王華仁

　　摘　要　本文報(bào)道了對電火花沉積／堆焊工藝技術(shù)、沉積／堆焊焊層材料選擇、沉積／堆
　　　　　　焊層性能分析等進(jìn)行的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：電火花沉積／堆焊層與基體呈冶金
　　　　　　結(jié)合，結(jié)合情況良好；對基體熱輸入小，熱影響區(qū)很小且不會(huì)產(chǎn)生變形；選擇合
　　　　　　適的材料，可以使沉積／堆焊層與基體硬度基本接近。
　　關(guān)鍵詞　電火花沉積／堆焊技術(shù)  沉積層性能  沉積／堆焊工藝
1  引言
　　電火花沉積／堆焊具有熱輸入小，因而對工件造成的熱影響區(qū)和變形極小、與基體呈冶金結(jié)合、結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)，因而成為表面工程中一個(gè)飛速發(fā)展的新技術(shù)，正在和將在精密模具的制造與修復(fù)、要求較高精度的機(jī)械零部件的尺寸恢復(fù)、超薄結(jié)構(gòu)的微連接與補(bǔ)焊、精密成型等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用[1]。
　　轉(zhuǎn)子軸頸在加工時(shí)扎刀、尺寸超差或裝配時(shí)碰傷的情況時(shí)有發(fā)生，在此之前出現(xiàn)此類問題時(shí)，不是將軸頸加工小并照配軸瓦，就是對其進(jìn)行簡單修整后帶傷運(yùn)行。在電廠運(yùn)行中的汽發(fā)轉(zhuǎn)子也有因磨損拉傷而影響正常運(yùn)行的情況發(fā)生，電廠一般采用將軸頸加工小并新配軸瓦的辦法，或請其他單位對其進(jìn)行修復(fù)。為此，我們對電火花沉積／堆焊技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，為解決我公司在生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題和為用戶服務(wù)找到一條較好的途徑。
2  電火花沉積／堆焊技術(shù)簡介
2．1電火花沉積／堆焊技術(shù)原理
　　電火花沉積／堆焊是利用旋轉(zhuǎn)電極與工件基體之間產(chǎn)生的瞬間高能量脈沖放電的原理(最大脈沖放電頻率2000Hz)，在電極與工件“相對最近點(diǎn)”產(chǎn)生電火花，在非常小的放電區(qū)域內(nèi)，瞬間(us--ms數(shù)量級)流過的電流很大，其電流密度高達(dá)105—106A／cm2，這種在時(shí)間和空間上的高度集中放電，將產(chǎn)生大量的熱能，使電極和工件上極微小的放電點(diǎn)處的金屬熔化并具有爆炸性，該過程產(chǎn)生的動(dòng)能使熔化的金屬離開電極表面并沉積到工件表面，與工件表面的微小熔化區(qū)金屬實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。
　　電火花沉積／堆焊是屬于電火花特種加工領(lǐng)域。傳統(tǒng)的電火花加工技術(shù)主要有電火花成型＼電火花切割(線切割)＼電火花雕刻＼電火花磨削等，這些工藝都是利用電火花放電對工件材料的燒蝕去除功能來實(shí)現(xiàn)加工目的的，而電火花沉積／堆焊則是在利用電火花放電過程中對電極材料的蝕除的同時(shí)，又把蝕除掉的電極上的熔融金屬沉積并堆焊到工件表面的適．當(dāng)位置(如溝槽、凹坑等)，從而實(shí)現(xiàn)對工件表面的修復(fù)或強(qiáng)化。
　　由于電火花沉積／堆焊時(shí)的高能量密度，使基體表面產(chǎn)生快速微小熔化，而冷態(tài)的基體又使該熔化區(qū)快速冷卻，因而產(chǎn)生電火花強(qiáng)化的效果：又由于電火花沉積／堆焊時(shí)使用Ar氣保護(hù)，在電火花放電時(shí)，極間電壓使Ar氣電離擊穿并形成微小的電弧，又使沉積／堆焊層有脈沖氬弧焊的效果，從而與基體金屬形成結(jié)合強(qiáng)度很高的冶金結(jié)合層。
2.2 電火花沉積／堆焊技術(shù)特點(diǎn)
　　由于電火花沉積／堆焊使用的能量密度很高，且在時(shí)間和空間上高度集中，所以，電火花沉積／堆焊技術(shù)對基體的熱輸入非常集中，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，幾乎沒有熱應(yīng)力和變形，克服了傳統(tǒng)的焊接工藝在這方面存在的缺點(diǎn)；
　　由于電極與基體的同時(shí)熔化，使其形成的沉積／堆焊層與基體呈冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，因而又繼承了焊接工藝在這方面的優(yōu)點(diǎn)；
　　由于電火花沉積／堆焊時(shí)的快速熔化和快速冷卻，對工件具有表面淬火的電火花強(qiáng)化效果；
　　由于電火花沉積／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[2]；
　　由于電火花沉積／堆焊只有顯微熔化，沒有傳統(tǒng)熔化焊時(shí)出現(xiàn)的宏觀熔池，因而沉積層不可避免地存在顯微氣孔，這對沉積層的性能沒有明顯的影響，但在需要油潤滑的軸頸上還有承油的效果，對潤滑有利。
2．3 電火花沉積／堆焊設(shè)備
2．3.1電火花沉積／堆焊設(shè)備簡圖
　　電火花沉積／堆焊設(shè)備簡圖如圖1和圖2所示。

