CN107813051A - Trt轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法 - Google Patents

Trt轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法 Download PDF

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Abstract

一种TRT轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法，该方法分为激光熔覆前的准备，研究熔覆中裂纹问题，确定熔覆材料，激光熔覆，TRT转子轮毂手工焊接，热处理，检测及机械加工六个步骤，以铁基自熔合金粉末镍硼硅合金为熔覆材料，用手工电弧焊与激光熔覆相结合工艺对磨损后的TRT轮毂进行修复，修复后的TRT轮毂无裂纹、与原材料熔合率高，耐磨性、耐腐蚀性及综合力学性能均达到或超过母材，使用寿命大大增强。其耐磨性能为原材料的1.3‑1.5倍，耐腐蚀性能为原材料的1.5‑1.8倍。使用寿命延长为原材料的1.2‑1.4倍；变形量可以控制在0.5mm以内，同时对母材的热损伤极小，整体力学性能不低于新品。

Description

TRT轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法
技术领域
本发明涉及机械修复领域的激光熔覆修复方法，特别是涉及一种高炉余压煤气透平膨胀机（简称TRT）轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法。
背景技术
通常对高炉余压煤气透平膨胀机（简称TRT）轮毂损伤后的修复主要是采用电弧焊、普通焊接的修复方法，常规修复方法的缺陷是：1、工期长。2、硬度及耐磨性很难达标。3、变形量不容易控制。4、修复后的间隙尺寸控制难度大。5、耐腐蚀性差。而且易出现裂纹。
发明内容
为了克服现有技术的诸多缺陷，解决常规修复方法存在的问题，本发明的发明目的是提供一种利用激光熔覆焊接技术顺利完成对工件的修复，激光熔覆焊接部位耐磨性好，硬度高，无裂纹现象，焊接层与母材融合率高的一种TRT轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法
实现上述目的采用以下技术方案：
一种TRT轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法，其修复方法步骤是：
第一步：激光熔覆前的准备
A基材表面预处理
⑴对喷涂表面进行去油和喷砂处理；
⑵对非喷涂表面必须进行去油处理和除锈处理；
B检测轮毂裂纹状况及修复表面的硬度；
第二步：确定熔覆材料
根据B步骤的检测结果选用熔覆材料，所用的熔覆材料与基体金属二者的热膨胀系数、熔点相近；
第三步：激光熔覆
激光熔覆参数设定：通过工艺试验及快速磨损试验，合理配置设定激光功率、激光光斑直径、离焦量、相对扫描速度、送粉量、熔覆厚度、熔覆材料成分、熔覆材料粒度；
确定工艺参数编写数控程序，将待修件定位、装夹、找正，运行数控程序，用二氧化碳激光器将熔覆材料熔覆在TRT轮毂被修复表面，形成熔覆层，实现对TRT轮毂的激光熔覆修复；
第四步：TRT转子轮毂手工焊接
TRT转子轮毂的组合安装中，因受施工现场条件、焊缝形式、种类及所处空间位置多种因素制约，激光束扫描不到的边角处和局部腐蚀坑，选用手工电弧焊进行修复，手工电弧焊的步骤包括：
⑴设定堆焊工艺参数；
⑵焊前用砂轮或电磨将轮毂锈蚀和杂质清除掉，并保证使堆焊部位打磨至露出金属光泽；
⑶用丙酮将待堆焊面附近清洗干净，去除油污杂质；
⑷对待堆焊面进行渗透检测，无缺陷后方可用焊条进行补焊；
⑸对待补焊面进行损伤量及各部尺寸测量，根据实测结果确定补焊层次；
⑹焊接保证在熔合良好的情况下选取焊接电流的下限值，且采取多层、快速和间断焊；
⑺焊缝处要及时、充分地用清渣锤敲击，通过锤击焊缝来消除应力，防止裂缝；
⑻补焊完毕后，开始热处理升温至350-370℃，保温3-5h后，空冷，消除焊接应力；
⑼补焊后将局部补焊的部位用电磨平整，去除表面硬点，对补焊表面进行渗透检测，检测结果必须符合JB／T9218-1999标准；
