易損機械零件堆焊修復技術及其應用

黃河，曾欣，劉良，劉福華，劉存平

（宜賓職業技術學院現代制造工程系，四川宜賓644003）

易損機械零件堆焊修復技術及其應用

黃河，曾欣，劉良，劉福華，劉存平

（宜賓職業技術學院現代制造工程系，四川宜賓644003）

對受損或廢舊機械零件的修復與再制造，是資源優化利用的重要舉措，對制造業轉型和優化升級具有重要意義。機械零件的修復方法較多，影響因素及修復工藝也比較復雜，修復的依據主要是故障現象、零件的材料及其工藝性能、受損類型及損傷程度等。在分析常見修復技術及其基本原理的基礎上，重點分析國內外堆焊技術應用現狀、研究熱點及技術發展趨勢。

修復；堆焊；機械零件；技術應用

0 引言

目前我國制造業發展規模越來越大，但是相配套的機械零件修復技術還不能適應制造業快速發展和轉型升級的需求，其水平也遠遠落后于發達國家。主要問題是主要機械零件的制造周期長、壽命短、精度低，不能完全滿足實際需求。隨著制造業的轉型和優化升級，降低損耗與制造成本，促進資源的優化利用是一項十分重要的舉措。通過對受損或廢舊機械零件的修復與再制造，延長其使用壽命，是當前迫切需要解決的問題。與更換新零件相比，對失效的機械零件進行修復不僅可以減少資源消耗、節省成本，還可以利用新技術提高舊件的某些性能[1]。根據機械零件的損壞形式及性能缺陷的不同，修復技術和工藝也比較多樣。堆焊修復技術作為修復和增強工件表面性能的工藝方法，越來越廣泛應用于機械零件的修復與強化中。在分析機械零件修復技術及其基本原理的基礎上，論述堆焊修復技術應用現狀、研究熱點及其技術發展趨勢。

1 機械零件的修復技術

機械零件的修復方法很多，主要有機械加工修理技術、塑性變形修復技術、焊接修復技術、熱噴涂技術、電鍍修復技術、黏結修復技術、研磨技術等。歸納起來主要有3大類：一是修理尺寸法，即對已磨損的零件進行機械加工，使其重新具有正確的幾何形狀（改變了原有尺寸）；二是名義尺寸修理法，即利用堆焊、噴涂、電鍍和黏結等方法增補零件的磨損表面，然后再進行機械加工，并恢復其名義尺寸、幾何形狀及表面粗糙度等；三是特別修復技術，改變零件的某些性能，或利用零件的金屬的塑性變形來修復零件磨損部分的尺寸和形狀，如鐓粗法、擠壓法、擴張法等。

機械加工是零件修復最主要、最基本的方法，具有簡單易行、質量穩定可靠、修理成本低、應用廣等特點。它可以作為一種獨立的手段直接修復零件，也可以是其他修復方法的工藝中的準備或最后的工序。當采用名義尺寸修理法修復零件時，經過堆焊、噴涂、電鍍等技術修復的零件表面，仍需經過機械加工才能達到配合精度和表面粗糙度的要求。例如，空心活塞銷外圓磨損后，一般用鍍鉻法修復后進行外圓磨削加工；但若沒有鍍鉻設備時，可用擴張法進行修復，擴張后的活塞銷應按技術要求進行熱處理，然后磨削其外圓，直到達到尺寸要求。

機械零件修復的依據主要是故障現象、零件的材料及其工藝性能、受損類型及損傷程度等。具體在制定修復方案時，要結合修復工藝對零件材質的適應性、各種修復工藝能達到的修補層厚度、零件尺寸和結構的限制、修復后的強度等因素綜合考慮。

2 堆焊修復技術基本原理

堆焊是表面工程中很重要的一個分支，它是利用急速升溫的熱源將性能優異的合金材料熔敷于工件表面或邊緣，進而形成一層耐磨、耐蝕、耐熱等優良性能的金屬層，具有適用性廣、結合強度高、不受零件尺寸和修復場地限制，成本低、效率高、靈活性大等優點。堆焊可用于新零件的制造，也可用于舊件的表面修復與強化。

根據堆焊原理的不同，目前應用較多的堆焊方法主要有以下幾種[2-4]：一是電弧堆焊，即利用焊條電弧焊的方法，通過電極放電引燃電弧，使焊條和基體金屬熔化，形成堆焊熔敷層，具有成本較低、能量密度高、與基體結合強度高等優點；二是埋弧堆焊，即在焊絲和焊件之間引燃電弧，電弧熱使焊絲、焊劑在焊件表面熔化，并有部分蒸發，金屬和焊劑的蒸發形成一個空腔，電弧在空腔內燃燒，隔絕了大氣對電弧和熔池的影響，并防止熱量迅速散失，具有生產效率高、熔深大、質量穩定、無弧光輻射等優點；三是等離子弧堆焊，即利用等離子弧作為熱源將填加金屬熔化，使之熔敷于零件表面，具有生產效率高、成型美觀以及易于實現堆焊過程自動化等優點；四是激光堆焊，即利用高能量密度的激光束作為熱源，具有加熱及冷卻速度快、可靠性高、堆焊層性能高等優點。

