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            技術交流 首頁 


               電火花沉積/堆焊技術研究                               
                                                     王華仁

              摘 要 本文報道了對電火花沉積/堆焊工藝技術、沉積/堆焊焊層材料選擇、沉積/堆
                  焊層性能分析等進行的試驗研究,結果表明:電火花沉積/堆焊層與基體呈冶金
                  結合,結合情況良好;對基體熱輸入小,熱影響區很小且不會產生變形;選擇合
                  適的材料,可以使沉積/堆焊層與基體硬度基本接近。
              關鍵詞 電火花沉積/堆焊技術  沉積層性能  沉積/堆焊工藝
            引言
              電火花沉積/堆焊具有熱輸入小,因而對工件造成的熱影響區和變形極小、與基體呈冶金結合、結合強度高等特點,因而成為表面工程中一個飛速發展的新技術,正在和將在精密模具的制造與修復、要求較高精度的機械零部件的尺寸恢復、超薄結構的微連接與補焊、精密成型等領域獲得廣泛的應用[1]。
              轉子軸頸在加工時扎刀、尺寸超差或裝配時碰傷的情況時有發生,在此之前出現此類問題時,不是將軸頸加工小并照配軸瓦,就是對其進行簡單修整后帶傷運行。在電廠運行中的汽發轉子也有因磨損拉傷而影響正常運行的情況發生,電廠一般采用將軸頸加工小并新配軸瓦的辦法,或請其他單位對其進行修復。為此,我們對電火花沉積/堆焊技術進行試驗研究,為解決我公司在生產中出現的問題和為用戶服務找到一條較好的途徑。
            電火花沉積/堆焊技術簡介
            2.1電火花沉積/堆焊技術原理
              電火花沉積/堆焊是利用旋轉電極與工件基體之間產生的瞬間高能量脈沖放電的原理(最大脈沖放電頻率2000Hz),在電極與工件“相對最近點”產生電火花,在非常小的放電區域內,瞬間(us--ms數量級)流過的電流很大,其電流密度高達105—106A/cm2,這種在時間和空間上的高度集中放電,將產生大量的熱能,使電極和工件上極微小的放電點處的金屬熔化并具有爆炸性,該過程產生的動能使熔化的金屬離開電極表面并沉積到工件表面,與工件表面的微小熔化區金屬實現冶金結合。
              電火花沉積/堆焊是屬于電火花特種加工領域。傳統的電火花加工技術主要有電火花成型\電火花切割(線切割)\電火花雕刻\電火花磨削等,這些工藝都是利用電火花放電對工件材料的燒蝕去除功能來實現加工目的的,而電火花沉積/堆焊則是在利用電火花放電過程中對電極材料的蝕除的同時,又把蝕除掉的電極上的熔融金屬沉積并堆焊到工件表面的適.當位置(如溝槽、凹坑等),從而實現對工件表面的修復或強化。
              由于電火花沉積/堆焊時的高能量密度,使基體表面產生快速微小熔化,而冷態的基體又使該熔化區快速冷卻,因而產生電火花強化的效果:又由于電火花沉積/堆焊時使用Ar氣保護,在電火花放電時,極間電壓使Ar氣電離擊穿并形成微小的電弧,又使沉積/堆焊層有脈沖氬弧焊的效果,從而與基體金屬形成結合強度很高的冶金結合層。
            2.2 電火花沉積/堆焊技術特點
              由于電火花沉積/堆焊使用的能量密度很高,且在時間和空間上高度集中,所以,電火花沉積/堆焊技術對基體的熱輸入非常集中,熱量在基體中的傳導和擴散范圍極小,基材的組織和性能發生變化的熱影響區很小,幾乎沒有熱應力和變形,克服了傳統的焊接工藝在這方面存在的缺點;
              由于電極與基體的同時熔化,使其形成的沉積/堆焊層與基體呈冶金結合,結合強度高,因而又繼承了焊接工藝在這方面的優點;
              由于電火花沉積/堆焊時的快速熔化和快速冷卻,對工件具有表面淬火的電火花強化效果;
              由于電火花沉積/堆焊時的瞬間溫度很高,故可以制造高熔點金屬(如Ti、W、WC等)的復合強化層[2];
              由于電火花沉積/堆焊只有顯微熔化,沒有傳統熔化焊時出現的宏觀熔池,因而沉積層不可避免地存在顯微氣孔,這對沉積層的性能沒有明顯的影響,但在需要油潤滑的軸頸上還有承油的效果,對潤滑有利。
            2.3 電火花沉積/堆焊設備
            2.3.1電火花沉積/堆焊設備簡圖
              電火花沉積/堆焊設備簡圖如圖1和圖2所示。

