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欢迎光临兰州瑞迈克电力科技有限公司网站 今天是2024年3月28日 星期四
关于我们
    全方位解决机械设备的磨损、拉(划)伤、腐蚀、密封、铸造缺陷、尺寸超差等表面修复难题。如:汽轮机发电机转子轴颈修复(拉伤、磨损、沟槽、损伤、划伤现场修复),汽轮机汽缸结合面密封,励磁机整流子抗磨,调相器滑环抗磨,各种…
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   电火花沉积/堆焊技术修复轴颈损伤试验研究
                               王仁华

  摘 要 本文报道了对电火花沉积/堆焊工艺技术、沉积/堆焊焊层材料选择、沉积/堆焊层性能分析等进行的试验研究,结果表明:电火花沉积/堆焊层与基体呈冶金结合,其结合强度、补覆层强度、补覆层质量是刷镀、热喷涂、贴片微焊等工艺所无可比拟的;对基体热输入小,热影响区很小且不会产生变形;选择合适的材料,可以使沉积/堆焊层与基体硬度基本接近。本工艺方法克服了刷镀层结合力差、强度低的缺点,避免了喷涂(焊)、激光焊应力大、易产生变形及裂纹等致命弱点。
  关键词 电火花沉积/堆焊技术  沉积层性能  沉积/堆焊工艺
引言
  电火花沉积/堆焊具有热输入小,因而对工件造成的热影响区和变形极小、与基体呈冶金结合、结合强度高等特点,因而成为表面工程中一个飞速发展的新技术,正在和将在精密模具的制造与修复、要求较高精度的机械零部件的尺寸恢复、超薄结构的微连接与补焊、精密成型等领域获得广泛的应用[1]。
  转子轴颈在加工时扎刀、尺寸超差或装配时碰伤的情况时有发生,在此之前出现此类问题时,不是将轴颈加工小并照配轴瓦,就是对其进行简单修整后带伤交货;已经在电厂运行中的汽发转子也有因磨损拉伤而影响正常运行的情况发生,电厂一般采用将轴颈加工小并新配轴瓦的办法,或请其他单位对其进行电刷镀、冷焊等修复。如,某电厂325MW汽轮发电机转子密封瓦轴颈处,因为某些原因在使用过程中出现磨损拉伤沟槽,影响密封效果并直接影响到电厂的安全运行,经过临时处理方案处理后,机组勉强达到了使用要求,但电厂方仍然要求进行永久性修复。某公司生产的13-106-2交交变频电机轴表面有大量分散缺陷,包括麻点、磕碰、划伤、压痕等,其中有一条约长50m~X宽5mmX深0.6mm的压痕,影响了产品外观质量;而这类转子的技术规范又严禁施焊,为此,我们提出了对电火花沉积/堆焊技术进行试验研究的课题,为解决生产中出现的问题找到一条极好的途径。
电火花沉积/堆焊技术简介
2.1电火花沉积/堆焊技术原理
  电火花沉积/堆焊是利用旋转电极与工件基体之间产生的瞬间高能量脉冲放电的原理(最大脉冲放电频率2000Hz),在电极与工件“相对最近点”产生电火花,在非常小的放电区域内,瞬间(us--ms数量级)流过的电流很大,其电流密度高达105—106A/cm2,这种在时间和空间上的高度集中放电,将产生大量的热能,使电极和工件上极微小的放电点处的金属熔化并具有爆炸性,该过程产生的动能使熔化的金属离开电极表面并沉积到工件表面,与工件表面的微小熔化区金属实现冶金结合。
  电火花沉积/堆焊是属于电火花特种加工领域。传统的电火花加工技术主要有电火花成型\电火花切割(线切割)\电火花雕刻\电火花磨削等,这些工艺都是利用电火花放电对工件材料的烧蚀去除功能来实现加工目的的,而电火花沉积/堆焊则是在利用电火花放电过程中对电极材料的蚀除的同时,又把蚀除掉的电极上的熔融金属沉积并堆焊到工件表面的适.当位置(如沟槽、凹坑等),从而实现对工件表面的修复或强化。
  由于电火花沉积/堆焊时的高能量密度,使基体表面产生快速微小熔化,而冷态的基体又使该熔化区快速冷却,因而产生电火花强化的效果:又由于电火花沉积/堆焊时使用Ar气保护,在电火花放电时,极间电压使Ar气电离击穿并形成微小的电弧,又使沉积/堆焊层有脉冲氩弧焊的效果,从而与基体金属形成结合强度很高的冶金结合层。
2.2 电火花沉积/堆焊技术特点
  由于电火花沉积/堆焊使用的能量密度很高,且在时间和空间上高度集中,所以,电火花沉积/堆焊技术对基体的热输入非常集中,热量在基体中的传导和扩散范围极小,基材的组织和性能发生变化的热影响区很小,几乎没有热应力和变形,克服了传统的焊接工艺在这方面存在的缺点;
  由于电极与基体的同时熔化,使其形成的沉积/堆焊层与基体呈冶金结合,结合强度极高,因而又继承了焊接工艺在这方面的优点;
  由于电火花沉积/堆焊时的快速熔化和快速冷却,对工件具有表面淬火的电火花强化效果;
  由于电火花沉积/堆焊时的瞬间温度很高,故可以制造高熔点金属(如Ti、W、WC等)的复合强化层[2];
  由于电火花沉积/堆焊只有显微熔化,没有传统熔化焊时出现的宏观熔池,因而沉积层不可避免地存在显微气孔,这对沉积层的性能没有明显的影响,但在需要油润滑的轴颈上还有承油的效果,对润滑有利。
2.3 电火花沉积/堆焊设备
2.3.1电火花沉积/堆焊设备简图
  电火花沉积/堆焊设备简图如图1和图2所示。

