零件尺寸恢復技術

內容摘要：本文采用常溫冷焊重熔技術對零件磨損尺寸恢復後進行試驗研究和質量分析。試驗表明：通過對零件表面進行修復來恢復零件的尺寸和性能，而修復表面使用的金屬僅僅是原材料的1%～2％，成本也僅是新品的10％，不僅質量達到要求，而且具有良好的經濟性。

1.概述

零部件再製造後的產品性能和質量達到新品甚至超過新品，而成本一般只是新品的50％，節能60％，節材70％。此外，再製造是規模化的生產模式，它有利於實現自動化生產和產品的在線質量監控，有利於降低成本，減少資源和能源消耗，減輕環境汙染，能以最小的投資獲得最大的經濟效益。因此零部件再製造必然會成為一個新的趨勢和產業。本文根據再製造零件的結構和損傷性質，恢復零件的尺寸和性能。制定合理的修復工藝方案，運用先進的清洗、修復、表面工程處理技術對零件進行修復，測試修復後“新品”的物理性能，並對其進行金相組織分析，根據測試數據得出其質量性能指標，並通過了修復驗證。

2.試驗過程

機床導軌常採用HT250，QT300以及45鋼，其耐磨性好、摩擦係數小、尺寸性能穩定。其常見磨損形式為粘著磨損型（大型機床的導軌缺油引起的大面積研傷），磨粒磨損型（機床的導軌受到工件或工具等物品高應力的磕碰後，導軌的表面將出現凹坑，而凹坑的周圍同時會出現凸起或毛刺。如不及時修理，當滑板在導軌上滑動時，導軌上的凸起或毛刺，勢必將滑板研傷；切屑或型砂在垂直的壓力下，壓潰導軌或滑板表面，移動時便將導軌或滑板研傷）和腐蝕磨損型（含腐蝕性成分的滴水潤滑液晶劑、切削液等潤滑和冷卻的導軌面會出現腐蝕磨損）。

預處理：

（1）機床導軌表面處理①清理導軌表面：去除導軌表面的灰塵、油汙、鏽蝕、殘渣等。②除油處理：使用有機溶劑丙酮除去導軌表面油垢。③去除氧化膜、疲勞層：用角向磨光機打磨去導軌表面氧化層和疲勞層。④整形處理：尖角要打平，與基準面過渡區要過渡平整，把磨損面整理成適於修復的形狀，筆尖放不下的溝槽可做適當拓寬處理。

（2）常溫冷焊重熔設備的準備、檢查①主機：確保通電良好，檢查保險等。②正負極線的連接：確保正負極接線牢固，內部銅導線無折斷；因其影響能量輸出，且導線、手柄易發熱。參數設置：輸入電壓：220V；功率消耗：≤600W；焊點電壓：3V；焊點電流：3000A；焊點溫度：800~2200℃；焊點直徑：約Ф1.2mm。③焊筆的準備：尖乾淨光滑，且有一定坡度。

（3）各種研磨、輔助工具的準備①研磨工具的準備：包括角向磨光機、電磨頭、筆式磨頭、油石、砂帶、金剛石銼等。②輔助工具的準備：包括卡盤、支架、保護設施等。

（4）材料準備焊補基體材料可以是鑄鐵及球墨鑄鐵、鑄鋼、合金鋼等。電極材料為直徑Ф4~Ф6mm的鉻鋯銅合金。本文選用HT250，QT300，45鋼。

（5）補材的準備常用的有低碳鋼、高碳鋼、不鏽鋼等，為了深入研究不同補片對機床導軌修復產生的效果，本論文選用了低碳鋼、高碳鋼補片進行修復。

修復工藝過程：①將正、負極線連接好，與主機連接牢固，負極接在導軌的非使用面上，且結合處乾淨，無雜質或鏽蝕，如結合處有雜質等，需先使用角向磨光機打磨出新鮮機體。②初步判斷基體材質為黑色金屬，分別選擇低碳鋼、高碳鋼來修復該導軌。③將電極緊壓於補材上，再踩動腳踏開關。④焊筆與焊補面的夾角以45°至60°為宜，特殊情況再做改變。⑤在導軌損傷面上先焊幾點將補材固定住，再做連續焊補。⑥焊筆在補材上做滾動焊補，焊點之間不準隔開或重疊，要做到點點相接，相互壓疊1/3~1/2，本著點動成線、線動成面、面動成體的原理，耐心細緻地點、線、面焊補。⑦一般焊筆尖接觸面積為1.0~1.2mm左右，焊頭太小，焊補效率低，焊頭太大，焊補強度低。因此在長期焊補過程中需要隨時修磨焊筆頭。⑧出現閃點、打火現象，要及時補焊；打火後要及時補焊，因為打火後會留下凹坑，影響尺寸恢復，尤其是最後一層補片的焊補，出現打火現象要及時補焊，電極也要重新打磨光滑。⑨運動速度要適宜，太慢影響效率，太快閃點太多，影響焊補效果，要配合好頻率進行焊補。修復示意如圖1所示。

