CN1442255A - 金属熔融填充修补技术 - Google Patents

Abstract

金属熔融填充修补技术包括修补原理、修补机和修补工艺三个部分，是机械零件和模具修复技术领域的一个新技术。修补原理是利用可调的大电流(1900～4200A)在短时间内(0.5～2.5s)将不同规格的金属球或棒熔化并压焊填充在零件或模具表面的损伤处，使补焊材料与基体材料间达到冶金结合；为此设计了专用的类似电阻焊的修补机，具有独特的热值设定电路、时间控制电路和互锁电路等；修补工艺指导书中列出了各种材料和规格的球体和棒体修补材料，并规定了应用它们的工艺参数。本技术适用于金属零件及模具表面的砂眼、磨损及崩塌部位的修补，其修补工艺简单而完整，容易操作，修复质量可靠。

Description

金属熔融填充修补技术

本发明为金属熔融填充修补技术。它属于金属零件、模具等表面局部损伤修复技术中的一个创新技术。

很多机械零件或模具，制造过程复杂，价格昂贵，其表面具有优良的耐磨、耐蚀等性能。这些零件或模具在使用过程中，不可避免地会因正常或非正常原因产生局部磨损、划伤或局部崩落等缺陷，而造成其功能的失效。机械零件的表面失效，特别是贵重零件或模具的失效，将会造成可观的经济和材料损失。因此，与机械制造和模具制造相伴而形成的设备维修行业，一直在探讨零件和模具局部失效部位的修补技术。

当前，重要零件或模具表面局部的修补技术较多，按修补层与基体的结合特征，可归纳为：喷涂、镀覆、粘涂、堆焊等技术。它们各有特色，也各有短处。例如：各种热喷涂技术，修复层的性能选择范围广，可以实现零件表面的一般修复和强化修复，但致命的缺点是修复层与基体间的结合强度低(结合强度为1～100Mpa之间，大多数为1～50MPa)，限制了它的应用范围，如无法修复模具的型腔表面损伤；粘涂修复技术虽然施工比较简便，粘涂层的性能可选的范围也广，但应用范围的限制条件仍然是粘涂层与基体间结合强度低(一般只有1～100Mpa之间)；镀覆技术主要有电镀、电刷镀、化学镀等，特别是20世纪80年代以后推广应用的电刷镀技术，虽然工艺简便、镀后不需要加工，镀层性能选择范围广，并适合机械零件的现场修复，但镀层与基体间的结合，虽属晶体结构外延生长，其结合强度明显高于热喷涂和粘涂层，但与冶金结合相比，仍然比较低，一般为150～300Mpa之间，特别是镀层的“临界厚度”(即每种镀层的一次镀覆厚度的最大值，超过该临界值及会脱落)限制了它的应用，该技术也不适合模具型腔表面的修复；目前的堆焊修复，虽然堆焊层与基体间属冶金结合，具有300～500Mpa的结合强度，但电弧堆焊、火焰堆焊、氩弧堆焊和气体保护堆焊等方法的热影响区大，影响基体性能，容易损伤基体和使基体变形，因此不适用于零件及模具的局部损伤部位修复。

检索到的“工模具修补方法及修补机”发明专利，其专利号：ZL94108743.3，国际专利主分类号：B24B19/20，申请日期：1994年7月29日，公告日期：2000年2月22日。实用新型专利“工模具修补机”，专利号：ZL94217712.6，专利申请日：1994年7月29日，公告口：1995年3月24日。这两个专利的特征是采用微脉冲放电(放电周期为0.2μs，脉冲电流为300A左右)将修补材料(粉末、薄片等)通过脉冲点焊微区堆焊在基体上，并具有宏观“冷焊”的特征。该修补技术的优点是无热影响区，基体无变形，是零件和模具局部损伤修复的一个新技术。但是，因为它靠电极的滚动连续微脉冲放电而实现点焊，这样，在10mm长度上，点焊点的总数实际上低于50％，即10mm长度上，只有5mm是点焊上的，而其余5mm却没有焊上。这一特征影响了堆焊层的连续性，若用粉末堆焊，就有很高比例的空隙，直接影响修补层的宏观结合强度和力学性能。

本发明包括金属熔融填充修补原理、修补设备和修补技术三部分。

附图1是发明的修补设备及其使用示意图。修补设备是一个矩形铁皮可移动电源柜，还配有焊枪、输出线夹子及若干连接线。电源柜的输入为380V、50Hz的工业用电，输出电源为低压短时放电型电流。电源柜中的控制电路有：热值设定电路、控制时间电路、互锁电路和降压输出电路，如附图2所示。焊枪由枪体、可拆卸电极及控制开关组成。