              圖1  電火花沉積/堆焊設備簡圖(面板)  圖2電火花沉積/堆焊設備簡圖(沉積/堆焊槍)
            2.3.3電火花沉積/堆焊設備各部件名稱
                該設備各部件名稱為:
                ①機箱正面:
                1一復位開關;2、3、4—出功率檔位開關;5—遙控線插口;6—沉積/堆焊槍輸出接口(正);7—保護氣出口;8—沉積/堆焊槍輸出接口(負);9—輸出脈沖頻率調節旋鈕;10—輸出功率高低檔位開關;11一電源開關。
                ②沉積/堆焊槍:
                l一電極;2一保護氣冒:3一絕緣槍柄;4一電機:5一開關自鎖按鈕(按下,電機連續旋轉:松開,電機停止旋轉):6一保護氣輸?入管:7一沉積/堆焊正極電源輸入線:8一電機電源輸入線;9一電機開關。
                進行,電火花沉積/堆焊操作時,輸出地線(負極)夾子夾在欲處理的工件上,輸出正極為旋轉電極(夾于手持式電機),并通以氬氣保護。
            2.3.2電火花沉積/堆焊設備主要技術參數
              該設備的主要技術參數為:
              輸入電源:    AC 220V 50Hz
              輸入電流:    15A
              最大輸出功率:  2000W
              脈沖頻率:    50—2000H2
            2.4  電火花沉積/堆焊設備的操作
            2.4.1  設備安裝及調試
              將電源輸入插頭、沉積/堆焊槍連接插頭、地線插頭和保護氣輸入輸出插頭分別連接到機箱上的相關插座及接頭上;
              將氬氣流量計裝到氮氣瓶上,用軟管連接氬氣流量計出口到機箱保護氣輸入接口。打開氬氣瓶,檢查是否漏氣;
              用15A三孔插頭、插座,接上220V 50Hz輸入電源;
              將地線夾子夾在工件上;
              合上電閘,打開機箱電源開關(此時,電源指示燈亮,機箱內冷卻風扇運轉):
              手持旋轉電機,按下槍柄扳機,檢查電極是否旋轉正常,保護氣是否暢通;
              在旋轉時用電極輕觸工件表面,檢查火花是否正常。
            2.4.2  設備操作
              用丙酮等洗凈工件(或試樣)表面油污;
              用油石、砂紙等去除工件(或試樣)表面氧化皮及鐵銹;
              將地線夾子夾在工件(或試樣)上;
              選擇合適的電極材料種類及規格,并夾緊夾正在槍頭上(若電極偏心,應調整夾頭使電極盡量處在中心位置);
              根據電極規格和沉積修補區大小,調整好輸出功率和輸出頻率;
              打開保護氣并調整好流量;
              按下手持電機上的開關扳機并按下開關自鎖按鈕;
              使電極輕輕地在工件(或試樣)表面按一定方向移動,形成連續沉積/堆焊層(注意:若電極壓在表面過緊,將使電極與工件短接而無火花,無法實現沉積/堆焊),電極與工件表面呈30°—40°角度,左右擺動,擺幅為10—40mm,擺動速度以沉積層能均勻覆蓋工件表面為宜。
              沉積過程中,若有未沉積表面或出現凹坑,應對其進行補沉積。對沉積層的高點,可用銼修或錘擊的方式消除。
              在進行電火花沉積/堆焊時,電極以保持暗紅為佳,此時,火花較多,沉積/堆焊層呈明亮的金屬光澤。若呈黃色(約600°C),應調低輸出功率,或使用間斷沉積方式,以防止電極氧化。
              在進行電火花沉積/堆焊時,一般應先用較小的功率,再逐步增大到規定的功率,這樣可以使沉積底層更加致密并與基體結合牢固。
             3 工藝試驗
             3.1 試樣及材料選擇
              試樣基材為25Cr2Ni4MoV,試樣尺寸為lOXlOX27.5mm的方形試樣塊(這些試樣均為汽發轉子材料性能試驗中使用過的沖擊試樣);w材料的成分和性能見表1和表2所列。電火花沉積/堆焊試驗用焊條材料見表3所示。
              表1  25Cr2Ni4MoV(汽發轉子鍛件)化學成分
             
