易损机械零件堆焊修复技术及其应用

黄河，曾欣，刘良，刘福华，刘存平

（宜宾职业技术学院现代制造工程系，四川宜宾644003）

易损机械零件堆焊修复技术及其应用

黄河，曾欣，刘良，刘福华，刘存平

（宜宾职业技术学院现代制造工程系，四川宜宾644003）

对受损或废旧机械零件的修复与再制造，是资源优化利用的重要举措，对制造业转型和优化升级具有重要意义。机械零件的修复方法较多，影响因素及修复工艺也比较复杂，修复的依据主要是故障现象、零件的材料及其工艺性能、受损类型及损伤程度等。在分析常见修复技术及其基本原理的基础上，重点分析国内外堆焊技术应用现状、研究热点及技术发展趋势。

修复；堆焊；机械零件；技术应用

0 引言

目前我国制造业发展规模越来越大，但是相配套的机械零件修复技术还不能适应制造业快速发展和转型升级的需求，其水平也远远落后于发达国家。主要问题是主要机械零件的制造周期长、寿命短、精度低，不能完全满足实际需求。随着制造业的转型和优化升级，降低损耗与制造成本，促进资源的优化利用是一项十分重要的举措。通过对受损或废旧机械零件的修复与再制造，延长其使用寿命，是当前迫切需要解决的问题。与更换新零件相比，对失效的机械零件进行修复不仅可以减少资源消耗、节省成本，还可以利用新技术提高旧件的某些性能[1]。根据机械零件的损坏形式及性能缺陷的不同，修复技术和工艺也比较多样。堆焊修复技术作为修复和增强工件表面性能的工艺方法，越来越广泛应用于机械零件的修复与强化中。在分析机械零件修复技术及其基本原理的基础上，论述堆焊修复技术应用现状、研究热点及其技术发展趋势。

1 机械零件的修复技术

机械零件的修复方法很多，主要有机械加工修理技术、塑性变形修复技术、焊接修复技术、热喷涂技术、电镀修复技术、黏结修复技术、研磨技术等。归纳起来主要有3大类：一是修理尺寸法，即对已磨损的零件进行机械加工，使其重新具有正确的几何形状（改变了原有尺寸）；二是名义尺寸修理法，即利用堆焊、喷涂、电镀和黏结等方法增补零件的磨损表面，然后再进行机械加工，并恢复其名义尺寸、几何形状及表面粗糙度等；三是特别修复技术，改变零件的某些性能，或利用零件的金属的塑性变形来修复零件磨损部分的尺寸和形状，如镦粗法、挤压法、扩张法等。

机械加工是零件修复最主要、最基本的方法，具有简单易行、质量稳定可靠、修理成本低、应用广等特点。它可以作为一种独立的手段直接修复零件，也可以是其他修复方法的工艺中的准备或最后的工序。当采用名义尺寸修理法修复零件时，经过堆焊、喷涂、电镀等技术修复的零件表面，仍需经过机械加工才能达到配合精度和表面粗糙度的要求。例如，空心活塞销外圆磨损后，一般用镀铬法修复后进行外圆磨削加工；但若没有镀铬设备时，可用扩张法进行修复，扩张后的活塞销应按技术要求进行热处理，然后磨削其外圆，直到达到尺寸要求。

机械零件修复的依据主要是故障现象、零件的材料及其工艺性能、受损类型及损伤程度等。具体在制定修复方案时，要结合修复工艺对零件材质的适应性、各种修复工艺能达到的修补层厚度、零件尺寸和结构的限制、修复后的强度等因素综合考虑。

2 堆焊修复技术基本原理

堆焊是表面工程中很重要的一个分支，它是利用急速升温的热源将性能优异的合金材料熔敷于工件表面或边缘，进而形成一层耐磨、耐蚀、耐热等优良性能的金属层，具有适用性广、结合强度高、不受零件尺寸和修复场地限制，成本低、效率高、灵活性大等优点。堆焊可用于新零件的制造，也可用于旧件的表面修复与强化。

根据堆焊原理的不同，目前应用较多的堆焊方法主要有以下几种[2-4]：一是电弧堆焊，即利用焊条电弧焊的方法，通过电极放电引燃电弧，使焊条和基体金属熔化，形成堆焊熔敷层，具有成本较低、能量密度高、与基体结合强度高等优点；二是埋弧堆焊，即在焊丝和焊件之间引燃电弧，电弧热使焊丝、焊剂在焊件表面熔化，并有部分蒸发，金属和焊剂的蒸发形成一个空腔，电弧在空腔内燃烧，隔绝了大气对电弧和熔池的影响，并防止热量迅速散失，具有生产效率高、熔深大、质量稳定、无弧光辐射等优点；三是等离子弧堆焊，即利用等离子弧作为热源将填加金属熔化，使之熔敷于零件表面，具有生产效率高、成型美观以及易于实现堆焊过程自动化等优点；四是激光堆焊，即利用高能量密度的激光束作为热源，具有加热及冷却速度快、可靠性高、堆焊层性能高等优点。