本发明技术的修补原理是：将经清洗后的修补材料(球体或棒体)放在经清洗的零件或模具表面损伤缺陷中，用焊枪电极压住修补材料，当开启控制开关时，修补材料及接触的基体材料间将接受一个如附图3所示的短时(0.5～2.5)、大电流(1900～4200A)放电，产生的热量Q＝0.24I²Rt(其中，I为放电电流，R为接触系统电阻，t为放电时间)用于修补材料和局部基体材料的熔化，并在焊枪电极压力下结晶形成堆焊层。这样，使修补层与基体间实现了冶金结合。

本发明技术的极妙之处在于电源的热设定电路共有6档，是按修补材料的体积大小熔化所需的热量+5％热量(用于基体接触的体积熔化)所设定的。因此，选择修补材料及大小后，即可按指导书设定档次。这样使短时间内传入基体的剩余热量很少，使堆焊完以后的热影响区极小(0.20mm以内)，对基材的性能损伤极小、并可避免零件的变形。

本发明技术中已给出了普通碳钢、铬钢、不锈钢及镍基合金的不同直径的球体、棒体材料，并给定了它们所对应的热值开关设定号。应用本技术修补的机械零件或模具损伤后，用锉刀、手砂轮或油石打磨成标准尺寸。

本发明的实施例如下：

实施例1：某C620车床导轨严重划伤修补。车床导轨材料为HT20-40，划伤为沿水平方向划沟3条，划沟尺寸为宽0.80mm，深0.35mm，长度不等，最长为68mm，其次是43mm和26mm。修补工艺如下：

A、手砂轮轴头安装φ50mm、厚度为2.5mm的片砂轮，并且砂轮外缘修成圆形。应用该手砂轮将导轨划沟修整成宽1mm及深0.5mm的沟槽，清理后用丙酮将沟槽部位清洗干净。

B、修补φ1×70mm的长沟时，选用C-3号普碳钢棒(φ1mm，长15mm)4根，选用C-3号普碳钢球(φ1mm)5个。

C、将电极夹子夹在导轨端部并接1根电极线，另1根电极线接焊枪。将热值开关2打开。

D、焊枪电极用2^#电极。第一根钢棒放在离端部2mm外，用焊枪压住，并按下焊枪的控制开关不动并用焊枪压紧钢棒，停2s后松开开关，取下焊枪。按同样步骤焊完4根钢棒。再在两钢棒间和两端部焊上5个C-3号普碳钢球(φ1mm)。

E、应用上述方案补焊其余两个划沟。

经打磨修平后检验，表面质量良好。经试样检验，C-3号堆焊层的硬度为HV256～HV288，符合HT20-40材料的硬度范围。

实施例2：驻京某坦克团应用本技术修复了5根平衡肘负重轮轴φ136mm，自压油档配合表面的2条磨沟。该轴的材料为45CrNi，调质处理，硬度为HB285～321。φ136mm轴颈有2道磨沟，深度为0.30mm，沟宽为2mm，整个园上均有2条均匀磨沟。实施方案基本同上，所不同点如下：

A、将平衡肘夹持在马鞍形车床上并配重，使其能顺利回转。用手砂轮打磨沟槽，砂轮直径φ60mm，砂轮片厚2.5mm，边缘修成圆形。手持砂轮不动，启动车床低速转动(100rpm)，直至2道磨沟底部都已打磨。最后用丙酮清洗。

B、选用φ2mm×15mm镍基合金棒25根；φ2mm镍基合金球26个。

C、选用热值开关4号，将25根圆棒焊完后，在两根棒间焊小球。

D、2道磨沟修补完后，夹持在车床上零件旋转，用油石打平。

经检验，表面质量良好，无裂纹和变形。试样测定硬度为HV351～392，符合修复要求。

实施例3：某工厂的一个仪器控制面板的冷冲模具，有一个直角棱边崩塌了13mm，塌边不平整，平均尺寸为水平和垂直方向各1.2mm。该模具材料为Cr12MoV，淬火+低温回火，表面硬度达HRC60。应用本发明技术修补规范如下：

A、用手砂轮修整崩塌棱边，成1.5×1.5mm的倒角，长度为15mm；用手扶薄片砂轮，在1.5×1.5mm斜坡中部靠下磨出一条深约0.20mm沟槽。最后用丙酮清洗打磨待修部位。