3 堆焊修復技術研究與應用

堆焊技術在我國經歷了60多年的發展歷史，其應用遍及各種軸類、軸承類、軋輥類零件的制造和修復等基礎工業的眾多領域，尤其在汽車、重型機械、冶金石化、航空航天等行業應用十分廣泛，并取得了顯著的經濟效益。據統計，用于修復舊件的堆焊金屬量占總堆焊材料用量的72.2%，修復舊件的費用很低，而使用壽命往往比新件的壽命還高，如堆焊舊軋輥的費用僅是新軋輥的30%左右[5]。

由于堆焊技術在實際生產中具有非常重要的意義，因此國內外對堆焊技術的研究都非常重視。我國在堆焊基礎理論的研究方面與國外工業發達國家相比并不遜色，但是在堆焊材料方面存在“焊條多焊絲少、熔煉焊劑多燒結焊劑少、實心焊絲多藥芯焊絲少”的問題，在堆焊設備方面存在“改裝設備多專用設備少、機械化設備多自動化設備少”的問題[5-6]，因此在堆焊材料開發、堆焊設備的自動化與智能化水平、計算機技術及模擬仿真技術應用等方面與國外存在較大差距，這也是近年來國內堆焊技術領域研究的熱點。

4 堆焊修復技術發展趨勢

隨著計算機技術、自動控制技術及人工智能技術的發展，自動化與智能化將成為堆焊技術及其裝備的重要發展方向。

①自動化。隨著自動控制技術的發展，越來越多的堆焊設備中引入PLC和步進電機，從而實現對堆焊電流、電弧電壓、焊劑輸送量、堆焊速度等工藝參數的精確控制；另外在堆焊系統中引入數控系統，可以控制焊槍和工件的相對運動，通過調節相關的堆焊參數，可以在一定范圍內對堆焊層的厚度、寬度、硬度等性能指標進行優化調整[3]。

②智能化。由于堆焊工藝過程非常復雜，涉及多學科交叉融合，其生產工藝、操作及質量都嚴重依賴于工人的經驗和技能，因此人工智能在堆焊修復技術的發展中具有十分重要的意義。例如，在堆焊工藝實施前進行計算機模擬仿真優化堆焊工藝參數，在焊劑組分優化控制中引入遺傳算法或神經網絡技術，可有效防止因堆焊修復方法、修復材料及工件形狀不同產生的堆焊修復失效問題；在堆焊過程控制中引入視覺傳感技術，建立知識模型和專家推理系統，實現焊接質量預測和熔池動態過程與成型質量的智能控制[7-8]。

5 結論

隨著全球制造業競爭的加劇，提高易損機械零件的修復效率和質量，對保證企業的正常生產、降低維修成本、提高產品競爭力都有重要影響。堆焊修復技術在機械零件失效修復中具有廣闊的應用前景，其技術發展和裝備的自動化和智能化水平的提高，對于我國制造業的轉型升級也具有十分重要的現實意義，對堆焊系統的自動化、智能化、機器人與柔性焊接等焊接先進制造技術的研究與應用，將成為我國制造業趕超發達國家先進水平的重要途徑。

［1］徐濱士，董世運，等．再制造成形技術發展及展望[J]．機械工程學報，2012，8（15）．

［2］游國強，陳勇，等．電火花堆焊技術的研究與應用現狀[J]．材料導報，2011，11（11）．

［3］鄧德偉，陳蕊，等．等離子堆焊技術的現狀及發展趨勢[J]．機械工程學報，2013，4（7）．

［4］王小范，姚建華，等．激光表面堆焊技術的應用及展望[J]．兵器材料科學與工程，2005，7（4）．

［5］張文毓．堆焊技術的研究與應用進展[J]．現代焊接，2014，12（12）．［6］單際國，董祖玨，等．我國堆焊技術的發展及其在基礎工業中的應用現狀[J]．中國表面工程，2002，8（4）．

［7］陳善本，林濤，等．智能化焊接制造工程的概念與技術[J]．焊接學報，2004，12（6）．

［8］林惠樂．基于遺傳神經網絡的CO2弧焊機器人工藝參數優化研究

[D]．廣西大學，2015．

〔編輯利文〕

TG403.1

B

四川省教育廳自然科學基金項目，《機械零件的堆焊修復及仿真研究》項目編號：16ZB0551

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.17