裝備內(nèi)孔零件的堆焊修復(fù)與滾壓強化工藝研究

李占明，孫曉峰，宋 巍

(裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系，北京100072)

工程機械、坦克、艦船等重載裝備的發(fā)動機缸套、軸承座、輪轂、輪盤等內(nèi)孔與外圓零件相互配合，起到支撐或?qū)蜃饔?，實現(xiàn)零件之間力的傳遞或相對運動，其工作狀態(tài)會直接影響裝備的穩(wěn)定性和安全性。由于內(nèi)孔零件通常是轉(zhuǎn)動體和固定體之間直接接觸的唯一部件，其出現(xiàn)腐蝕、磨損、拉傷等表面損傷的概率很高［1-3］。當(dāng)內(nèi)孔零件內(nèi)壁表面出現(xiàn)損傷時，通常采用噴涂［4-5］、電鍍［6］或堆焊［7］等工藝進(jìn)行修復(fù)，但這3種工藝都存在明顯的不足:噴涂技術(shù)雖然效率高、成本低，但修復(fù)層與基體結(jié)合強度低，且受噴涂距離的限制，很難完成小內(nèi)孔零件的損傷修復(fù);電鍍工藝復(fù)雜，內(nèi)孔鍍層的均勻性很難控制，且效率較低，不能滿足嚴(yán)重?fù)p傷零件的修復(fù);堆焊雖然修復(fù)效率高、修復(fù)層與基體結(jié)合強度好，但因局部溫度難以控制，易造成零件的燒穿或整體變形而使其報廢，工藝穩(wěn)定性較差，且還存在組織結(jié)構(gòu)和成分不均等問題。等離子弧焊是在鎢極惰性氣體保護(hù)焊基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型焊接工藝，具有電弧能量密度集中、電弧溫度高、射流速度大等優(yōu)點，在焊接領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。精密脈沖等離子粉末堆焊是等離子弧焊技術(shù)的新發(fā)展，其采用數(shù)字信號處理和斬波技術(shù)對弧焊電源進(jìn)行控制，能嚴(yán)格控制焊接熱輸入，有效減少平均線能量，焊接變形小，適于熱敏感材料或薄壁零件的焊接。它雖不能從根本上解決堆焊修復(fù)層組織結(jié)構(gòu)不均勻等問題，但可有效解決內(nèi)孔零件堆焊修復(fù)時經(jīng)常發(fā)生的殘余拉應(yīng)力過大、變形和燒穿的難題。筆者針對內(nèi)孔零件損傷修復(fù)需求及存在的問題，采用精密脈沖等離子粉末堆焊技術(shù)在薄壁試樣表面制備了堆焊修復(fù)層，車削加工后采用內(nèi)孔滾壓強化設(shè)備對其進(jìn)行滾壓強化處理，通過堆焊技術(shù)與內(nèi)孔滾壓強化技術(shù)的綜合集成，實現(xiàn)了損傷內(nèi)孔零件控型與控性的有效統(tǒng)一，為該類零件的損傷修復(fù)提供了一種新方法。

1 內(nèi)孔零件的精密脈沖等離子堆焊

1．1 試驗材料與方法

選用長100 mm、外徑160 mm、壁厚6 mm的普通A3鋼管材試樣作為薄壁內(nèi)孔類零件精密脈沖等離子粉末堆焊的研究材料，其化學(xué)成分為:w(C)=0．2%，w(Mn)=0．5%，w(Si)=0．25%，w(S)=0．05，w(P)=0．045%，w(Fe)= 余量。堆焊材料選用鐵基自熔合金粉末 Fe5，粉末的粒度為60～160μm，其化學(xué)成分為:w(C)=4．8%，w(Si)=0．8%，w(B)=1．5%，w(Cr)=4．0%，w(Fe)= 余量。采用自動控制精密脈沖等離子粉末堆焊設(shè)備對內(nèi)孔試樣進(jìn)行單道堆焊，如圖1所示。堆焊工藝參數(shù)為:堆焊電流150 A;堆焊電壓30 V;脈沖頻率250 Hz，占空比50%;堆焊速度40 mm/min;保護(hù)氣流速度10 L/min;送粉速度15 g/min。

圖1 內(nèi)孔零件精密脈沖等離子粉末堆焊設(shè)備

1．2 試驗結(jié)果與分析

1．2．1 焊縫表面形貌

A3鋼配用鐵基合金粉末的精密脈沖等離子粉末堆焊內(nèi)孔試樣及焊縫表面宏觀形貌如圖2所示。可以看出:焊道均勻，表面平整，有一定余高，堆焊后零件無明顯缺陷和變形。