第五步：焊接后检测
⑴．焊接完毕对TRT轮毂焊接位置进行表面着色探伤检测；
⑵．对焊接完毕的TRT轮毂损伤部位进行硬度检测；
⑶．对TRT轮毂加工精度进行检测。
第六步：热处理及机械加工
（1）对修复后的TRT轮毂局部热处理，去除焊接应力，将修复后的TRT轮毂放在加热炉里，温度为630-650℃，保温1-3小时，冷却后出炉；
（2）采用卧式数控车床机械加工，恢复原图纸设计尺寸。
优选地，根据检测结果，激光熔敷材料采用铁基自熔合金粉末镍硼硅合金(Ni—B-Si)。
优选地，铁基自熔合金粉末颗粒呈球形，合金熔点900～1100℃。
优选地，根据材质检测结果配置与母材相适应的铁基合金粉末化学成分按重量百分比计为：硅0.1％-0.2％，硼3％-5％，铬30%，镍4％-5％，其余为铁。
优选地，根据材质检测结果配置与母材相适应的铁基合金粉末化学成分按重量百分比计为：硅0.2％，硼4％，铬30%，镍5％，铁61.8％。
优选地，激光熔覆参数设定为：激光功率2.8～3.1kW扫描速度580～650mm／min 扫描光斑直径4.5～5.2mm送粉速率8～109g／min，工作轴x、 y、 z轴。
优选地，手工焊接设定堆焊工艺参数为焊接电流90～100A(A042，直径2．5mm)、焊接电压24±2V、焊速60mm／min、焊速范围50～80m／min、焊接极性直流反接。
优选地，补焊用焊条在250℃的环境下烘干1h，现场用保温桶盛装，以免焊条回潮。
优选地，补焊完毕后，热处理升温至360℃，保温4h后空冷，消除焊接应力。
采用上述技术方案，本方法通过对偏心轴损部位的技术性能分析，确定了激光熔覆焊接的修复工艺，利用激光熔覆焊接技术顺利完成了该工件的修复。激光熔覆焊接部位具有耐磨性好，硬度相对较高，无裂纹现象，焊接层与母材融合率高，轴通过特殊工艺处理变形小等优点。其基体与焊接层的结合强度高于原母材，熔铸层及其界面组织细密，晶粒均匀细小，无气孔、夹渣、裂纹等影响机械性能的缺陷；修复层具有较高的蠕变极限、良好的冲击韧性和较好的抗热疲劳层及断裂性能。用本方法再制造后的TRT轮毂耐磨性能为原材料的1.3-1.5倍，耐腐蚀性能为原材料的1.5-1.8倍，使用寿命延长为原材料的1.2-1.4倍，应用该工艺再制造的TRT轮毂使用周期达到12个月。轮毂变形量在0.5mm以内。工期仅为返厂更换的1/6，成本仅为新品的1/5。采用激光熔覆与手工电弧焊相结合的方法对高炉余压煤气透平膨胀机（简称TRT）轮毂损伤后修复，解决了常规修复方法后出现裂纹的问题，再制造后的TRT轮毂耐磨损、耐冲刷性能提高30%，耐蚀性能提高50%。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的描述。
一种TRT轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法，具体操作步骤如下：
第一步：激光熔覆前的准备
A基材表面预处理
⑴对喷涂表面进行去油和喷砂处理；
基材表面常用火焰喷涂或者等离子喷涂，因此需要进行去油和喷砂处理。
去油一般用加热法，机基材表面加热到300～450℃左右去油：也可以用清洗剂去油，常用的清洗剂包括碱液、三氯乙烯、二氯乙烯等。
喷砂是为了除掉基材表面的锈蚀，从而有利于喷砂粉末的附着。
经过表面预处理的零件，不宜长久放置于空气中，以防再次污染。
⑵对非喷涂表面必须进行去油处理和除锈处理：在采用黏结法预置熔覆材料或者同步法时，其表面也必须进行去油处理和除锈处理，但对毛化的要求没有喷涂表面那样要求严格。
B．检测轮毂裂纹状况及修复表面的硬度；
第二步：研究熔覆中裂纹问题，确定熔覆材料
⑴化工艺方法和参数，尽可能减少熔覆层的开裂
熔覆过程工艺参数对熔覆层的开裂倾向产生影响，选择合适的熔覆工艺参数和熔覆材料，改善熔覆区的应力状态、提高材料的极限强度，可以有效地减少熔覆层及基体材料表面过度层中产生裂纹的可能性。根据B步骤的检测结果选用熔覆材料，所用的熔覆材料必须与被修复基体金属二者的热膨胀系数、熔点相近。本实施例激光熔敷材料采用铁基自熔合金粉末镍硼硅合金(Ni—B-Si-Fe-Cr)。铁基自熔合金粉末颗粒呈球形，合金熔点900～1100℃。