圖1 修復示意

圖2 修復前後對比

焊後處理：主要指研磨，找尺寸。

首先，面的研磨：平面研磨：粗磨可用角向磨光機打磨或將油石放平研磨，，待接近標準尺寸需要精磨時，用平尺或平板磨具墊砂帶研磨。其次，邊、稜的研磨：由焊補面向基準面方向用力研磨，反之則不用力，研磨時配合相應的測量工具研磨至需要尺寸。

使用冷焊技術恢復零件尺寸的案例還有汽輪機主軸軸頭劃傷（見圖3），空壓機螺旋轉子軸軸頭磨損（見圖4），小機上蓋氣蝕（見圖5），瑞士磨齒機導軌磨損修復（見圖6）。

圖 3

圖 4

圖 5

圖 6

3.試驗分析

（1）補材結合強度測定影響修復層與基體結合強度的因素是多種多樣的，如基體與補材的基本性質、修復工藝以及修復後的加工工藝等。對焊補層採用銼削法，將試樣固定，在試件邊緣處，用銼刀由基體銼向表面修復層，銼刀與修復層面成約45°。銼削時，修復層表面發生磨損，但不應產生成生揭起脫落。否則，結合力差。由於冷焊層補材與基體是冶金結合，檢測結果表明，銼削後，冷焊層在銼削過程中不會剝脫或者被揭起，滿足結合強度定性測量的要求。

（2）硬度檢測結果如表1~表3所示

採用洛氏硬度計對冷焊層和基體的硬度進行檢測，表明冷焊修復層的硬度稍微高於基體的硬度，且修復層表面各點的硬度比較均勻，沒有出現硬點和局部硬化的情況，滿足零件尺寸恢復的硬度要求。

（3）金相分析總體來看，焊補處未見明顯分界線，無硬點、硬化現象，過渡區域微小，焊補點附近未見滲碳體的析出，焊補處金屬組織緻密，補焊層與基體間的結合良好，有元素擴散現象，為冶金結合，其基體材料出現局部熔化特徵。採用低碳鋼進行修復後的焊補點比母材更緻密，低碳鋼修復後出現少量的滲碳體，如圖8~圖11所示。

圖 8

圖 9

圖 10

圖 11

由於使用常溫冷焊重熔技術的過程中機體與補材熔化的時間和凝固的時間非常短，為奧氏體充分過冷轉變為鐵素體的冷卻提供了條件，焊縫金屬的熱有95%用於熔化機體與補材，剩餘熱量通過熱傳導進入周圍母材從而得到快速冷卻。於是在低碳鋼焊縫金屬中形成魏氏組織。高碳鋼補材全部為片狀的馬氏體組織。馬氏體顯著的特點為高硬度，高強度。因此用高碳鋼修復能夠提高表面的硬度，進而改善耐磨性。

（4）外觀檢查用冷焊修復，放電時間與下一次放電間隔時間相比極短，由於等離子電弧產生的閃溫作用，焊補點處的補材與基材同時熔化。斷電後，電極繼續保持壓力，使熔核凝固並過渡到與基材金屬的接觸部位，兩種熔化後的液態金屬重新固化，因此焊層的熔接強度高。與傳統的焊接方法相比，試樣熱影響區域小，不產生熱裂紋和殘餘應力，修復後表面幾乎不留痕跡，不會產生局部退火軟化現象。

4.結語

（1）修復後基體與補材之間為冶金結合，結合牢固、緻密。修復後不需要重新熱處理，可直接用於銑、銼、磨等精加工而不會脫落。選擇不同材質的補材進行同材、異材焊補，以適應不同性能的要求。修復後對其進行了觀察和分析，改善了機體的性能。

（2）不僅零件尺寸恢復質量達到要求，而且具有良好的經濟性。後期還要進行零件表面質量、尺寸精度、材質質量、使用要求性能(耐壓性、耐磨性、耐蝕性、耐氧化性、耐疲勞性)等檢驗。使得零件尺寸恢復達到專業化、批量化、規範化的再製造標準要求。