裝備內孔零件的堆焊修復與滾壓強化工藝研究

李占明，孫曉峰，宋 巍

(裝甲兵工程學院裝備維修與再制造工程系，北京100072)

工程機械、坦克、艦船等重載裝備的發動機缸套、軸承座、輪轂、輪盤等內孔與外圓零件相互配合，起到支撐或導向作用，實現零件之間力的傳遞或相對運動，其工作狀態會直接影響裝備的穩定性和安全性。由于內孔零件通常是轉動體和固定體之間直接接觸的唯一部件，其出現腐蝕、磨損、拉傷等表面損傷的概率很高［1-3］。當內孔零件內壁表面出現損傷時，通常采用噴涂［4-5］、電鍍［6］或堆焊［7］等工藝進行修復，但這3種工藝都存在明顯的不足:噴涂技術雖然效率高、成本低，但修復層與基體結合強度低，且受噴涂距離的限制，很難完成小內孔零件的損傷修復;電鍍工藝復雜，內孔鍍層的均勻性很難控制，且效率較低，不能滿足嚴重損傷零件的修復;堆焊雖然修復效率高、修復層與基體結合強度好，但因局部溫度難以控制，易造成零件的燒穿或整體變形而使其報廢，工藝穩定性較差，且還存在組織結構和成分不均等問題。等離子弧焊是在鎢極惰性氣體保護焊基礎上發展而來的一種新型焊接工藝，具有電弧能量密度集中、電弧溫度高、射流速度大等優點，在焊接領域得到了廣泛應用。精密脈沖等離子粉末堆焊是等離子弧焊技術的新發展，其采用數字信號處理和斬波技術對弧焊電源進行控制，能嚴格控制焊接熱輸入，有效減少平均線能量，焊接變形小，適于熱敏感材料或薄壁零件的焊接。它雖不能從根本上解決堆焊修復層組織結構不均勻等問題，但可有效解決內孔零件堆焊修復時經常發生的殘余拉應力過大、變形和燒穿的難題。筆者針對內孔零件損傷修復需求及存在的問題，采用精密脈沖等離子粉末堆焊技術在薄壁試樣表面制備了堆焊修復層，車削加工后采用內孔滾壓強化設備對其進行滾壓強化處理，通過堆焊技術與內孔滾壓強化技術的綜合集成，實現了損傷內孔零件控型與控性的有效統一，為該類零件的損傷修復提供了一種新方法。

1 內孔零件的精密脈沖等離子堆焊

1．1 試驗材料與方法

選用長100 mm、外徑160 mm、壁厚6 mm的普通A3鋼管材試樣作為薄壁內孔類零件精密脈沖等離子粉末堆焊的研究材料，其化學成分為:w(C)=0．2%，w(Mn)=0．5%，w(Si)=0．25%，w(S)=0．05，w(P)=0．045%，w(Fe)= 余量。堆焊材料選用鐵基自熔合金粉末 Fe5，粉末的粒度為60～160μm，其化學成分為:w(C)=4．8%，w(Si)=0．8%，w(B)=1．5%，w(Cr)=4．0%，w(Fe)= 余量。采用自動控制精密脈沖等離子粉末堆焊設備對內孔試樣進行單道堆焊，如圖1所示。堆焊工藝參數為:堆焊電流150 A;堆焊電壓30 V;脈沖頻率250 Hz，占空比50%;堆焊速度40 mm/min;保護氣流速度10 L/min;送粉速度15 g/min。

圖1 內孔零件精密脈沖等離子粉末堆焊設備

1．2 試驗結果與分析

1．2．1 焊縫表面形貌

A3鋼配用鐵基合金粉末的精密脈沖等離子粉末堆焊內孔試樣及焊縫表面宏觀形貌如圖2所示。可以看出:焊道均勻，表面平整，有一定余高，堆焊后零件無明顯缺陷和變形。

圖2 內孔零件堆焊修復層表面形貌

為了準確掌握堆焊熱輸入對內孔零件變形的影響，采用游標卡尺對堆焊前后3個內孔試樣的外形尺寸進行測量，每個試樣測量5次，取其平均值作為堆焊前后試樣尺寸，測試結果如表1所示。對3個內孔試樣外徑平均值再取平均，得到堆焊前內孔試樣外徑為 161．86 mm，堆焊后內孔試樣外徑為161．31 mm，減小了0．55 mm，說明變形較小。

