微電弧火花堆焊技術在機車柴油機機體修復中的探索應用

■ 陳興，路亞光，沈新建

機車柴油機是內燃機車的關鍵大部件，機體則是機車柴油機的關鍵零件，材料主要為球墨鑄鐵（QT500—7），成品機體形位公差和精度要求高，制造工藝復雜，制造成本昂貴。我公司作為中車內燃機車重要制造基地，經常會面臨客戶提出能否對有質量問題的機車柴油機機體進行修復的情況（該類機車柴油機機體主要為機車柴油機在應用過程中出現的碾瓦等質量問題而拆解報廢的）；同時機車柴油機機體在公司內部加工過程中會偶爾發生碰傷和加工過程中的斷刃、埂刀等現象，容易導致機體主軸承座孔等關鍵部位受損傷而影響裝機使用。由于機車柴油機機體制造成本昂貴，所以如果將這些存在質量問題的機體進行修復使用，在提升公司進行高價值產品修復水平的同時也為公司節省大量的制造成本。

目前國內機車內燃機機體材質通常為球墨鑄鐵整體鑄造，機體存在缺陷位置的常規焊補性能較差，主要體現在：焊材與機體基材的結合強度低，焊補產生的局部殘余應力，達到相當于室溫下材料的屈服強度，因此用常規焊接方法進行機體缺陷位置的焊補，修復質量不高。

以前公司也曾采用電刷鍍進行修復機體，但只能處理機體缺陷位置的淺表層，受電鍍層越厚越容易剝落的電刷鍍技術限制，電刷鍍層一般不宜超過0.15mm；同時電刷鍍修復技術因受機體結構影響和修復部位限制而利用率低，另外電刷鍍層由于鍍層脆性大無法采用機加工手段進行精度恢復。為此，公司便開始研究近些年出現的微電弧火花堆焊技術在內燃機車機體關鍵部位受損后的修復課題。

1. 微電弧火花堆焊技術發展經歷

常規的電火花沉積工藝（Electro Spark Deposition，ESD）涂層厚度最大只能達到50～80μm左右，無法滿足常規的修補需要。近年來，國內外一些研究機構經過了大量的研究開發，提高沉積設備的電源輸出功率，改進電極結構與運動方式，改變電極材料種類和成分，從而增加堆焊層厚度和熔敷效率，使之適用于零件缺陷修復，逐漸形成了目前的微電弧火花堆焊修復技術。

微電弧火花堆焊修復工藝適用于鑄（鐵、鋼、鋁、銅）件、模具及所有導電材料制品的表面局部缺陷，如氣孔、沙眼、縮松、凹坑及劃傷等，實現缺陷工件的修復與挽救。

2. 微電弧火花堆焊技術原理

利用脈沖電路，微電弧火花堆焊電極與工件基體接觸產生的瞬間高頻脈沖放電（頻率為20～2000Hz）形成微弧，在微小的放電區內瞬間（μs～ms級）流過密度高達105～106A/cm2的大電流，在時間和空間上高度集中放電，產生的熱能足以使電極和工件上微小的放電點處金屬熔化，同時爆炸產生的動能使熔化的金屬離開電極并沉積到工件表面，與工件表面的微小熔化區金屬實現快速熔化和冷卻，通過冶金結合形成表面涂層，實現堆焊過程。另外，采用氬氣保護，放電時極間電壓使氬氣電離擊穿形成微電弧，使焊層具有脈沖氬弧焊的效果，避免熔化金屬的氧化，從而與基體金屬形成高結合強度的冶金結合層（見圖1）。

因此，微電弧火花堆焊技術原理是將電源儲存的高能量電能，在金屬電極（陽極）與金屬母材（陰極）件瞬間高頻釋放，通過電極材料與母材間的空氣電離，形成通道，使母材表面產生瞬時高溫、高壓微區，使離子態的電極材料在微電場的作用下熔滲到母材基體，形成特殊性質的合金層或表面熔滲層，實現冶金結合。

3. 微電弧火花堆焊技術特點

（1）微電弧火花堆焊技術使用的能量密度很高，且在時間和空間上高度集中，因此微電弧火花堆焊技術對基體的熱輸入非常集中，在極小熱輸入的情況下使金屬熔化，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，幾乎沒有宏觀熱應力和變形，克服了常規焊接技術在這方面存在的缺點。