  图1  电火花沉积/堆焊设备简图(面板)  图2电火花沉积/堆焊设备简图(沉积/堆焊枪)
2.3.3电火花沉积/堆焊设备各部件名称
    该设备各部件名称为:
    ①机箱正面:
    1一复位开关;2、3、4—出功率档位开关;5—遥控线插口;6—沉积/堆焊枪输出接口(正);7—保护气出口;8—沉积/堆焊枪输出接口(负);9—输出脉冲频率调节旋钮;10—输出功率高低档位开关;11一电源开关。
    ②沉积/堆焊枪:
    l一电极;2一保护气冒:3一绝缘枪柄;4一电机:5一开关自锁按钮(按下,电机连续旋转:松开,电机停止旋转):6一保护气输?入管:7一沉积/堆焊正极电源输入线:8一电机电源输入线;9一电机开关。
    进行,电火花沉积/堆焊操作时,输出地线(负极)夹子夹在欲处理的工件上,输出正极为旋转电极(夹于手持式电机),并通以氩气保护。
2.3.2电火花沉积/堆焊设备主要技术参数
  该设备的主要技术参数为:
  输入电源:    AC 220V 50Hz
  输入电流:    15A
  最大输出功率:  2000W
  脉冲频率:    50—2000H2
2.4  电火花沉积/堆焊设备的操作
2.4.1  设备安装及调试
  将电源输入插头、沉积/堆焊枪连接插头、地线插头和保护气输入输出插头分别连接到机箱上的相关插座及接头上;
  将氩气流量计装到氮气瓶上,用软管连接氩气流量计出口到机箱保护气输入接口。打开氩气瓶,检查是否漏气;
  用15A三孔插头、插座,接上220V 50Hz输入电源;
  将地线夹子夹在工件上;
  合上电闸,打开机箱电源开关(此时,电源指示灯亮,机箱内冷却风扇运转):
  手持旋转电机,按下枪柄扳机,检查电极是否旋转正常,保护气是否畅通;
  在旋转时用电极轻触工件表面,检查火花是否正常。
2.4.2  设备操作
  用丙酮等洗净工件(或试样)表面油污;
  用油石、砂纸等去除工件(或试样)表面氧化皮及铁锈;
  将地线夹子夹在工件(或试样)上;
  选择合适的电极材料种类及规格,并夹紧夹正在枪头上(若电极偏心,应调整夹头使电极尽量处在中心位置);
  根据电极规格和沉积修补区大小,调整好输出功率和输出频率;
  打开保护气并调整好流量;
  按下手持电机上的开关扳机并按下开关自锁按钮;
  使电极轻轻地在工件(或试样)表面按一定方向移动,形成连续沉积/堆焊层(注意:若电极压在表面过紧,将使电极与工件短接而无火花,无法实现沉积/堆焊),电极与工件表面呈30°—40°角度,左右摆动,摆幅为10—40mm,摆动速度以沉积层能均匀覆盖工件表面为宜。
  沉积过程中,若有未沉积表面或出现凹坑,应对其进行补沉积。对沉积层的高点,可用锉修或锤击的方式消除。
  在进行电火花沉积/堆焊时,电极以保持暗红为佳,此时,火花较多,沉积/堆焊层呈明亮的金属光泽。若呈黄色(约600°C),应调低输出功率,或使用间断沉积方式,以防止电极氧化。
  在进行电火花沉积/堆焊时,一般应先用较小的功率,再逐步增大到规定的功率,这样可以使沉积底层更加致密并与基体结合牢固。
 3 工艺试验
 3.1 试样及材料选择
  试样基材为25Cr2Ni4MoV,试样尺寸为lOXlOX27.5mm的方形试样块(这些试样均为汽发转子材料性能试验中使用过的冲击试样)。基体材料的成分和性能见表1和表2所列。电火花沉积/堆焊试验用焊条材料见表3所示。
  表1  25Cr2Ni4MoV(汽发转子锻件)化学成分
 