⑵调整应力状态，尽可能的降低拉应力
激光熔覆中产生拉应力的重要原因之一就是熔覆材料与集体材料线膨胀系数的差异，所以合理选择线膨胀系数等于基体材料线膨胀系数的熔覆材料，是一种减小残余拉应力、减小开裂敏感性的有效方法。对熔覆后的工件进行热处理，熔覆进行过程中对工件加超声波振动，均可给原子移动能使他们一直稳定位置，从而降低熔覆层中的残余应力。
⑶．添加合金元素，提高熔覆层抗开裂能力
对激光熔覆层通过添加某种或几种合金元素，在满足其使用性能的基础上，增加其韧性相，提高熔覆层的韧性，对抑制其热裂纹的产生有效的方法。但是在表面硬度要求高的场合下不宜采用这种方法。
本实施例考虑TRT转子轮毂使用工况，控制其修复表面的硬度为HRC35～40，根据材质检测结果配置与母材相适应的铁基合金粉末化学成分及重量百分比含量为：硅0.1％-0.2％，硼3％-5％，铬30%，镍4％,5％，其余为铁，将上述材料混合，构成铁基合金粉末，熔覆后硬度不低于母材。
优选方案：根据材质检测结果配置与母材相适应的铁基合金粉末化学成分按重量百分比计为：硅0.2％，硼4％，铬30%，镍5％，铁61.8％，将上述材料混合，构成铁基合金粉末。
第三步：激光熔覆
设定激光熔覆参数：
通过工艺试验及快速磨损试验，合理配置设定激光功率、激光光斑直径、离焦量、相对扫描速度、送粉量、熔覆厚度、熔覆材料成分、熔覆材料粒度；激光熔覆参数设定为：激光功率2.8～3.1kW扫描速度580～650mm／min 扫描光斑直径4.5～5.2mm送粉速率8～109g／min，工作轴x、 y、 z轴。
确定工艺参数编写数控程序，将待修件定位、装夹、找正，运行数控程序，用6000瓦二氧化碳激光器将自配铁基合金粉末熔覆在TRT轮毂被修复表面，形成厚度为3mm的熔覆层，实现对TRT轮毂的激光熔覆修复。
第四步：TRT转子轮毂手工焊接
TRT转子轮毂的组合安装中，因受施工现场条件、焊缝形式、种类及所处空间位置多种因素制约，激光束扫描不到的边角处和局部腐蚀坑，选用手工电弧焊用焊条焊接进行补焊修复，手工电弧焊的步骤包括：
⑴设定堆焊工艺参数；
手工焊接设定堆焊工艺参数为焊接电流90～100A(A042，直径2．5mm)、焊接电压24±2V、焊速60mm／min、焊速范围50～80m／min、焊接极性直流反接。
⑵焊前用砂轮或电磨将轮毂锈蚀和杂质清除掉，并保证使堆焊部位打磨至露出金属光泽；
⑶用丙酮将待堆焊面附近清洗干净，去除油污杂质；
⑷对待堆焊面进行渗透检测，无缺陷后方可用焊条进行补焊；补焊用焊条在250℃的环境下烘干1h，现场用保温桶盛装，以免焊条回潮。补焊完毕后，热处理升温至360℃，保温4h后空冷，消除焊接应力。
⑸对补焊面进行损伤量及各部尺寸测量，根据实测结果确定补焊层次；
⑹焊接保证在熔合良好的情况下选取焊接电流的下限值，且采取多层、快速和间断焊；
⑺焊缝处要及时、充分地用清渣锤敲击，通过锤击焊缝来消除应力，防止裂缝；
⑻补焊完毕后，开始热处理升温至360℃，保温4h后，空冷，消除焊接应力；
⑼补焊后将局部补焊的部位用电磨平整，去除表面硬点，对补焊表面进行渗透检测，检测结果必须符合JB／T9218-1999标准；
第五步：热处理
热处理对修复后的TRT轮毂表面进行局部热处理，去除焊接应力，使用的方法是将修复后的轴放在加热炉里，温度为600-630℃，保温2小时，炉冷至150℃以下出炉。
第六步检测及机械加工
（1）TRT轮毂表面着色探伤和超声波无损检测；
（2）对TRT轮毂熔覆层进行硬度检测；
（3）采用卧式数控车床机械加工，恢复原图纸设计尺寸。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种TRT轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法，其特征在于，其修复方法步骤是：
第一步：激光熔覆前的准备
A基材表面预处理
⑴对喷涂表面进行去油和喷砂处理；
⑵对非喷涂表面必须进行去油处理和除锈处理；
B检测轮毂裂纹状况及修复表面的硬度；
第二步：确定熔覆材料
根据B步骤的检测结果选用熔覆材料，所用的熔覆材料与基体金属二者的热膨胀系数、熔点相近；
第三步：激光熔覆
激光熔覆参数设定
