■ 陳興，路亞光，沈新建

機(jī)車(chē)柴油機(jī)是內(nèi)燃機(jī)車(chē)的關(guān)鍵大部件，機(jī)體則是機(jī)車(chē)柴油機(jī)的關(guān)鍵零件，材料主要為球墨鑄鐵（QT500—7），成品機(jī)體形位公差和精度要求高，制造工藝復(fù)雜，制造成本昂貴。我公司作為中車(chē)內(nèi)燃機(jī)車(chē)重要制造基地，經(jīng)常會(huì)面臨客戶提出能否對(duì)有質(zhì)量問(wèn)題的機(jī)車(chē)柴油機(jī)機(jī)體進(jìn)行修復(fù)的情況（該類機(jī)車(chē)柴油機(jī)機(jī)體主要為機(jī)車(chē)柴油機(jī)在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的碾瓦等質(zhì)量問(wèn)題而拆解報(bào)廢的）；同時(shí)機(jī)車(chē)柴油機(jī)機(jī)體在公司內(nèi)部加工過(guò)程中會(huì)偶爾發(fā)生碰傷和加工過(guò)程中的斷刃、埂刀等現(xiàn)象，容易導(dǎo)致機(jī)體主軸承座孔等關(guān)鍵部位受損傷而影響裝機(jī)使用。由于機(jī)車(chē)柴油機(jī)機(jī)體制造成本昂貴，所以如果將這些存在質(zhì)量問(wèn)題的機(jī)體進(jìn)行修復(fù)使用，在提升公司進(jìn)行高價(jià)值產(chǎn)品修復(fù)水平的同時(shí)也為公司節(jié)省大量的制造成本。

目前國(guó)內(nèi)機(jī)車(chē)內(nèi)燃機(jī)機(jī)體材質(zhì)通常為球墨鑄鐵整體鑄造，機(jī)體存在缺陷位置的常規(guī)焊補(bǔ)性能較差，主要體現(xiàn)在：焊材與機(jī)體基材的結(jié)合強(qiáng)度低，焊補(bǔ)產(chǎn)生的局部殘余應(yīng)力，達(dá)到相當(dāng)于室溫下材料的屈服強(qiáng)度，因此用常規(guī)焊接方法進(jìn)行機(jī)體缺陷位置的焊補(bǔ)，修復(fù)質(zhì)量不高。

以前公司也曾采用電刷鍍進(jìn)行修復(fù)機(jī)體，但只能處理機(jī)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(shù)限制，電刷鍍層一般不宜超過(guò)0.15mm；同時(shí)電刷鍍修復(fù)技術(shù)因受機(jī)體結(jié)構(gòu)影響和修復(fù)部位限制而利用率低，另外電刷鍍層由于鍍層脆性大無(wú)法采用機(jī)加工手段進(jìn)行精度恢復(fù)。為此，公司便開(kāi)始研究近些年出現(xiàn)的微電弧火花堆焊技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)車(chē)機(jī)體關(guān)鍵部位受損后的修復(fù)課題。

1. 微電弧火花堆焊技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷

常規(guī)的電火花沉積工藝（Electro Spark Deposition，ESD）涂層厚度最大只能達(dá)到50～80μm左右，無(wú)法滿足常規(guī)的修補(bǔ)需要。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)了大量的研究開(kāi)發(fā)，提高沉積設(shè)備的電源輸出功率，改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)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(fù)，逐漸形成了目前的微電弧火花堆焊修復(fù)技術(shù)。

微電弧火花堆焊修復(fù)工藝適用于鑄（鐵、鋼、鋁、銅）件、模具及所有導(dǎo)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(shí)現(xiàn)缺陷工件的修復(fù)與挽救。

2. 微電弧火花堆焊技術(shù)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(chǎn)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(qū)內(nèi)瞬間（μs～ms級(jí)）流過(guò)密度高達(dá)105～106A/cm2的大電流，在時(shí)間和空間上高度集中放電，產(chǎn)生的熱能足以使電極和工件上微小的放電點(diǎn)處金屬熔化，同時(shí)爆炸產(chǎn)生的動(dòng)能使熔化的金屬離開(kāi)電極并沉積到工件表面，與工件表面的微小熔化區(qū)金屬實(shí)現(xiàn)快速熔化和冷卻，通過(guò)冶金結(jié)合形成表面涂層，實(shí)現(xiàn)堆焊過(guò)程。另外，采用氬氣保護(hù)，放電時(shí)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(jié)合強(qiáng)度的冶金結(jié)合層（見(jiàn)圖1）。

因此，微電弧火花堆焊技術(shù)原理是將電源儲(chǔ)存的高能量電能，在金屬電極（陽(yáng)極）與金屬母材（陰極）件瞬間高頻釋放，通過(guò)電極材料與母材間的空氣電離，形成通道，使母材表面產(chǎn)生瞬時(shí)高溫、高壓微區(qū)，使離子態(tài)的電極材料在微電場(chǎng)的作用下熔滲到母材基體，形成特殊性質(zhì)的合金層或表面熔滲層，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。