3 堆焊修复技术研究与应用

堆焊技术在我国经历了60多年的发展历史，其应用遍及各种轴类、轴承类、轧辊类零件的制造和修复等基础工业的众多领域，尤其在汽车、重型机械、冶金石化、航空航天等行业应用十分广泛，并取得了显著的经济效益。据统计，用于修复旧件的堆焊金属量占总堆焊材料用量的72.2%，修复旧件的费用很低，而使用寿命往往比新件的寿命还高，如堆焊旧轧辊的费用仅是新轧辊的30%左右[5]。

由于堆焊技术在实际生产中具有非常重要的意义，因此国内外对堆焊技术的研究都非常重视。我国在堆焊基础理论的研究方面与国外工业发达国家相比并不逊色，但是在堆焊材料方面存在“焊条多焊丝少、熔炼焊剂多烧结焊剂少、实心焊丝多药芯焊丝少”的问题，在堆焊设备方面存在“改装设备多专用设备少、机械化设备多自动化设备少”的问题[5-6]，因此在堆焊材料开发、堆焊设备的自动化与智能化水平、计算机技术及模拟仿真技术应用等方面与国外存在较大差距，这也是近年来国内堆焊技术领域研究的热点。

4 堆焊修复技术发展趋势

随着计算机技术、自动控制技术及人工智能技术的发展，自动化与智能化将成为堆焊技术及其装备的重要发展方向。

①自动化。随着自动控制技术的发展，越来越多的堆焊设备中引入PLC和步进电机，从而实现对堆焊电流、电弧电压、焊剂输送量、堆焊速度等工艺参数的精确控制；另外在堆焊系统中引入数控系统，可以控制焊枪和工件的相对运动，通过调节相关的堆焊参数，可以在一定范围内对堆焊层的厚度、宽度、硬度等性能指标进行优化调整[3]。

②智能化。由于堆焊工艺过程非常复杂，涉及多学科交叉融合，其生产工艺、操作及质量都严重依赖于工人的经验和技能，因此人工智能在堆焊修复技术的发展中具有十分重要的意义。例如，在堆焊工艺实施前进行计算机模拟仿真优化堆焊工艺参数，在焊剂组分优化控制中引入遗传算法或神经网络技术，可有效防止因堆焊修复方法、修复材料及工件形状不同产生的堆焊修复失效问题；在堆焊过程控制中引入视觉传感技术，建立知识模型和专家推理系统，实现焊接质量预测和熔池动态过程与成型质量的智能控制[7-8]。

5 结论

随着全球制造业竞争的加剧，提高易损机械零件的修复效率和质量，对保证企业的正常生产、降低维修成本、提高产品竞争力都有重要影响。堆焊修复技术在机械零件失效修复中具有广阔的应用前景，其技术发展和装备的自动化和智能化水平的提高，对于我国制造业的转型升级也具有十分重要的现实意义，对堆焊系统的自动化、智能化、机器人与柔性焊接等焊接先进制造技术的研究与应用，将成为我国制造业赶超发达国家先进水平的重要途径。

［1］徐滨士，董世运，等．再制造成形技术发展及展望[J]．机械工程学报，2012，8（15）．

［2］游国强，陈勇，等．电火花堆焊技术的研究与应用现状[J]．材料导报，2011，11（11）．

［3］邓德伟，陈蕊，等．等离子堆焊技术的现状及发展趋势[J]．机械工程学报，2013，4（7）．

［4］王小范，姚建华，等．激光表面堆焊技术的应用及展望[J]．兵器材料科学与工程，2005，7（4）．

［5］张文毓．堆焊技术的研究与应用进展[J]．现代焊接，2014，12（12）．［6］单际国，董祖珏，等．我国堆焊技术的发展及其在基础工业中的应用现状[J]．中国表面工程，2002，8（4）．

［7］陈善本，林涛，等．智能化焊接制造工程的概念与技术[J]．焊接学报，2004，12（6）．

［8］林惠乐．基于遗传神经网络的CO2弧焊机器人工艺参数优化研究

[D]．广西大学，2015．

〔编辑利文〕

TG403.1

B

四川省教育厅自然科学基金项目，《机械零件的堆焊修复及仿真研究》项目编号：16ZB0551

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.17