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再制造工程技术方法及其特点 ——理论与方法

浏览次数:198    作者:鑫工艺    发布时间:2018-06-25 15:54:20    字号:        

费敬银,辛文利,王卫康

西北工业大学理学院应用化学系(710072)

Email:jyfei@nwpu.edu.cn

Mobile: 13991120876

网址:www.brush-plating.com.cn


摘要

再制造工程理论与应用日益受到政府与企业的关注,它是传统维修技术与新型修复方法的集成。在国外,再制造技术手段主要以加工备件和更换总成为主。在国内,热喷涂、热喷焊、等离子喷涂、等离子喷焊、电弧喷涂、复合胶粘、冷焊、激光熔覆、电刷镀是最常用的再制造手段。本文简述每种方法的优缺点,以便从业人员能够在零部件的再制造过程中,充分发挥各种技术的优势,提高再制造工件的可靠性,降低生产成本。

1.前言

经过十余年的发展,再制造工程已逐步成为一套系统、科学的维护、保养和修理机械装备的新方法。由于机械设备在运行或停机过程中不可避免地会由于磨损、疲劳、断裂、变形、腐蚀、老化等原因,导致设备输出性能逐渐劣化、甚至出现故障。因此,及时进行零部件的再制造,恢复设备应有性能,提高在役设备的加工精度、保证产品质量,避免出现灾难性后果是十分必要的。

再制造工程是传统修理方法全面的升华。传统的维修方法,如机械加工修理法(修理尺寸法、附加零件法、局部更换法)、焊修法(补焊、钎焊、堆焊)、电镀法(低温镀铁、镀铬)、胶粘法(无机胶粘、有机胶粘、以及复合胶粘技术)等存在各自的优缺点,因此,在20世纪中期之后,相继出现了用于零部件批量维修的热喷涂技术、热喷焊技术(火焰喷涂、火焰喷焊等),等离子喷涂技术、等离子喷焊技术,电弧喷涂技术、爆炸喷涂技术以及超音速喷涂技术。由于喷涂技术存在结合力差、喷焊技术存在热应力变形、开裂、机械性能降低等问题,在20世纪末期,冷焊技术(补片技术)、微弧冷焊技术(气体保护熔丝焊技术)、激光熔覆(激光焊)技术和电刷镀技术等在设备维修中扮演着越来越重要的角色,使得再制造工程理论及应用日臻完善。尽管如此,每一种用于再制造工艺手段、方法也都有其自身的特点和不足。因此,本文将简要介绍每一种再制造方法的理论基础及其应用实例。

2.热喷涂(焊)技术及其特点

有人经常将热喷涂技术和热喷焊技术混为一谈,并不清楚两者之间的本质差异。从施工方式上看,两者极为相近;但是,从实质上讲,两者完全不同。

2.1 热喷涂技术

热喷涂技术是一种利用高温热源(通常是氧气——乙炔火焰)将喷涂材料(粉料或丝材)加热到熔融状态,用高速气流将其雾化并喷射到工件的表面上形成涂层的一种表面修复技术。

热喷涂技术的最大特点是生产效率高,涂层厚度大,特别适合于修复超差达到毫米级的工件。由于喷涂过程中,工件升温一般不会超过300℃,所以喷涂后的工件不会产生热应力裂纹、也不会因热影响而导致工件的变形或基体材料组织、机械性能的发生明显变化。正是由于喷涂施工过程中工件一直处于低温状态,所以喷涂层与基体的结合力差,喷涂层孔隙率高且疏松。即使采用超音速喷涂新技术,其结合强度一般不会高于电镀层与基体的结合强度。

热喷涂原理、过程、涂层结构、特点如下图所示:


图1 热喷涂施工现场                                                                



图2 喷涂后的工件




图3 修磨后的涂层    




图4 喷涂层断面结构



图5 喷涂层受力破坏实物



图6 适合喷涂大型工件(如表面防腐)


2.2 热喷焊技术

与热喷涂技术不同,热喷焊技术则是用中性火焰将已喷涂在工件表面上的自熔性合金粉末加热重熔,使涂层金属进行一次再冶金过程,涂层与基体间可以发生互熔或扩散,实现冶金结合,并能进一步改善涂层本身的致密性。

热喷涂与热喷焊的最大差别在于喷焊时使用的粉末是自熔性合金粉末(含有脱氧、造渣元素),并在喷粉之后进行高温重熔(950℃以上熔融),实现自熔性粉末的再次冶金。由于喷焊层与基体间是冶金结合,所以喷焊层与基体间的结合力远高于喷涂层。