　　圖1  電火花沉積／堆焊設(shè)備簡圖(面板)  圖2電火花沉積／堆焊設(shè)備簡圖(沉積／堆焊槍)
2．3.3電火花沉積／堆焊設(shè)備各部件名稱
    該設(shè)備各部件名稱為:
    ①機(jī)箱正面：
    1一復(fù)位開關(guān)；2、3、4—出功率檔位開關(guān)；5—遙控線插口；6—沉積／堆焊槍輸出接口(正)；7—保護(hù)氣出口；8—沉積／堆焊槍輸出接口(負(fù))；9—輸出脈沖頻率調(diào)節(jié)旋鈕；10—輸出功率高低檔位開關(guān)；11一電源開關(guān)。
    ②沉積／堆焊槍：
    l一電極；2一保護(hù)氣冒：3一絕緣槍柄；4一電機(jī)：5一開關(guān)自鎖按鈕(按下，電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)：松開，電機(jī)停止旋轉(zhuǎn))：6一保護(hù)氣輸?入管：7一沉積／堆焊正極電源輸入線：8一電機(jī)電源輸入線；9一電機(jī)開關(guān)。
    進(jìn)行，電火花沉積／堆焊操作時(shí)，輸出地線(負(fù)極)夾子夾在欲處理的工件上，輸出正極為旋轉(zhuǎn)電極(夾于手持式電機(jī))，并通以氬氣保護(hù)。
2．3．2電火花沉積／堆焊設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)
　　該設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)為：
　　輸入電源：    AC 220V 50Hz
　　輸入電流：    15A
　　最大輸出功率：  2000W
　　脈沖頻率:    50—2000H2
2．4  電火花沉積／堆焊設(shè)備的操作
2.4．1  設(shè)備安裝及調(diào)試
　　將電源輸入插頭、沉積／堆焊槍連接插頭、地線插頭和保護(hù)氣輸入輸出插頭分別連接到機(jī)箱上的相關(guān)插座及接頭上；
　　將氬氣流量計(jì)裝到氮?dú)馄可希�用軟管連接氬氣流量計(jì)出口到機(jī)箱保護(hù)氣輸入接口。打開氬氣瓶，檢查是否漏氣；
　　用15A三孔插頭、插座，接上220V 50Hz輸入電源；
　　將地線夾子夾在工件上；
　　合上電閘，打開機(jī)箱電源開關(guān)(此時(shí)，電源指示燈亮，機(jī)箱內(nèi)冷卻風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn))：
　　手持旋轉(zhuǎn)電機(jī)，按下槍柄扳機(jī)，檢查電極是否旋轉(zhuǎn)正常，保護(hù)氣是否暢通；
　　在旋轉(zhuǎn)時(shí)用電極輕觸工件表面，檢查火花是否正常。
2．4．2  設(shè)備操作
　　用丙酮等洗凈工件(或試樣)表面油污；
　　用油石、砂紙等去除工件(或試樣)表面氧化皮及鐵銹；
　　將地線夾子夾在工件(或試樣)上；
　　選擇合適的電極材料種類及規(guī)格，并夾緊夾正在槍頭上(若電極偏心，應(yīng)調(diào)整夾頭使電極盡量處在中心位置)；
　　根據(jù)電極規(guī)格和沉積修補(bǔ)區(qū)大小，調(diào)整好輸出功率和輸出頻率；
　　打開保護(hù)氣并調(diào)整好流量；
　　按下手持電機(jī)上的開關(guān)扳機(jī)并按下開關(guān)自鎖按鈕；
　　使電極輕輕地在工件(或試樣)表面按一定方向移動(dòng)，形成連續(xù)沉積／堆焊層(注意：若電極壓在表面過緊，將使電極與工件短接而無火花，無法實(shí)現(xiàn)沉積／堆焊)，電極與工件表面呈30°—40°角度，左右擺動(dòng)，擺幅為10—40mm，擺動(dòng)速度以沉積層能均勻覆蓋工件表面為宜。
　　沉積過程中，若有未沉積表面或出現(xiàn)凹坑，應(yīng)對其進(jìn)行補(bǔ)沉積。對沉積層的高點(diǎn)，可用銼修或錘擊的方式消除。
　　在進(jìn)行電火花沉積／堆焊時(shí)，電極以保持暗紅為佳，此時(shí)，火花較多，沉積／堆焊層呈明亮的金屬光澤。若呈黃色(約600°C)，應(yīng)調(diào)低輸出功率，或使用間斷沉積方式，以防止電極氧化。
　　在進(jìn)行電火花沉積／堆焊時(shí)，一般應(yīng)先用較小的功率，再逐步增大到規(guī)定的功率，這樣可以使沉積底層更加致密并與基體結(jié)合牢固。
　3　工藝試驗(yàn)
　3.1　試樣及材料選擇
　　試樣基材為25Cr2Ni4MoV，試樣尺寸為lOXlOX27．5mm的方形試樣塊(這些試樣均為汽發(fā)轉(zhuǎn)子材料性能試驗(yàn)中使用過的沖擊試樣)�；�體材料的成分和性能見表1和表2所列。電火花沉積／堆焊試驗(yàn)用焊條材料見表3所示。
　　表1  25Cr2Ni4MoV(汽發(fā)轉(zhuǎn)子鍛件)化學(xué)成分