3. 微電弧火花堆焊技術(shù)特點(diǎn)

（1）微電弧火花堆焊技術(shù)使用的能量密度很高，且在時(shí)間和空間上高度集中，因此微電弧火花堆焊技術(shù)對(duì)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(dǎo)和擴(kuò)散范圍極小，基材的組織和性能發(fā)生變化的熱影響區(qū)很小，幾乎沒(méi)有宏觀熱應(yīng)力和變形，克服了常規(guī)焊接技術(shù)在這方面存在的缺點(diǎn)。

（2）電極與基體的同時(shí)熔化，使其形成的堆焊層與基體呈冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，這又繼承了常規(guī)焊接工藝在這方面的優(yōu)點(diǎn)。

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

（4）微電弧火花堆焊時(shí)的瞬間溫度很高，故可以制造高熔點(diǎn)金屬 （如 Ti 、 W、 WC等）的復(fù)合強(qiáng)化層。

（5）微電弧火花堆焊只有顯微熔化，沒(méi)有傳統(tǒng)熔化焊時(shí)出現(xiàn)的宏觀熔池，在油潤(rùn)滑的軸頸還有承油的效果，對(duì)潤(rùn)滑有利。

4. 機(jī)體的微電弧火花堆焊修復(fù)攻關(guān)過(guò)程

據(jù)相關(guān)研究表明，堆焊工藝中的關(guān)鍵工藝參數(shù)有脈沖頻率、電壓、電容、電極直徑（帶旋轉(zhuǎn)電極的旋轉(zhuǎn)速度），這些參數(shù)一旦確定之后，電流大小就是個(gè)因變量，它取決于電容。進(jìn)行堆焊時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)（見(jiàn)表1），這些參數(shù)的變化會(huì)影響到最終堆焊層的性能。

通過(guò)微電弧火花堆焊技術(shù)進(jìn)行焊接試樣試驗(yàn)過(guò)程，可進(jìn)一步了解微電弧火花堆焊技術(shù)，通過(guò)反復(fù)在前一堆焊層上再次進(jìn)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(shù)與常規(guī)焊接技術(shù)的根本區(qū)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(fù)尺寸情況下，磨去多余高層即可消除表層顯微裂紋，從而達(dá)到修復(fù)目的。

（1）微電弧火花堆焊焊接樣件驗(yàn)證 焊接樣件主要驗(yàn)證項(xiàng)為：①熔敷層的力學(xué)性能。②熔敷層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。③可接受的最低結(jié)合強(qiáng)度。④表面裂紋情況（滲透探傷）。⑤可加工情況（實(shí)物驗(yàn)證）。⑥最低結(jié)合強(qiáng)度是基材最低合格強(qiáng)度的80%（該處為受壓應(yīng)力，根據(jù)受力分析的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果）。

圖1 微電弧火花堆焊示意

表1 微電弧火花堆焊參數(shù)

設(shè)計(jì)制作剪截面對(duì)接試樣，進(jìn)行焊接試驗(yàn)，檢測(cè)其拉伸性能，觀察斷裂部位和記錄斷裂強(qiáng)度，了解熔敷層與基體的結(jié)合強(qiáng)度；檢測(cè)上述試樣的熔敷層、結(jié)合面、熱影響區(qū)的金相組織、顯微硬度；對(duì)熔敷面進(jìn)行磁粉和滲透檢測(cè)。

試驗(yàn)基材：采用本公司澆注GEVO16機(jī)體毛坯的材料QT500—7（代表機(jī)體材料力學(xué)性能的檢測(cè)試樣）。

試驗(yàn)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(jiàn)圖2），在中間部位，開(kāi)V形缺口至中部，該側(cè)焊接完成后，再在另一側(cè)相對(duì)部位再開(kāi)V形缺口至中部。

采用多層多道微電弧火花堆焊技術(shù)，堆焊參數(shù)此處省略。

（2）微電弧火花堆焊焊接試樣檢測(cè)結(jié)果 接頭為X形，焊接后加工成圓形拉伸試樣，進(jìn)行了拉伸檢測(cè)，測(cè)得斷裂強(qiáng)度分別為410MPa和498MPa，斷焊縫，表明熔合區(qū)結(jié)合強(qiáng)度高于該值。

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

（4）微電弧火花堆焊焊接試樣驗(yàn)證結(jié)論 采用微電弧火花堆焊的工藝方法焊接的試樣檢測(cè)結(jié)果表明：①焊材與母材的結(jié)合強(qiáng)度良好，達(dá)到母材最低斷裂強(qiáng)度的80%以上。②焊縫強(qiáng)度良好，達(dá)到母材最低斷裂強(qiáng)度的80%以上。③熱影響區(qū)寬度較窄，熱影響區(qū)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(shí)，若控制不好，有可能在焊縫產(chǎn)生焊接裂紋，故需對(duì)焊接各要素嚴(yán)格控制。⑤該方法可以對(duì)機(jī)體主軸承座運(yùn)用損傷部位進(jìn)行試修復(fù)。

