对电火花沉积修复的试验研究

　　摘要：通过对电火花沉积焊材的选用、堆焊接头抗拉强度试验、硬度试验、断口微观形貌分析、焊缝和接头的金相分析和热影响区宽度值的测量及堆焊接头成份分析等试验，证明了电火花沉积工艺具有焊接热输入量极小、热影响区极窄，残余应力可忽略不计、堆焊焊缝与被修复母材为冶金结合等特点，适用于精密部件微量失重型尺寸失效的修复等领域。可实现对鼓风机、压缩机和泵等的轴、叶轮与齿轮等重要部件进行尺寸超差及缺陷的修复。

　　关键词：电火花沉积,热输入量小,冶金结合,修复

　　电火花沉积工艺是将电源存储的高能量电能，在电极与金属母材间瞬时高频释放，使高合金电极与母材表面产生瞬间微区高温、高压的物理化学冶金过程;同时微区内离子态的电极材料熔渗、扩散到母材基体，形成冶金结合[1]。

　　由于电火花沉积热输入小，热影响区和变形极小，因而焊层的残余应力小、与基体呈冶金结合等特点[2]，但沉积效率低，适用于精密部件微量失重型尺寸失效的修复等领域。转子轴颈等精密部件在加工时扎刀、尺寸超差或装配时碰伤，轴径发生磨损或拉伤的情况在生产中时有发生。通过电火花沉积的试验研究，为解决在生产中出现的问题和为用户服务找到一条较好的途径。可实现对鼓风机、压缩机和泵等的轴、叶轮与齿轮等重要部件进行尺寸超差及缺陷的修复。

　　1电火花沉积修复的材料选用

　　结合生产中重要转动件的常用材料，选取42CrMoE和KMN两个有代表性的材料作为基体进行了堆焊试验。42CrMoE的化学成份为：C:0.43%，Mn：0.60%，Si：0.23%，P:0.018%，S:0.003%,Cr：1.03%，Mo：0.19%;KMN的化学成份为：C:0.18%,Mn：0.55%，Si：0.32%，P:0.016%，S:0.008%,Cr：2.36%，Mo：0.93%。42CrMoE焊前经调质处理后，其抗拉强度逸800MPa，屈服强度逸650MPa，伸长率逸14%，断面收缩率逸50%，冲击功逸50J,硬度HB为241耀286;KMN焊前经正火+淬火+回火后，其抗拉强度逸931MPa，屈服强度逸833MPa，伸长率逸12%，断面收缩率逸35%，冲击功逸55J，硬度HB为293耀331。根据生产中遇到的实际情况，选用牌号N22和N24两种镍基作为填充材料进行了堆焊试验。

　　2电火花沉积试验

　　2.1氩气保护的影响

　　沉积试验时，氧化是影响堆焊层质量和厚度的重要因素，所以应做好焊接区的气体保护。氩气流量过小，不足以形成良好的保护，影响堆焊层的质量;氩气流量过大，在基体表面返弹后形成紊流，使空气卷入保护区，堆焊层金属氧化后不能形成良好的沉积层。

　　经反复试验表明，氩气流量为7L/min时堆焊层的质量略好些，但沉积层的厚度非常薄，且沉积后瞬间形成凸点，表面粗糙度大，为保证焊接质量须反复打磨凸点，因而堆焊的效率非常低，且堆焊层致密度差，存在大量漏焊点。通过资料查询，成型差的原因主要是气体保护不好，导致熔融金属表面张力大造成。但如何提高气体保护效果成为摆在面前的难题。最后，通过在主机面板的保护气体输出接头上直接接入一气管，侧吹实现对焊接区保护，并对气管端口截面的改形及保护气管在焊接区的位置等进行了改进和调试，终于取得了理想的试验效果。沉积时电火花数量多，为银白色均匀焊层，表面平滑，粗糙度小，层间只需偶尔打磨，致密度好。

　　2.2试验过程

　　采用模拟试验方案，考虑到电火花沉积主要应用于车间重要转动件精加工后局部微小缺陷的修复，故选用两种不同强度等级的镍基填充焊材进行试验。因为缺陷修复的质量考核指标主要是界面结合力和堆焊层的组织致密性问题，所以堆焊了拉伸试样进行拉伸试验和金相评定。选用两种典型基体材料的锻件进行最终热处理后，机械加工出具有一定形状系数(一般宽辕深比应该大于3)沟槽的拉伸试样。