 

　　表2  25Cr2Ni4MoV(汽發(fā)轉(zhuǎn)子鍛件)技術(shù)條件

3.2表面預(yù)處理
　　如果試樣(或工件)表面有油污，可用金屬油污清洗劑對試樣表面的油污進(jìn)行清洗(如果表面沒有油污，該步驟可以省略)；用細(xì)銼輕輕銼去試樣表面氧化層；用細(xì)砂紙輕輕砂磨試樣表面，使其露出新鮮潔凈的金屬表面；用丙酮最后清洗試樣和焊條表面油脂。
3.3  試樣制備
　　按2．4所述的操作步驟和方法，在試樣基體上分別用不同材質(zhì)和規(guī)格的焊條(見表3所列)逐層沉積／堆焊，使補(bǔ)層厚度達(dá)到約1mm左右，然后用線切割將試樣從中間剖開，根據(jù)金相試驗(yàn)方法將其拋磨成金相分析和硬度試驗(yàn)用試樣。對通過硬度試驗(yàn)初步選定下來的沉積材料DH-22還沉積了用于X射線衍射分析(XRD)、掃描電子顯微鏡分析(SEM)及EDAX分析等試驗(yàn)用試樣。
    表3    電火花沉積／堆焊試樣及沉積／堆焊用材料

4  試驗(yàn)結(jié)果及分析討論
4.1  金相試驗(yàn)
　　分別對不同規(guī)格、不同材質(zhì)的焊條的沉積／堆焊層進(jìn)行了金相試驗(yàn)，同時(shí)對同一個(gè)試樣上還進(jìn)行了多個(gè)斷面的金相檢測。結(jié)果見圖3、圖4和圖5。從中可以看出，用DH-22、DH—24和DH—21焊條所沉積的焊層與基體結(jié)合很好，呈冶金結(jié)合狀態(tài)，焊層組織呈層狀結(jié)構(gòu)，焊層中有少量的顯微氣孔和微裂紋。用DH-40、DH-50、DH-60、和DH-06焊條所沉積
的焊層與基體結(jié)合仍然很好，也表現(xiàn)為冶金結(jié)合狀態(tài)，焊層組織仍呈層狀結(jié)構(gòu)，但焊層中有較多顯微氣孔和微裂紋，這些都是因?yàn)樗鼈兊挠捕容^高因而其韌性較差，使得在沉積／堆焊時(shí)的快速熔化和快速冷卻過程中形成了較多的顯微氣孔和微裂紋。
　　對不同斷面進(jìn)行的金相分析表明，由于沉積／堆焊是逐層進(jìn)行的，所以，在各個(gè)截面上表現(xiàn)出了一定的差別。