表1 堆焊前后內孔試樣外徑

1．2．2 焊縫截面形貌

焊后，采用線切割設備在無缺陷的A3鋼精密脈沖等離子粉末堆焊試件上截取10 mm×10 mm×6 mm的金相試樣，而后在丙酮溶液中超聲清洗15 min，經打磨拋光后，采用草酸水溶液進行浸蝕。通過金相顯微鏡觀察焊縫顯微組織，圖3為不同放大倍數下堆焊修復層截面形貌。可以看出:堆焊修復層主要包括基體區、熱影響區、熔合區及焊縫區4部分，具有熔化焊的典型特征;焊縫結晶是在熔合區半熔化母材晶粒基礎上聯生長大，形成了交界面，焊縫和母材過渡區域(包括熔合區和熱影響區)較窄，僅有10～15μm，堆焊質量較好，未觀察到明顯的氣孔、縮松等焊接缺陷，說明精密脈沖等離子粉末堆焊對基體的熱輸入較小。

圖3 堆焊修復層截面形貌

2 裝備內孔零件的滾壓強化

2．1 內孔滾壓強化機理

滾壓強化是利用金屬材料在常溫時的冷塑特性，采用滾壓元件對其表面施加一定壓力，使試樣表層金屬發生塑性流動，以填充到試樣殘留的低凹部位，從而降低表面粗糙度的一種工藝。由于表層金屬發生了塑性變形，表層組織細化，因此還可提高其硬度和強度，形成有益的殘余壓應力，從而改善零件表面的綜合性能［8-9］。圖4是內孔零件滾壓加工的簡單示意圖。通過滾柱向零件內壁施加一定壓力，當壓應力超過堆焊層材料彈性極限時，金屬晶粒就會發生位錯、滑移和破碎，產生塑性變形，這既可輾平內孔表面的微觀不平度，改善其表面質量，又能提高其表面性能。工作時，內孔滾壓工具頭安裝在錐軸上，而錐軸安裝在尾座刀架上，再旋轉零件，滾壓工具頭沿零件軸向進給，實現內孔零件的滾壓加工。

圖4 內孔零件滾壓加工示意圖

2．2 內孔滾壓設備與滾壓過程

圖5為根據內孔零件大小和結構特點設計加工的多柱行星式內孔滾壓專用工具頭。該工具頭由多個高硬度滾柱組成，它們均勻分布在滾柱保持架的凹槽中。加工時，隨著零件的轉動，滾柱受摩擦力的作用在零件表面滾動，滾壓頭對零件進行多點式徑向均勻碾壓，解決了單柱滾壓時因內孔零件孔壁單邊受力而導致零件內孔受力不均衡、變形不一致、精度較低的問題。

圖5 多柱行星式內孔滾壓工具照片

內孔零件滾壓強化處理在ZCZ-40A型數控車床上進行，處理過程中內孔試樣由車床主軸帶動旋轉，滾壓工具由車床尾座帶動、沿平行于試樣軸線方向平移，處理過程如圖6所示。主要工藝參數為:車床主軸轉速r=100 r/min;工具頭進給速度V=10 mm/min;滾柱每次進給量ε=10μm。

圖6 內孔滾壓過程

2．3 滾壓強化效果

2．3．1 表面形貌

堆焊修復內孔零件試樣經車削、車削+滾壓強化處理后的宏觀形貌如圖7所示。可以看出:車削試樣表面存在較多的加工紋理，這些紋理主要是犁溝和因刀具黏著引起的表面微缺陷;車削+滾壓強化處理的試樣表面宏觀上呈現鏡面光澤，表面光滑、平整，加工紋理大幅降低。

圖7 內孔滾壓強化效果

圖8是車削加工后的內孔零件堆焊修復層試樣和經3次滾壓處理后試樣表面的三維形貌。由圖8(a)可見:經車削加工后的試樣表面存在明顯的車刀犁痕，這些尖銳的犁痕產生嚴重的應力集中，成為疲勞源，對零件的抗疲勞性能產生不良影響，降低其疲勞壽命。由圖8(b)可見:試樣經滾壓處理后，表面尖銳的犁溝得以改善，表面較平整，可減少零件疲勞失效的物理條件。