圖2 內(nèi)孔零件堆焊修復(fù)層表面形貌

為了準(zhǔn)確掌握堆焊熱輸入對內(nèi)孔零件變形的影響，采用游標(biāo)卡尺對堆焊前后3個內(nèi)孔試樣的外形尺寸進(jìn)行測量，每個試樣測量5次，取其平均值作為堆焊前后試樣尺寸，測試結(jié)果如表1所示。對3個內(nèi)孔試樣外徑平均值再取平均，得到堆焊前內(nèi)孔試樣外徑為 161．86 mm，堆焊后內(nèi)孔試樣外徑為161．31 mm，減小了0．55 mm，說明變形較小。

表1 堆焊前后內(nèi)孔試樣外徑

1．2．2 焊縫截面形貌

焊后，采用線切割設(shè)備在無缺陷的A3鋼精密脈沖等離子粉末堆焊試件上截取10 mm×10 mm×6 mm的金相試樣，而后在丙酮溶液中超聲清洗15 min，經(jīng)打磨拋光后，采用草酸水溶液進(jìn)行浸蝕。通過金相顯微鏡觀察焊縫顯微組織，圖3為不同放大倍數(shù)下堆焊修復(fù)層截面形貌。可以看出:堆焊修復(fù)層主要包括基體區(qū)、熱影響區(qū)、熔合區(qū)及焊縫區(qū)4部分，具有熔化焊的典型特征;焊縫結(jié)晶是在熔合區(qū)半熔化母材晶粒基礎(chǔ)上聯(lián)生長大，形成了交界面，焊縫和母材過渡區(qū)域(包括熔合區(qū)和熱影響區(qū))較窄，僅有10～15μm，堆焊質(zhì)量較好，未觀察到明顯的氣孔、縮松等焊接缺陷，說明精密脈沖等離子粉末堆焊對基體的熱輸入較小。

圖3 堆焊修復(fù)層截面形貌

2 裝備內(nèi)孔零件的滾壓強化

2．1 內(nèi)孔滾壓強化機理

滾壓強化是利用金屬材料在常溫時的冷塑特性，采用滾壓元件對其表面施加一定壓力，使試樣表層金屬發(fā)生塑性流動，以填充到試樣殘留的低凹部位，從而降低表面粗糙度的一種工藝。由于表層金屬發(fā)生了塑性變形，表層組織細(xì)化，因此還可提高其硬度和強度，形成有益的殘余壓應(yīng)力，從而改善零件表面的綜合性能［8-9］。圖4是內(nèi)孔零件滾壓加工的簡單示意圖。通過滾柱向零件內(nèi)壁施加一定壓力，當(dāng)壓應(yīng)力超過堆焊層材料彈性極限時，金屬晶粒就會發(fā)生位錯、滑移和破碎，產(chǎn)生塑性變形，這既可輾平內(nèi)孔表面的微觀不平度，改善其表面質(zhì)量，又能提高其表面性能。工作時，內(nèi)孔滾壓工具頭安裝在錐軸上，而錐軸安裝在尾座刀架上，再旋轉(zhuǎn)零件，滾壓工具頭沿零件軸向進(jìn)給，實現(xiàn)內(nèi)孔零件的滾壓加工。

圖4 內(nèi)孔零件滾壓加工示意圖

2．2 內(nèi)孔滾壓設(shè)備與滾壓過程

圖5為根據(jù)內(nèi)孔零件大小和結(jié)構(gòu)特點設(shè)計加工的多柱行星式內(nèi)孔滾壓專用工具頭。該工具頭由多個高硬度滾柱組成，它們均勻分布在滾柱保持架的凹槽中。加工時，隨著零件的轉(zhuǎn)動，滾柱受摩擦力的作用在零件表面滾動，滾壓頭對零件進(jìn)行多點式徑向均勻碾壓，解決了單柱滾壓時因內(nèi)孔零件孔壁單邊受力而導(dǎo)致零件內(nèi)孔受力不均衡、變形不一致、精度較低的問題。

圖5 多柱行星式內(nèi)孔滾壓工具照片

內(nèi)孔零件滾壓強化處理在ZCZ-40A型數(shù)控車床上進(jìn)行，處理過程中內(nèi)孔試樣由車床主軸帶動旋轉(zhuǎn)，滾壓工具由車床尾座帶動、沿平行于試樣軸線方向平移，處理過程如圖6所示。主要工藝參數(shù)為:車床主軸轉(zhuǎn)速r=100 r/min;工具頭進(jìn)給速度V=10 mm/min;滾柱每次進(jìn)給量ε=10μm。