4.2顯微硬度試驗(yàn)
　　對各種沉積／堆焊層進(jìn)行了顯微硬度測試，還對初步選定的DH-22材料的沉積層進(jìn)行了宏觀硬度試驗(yàn)。結(jié)果列于表4中。  可以看出，基體硬度約在HV206～HV276之間，熱影響區(qū)(0．04mm內(nèi))則在Hv220～Hv338之間，即熱影響區(qū)的硬度比基體的硬度略有升高，這是由于在沉積／堆焊時(shí)，基體表面快速熔化后快速冷卻所產(chǎn)生的自淬硬現(xiàn)象所致。沉積／堆
焊層的硬度與所使用的材料有關(guān)：DH-22在Hv240～HV312之間；DH-24在HVl22～Hr220之間：DH-21在Hv338～Hv449之間；DH-40在Hv411～HV510之間；DH-50在Hv411～Hv606之間；DH-60在Hv388～Hv606之間；DH-06在Hv411～HV564之間。由于堆焊材料是以熔化狀態(tài)沉積／堆焊到基體表面上的，而焊條表面熔化的材料很少，在其冷凝時(shí)自淬硬現(xiàn)象使沉積／堆焊層也產(chǎn)生淬硬效果，故使其硬度比焊前高。顯微硬度結(jié)果表明，與基體硬度比較接近的沉積／堆焊材料有DH-22，H-21的硬度略高于基體，而DH-24的硬度則略低于基體的硬度。對于修復(fù)象汽發(fā)軸頸類的缺陷時(shí)，可以選擇DH-22；在要求硬度較低的地方可以選用DH-24;在要求硬度較高的場合則可選用DH-21；若對硬度要求更高的耐磨工件，還可選用DH—40、DH-50甚至DH-60。
4.3  電鏡及X—射線衍射分析
　　用通過硬度試驗(yàn)初步選定下來的沉積材料(DH-22)所做的沉積／堆焊層試樣，應(yīng)用D／max-1400X-射線衍射儀(XRD)對其進(jìn)行了X-射線衍射分析；用Amrayl845FE掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析了試樣的截面形貌；應(yīng)用EDAX分析技術(shù)分析了試樣中各區(qū)的成分；還應(yīng)用顯微硬度儀測定了試樣中各區(qū)的顯微硬度(HV)。結(jié)果見圖6、圖7、圖8和圖9。

   



　　從中可以看出，沉積／堆焊層中有縮孔等缺陷，這是因?yàn)槌练e／堆焊時(shí)只有顯微熔化，沒有形成傳統(tǒng)熔化焊中出現(xiàn)的宏觀熔池，雖然與基體的結(jié)合可以達(dá)到冶金結(jié)合的效果，但沉積層中沒有宏觀的熔化和凝固過程，所以，沉積層中存在微小的縮孔等缺陷。
　　經(jīng)過刻蝕后可以看出，基體仍然為索氏體組織，其化學(xué)成分仍然為原來基體的合金鋼成分：沉積／堆焊層呈現(xiàn)出層狀組織的特征，其化學(xué)成分為所使用的焊條的成分：即，電火花沉積／堆焊時(shí)，基體和焊層的成分沒有發(fā)生任何改變，沒有熔化焊中常見的沖淡現(xiàn)象。
  圖7  25Cr2Ni4Mov+DH-22沉積/堆焊層和基體掃描電子顯微形貌  X8000
  圖8  25Cr2NbiMov+DH-22沉積/堆焊層和基體X-射線衍射譜
  圖9  DH—22焊材在沉積／堆焊前后的X—射線衍射譜
　　通過對焊條和試樣中焊層的X-射線衍射(XRD)分析發(fā)現(xiàn)，焊條和試樣中焊層的主要組織為FeCrNi相(Ni2.9Cro．7Feo．36)，面心立方結(jié)構(gòu)，說明焊條經(jīng)過電火花沉積／堆焊后的組織仍然是具有面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體。
　　顯微硬度測試發(fā)現(xiàn)，試樣中焊層、熔合區(qū)和基體的顯微硬度分別為Hv305、Hv314、Hv246，電火花沉積／堆焊層的顯微硬度比基體的顯微硬度略高。
5  交交變頻電機(jī)軸上缺陷修復(fù)
　　13-106-2交交變頻電機(jī)軸表面有大量分散缺陷，包括麻點(diǎn)、磕碰、劃傷、壓痕等，其中有一條約長50mmX寬5mmX深0.6mm的壓痕(見圖10)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量。根據(jù)我公司為此專門組織的專家組對該缺陷進(jìn)行的評審決定，我們用電火花沉積／堆焊工藝對其進(jìn)行了修復(fù)(見圖11)，對電火花沉積／堆焊技術(shù)的實(shí)用性進(jìn)行了實(shí)際檢驗(yàn)，證明該技術(shù)對修復(fù)這些缺陷是十分有效的。

  6  結(jié)  論
　　從試驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論：
  6．1  電火花沉積／堆焊層與基體呈冶金結(jié)合，結(jié)合情況良好；
  6．2  對基體熱輸入很小，幾乎沒有熱影響區(qū)，更不會(huì)產(chǎn)生變形；
  6. 3  選擇合適的材料，可以使沉積/堆焊層與基體的硬度基本接近。
  參考資料
  [1]  張富巨等，電火花精密堆焊的材料選擇與工藝優(yōu)化，《焊接技術(shù)》，2004年，第33卷第1期，P20-22
  [2]  汪瑞軍等，Ti合金表面電火花強(qiáng)化工藝參數(shù)的優(yōu)化，《機(jī)械工人?熱加工》，2004年第9期，P32—34