由于喷焊过程中需要对涂层再次进行加热重熔,所以喷焊技术的最大缺点也源于喷焊时的高温重熔过程。除了刚性极大的工件外,喷焊后的工件大多会产生热应力变形或热应力裂纹,还会导致工件本身材料组织和机械性能的变化,如疲劳寿命降低等。因此,常将喷焊技术用于对尺寸、形状要求不高工件的修复(如易磨损部件的修复与表面强化)。

热喷焊原理、过程、涂层结构、存在问题如下图所示:


图7 喷自熔性合金粉末



图8 喷粉后加热重熔


图9 喷焊层断面结构                                                                                           图10 喷焊后出现的热应力裂纹






3.其他形式的喷涂或喷焊技术

3.1 等离子喷涂(焊)技术

等离子喷涂(焊)技术与热喷涂(焊)技术原理相似,不同之处在于等离子喷涂(焊)过程中所使用的热源不是一般的火焰(可燃气体与助燃剂混合后燃烧产生的火焰),而是等离子焰(等离子焰的性质可以通过控制等离子发生器的相关参数来调节)。

由于等离子焰的温度极高(至少在10000℃以上),目前可用于喷涂的所有材料都可以被等离子焰熔化,所以,用于等离子喷涂(焊)材料品种多样,不受材料熔点的限制。因此,金属材料、非金属材料、高温陶瓷材料等均可用作等离子喷涂材料。但是,等离子喷涂(焊)技术没能从根本上解决热喷涂(焊)技术固有的问题,因此,除了一些特殊应用领域外(如军工产品的表面加工),在日常维修中,较少采用等离子喷涂(焊)技术。此外,等离子喷涂(焊)技术还存在噪声、辐射等环保问题。


3.2 电弧喷涂

电弧喷涂与热喷涂的基本原理相似,主要差异在于热源的类型、喷涂材料的形态(丝材)与热喷涂不同。电弧喷涂是利用两根带电的金属丝材短路时产生的电弧热来熔化丝材,在高速气体的作用下,熔化的丝材被雾化,并喷射到工件表面上形成涂层。电弧喷涂的基本特性与热喷涂相似,由于用于电弧的喷涂材料是常见的金属丝材(而不是粉末),所以生产成本低廉。但是,电弧喷涂不能喷涂导电不良的材料或非金属材料。

电弧喷涂技术的最大特点是成本低廉、生产效率高,涂层厚度大,适合于修复超差达到毫米级的工件。由于在电弧喷涂过程中,可以不预热工件,所以工件不会升温,喷涂时对工件本身不会产生热影响。也正是由于电弧喷涂过程中工件一直处于低温状态,所以喷涂层与基体的结合力差,涂层孔隙率高且疏松。即使采用当前流行的超音速电弧喷涂技术,虽然可适当提高涂层与基体的结合强度,但一般不会高于电镀层与基体的结合强度。


3.3 超音速喷涂

超音速喷涂包括超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂和超音速电弧喷涂三大类。超音速喷涂与前面提到的各种喷涂技术的本质差异仅在于喷涂时气体的速度更高,高于声音在空气中的传播速度(声音在空气中的传播速度约为345米/秒),这也是称之为超音速喷涂的理由。高速气体喷涂带来的直接好处是提高了涂层的致密性和涂层与基体的结合力。

超音速喷涂技术的本质性改进在于喷枪(实际上是喷嘴)的结构,通过改进喷嘴的结构特征从而改变了一般喷枪的空气动力学特性,使得喷出气体的速度超过音速。其它附件的构成与一般的喷涂并无本质不同。

尽管超音速喷涂的涂层质量优于一般喷涂技术,但未从根本上改变涂层与基体的结合方式(机械结合),其主要缺点仍然是涂层与基体的结合力较差。


3.4 爆炸喷涂

爆炸喷涂是将处于爆炸极限范围内的混合气体在火花塞点燃下发生爆炸,借此加热喷涂粉末并将其喷射到工件的表面上形成涂层。其突出特点是喷射速度远高于声音的传播速度,因此涂层的密实性、涂层与基体的结合力比超音速喷涂更好。

但是,爆炸喷涂设备复杂、昂贵、生产效率低,施工时会产生噪声污染严重,因此很少有人将其作为一种设备维修技术而广泛使用。


4.新型冷焊修复技术

4.1冷焊方法之一——补片修复技术

冷焊(补片)修复技术是在电阻焊原理的基础上开发出来的一种新型维修方法。设备的主要构成部分主要包括脉冲电源和用来填补缺陷的金属片。当基体金属和金属片之间有较高的接触电阻时,在脉冲电源瞬间输出大电流脉冲的作用下,局部产生的电阻热将金属片与基体粘结在一起。单位面积上产生的脉冲电流越大、电脉冲次数越多,金属片与基体的粘结强度就越高。由于补片时只是在电极接触部位出现瞬间高温,因此,在补片过程中工件本身不会升温,工件受到的热影响小。