圖6 內(nèi)孔滾壓過程

2．3 滾壓強化效果

2．3．1 表面形貌

堆焊修復(fù)內(nèi)孔零件試樣經(jīng)車削、車削+滾壓強化處理后的宏觀形貌如圖7所示?？梢钥闯?車削試樣表面存在較多的加工紋理，這些紋理主要是犁溝和因刀具黏著引起的表面微缺陷;車削+滾壓強化處理的試樣表面宏觀上呈現(xiàn)鏡面光澤，表面光滑、平整，加工紋理大幅降低。

圖7 內(nèi)孔滾壓強化效果

圖8是車削加工后的內(nèi)孔零件堆焊修復(fù)層試樣和經(jīng)3次滾壓處理后試樣表面的三維形貌。由圖8(a)可見:經(jīng)車削加工后的試樣表面存在明顯的車刀犁痕，這些尖銳的犁痕產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，成為疲勞源，對零件的抗疲勞性能產(chǎn)生不良影響，降低其疲勞壽命。由圖8(b)可見:試樣經(jīng)滾壓處理后，表面尖銳的犁溝得以改善，表面較平整，可減少零件疲勞失效的物理條件。

圖8 車削加工和滾壓強化堆焊修復(fù)層表面三維形貌

2．3．2 表面粗糙度

通過TR240型表面粗糙度儀檢測了車削、車削+滾壓強化處理后的內(nèi)孔零件試樣堆焊修復(fù)層表面的粗糙度Ra，取5次測量的平均值作為該表面的粗糙度，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?滾壓強化處理可以明顯改善零件表面粗糙度，如3次滾壓強化處理后，試樣表面粗糙度從車削狀態(tài)的2．13μm降低到0．306μm，降低了約85%。這將大大降低零件表面的應(yīng)力集中系數(shù)，對改善零件的接觸疲勞性能有較大的作用。

表2 內(nèi)孔滾壓表面粗糙度

2．3．3 表面殘余應(yīng)力

堆焊修復(fù)層表面殘余應(yīng)力的大小與分布會對修復(fù)后零件的性能產(chǎn)生重要影響，加工后殘余應(yīng)力的存在還會影響到零件的抗疲勞性能、抗應(yīng)力腐蝕開裂性能和零件形狀的穩(wěn)定性［10］。筆者利用X射線應(yīng)力儀對車削加工及車削后滾壓強化處理的內(nèi)孔零件試樣表面堆焊修復(fù)層的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測定。表3為A3鋼內(nèi)孔精密脈沖等離子粉末堆焊修復(fù)層車削加工和不同滾壓次數(shù)下的表面殘余應(yīng)力，其中:表面殘余應(yīng)力為3次測量的平均值?？梢钥闯?堆焊修復(fù)層經(jīng)車削加工后，在其表面形成了71 MPa的殘余拉應(yīng)力，經(jīng)滾壓強化處理后，最大的殘余壓應(yīng)力為-477 MPa，且隨著滾壓次數(shù)的增加，堆焊層表面殘余壓應(yīng)力的幅值也不斷增大。這對提高堆焊修復(fù)層的抗疲勞性能具有積極作用。

表3 堆焊修復(fù)層表面殘余應(yīng)力

3 結(jié)論

1)A3鋼內(nèi)孔試樣精密脈沖等離子粉末堆焊焊道表面平整光滑，堆焊試樣變形小，修復(fù)層與基體屬冶金結(jié)合，其修復(fù)層組織均勻，焊縫和母材過渡區(qū)域較窄，沒有觀察到明顯異常的氣孔、夾渣和裂紋等焊接缺陷，堆焊質(zhì)量較好。

2)A3鋼內(nèi)孔堆焊修復(fù)層經(jīng)車削+內(nèi)孔滾壓強化處理后，試樣表面呈現(xiàn)鏡面光澤，尖銳的犁溝基本消失，粗糙度明顯降低，且可在其表面形成高值殘余壓應(yīng)力，這些都有利于提高修復(fù)零件的抗疲勞壽命。

3)利用精密脈沖等離子粉末堆焊在損傷內(nèi)孔零部件表面制備修復(fù)層，并采用內(nèi)孔滾壓強化技術(shù)對其進(jìn)行強化，可實現(xiàn)損傷內(nèi)孔零件控型與控性的有效結(jié)合，既能解決損傷薄壁內(nèi)孔零件傳統(tǒng)堆焊修復(fù)燒穿或變形難題，還能解決堆焊修復(fù)層表面組織性能不均勻的難題，可用于該類零件損傷的修復(fù)。

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