             
             元素 
            C  
            Cr
            Ni 
            MO 
            V  
             含量%
            ≤0.25
            1.5~2.0 
            3.25~4.0
            0.2~0.5 
            0.05~0.13
             元素 
            P
            S
            Si
            Mn 
            Fe 
             含量%
            ≤0.015
            ≤ 0.018 
            0.15~0.35
            0.15~0.35
            余 
              表2  25Cr2Ni4MoV(汽發轉子鍛件)技術條件
             
             軸向試樣 
             切向試樣 
             徑向試樣 
            中心孔軸向  
            強度極限  σb      MPa 
             ≥735
            ≥735 
            ≥735 
            ≥735 
            屈服極限  σ0.2   MPa 
             650~755
            650~755 
            650~755 
            605~755 
            延伸率    δ5      % 
             ≥17
            ≥17 
            ≥17 
            ≥16 
            斷面收縮率 ψ      % 
             ≥50
            ≥50 
            ≥50 
            ≥45 
            沖擊能量  AD  。  
             ≥88 
             
             
             
            疲勞極限  σ-1     MPa  
             
             ≥295
             
             
            脆性轉變溫度(FATT50)℃
             
             
             ≤-23
             ≤-18

            3.2表面預處理
              如果試樣(或工件)表面有油污,可用金屬油污清洗劑對試樣表面的油污進行清洗(如果表面沒有油污,該步驟可以省略);用細銼輕輕銼去試樣表面氧化層;用細砂紙輕輕砂磨試樣表面,使其露出新鮮潔凈的金屬表面;用丙酮最后清洗試樣和焊條表面油脂。
            3.3  試樣制備
              按2.4所述的操作步驟和方法,在試樣基體上分別用不同材質和規格的焊條(見表3所列)逐層沉積/堆焊,使補層厚度達到約1mm左右,然后用線切割將試樣從中間剖開,根據金相試驗方法將其拋磨成金相分析和硬度試驗用試樣。對通過硬度試驗初步選定下來的沉積材料DH-22還沉積了用于X射線衍射分析(XRD)、掃描電子顯微鏡分析(SEM)及EDAX分析等試驗用試樣。
                表3    電火花沉積/堆焊試樣及沉積/堆焊用材料
             試樣編號
            主要成分 
             材料牌號
             規格mm 
             沉積層厚度
             硬度HRc 
             1
             Ni  Cr Fe
             DH-22
             ∮3.2
             1mm 
             20~30 
             2
             Ni  Cr Fe
             DH-24
             ∮3.2
             1mm 
             ~20 
             3
             Ni  Cr Fe
             DH-40
             ∮4.0
             1mm 
             40~45 
             4
             Ni  Cr Fe
             DH-50
             ∮4.0
             1mm 
             45~50 
             5
             Ni  Cr Fe
             DH-60
             ∮4.8
             1mm 
             58~64
             6
             Co基合金 
             DH-21
             ∮4.8
             1mm 
             25~35 
             7
             Co基合金
             DH-06
             ∮4.0
             1mm 
              40~45 
             8
             Ni Cr Fe
             DH-22
             ∮3.2
             1mm 
             20~30 

            試驗結果及分析討論
            4.1  金相試驗
              分別對不同規格、不同材質的焊條的沉積/堆焊層進行了金相試驗,同時對同一個試樣上還進行了多個斷面的金相檢測。結果見圖3、圖4和圖5。從中可以看出,用DH-22、DH—24和DH—21焊條所沉積的焊層與基體結合很好,呈冶金結合狀態,焊層組織呈層狀結構,焊層中有少量的顯微氣孔和微裂紋。用DH-40、DH-50、DH-60、和DH-06焊條所沉積
            的焊層與基體結合仍然很好,也表現為冶金結合狀態,焊層組織仍呈層狀結構,但焊層中有較多顯微氣孔和微裂紋,這些都是因為它們的硬度較高因而其韌性較差,使得在沉積/堆焊時的快速熔化和快速冷卻過程中形成了較多的顯微氣孔和微裂紋。
              對不同斷面進行的金相分析表明,由于沉積/堆焊是逐層進行的,所以,在各個截面上表現出了一定的差別。