 
 元素 
C  
Cr
Ni 
MO 
V  
 含量%
≤0.25
1.5~2.0 
3.25~4.0
0.2~0.5 
0.05~0.13
 元素 
P
S
Si
Mn 
Fe 
 含量%
≤0.015
≤ 0.018 
0.15~0.35
0.15~0.35
余 
  表2  25Cr2Ni4MoV(汽发转子锻件)技术条件
 
 轴向试样 
 切向试样 
 径向试样 
中心孔轴向  
强度极限  σb      MPa 
 ≥735
≥735 
≥735 
≥735 
屈服极限  σ0.2   MPa 
 650~755
650~755 
650~755 
605~755 
延伸率    δ5      % 
 ≥17
≥17 
≥17 
≥16 
断面收缩率 ψ      % 
 ≥50
≥50 
≥50 
≥45 
冲击能量  AD   J  
 ≥88 
 
 
 
疲劳极限  σ-1     MPa  
 
 ≥295
 
 
脆性转变温度(FATT50)℃
 
 
 ≤-23
 ≤-18

3.2表面预处理
  如果试样(或工件)表面有油污,可用金属油污清洗剂对试样表面的油污进行清洗(如果表面没有油污,该步骤可以省略);用细锉轻轻锉去试样表面氧化层;用细砂纸轻轻砂磨试样表面,使其露出新鲜洁净的金属表面;用丙酮最后清洗试样和焊条表面油脂。
3.3  试样制备
  按2.4所述的操作步骤和方法,在试样基体上分别用不同材质和规格的焊条(见表3所列)逐层沉积/堆焊,使补层厚度达到约1mm左右,然后用线切割将试样从中间剖开,根据金相试验方法将其抛磨成金相分析和硬度试验用试样。对通过硬度试验初步选定下来的沉积材料DH-22还沉积了用于X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜分析(SEM)及EDAX分析等试验用试样。
    表3    电火花沉积/堆焊试样及沉积/堆焊用材料
 试样编号
主要成分 
 材料牌号
 规格mm 
 沉积层厚度
 硬度HRc 
 1
 Ni  Cr Fe
 DH-22
 ∮3.2
 1mm 
 20~30 
 2
 Ni  Cr Fe
 DH-24
 ∮3.2
 1mm 
 ~20 
 3
 Ni  Cr Fe
 DH-40
 ∮4.0
 1mm 
 40~45 
 4
 Ni  Cr Fe
 DH-50
 ∮4.0
 1mm 
 45~50 
 5
 Ni  Cr Fe
 DH-60
 ∮4.8
 1mm 
 58~64
 6
 Co基合金 
 DH-21
 ∮4.8
 1mm 
 25~35 
 7
 Co基合金
 DH-06
 ∮4.0
 1mm 
  40~45 
 8
 Ni Cr Fe
 DH-22
 ∮3.2
 1mm 
 20~30 

试验结果及分析讨论
4.1  金相试验
  分别对不同规格、不同材质的焊条的沉积/堆焊层进行了金相试验,同时对同一个试样上还进行了多个断面的金相检测。结果见图3、图4和图5。从中可以看出,用DH-22、DH—24和DH—21焊条所沉积的焊层与基体结合很好,呈冶金结合状态,焊层组织呈层状结构。用DH-40、DH-50、DH-60、和DH-06焊条所沉积的焊层与基体结合仍然很好,也表现为冶金结合状态,焊层组织仍呈层状结构,但焊层中有较多显微气孔,这些都是因为它们的硬度较高因而其韧性较差,使得在沉积/堆焊时的快速熔化和快速冷却过程中形成了较多的显微气孔。
  对不同断面进行的金相分析表明,由于沉积/堆焊是逐层进行的,所以,在各个截面上表现出了一定的差别。