B、选用Cr-3号(即铬钢)细钢棒，尺寸为φ2mm×15mm2根，Cr-3号球体(φ2mm)2个。修补机的热值开关选择5号。

C、按实施例1的工艺程序先补焊1根Cr-3号钢棒，然后用干净的钢丝刷(不可使用镀铜的钢丝刷)清理第一层堆焊层及相关部位，用丙酮清洗干净。

D、在第一层和倒角的上边之间焊补第二层。最后用研磨膏进行抛光处理。

经检验，修补质量达到要求。经试样测定，修补层硬度为HRC59～61，达到性能要求。

由上述三个实施例可知，应用本发明技术能完成零件和模具表面局部损伤的修补，但关键的技术是必须根据损伤的形状、工作条件及性能要求，适当地选择修补材料，还需按本发明技术要求作好预先处理的加工。

附图1标注说明：

1、电源装置              2、主电源开关     3、热值设定开关

4、热值设定开关指示灯    5、输出接线柱     6、控制接线柱

7、焊枪                  8、电极           9、压钮控制开关

10、补材                 11、输出线夹子    12、待修工件

Claims (5)

1、一种金属熔融填充修补技术，包括金属熔融填充修补原理、修补机和修补工艺。金属熔融填充修补技术属机械零件和模具等工作表面上的砂眼、划沟、磨沟、崩塌等局部损伤部位修复技术中的一项新技术。

2、一种金属熔融填充修补技术的原理的特征是：将清洁的修补材料(一定尺寸的金属球体或棒体)放在零件清洁表面的缺损处，用焊枪的电极头压紧修补材料，开启电源开关，在短时间内(0.5～2.5s)对修补材料和与其接触的零件基体材料间接通大电流(1900～4200A)，使电阻材料在短时产生Q＝0.24I²Rt的热量，使修补材料和基体局部材料熔化、快速冷却而形成具有冶金结合特征的修补层。最终，由维修钳工应用锉刀、手砂轮、油石等工具打磨至所需尺寸。因此，可将一种金属熔融填充修补技术的原理归纳为如下特征：应用特定设备(修补机)，使修补材料与其接触的零件基体材料间实现短时、大电流接触电阻焊，形成具有冶金结合、热影响区很小特征的小尺寸电阻堆焊修补层。

3、一种应用于金属熔融填充修补技术的特种修补机，其特征为：具有独特的热值设定电路、时间控制电路、互锁电路和降压输出电路。

4、一种专用修补机的输出电流和时间特征为：根据修补材料和尺寸特征，使其能熔化所需的电流I和时间t₁，以及使与修补材料接触的基体部分表面积乘以0.2mm所得体积之5％熔化所需的电流I和时间t₂设计了6个开关进行设定控制。因此，只需根据本技术指导书中规定的材料规格，就可选定热值设定开关号，实施时就能保证修补材料和基体局部材料熔化而获得具有冶金结合且热影响区小的特征的修补层。

5、一种金属熔融填充修补技术的修补过程，其操作特征如下：

(1)准备

A、正确连接电源线：电源的输入线有3股线，两股线是“火线”，接380V电源的两个“火线”，还有一股是“零线”，接外接电源的“零线”；各处接线要保证连接可靠。电源柜输出不分极性，一条接焊枪，另一条接夹子并固定在修复件上。焊枪的控制线插头插入电源柜控制插座。

B、对待修零件及模具的修复表面进行表面处理：用锉刀、钢刷或砂布将待修补部位打磨修整，露出新鲜的金属表面；用丙酮仔细清洗修补部位及相关部位。

(2)打开电源主开关，指示灯亮；

(3)选定修补材料的品种、尺寸和数量，据此按下电源柜上的热值设定开关，该开关上方的指示灯亮。

(4)选装焊枪的电极压头。用焊枪压头压紧修补材料，开启焊枪上的电源开关，直到记时器的时间用完时松手取下焊枪，第一个修补材料修补完成。

(5)根据零件表面损伤的大小确定要焊补的数量。第一块焊完后，用清洁的钢丝刷(不能用镀铜的钢丝刷)刷净第一块堆焊层表面及第二块堆焊部位。然后用焊枪堆焊第二块材料，重复以上操作，直至修补结束。

(6)清理、检查，合格后由钳工使用锉刀、手砂轮或油石等打磨加工焊补层，直至达到尺寸和形位公差范围。

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