通过工艺试验及快速磨损试验，合理配置设定激光功率、激光光斑直径、离焦量、相对扫描速度、送粉量、熔覆厚度、熔覆材料成分、熔覆材料粒度；
确定工艺参数编写数控程序，将待修件定位、装夹、找正，运行数控程序，用二氧化碳激光器将熔覆材料熔覆在TRT轮毂被修复表面，形成熔覆层，实现对TRT轮毂的激光熔覆修复；
第四步：TRT转子轮毂手工焊接
TRT转子轮毂的组合安装中，因受施工现场条件、焊缝形式、种类及所处空间位置多种因素制约，激光束扫描不到的边角处和局部腐蚀坑，选用手工电弧焊进行修复，手工电弧焊的步骤包括：
⑴设定堆焊工艺参数；
⑵焊前用砂轮或电磨将轮毂锈蚀和杂质清除掉，并保证使堆焊部位打磨至露出金属光泽；
⑶用丙酮将待堆焊面附近清洗干净，去除油污杂质；
⑷对待堆焊面进行渗透检测，无缺陷后方可用焊条进行补焊；
⑸对待补焊面进行损伤量及各部尺寸测量，根据实测结果确定补焊层次；
⑹焊接保证在熔合良好的情况下选取焊接电流的下限值，且采取多层、快速和间断焊；
⑺焊缝处要及时、充分地用清渣锤敲击，通过锤击焊缝来消除应力，防止裂缝；
⑻补焊完毕后，开始热处理升温至350-370℃，保温3-5h后，空冷，消除焊接应力；
⑼补焊后将局部补焊的部位用电磨平整，去除表面硬点，对补焊表面进行渗透检测，检测结果必须符合JB／T9218-1999标准；
第五步：焊接后检测
⑴．焊接完毕对TRT轮毂焊接位置进行表面着色探伤检测；
⑵．对焊接完毕的TRT轮毂损伤部位进行硬度检测；
⑶．对TRT轮毂加工精度进行检测；
第六步：热处理及机械加工
（1）对修复后的TRT轮毂局部热处理，去除焊接应力，将修复后的TRT轮毂放在加热炉里，温度为630-650℃，保温3-5小时，冷却后出炉；
（2）采用卧式数控车床机械加工，恢复原图纸设计尺寸。
2.根据权利要求1所述的TRT轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法，其特征在于，根据检测结果，激光熔敷材料采用铁基自熔合金粉末镍硼硅合金(Ni—B-Si-Fe-Cr)。
3.根据权利要求2所述的TRT轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法，其特征在于，铁基自熔合金粉末颗粒呈球形，合金熔点900～1100℃。
4.根据权利要求1或2所述的TRT轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法，其特征在于，根据材质检测结果配置与母材相适应的铁基合金粉末化学成分按重量百分比计为：硅0.1％-0.2％，铬30%，硼3％-5％，镍4％-5％，其余为铁。
5.根据权利要求4所述的TRT轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法，其特征在于，根据材质检测结果配置与母材相适应的铁基合金粉末化学成分按重量百分比计为：硅0.2％，硼4％，铬30%，镍5％，铁61.8％。
6.根据权利要求1所述的TRT轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法，其特征在于，激光熔覆参数设定为：激光功率2.8—3.1kW扫描速度580—650mm／min 扫描光斑直径4.5—5.2mm送粉速率8～109g／min，工作轴x、 y、 z轴。
7.根据权利要求1所述的TRT轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法，其特征在于，手工焊接设定堆焊工艺参数为焊接电流90～100A、焊接电压24±2V、焊速60mm／min、焊速范围50～80m／min、焊接极性直流反接。
8.根据权利要求1所述的TRT轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法，其特征在于，补焊用焊条在250℃的环境下烘干1h，现场用保温桶盛装，以免焊条回潮。
9.根据权利要求1所述的TRT轮毂磨损后的激光熔覆与手工电弧焊结合修复方法，其特征在于，补焊完毕后，热处理升温至640℃，保温4h后空冷，消除焊接应力。
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