáng)度要求。

2.2 設(shè)計(jì)焊接工裝

根據(jù)線圈組件螺紋部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)專(zhuān)用的焊接工裝，結(jié)構(gòu)尺寸如圖5所示，工裝與線圈組件內(nèi)孔的配合間隙按0.1 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)，材料為銅，焊接時(shí)將焊接工裝置于圖2的虛線框中，用于激光熔覆時(shí)熱量傳遞，并阻止線圈組件孔徑發(fā)生變形。

2.3 焊接工藝參數(shù)

激光熔覆粉末選用BLT-G01，激光功率800～1 200 W，掃描速度0.01 m/s，載粉氣380～400 L/h，搭接率40%～50%，光斑直徑2 mm;單道熔覆層高度不大于0.5 mm。

2.4 焊接方案

根據(jù)螺紋損傷形態(tài)制定兩種焊接方案：一種是將毛刺去除后直接在損傷的螺紋上進(jìn)行激光熔覆，焊后車(chē)制螺紋;另一種是將現(xiàn)有的螺紋全部車(chē)修去除，然后在光桿上進(jìn)行激光熔覆，焊后車(chē)制螺紋，兩種方案加工后的螺紋如圖6所示。

由圖6可知，方案1加工的螺紋焊接質(zhì)量較差，表面存在疑似裂紋且焊接部分與原螺紋的結(jié)合面存在狹長(zhǎng)的縫隙，方案2加工的螺紋表面質(zhì)量明顯好于方案1，僅存在部分氣孔，因此選擇方案2。

為消除焊接氣孔，對(duì)激光功率、光斑直徑、熔覆速度等焊接工藝參數(shù)進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)表明，激光功率越大，熔化的熔覆金屬量越多，產(chǎn)生氣孔的概率越大，適當(dāng)?shù)亟档图す夤β?，可減小或消除焊接氣孔。將激光功率由1 200 W降低至800 W，修復(fù)后的螺紋對(duì)比如圖7所示，可以看出，降低激光功率后，氣孔消除。

2.5 無(wú)損檢測(cè)

由于激光熔覆粉末選用的BLT-G01粉末（奧氏體不銹鋼），不含有磁性，無(wú)法使用磁粉探傷進(jìn)行判定，X射線檢測(cè)原理為投影檢測(cè)，因螺紋交替相互干擾無(wú)法進(jìn)行X射線檢查內(nèi)部情況，因此選用與磁粉探傷靈敏度和探傷區(qū)域相近的著色進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)損檢測(cè)結(jié)果為“無(wú)裂紋”。

2.6 性能檢查

（1）電阻檢查：對(duì)線圈組件電阻進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)符合要求。

（2）強(qiáng)度試驗(yàn)：給產(chǎn)品進(jìn)口加壓，保持10 min，不允許外部滲漏。

（3）抗電強(qiáng)度試驗(yàn)：用500 V、50 Hz交流電壓檢查導(dǎo)電零件和殼體之間的電絕緣強(qiáng)度，1 min內(nèi)不允許擊穿。

（4）絕緣強(qiáng)度檢測(cè)：用500 V兆歐表測(cè)量線圈絕緣電阻，應(yīng)符合要求。

（5）工作電流檢測(cè)：對(duì)電磁閥進(jìn)行通電檢查，經(jīng)過(guò)線圈組件的電流應(yīng)符合要求。

（6）起動(dòng)電壓檢測(cè)：給電磁閥進(jìn)口輸入壓力，由零緩慢提高線圈組件的輸入電壓，檢查電磁閥第一次接通時(shí)的起動(dòng)電壓，應(yīng)符合要求。

（7）工作性能檢查：給電磁閥進(jìn)口輸入壓力，在不同的壓力下設(shè)置不同的電壓，產(chǎn)品應(yīng)正常工作。

（8）釋放電壓檢測(cè)：給電磁閥進(jìn)口輸入壓力，給線圈組件輸入電壓，緩慢降低輸入電壓，線圈組件釋放、電磁閥關(guān)閉時(shí)的電壓應(yīng)符合要求。

（9）密封性試驗(yàn)：堵塞電磁閥出口，給電磁閥進(jìn)口輸入壓力，給線圈組件輸入電壓，保持5 min，不允許外部滲漏。

（10）內(nèi)漏檢測(cè)：線圈組件斷電，給電磁閥進(jìn)口輸入壓力，保持5 min，出口泄漏應(yīng)符合要求。

（11）流量檢測(cè)：給電磁閥進(jìn)口和出口之間設(shè)置輸入壓力，線圈組件輸入電壓，測(cè)量出口流量應(yīng)符合要求。

3 結(jié)論

線圈組件經(jīng)過(guò)焊接強(qiáng)度論證、車(chē)修去除螺紋、激光熔覆修復(fù)，車(chē)修加工螺紋、無(wú)損檢測(cè)、性能檢查等步驟完成了螺紋的再制造修復(fù)，滿(mǎn)足了電磁閥的使用要求。

（1）可采用激光熔覆的方法對(duì)DT4材料進(jìn)行焊接修復(fù)，修復(fù)后的產(chǎn)品強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

（2）直接在原螺紋上進(jìn)行焊接修復(fù)影響焊接質(zhì)量，使用激光熔覆的方法對(duì)螺紋進(jìn)行焊接修復(fù)時(shí)需要將原螺紋去除，以免出現(xiàn)裂紋、結(jié)合面縫隙等情況。

（3）適當(dāng)?shù)亟档图す夤β?，可減小或消除焊接氣孔。

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收稿日期：2020-07-10;修回日期：2020-08-31

基金項(xiàng)目：裝備預(yù)研領(lǐng)域基金項(xiàng)目（61409230509）

作者簡(jiǎn)介：王亞軍（1988— ），男，碩士，工程師，主要從事航空產(chǎn)品再制造技術(shù)研究。E-mail：wangyajun366@163.com。