5. 內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)機(jī)體焊修要點(diǎn)及流程

（1）機(jī)車(chē)柴油機(jī)機(jī)體微電弧火花焊修要點(diǎn) 第一，采用多層多道施焊（見(jiàn)圖3），后一道焊道應(yīng)覆蓋前一道焊縫的1/2，焊道順序極為重要。

第二，每焊補(bǔ)一層，清除熔渣并細(xì)心檢查是否有焊補(bǔ)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(yīng)均勻，不允許有咬邊及弧坑現(xiàn)象。

第四，焊縫平整，無(wú)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(shù)，如表2所示。

第六，堆焊過(guò)程中，紅外線測(cè)溫儀對(duì)施焊部位進(jìn)行測(cè)溫，不能高于150℃，同時(shí)用內(nèi)徑千分尺測(cè)量主軸承座開(kāi)檔尺寸并與焊前尺寸比對(duì)。使用里氏硬度計(jì)在焊縫表面均勻選取六點(diǎn)檢測(cè)焊縫表面硬度，堆焊表面硬度應(yīng)≤250HBW，熱影響區(qū)硬度≤400HBW。

（2）機(jī)體焊補(bǔ)修復(fù)整體工藝流程 焊修樣件驗(yàn)證→微電弧火花堆焊技術(shù)焊補(bǔ)→機(jī)加工（精整）→成品檢查→入庫(kù)。

第一，微電弧火花堆焊焊補(bǔ)（見(jiàn)圖4和圖5）作業(yè)流程：焊修前檢查→缺陷部位預(yù)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(yè)中

圖5 微電弧火花堆焊機(jī)體主軸承座

表 2

機(jī)體堆焊表面硬度≤250HBW，堆焊后應(yīng)確保有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械加工余量。

第二，機(jī)加工：經(jīng)微電弧火花堆焊焊補(bǔ)后的機(jī)體，若焊補(bǔ)部位較大，則須通過(guò)機(jī)加工方式來(lái)達(dá)到尺寸精度，若焊補(bǔ)部位較小，可通過(guò)鉗修來(lái)恢復(fù)尺寸精度。

焊補(bǔ)后機(jī)體機(jī)加工流程如下：

預(yù)加工：對(duì)焊補(bǔ)部位進(jìn)行加工，預(yù)留適當(dāng)?shù)募庸び嗔俊?/p>

滲透探傷： 對(duì)加工后焊補(bǔ)部位進(jìn)行滲透探傷（見(jiàn)圖6），查有無(wú)裂紋。

鉗修：對(duì)主軸承座咬口底進(jìn)行鉗工修整，滿足配蓋要求。

裝蓋：裝配主軸承蓋。

精加工：對(duì)裝蓋后的機(jī)體進(jìn)行精加工，以達(dá)到圖樣精度要求（見(jiàn)圖7）。

三坐標(biāo)測(cè)量：測(cè)量加工后機(jī)體的尺寸及形位精度。

滲透探傷： 檢查焊縫部位及周?chē)?5mm范圍，確認(rèn)無(wú)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(dá)到75%以上（見(jiàn)圖8和圖9）。

清理除銹：對(duì)機(jī)體內(nèi)外表面進(jìn)行清理除銹，滿足清潔度要求。

6. 結(jié)語(yǔ)

采用微電弧火花堆焊技術(shù)焊修機(jī)體至今，已完成了10余只機(jī)車(chē)柴油機(jī)機(jī)體的焊補(bǔ)，其中首件焊補(bǔ)機(jī)體經(jīng)機(jī)加工后檢查合格，并于當(dāng)年通過(guò)公司級(jí)質(zhì)量評(píng)審。完成柴油機(jī)的組裝試驗(yàn)并裝用機(jī)車(chē)已運(yùn)行兩年多，柴油機(jī)應(yīng)用正常，機(jī)體修復(fù)質(zhì)量可靠。實(shí)踐證明，采用微電弧火花堆焊補(bǔ)焊技術(shù)不僅可以滿足機(jī)車(chē)柴油機(jī)的使用要求，而且為推廣到公司其他相關(guān)零件的焊補(bǔ)修復(fù)提供了成熟的技術(shù)手段。

圖6 探傷后的機(jī)體主軸承座

圖7 精加工后的機(jī)體主軸承孔

圖8 壓瓦后的機(jī)體主軸承座孔

圖9 壓瓦后的主軸承瓦背

[1] 美國(guó)金屬協(xié)會(huì)，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理專業(yè)學(xué)會(huì)譯.金屬手冊(cè)第九版第四卷 熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988：12.

[2] 全國(guó)特種加工機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). JB/T 10623—2006便攜式電火花表面強(qiáng)化機(jī)技術(shù)條件[S]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：4.

[3] 夏伯才，趙建華，錢(qián)翰城. 電火花微弧堆焊修復(fù)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀[C].重慶：重慶市機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)，2011.