圖8 車削加工和滾壓強化堆焊修復層表面三維形貌

2．3．2 表面粗糙度

通過TR240型表面粗糙度儀檢測了車削、車削+滾壓強化處理后的內孔零件試樣堆焊修復層表面的粗糙度Ra，取5次測量的平均值作為該表面的粗糙度，結果如表2所示。可以看出:滾壓強化處理可以明顯改善零件表面粗糙度，如3次滾壓強化處理后，試樣表面粗糙度從車削狀態的2．13μm降低到0．306μm，降低了約85%。這將大大降低零件表面的應力集中系數，對改善零件的接觸疲勞性能有較大的作用。

表2 內孔滾壓表面粗糙度

2．3．3 表面殘余應力

堆焊修復層表面殘余應力的大小與分布會對修復后零件的性能產生重要影響，加工后殘余應力的存在還會影響到零件的抗疲勞性能、抗應力腐蝕開裂性能和零件形狀的穩定性［10］。筆者利用X射線應力儀對車削加工及車削后滾壓強化處理的內孔零件試樣表面堆焊修復層的殘余應力進行了測定。表3為A3鋼內孔精密脈沖等離子粉末堆焊修復層車削加工和不同滾壓次數下的表面殘余應力，其中:表面殘余應力為3次測量的平均值。可以看出:堆焊修復層經車削加工后，在其表面形成了71 MPa的殘余拉應力，經滾壓強化處理后，最大的殘余壓應力為-477 MPa，且隨著滾壓次數的增加，堆焊層表面殘余壓應力的幅值也不斷增大。這對提高堆焊修復層的抗疲勞性能具有積極作用。

表3 堆焊修復層表面殘余應力

3 結論

1)A3鋼內孔試樣精密脈沖等離子粉末堆焊焊道表面平整光滑，堆焊試樣變形小，修復層與基體屬冶金結合，其修復層組織均勻，焊縫和母材過渡區域較窄，沒有觀察到明顯異常的氣孔、夾渣和裂紋等焊接缺陷，堆焊質量較好。

2)A3鋼內孔堆焊修復層經車削+內孔滾壓強化處理后，試樣表面呈現鏡面光澤，尖銳的犁溝基本消失，粗糙度明顯降低，且可在其表面形成高值殘余壓應力，這些都有利于提高修復零件的抗疲勞壽命。

3)利用精密脈沖等離子粉末堆焊在損傷內孔零部件表面制備修復層，并采用內孔滾壓強化技術對其進行強化，可實現損傷內孔零件控型與控性的有效結合，既能解決損傷薄壁內孔零件傳統堆焊修復燒穿或變形難題，還能解決堆焊修復層表面組織性能不均勻的難題，可用于該類零件損傷的修復。

［1］ 袁幸，朱永生，張優云，等．基于正反問題的滾動軸承損傷程度評估［J］．浙江大學學報:工學版，2012，46(11):1960-1967．

［2］ 張雪萍，姚振強，俞亞波，等．汽車輪轂軸承的兩類剝落失效分析［J］．潤滑與密封，2011，36(8):116-118．

［3］ 張飛，潘偉榮，陳宇軍，等．基于金屬自修復技術的汽油發動機不解體養護技術［J］．中國礦業大學學報，2000，29(5):532-535．

［4］ 王海軍，劉明，李緒強，等．內孔等離子噴涂裝置與工藝研究［J］．熱噴涂技術，2011，3(4):1-5．

［5］ 杜曉坤，朱有利，李占明，等．一種新型內孔熱噴涂技術及涂層性能研究［J］．裝甲兵工程學院學報，2006，20(5):82-85．

［6］ 胡振峰，呂鏢，汪笑鶴，等．相對運動速度對電刷鍍鎳鍍層組織結構和性能的影響［J］．材料工程，2014(5):12-16．

［7］ 孫松嶺，蘭強，劉艷紅．兩種輪心內孔自動堆焊方式的比較［J］．電焊機，2005，35(11):43-45．

［8］ Balland P，Tabourot L，Degre F，et al．An Investigation of the Mechanics of Roller Burnishing Through Finite Element Simulation and Experiments［J］．International Journal of Machine Tools and Manufacture，2013，65:29-36．

［9］ 楊冰，趙永翔．表面滾壓對LZ50車軸鋼疲勞短裂紋行為的影響［J］．金屬學報，2012，48(8):922-928．

［10］ 王珉．抗疲勞制造原理與技術［M］．南京:江蘇科技出版社，1999．