（2）電極與基體的同時熔化，使其形成的堆焊層與基體呈冶金結合，結合強度高，這又繼承了常規焊接工藝在這方面的優點。

（3）微電弧火花堆焊時是快速熔化和快速冷卻，對工件具有表面淬火的微電弧火花強化效果。

（4）微電弧火花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。

（5）微電弧火花堆焊只有顯微熔化，沒有傳統熔化焊時出現的宏觀熔池，在油潤滑的軸頸還有承油的效果，對潤滑有利。

4. 機體的微電弧火花堆焊修復攻關過程

據相關研究表明，堆焊工藝中的關鍵工藝參數有脈沖頻率、電壓、電容、電極直徑（帶旋轉電極的旋轉速度），這些參數一旦確定之后，電流大小就是個因變量，它取決于電容。進行堆焊時，應選擇適當的工藝參數（見表1），這些參數的變化會影響到最終堆焊層的性能。

通過微電弧火花堆焊技術進行焊接試樣試驗過程，可進一步了解微電弧火花堆焊技術，通過反復在前一堆焊層上再次進行堆焊最終獲得具有一定厚度的堆焊層。由于后一堆焊層的電火花放電將使前一堆焊層金屬重熔，其表層的顯微裂紋將因此而消除（這是微電弧火花堆焊技術與常規焊接技術的根本區別所在），所以僅在最后的表面層有顯微裂紋。在最終堆焊層稍高于工件要求的修復尺寸情況下，磨去多余高層即可消除表層顯微裂紋，從而達到修復目的。

（1）微電弧火花堆焊焊接樣件驗證 焊接樣件主要驗證項為：①熔敷層的力學性能。②熔敷層與基體的結合強度。③可接受的最低結合強度。④表面裂紋情況（滲透探傷）。⑤可加工情況（實物驗證）。⑥最低結合強度是基材最低合格強度的80%（該處為受壓應力，根據受力分析的設計計算結果）。

圖1 微電弧火花堆焊示意

表1 微電弧火花堆焊參數

設計制作剪截面對接試樣，進行焊接試驗，檢測其拉伸性能，觀察斷裂部位和記錄斷裂強度，了解熔敷層與基體的結合強度；檢測上述試樣的熔敷層、結合面、熱影響區的金相組織、顯微硬度；對熔敷面進行磁粉和滲透檢測。

試驗基材：采用本公司澆注GEVO16機體毛坯的材料QT500—7（代表機體材料力學性能的檢測試樣）。

試驗焊材：采用近似于AWS A5.15 ENiFeT3—CI焊絲，直徑1.0mm。

試樣型式：試樣加工成200mm×80mm×20mm的板型試樣（見圖2），在中間部位，開V形缺口至中部，該側焊接完成后，再在另一側相對部位再開V形缺口至中部。

采用多層多道微電弧火花堆焊技術，堆焊參數此處省略。

（2）微電弧火花堆焊焊接試樣檢測結果 接頭為X形，焊接后加工成圓形拉伸試樣，進行了拉伸檢測，測得斷裂強度分別為410MPa和498MPa，斷焊縫，表明熔合區結合強度高于該值。

（3）結果分析 檢測試樣力學性能，兩個拉伸試樣的斷裂強度分別為410MPa和498MPa，均大于400MPa，斷口在焊縫處，表明焊縫強度低于母材強度，但仍達到母材最低斷裂強度80%以上；試樣斷焊縫，表明熔合區和熱影響區的斷裂強度高于該值；斷焊縫也與硬度檢測結果相吻合。

（4）微電弧火花堆焊焊接試樣驗證結論 采用微電弧火花堆焊的工藝方法焊接的試樣檢測結果表明：①焊材與母材的結合強度良好，達到母材最低斷裂強度的80%以上。②焊縫強度良好，達到母材最低斷裂強度的80%以上。③熱影響區寬度較窄，熱影響區的硬度高于母材，約350HBW，屬可接受范圍。④采用這種焊接方式焊接較大缺陷時，若控制不好，有可能在焊縫產生焊接裂紋，故需對焊接各要素嚴格控制。⑤該方法可以對機體主軸承座運用損傷部位進行試修復。