4.2显微硬度试验
  对各种沉积/堆焊层进行了显微硬度测试,还对初步选定的DH-22材料的沉积层进行了宏观硬度试验。结果列于表4中。  可以看出,基体硬度约在HV206~HV276之间,热影响区(0.04mm内)则在Hv220~Hv338之间,即热影响区的硬度比基体的硬度略有升高,这是由于在沉积/堆焊时,基体表面快速熔化后快速冷却所产生的自淬硬现象所致。沉积/堆焊层的硬度与所使用的材料有关:DH-22在Hv240~HV312之间;DH-24在HVl22~Hr220之间:DH-21在Hv338~Hv449之间;DH-40在Hv411~HV510之间;DH-50在Hv411~Hv606之间;DH-60在Hv388~Hv606之间;DH-06在Hv411~HV564之间。由于堆焊材料是以熔化状态沉积/堆焊到基体表面上的,而焊条表面熔化的材料很少,在其冷凝时自淬硬现象使沉积/堆焊层也产生淬硬效果,故使其硬度比焊前高。显微硬度结果表明,与基体硬度比较接近的沉积/堆焊材料有DH-22,H-21的硬度略高于基体,而DH-24的硬度则略低于基体的硬度。对于修复象汽发轴颈类的缺陷时,可以选择DH-22;在要求硬度较低的地方可以选用DH-24;在要求硬度较高的场合则可选用DH-21;若对硬度要求更高的耐磨工件,还可选用DH—40、DH-50甚至DH-60。
4.3  电镜及X—射线衍射分析
  用通过硬度试验初步选定下来的沉积材料(DH-22)所做的沉积/堆焊层试样,应用D/max-1400X-射线衍射仪(XRD)对其进行了X-射线衍射分析;用Amrayl845FE扫描电子显微镜(SEM)观察分析了试样的截面形貌;应用EDAX分析技术分析了试样中各区的成分;还应用显微硬度仪测定了试样中各区的显微硬度(HV)。结果见图6、图7、图8和图9。

   



  从中可以看出,沉积/堆焊层中有缩孔等缺陷,这是因为沉积/堆焊时只有显微熔化,没有形成传统熔化焊中出现的宏观熔池,虽然与基体的结合可以达到冶金结合的效果,但沉积层中没有宏观的熔化和凝固过程,所以,沉积层中存在微小的缩孔等缺陷。
  经过刻蚀后可以看出,基体仍然为索氏体组织,其化学成分仍然为原来基体的合金钢成分:沉积/堆焊层呈现出层状组织的特征,其化学成分为所使用的焊条的成分:即,电火花沉积/堆焊时,基体和焊层的成分没有发生任何改变,没有熔化焊中常见的冲淡现象。
  图7  25Cr2Ni4Mov+DH-22沉积/堆焊层和基体扫描电子显微形貌  X8000
  图8  25Cr2NbiMov+DH-22沉积/堆焊层和基体X-射线衍射谱
  图9  DH—22焊材在沉积/堆焊前后的X—射线衍射谱
  通过对焊条和试样中焊层的X-射线衍射(XRD)分析发现,焊条和试样中焊层的主要组织为FeCrNi相(Ni2.9Cro.7Feo.36),面心立方结构,说明焊条经过电火花沉积/堆焊后的组织仍然是具有面心立方结构的奥氏体。
  显微硬度测试发现,试样中焊层、熔合区和基体的显微硬度分别为Hv305、Hv314、Hv246,电火花沉积/堆焊层的显微硬度比基体的显微硬度略高。
交交变频电机轴上缺陷修复
  某公司生产的13-106-2交交变频电机轴表面有大量分散缺陷,包括麻点、磕碰、划伤、压痕等,其中有一条约长50mmX宽5mmX深0.6mm的压痕(见图10),严重影响产品外观质量。根据我公司为此专门组织的专家组对该缺陷进行的评审决定,我们用电火花沉积/堆焊工艺对其进行了修复(见图11),对电火花沉积/堆焊技术的实用性进行了实际检验,证明该技术对修复这些缺陷是十分有效的。

 结  论
  从试验结果可以得出如下结论:
  6.1  电火花沉积/堆焊层与基体呈冶金结合,结合情况良好;
  6.2  对基体热输入很小,几乎没有热影响区,更不会产生变形;
  6. 3  选择合适的材料,可以使沉积/堆焊层与基体的硬度基本接近。
  6. 4   实践证明,电火花沉积/堆焊技术一次修复,长期无忧,已成为电厂轴颈损伤修复的首选方案。

  参考资料 (略)
 
 

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