            4.2顯微硬度試驗
              對各種沉積/堆焊層進行了顯微硬度測試,還對初步選定的DH-22材料的沉積層進行了宏觀硬度試驗。結果列于表4中。  可以看出,基體硬度約在HV206~HV276之間,熱影響區(0.04mm內)則在Hv220~Hv338之間,即熱影響區的硬度比基體的硬度略有升高,這是由于在沉積/堆焊時,基體表面快速熔化后快速冷卻所產生的自淬硬現象所致。沉積/堆
            焊層的硬度與所使用的材料有關:DH-22在Hv240~HV312之間;DH-24在HVl22~Hr220之間:DH-21在Hv338~Hv449之間;DH-40在Hv411~HV510之間;DH-50在Hv411~Hv606之間;DH-60在Hv388~Hv606之間;DH-06在Hv411~HV564之間。由于堆焊材料是以熔化狀態沉積/堆焊到基體表面上的,而焊條表面熔化的材料很少,在其冷凝時自淬硬現象使沉積/堆焊層也產生淬硬效果,故使其硬度比焊前高。顯微硬度結果表明,與基體硬度比較接近的沉積/堆焊材料有DH-22,H-21的硬度略高于基體,而DH-24的硬度則略低于基體的硬度。對于修復象汽發軸頸類的缺陷時,可以選擇DH-22;在要求硬度較低的地方可以選用DH-24;在要求硬度較高的場合則可選用DH-21;若對硬度要求更高的耐磨工件,還可選用DH—40、DH-50甚至DH-60。
            4.3  電鏡及X—射線衍射分析
              用通過硬度試驗初步選定下來的沉積材料(DH-22)所做的沉積/堆焊層試樣,應用D/max-1400X-射線衍射儀(XRD)對其進行了X-射線衍射分析;用Amrayl845FE掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析了試樣的截面形貌;應用EDAX分析技術分析了試樣中各區的成分;還應用顯微硬度儀測定了試樣中各區的顯微硬度(HV)。結果見圖6、圖7、圖8和圖9。

               



              從中可以看出,沉積/堆焊層中有縮孔等缺陷,這是因為沉積/堆焊時只有顯微熔化,沒有形成傳統熔化焊中出現的宏觀熔池,雖然與基體的結合可以達到冶金結合的效果,但沉積層中沒有宏觀的熔化和凝固過程,所以,沉積層中存在微小的縮孔等缺陷。
              經過刻蝕后可以看出,基體仍然為索氏體組織,其化學成分仍然為原來基體的合金鋼成分:沉積/堆焊層呈現出層狀組織的特征,其化學成分為所使用的焊條的成分:即,電火花沉積/堆焊時,基體和焊層的成分沒有發生任何改變,沒有熔化焊中常見的沖淡現象。
              圖7  25Cr2Ni4Mov+DH-22沉積/堆焊層和基體掃描電子顯微形貌  X8000
              圖8  25Cr2NbiMov+DH-22沉積/堆焊層和基體X-射線衍射譜
              圖9  DH—22焊材在沉積/堆焊前后的X—射線衍射譜
              通過對焊條和試樣中焊層的X-射線衍射(XRD)分析發現,焊條和試樣中焊層的主要組織為FeCrNi相(Ni2.9Cro.7Feo.36),面心立方結構,說明焊條經過電火花沉積/堆焊后的組織仍然是具有面心立方結構的奧氏體。
              顯微硬度測試發現,試樣中焊層、熔合區和基體的顯微硬度分別為Hv305、Hv314、Hv246,電火花沉積/堆焊層的顯微硬度比基體的顯微硬度略高。
            交交變頻電機軸上缺陷修復
              13-106-2交交變頻電機軸表面有大量分散缺陷,包括麻點、磕碰、劃傷、壓痕等,其中有一條約長50mmX寬5mmX深0.6mm的壓痕(見圖10),嚴重影響產品外觀質量。根據我公司為此專門組織的專家組對該缺陷進行的評審決定,我們用電火花沉積/堆焊工藝對其進行了修復(見圖11),對電火花沉積/堆焊技術的實用性進行了實際檢驗,證明該技術對修復這些缺陷是十分有效的。

             結  論
              從試驗結果可以得出如下結論:
              6.1  電火花沉積/堆焊層與基體呈冶金結合,結合情況良好;
              6.2  對基體熱輸入很小,幾乎沒有熱影響區,更不會產生變形;
              6. 3  選擇合適的材料,可以使沉積/堆焊層與基體的硬度基本接近。
              參考資料
              [1]  張富巨等,電火花精密堆焊的材料選擇與工藝優化,《焊接技術》,2004年,第33卷第1期,P20-22
              [2]  汪瑞軍等,Ti合金表面電火花強化工藝參數的優化,《機械工人?熱加工》,2004年第9期,P32—34
             
             
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