但是当凹坑深度远高于金属片厚度时,需要多次补片、修磨、补修,施工效率低下。因为补片修复时,金属片与基体之间是局部粘结,而不是整体焊接,所以金属片与基体间的结合强度不高,层间夹杂有很多空隙。另外,由于补片层与基体之间无法形成一个完美的整体,所以对冷焊后的工件进行修磨时,在基体与补片部位之间不能形成平滑过渡,不宜修复密封性、平整性要求高的零部件(如油缸、滚筒等)。



图11 补片用脉冲电源  



图12 补片用金属片                                                               图13 补片施工过程


4.2 冷焊方法之二——气体保护熔丝焊修复技术

气体保护熔丝焊修复技术简称微弧冷焊技术。微弧冷焊是在传统的气体保护焊的基础上发展起来的一种新型维修技术。微弧焊设备的主要构成部分包括脉冲电源和用来填补缺陷的金属丝。在冷焊过程中,带电的金属丝与工件接触的瞬间产生电弧(温度一般在6000℃以上),电弧热将金属丝熔化,用保护气体(惰性气体)把熔化的金属液滴吹射到工件的局部缺陷处,从而填平工件表面的凹坑或划伤,再通过机械修磨的办法加工冷焊部位,从而满足修复后工件的精度要求。

与一般意义的气体保护焊技术不同,微弧冷焊时在工件上不形成熔池,被熔化金属材料的是焊丝,而不熔化基体材料本身。由于在修复部位不形成焊接熔池,所以在微弧冷焊的施工过程中,工件温升小,不会产生明显的热影响。

与补片修复方法相比,微弧冷焊修复技术的最大特点是焊层与基体结合牢固。不足之处是生产效率低,焊层多孔,有微观缺陷,表面粗糙。一般采用对焊层修磨后再刷镀一层金属镀层的方法来提高工件表面的光洁度。

图14 微弧冷焊原理                                                      图16 微弧冷焊后的实物




图17手工填丝微弧冷焊施工过程                                                        图17局部微弧冷焊后的实物

4.3 激光熔覆修复技术

与热喷焊技术相似,激光熔覆是利用激光作热源,将喷涂在工件表面上的自熔性合金粉末或丝材加热重熔,进行一次再冶金过程,使涂层与基体间发生互熔或扩散,从而实现冶金结合,熔覆层与基体间的结合力远高于喷涂层。由于在激光重熔的过程中,热量只集中在激光照射的局部区域,工件本体温升较低,因此避免了热喷焊存在的热应力变形或开裂问题。但是这种方法的修复效率低、灵活性差(内孔、异型件等施工不便)。若果使用特大功率的激光器进行熔覆,其修复后的效果趋向于热喷焊。


图18 激光熔覆技术


5. 电刷镀

前面按类别介绍了不同种类维修技术的特点及不足。经过综合对比、分析可知,目前迫切需要一类快速、高效、经济、环保在常温下能够得到与基体结合牢固(金属键结合)的新型修复技术。

由于电刷镀维修技术简便易行、成本低、生产效率高、在常温下就能实现修复层与基体之间的冶金结合,因此,在众多的现代维修方法中,电刷镀修复技术已逐渐成为修复磨损件、局部缺陷件的主要维修方法。

刷镀是一种不需要镀槽的常温快速电镀方法,依靠镀笔提供电沉积金属镀层所需要的镀液,镀笔所到之处就能快速沉积金属镀层。改变镀液种类或操作参数,就可沉积出满足不同性能要求的金属镀层。由于镀层是在基体金属上以金属原子为基本单元规则堆积而成,所以镀层致密,与基体结合牢固。刷镀的电流越大、时间越长,镀层越厚(镀层厚度大于3~5毫米)。正是因为用刷镀方法可以在修复部位获得结合力好、厚度大、微观结构致密、硬度范围宽的金属镀层,刷镀维修技术在设备维修中的应用越来越广泛。



图19 刷镀原理图


6. 结论

通过上述介绍可知,在设备再制造工程领域,不同的维修方法有不同的用途,彼此间可以相互补充。喷涂技术生产效率高,喷焊方法结合力好,冷焊方法热影响小,激光熔覆结合力高,电刷镀修复无热影响。了解每种修复技术的有缺点,可以充分发挥每一种方法的优势。针对工件的损坏特征及使用场合,灵活应用新型修复技术,有利于更好地实现零部件的再制造。了解更多详细内容,请登陆“中国刷镀网”(www.brush-plating.com.cn)查询。


参考文献

费敬银、辛文利、王卫康,FJY系列刷镀技术应用指南。2010版


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