5. 內燃機車柴油機機體焊修要點及流程

（1）機車柴油機機體微電弧火花焊修要點 第一，采用多層多道施焊（見圖3），后一道焊道應覆蓋前一道焊縫的1/2，焊道順序極為重要。

第二，每焊補一層，清除熔渣并細心檢查是否有焊補缺陷（裂紋、未熔合、氣孔及夾渣等）。

第三，堆焊部位高出母材表面1mm左右，焊層表面應均勻，不允許有咬邊及弧坑現象。

第四，焊縫平整，無氣孔、夾渣、咬邊及未焊滿等缺陷，焊層余量符合要求。

第五，微電弧火花堆焊主要參數，如表2所示。

第六，堆焊過程中，紅外線測溫儀對施焊部位進行測溫，不能高于150℃，同時用內徑千分尺測量主軸承座開檔尺寸并與焊前尺寸比對。使用里氏硬度計在焊縫表面均勻選取六點檢測焊縫表面硬度，堆焊表面硬度應≤250HBW，熱影響區硬度≤400HBW。

（2）機體焊補修復整體工藝流程 焊修樣件驗證→微電弧火花堆焊技術焊補→機加工（精整）→成品檢查→入庫。

第一，微電弧火花堆焊焊補（見圖4和圖5）作業流程：焊修前檢查→缺陷部位預處理（打磨）→微電弧火花堆焊→表面處理→記錄→存放或交付。

圖2 板型試樣

圖3 多層多道施焊

圖4 微電弧火花堆焊作業中

圖5 微電弧火花堆焊機體主軸承座

表 2

機體堆焊表面硬度≤250HBW，堆焊后應確保有適當的機械加工余量。

第二，機加工：經微電弧火花堆焊焊補后的機體，若焊補部位較大，則須通過機加工方式來達到尺寸精度，若焊補部位較小，可通過鉗修來恢復尺寸精度。

焊補后機體機加工流程如下：

預加工：對焊補部位進行加工，預留適當的加工余量。

滲透探傷： 對加工后焊補部位進行滲透探傷（見圖6），查有無裂紋。

鉗修：對主軸承座咬口底進行鉗工修整，滿足配蓋要求。

裝蓋：裝配主軸承蓋。

精加工：對裝蓋后的機體進行精加工，以達到圖樣精度要求（見圖7）。

三坐標測量：測量加工后機體的尺寸及形位精度。

滲透探傷： 檢查焊縫部位及周圍25mm范圍，確認無未熔合、咬邊、氣孔、疏松、裂紋等缺陷。

壓瓦檢查：檢查焊修檔與軸瓦的接觸面，必須達到75%以上（見圖8和圖9）。

清理除銹：對機體內外表面進行清理除銹，滿足清潔度要求。

6. 結語

采用微電弧火花堆焊技術焊修機體至今，已完成了10余只機車柴油機機體的焊補，其中首件焊補機體經機加工后檢查合格，并于當年通過公司級質量評審。完成柴油機的組裝試驗并裝用機車已運行兩年多，柴油機應用正常，機體修復質量可靠。實踐證明，采用微電弧火花堆焊補焊技術不僅可以滿足機車柴油機的使用要求，而且為推廣到公司其他相關零件的焊補修復提供了成熟的技術手段。

圖6 探傷后的機體主軸承座

圖7 精加工后的機體主軸承孔

圖8 壓瓦后的機體主軸承座孔

圖9 壓瓦后的主軸承瓦背

[1] 美國金屬協會，中國機械工程學會熱處理專業學會譯.金屬手冊第九版第四卷 熱處理[M].北京：機械工業出版社，1988：12.

[2] 全國特種加工機床標準化技術委員會. JB/T 10623—2006便攜式電火花表面強化機技術條件[S]. 北京：機械工業出版社，2007：4.

[3] 夏伯才，趙建華，錢翰城. 電火花微弧堆焊修復技術應用現狀[C].重慶：重慶市機械工程學會鑄造分會，2011.