　　对于42CrMoE材料，试验编号为1裕，采用规格准3.2mm的镍基焊材N22，工艺规范参数如下：电压75耀83V，频率310耀350Hz，气体流量6耀9L/min;KMN材料，试验编号为2裕，采用规格准3.2mm的镍基焊材N24，工艺规范参数如下：电压70耀85V，频率310耀350Hz，气体流量6耀9L/min。

　　3试验结果分析

　　3.1电火花堆焊接头力学性能分析

　　3.1.1电火花堆焊接头抗拉强度分析

　　对于试验编号为1裕的试样，抗拉强度值分别为705和715MPa，断裂位置均为靠近熔合线的焊缝处;对于试验编号为2裕的试样，抗拉强度值分别为835和840MPa，断裂位置均为靠近熔合线的焊缝处。

　　3.1.2电火花堆焊接头硬度分析

　　分别取1#、2#试样进行试验，对母材及热影响区(HV1)、熔合线(HV1)、焊缝(HV1)进行试验。在焊缝表面取二点，进行布氏硬度测试，1裕焊缝表面的硬度值为305HB、298HB，2裕焊缝表面的硬度值为341HB、345HB。

　　3.2断口微观形貌分析

　　对拉伸试样的断口形貌进行了分析。从断口的微观形貌(伊1000)可以看出，是脆性断裂。

　　3.3焊缝的微观组织形貌分析

　　可以看出，电火花沉积焊缝组织致密，为柱状晶结构，且晶轴方向处于焊缝与母材结合面的法线方向，说明沿结合界面焊缝的冷却速度极高，无裂纹缺陷。由于沉积堆焊是逐层进行的，且修磨凸点、补焊凹点，堆焊操作过程无方向性，所以在断面组织结构上表现出了一定的差别。

　　3.4热影响区组织分析

　　热影响区与母材的微观组织形貌(伊4000)对比分析可以看出，热影响区组织明显细化。其值约为110滋m(0.11mm)，说明电火花堆焊热输入极小，热影响区极窄，焊接残余应力可忽略不计。

　　3.5堆焊接头成份分析

　　3.5.1堆焊接头线扫描分析

　　对1裕试样的堆焊接头进行了线扫描分析，主要元素为Fe、Ni及Si，其中红色曲线代表Fe元素，绿色曲线代表Ni元素，蓝色曲线代表Si元素。

　　3.5.2堆焊接头对应点的化学元素定量分析

　　对堆焊接头的主要元素进行了电子探针的定量分析。编号1#试样，在母材和热影响区上随机选取2点，焊缝上选取1点，编号2#试样，在焊缝上随机选取2点。化学元素含量的线分布与点分布可以看出，母材与焊缝熔合界面两侧的化学元素浓度呈渐变趋势，互扩散明显。因此可以认为援电火花堆焊工艺下，焊丝与母材在高温下发生了一系列复杂的物理、化学冶金反应，元素互相熔渗、扩散和重新合金化，形成了牢固的冶金结合焊接接头。

　　4结论

　　淤电火花修复工艺具有焊接热输入量极小、热影响区极窄，残余应力可忽略不计，母材组织不造成任何损伤的独特技术优势，蕴藏着巨大的经济效益和社会效益。于电火花堆焊焊缝与被修复基体母材为冶金结合，极大提高了修复层的可靠性和使用寿命。盂可以现场施工，不用拆卸被修复件，节省时间;补焊后加工量小，节约后加工成本;工件不需焊前预热和焊后热处理，工期短，成本低。榆层的最大厚度可达3mm，可填焊修复深度6mm深坑与线性缺陷。

　　虞N22和N24两种镍基材料都可作为重要部件尺寸超差及缺陷的修复，其选择原则应使焊材的硬度略小于或等于工件的硬度。愚堆焊层两侧易产生未熔合缺陷，应加大坡口角度，并先堆焊坡口的四周，再进行内部的填充堆焊。舆电火花堆焊工艺应注意氩气的保护，并易产生未熔合和夹渣物缺陷，因而焊工应经过严格的培训后方能上岗。

　　参考文献

　　[1]黄小鸥，汪瑞军.大型发电机转子轴径磨损的电火花堆焊修复[J].WeldingTechnology，2000，29(6)：17-19.

　　[2]王华仁.电火花沉积/堆焊技术试验研究[J].表面技术，2007，36(1)：35-38.

　　相关期刊推荐：表面技术主要报道电镀技术、涂料与涂装技术、化学转化膜技术、真空镀膜、三废治理及环保方面的科学研究、新技术、新工艺等方面的内容，是从事金属、非金属表面处理的广大科研人员、工程技术人员以及与表面技术专业相关的大专院校师生，厂矿技术人员、管理人员的良师益友，在全国拥有众多读者。