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1、机械零件修复技术,邢台职业技术学院机电系：王文明,第一节焊接修复技术,导:焊接工业担负着应用最为广泛的材料连接加工职责。是制造业的命脉，是未来竞争力的关键。,第一节焊接修复技术,导:组装操作占据着产品制造过程中劳资的相当比例。鉴于焊接及连接作为组装技术的支配地位，美国制造业工人中相当大的比例与焊接有关。美国劳资统计局颁布的1996年度职业概揽手册表明：有45万美国人受雇为焊工、切割工和焊接操作工。该手册还列出了25个其他行业（包括钢铁制造业、锅炉和管道安装）或职业（包括精密组装、修船业），在这些行业中，焊接不是被视为一种特殊的技能就是被整合进了整个操作过程中。如果将这部分工人计算在内的话，焊接
2、从业人员的数量将超过200万，占整个制造业工人总数的10%以上。很明显，焊接是美国制造业的命脉，而且是美国未来竞争力的关键所在。,第一节焊接修复技术,导:焊接的适用范围和影响 焊接可追朔至早期的金属加工年代。与其他连接方法（如：铆接和螺栓连接）相比，焊接结构具有强度高、重量轻、成本低廉的优势。连接金属、聚合材料、陶瓷、复合材料和工程材料的焊接方法已经多达100多种，这些种类繁多的焊接技术为被焊构件的设计提供了很大的柔性。焊接和连接技术普遍应用于工业及国防制造业，而且在制造过程中产生极高的附加值。最典型的就是在组装的最终阶段，此外，零部件焊接这种近似于“近净成型加工”方式的出现，由于可以提高下道
3、工序的生产效率，也增加了组装工艺的重要性。由于焊接和连接技术经常被由于修复非焊接结构件及部件，所以在制造产品的修复和寿命延长方面，焊接和连接技术的作用更为重要。,第一节焊接修复技术,导:事实上，每个制造行业都在制造的某些阶段或者是加工设备的维修、保养时使用焊接技术。无论是计算机主板的钎焊、造船业钢板的苛刻焊接乃至工业锅炉的修补，工业界都依赖焊接这种可靠的材料连接方法。在制造行业中，依赖焊接的行业有：l 汽车l 重型设备l 航空l 电子、医疗器械及精密仪器l 电站l 石化,第一节焊接修复技术,一、概述1.焊接的定义：焊接是一种通过对材料加热、加压（或两者）兼有的方式，产生一个局部接头的连接方法。
4、实际上，焊接熔化了两个物体的表面使其形成一个整体。它包含了许多连接技术方法，如：熔化焊、固相焊等。,第一节焊接修复技术,一、概述2.焊接修复法：把焊接技术用于修复失效零件的方法。3.焊接修复法的分类：1)根据提供热能的不同方式：电弧焊、气焊、等离子焊等。2)按照焊修的工艺和方法不同：补焊、堆焊、钎焊等。,焊接基本知识,一、焊条的选择1.应根据所需焊层的厚度选择焊条直径.2.焊条在使用前应在200-300温度中保温一小时进行烘干.3.酸性焊条:普通焊条,工艺性好,价格便宜.碱性焊条:工艺性差,不容易拉弧,电弧稳定性不好.,焊接基本知识,一、焊条的选择1.焊接低碳钢或低合金钢时，一般应使焊缝金属与
5、母材等强度；2.焊接耐热钢、不锈钢时，应使焊缝金属的化学成分与焊件的化学成分相近；3.焊接形状复杂和刚度大的结构及焊接承受冲击载荷、交变载荷的结构时，应选用抗裂性能好的碱性焊条；4.焊接难以在焊前清理的焊件时，应选用抗气孔性能好的酸性焊条。5.使用酸性焊条比碱性焊条经济，在满足使用性能要求的前提下应优先选用酸性焊条。,焊接基本知识,二、电焊的极性接法1.交流电源体积小,直流电源因有整流器,体积较大.2.酸性焊条因其工艺性好,可用直流或交流焊接,对极性无要求.3.碱性低氢型焊条,用直流焊接时,反接比正接电弧稳定,飞溅量少.4.在焊接薄而小的零件,重要的结构件或堆焊合金零件时,宜用直流反接工件接负
6、极,焊条接正极.,第一节焊接修复技术,二、补焊-焊接技术用于修复零件使其恢复尺寸与形状或修复裂纹与断裂。1.铸铁的补焊：普通铸铁：是制造形状复杂、尺寸庞大、易于加工、防振减磨的基础零件的主要材料。失效形式：对在制品来说，多为铸件的气孔、砂眼、裂纹等；对已加工好的零件，多为使用过程中的裂纹、磨损等。,第一节焊接修复技术,1.铸铁的补焊：铸铁的特点：含碳量高，焊接性差，熔点低。1）热焊：高温预热（大于600度）焊接（不低于500度）焊后加热保温缓冷,第一节焊接修复技术,1.铸铁的补焊：1）热焊：特点：焊缝强度高，但需要加热设备和保温炉，劳动条件差，周期长，整体预热变形大，长时间高温加热氧化严重，对
7、大型铸件来说，应用受到限制。应用：主要用于小型或个别有特殊要求的铸造件。,第一节焊接修复技术,1.铸铁的补焊：2）冷焊：预热（小于400度）焊接焊后处理工艺：清理钻止裂孔开坡口预热施焊（小电流、分段、分层、锤击）焊后处理（保温缓冷，清除焊渣，检查质量）,第一节焊接修复技术,例：分段冷补焊在大型铸钢件缺陷处理中的应用 石家庄热电厂#15机为南京汽轮机厂生产的B25-8.83/0.98型汽轮机，至今已运行4.8 万h，主汽门材料为ZG15Cr1Mo1V。在2001年10月的大修中发现，汽轮机自动主汽门结合面的螺栓孔之间存在2条裂纹，如图1所示，主汽门内侧裂纹深度约30 mm，裂纹从内向外贯穿整个缸
8、体厚度，在裂纹的近末端还有一条较短的裂纹，长度约35 mm。,第一节焊接修复技术,例：采用冷焊的方法进行补焊，具体工艺如下：a.清除裂纹。用机械方法将裂纹挖除干净，形成U型焊接坡口，如果裂纹延伸至螺栓孔，则要将螺栓孔清理干净，补焊螺栓孔，最后再加工螺栓孔。b.用丙酮将施焊部位及其周围50 mm范围内的油污杂质清理干净。,第一节焊接修复技术,例：c.用大号烤把将坡口及其周围加热到200250，进行第一次敷焊层焊接。缓冷到室温后开始填充层焊接。d.焊接。焊前经200250 2 h的烘烤，用干燥的保温筒盛装，运至补焊现场。焊接设备：直流焊机，反接。,第一节焊接修复技术,例：e.施焊时要求小电流短焊道
9、。焊道长度不超过50 mm，焊条不摆动，层间温度不超过70，每道焊道焊后立即进行锤击。在焊接过程中如发现焊接缺陷，立即进行修磨处理。f.焊后检验。在温度冷却到室温后对补焊区域进行打磨，然后进行着色探伤检查，无表面焊接缺陷为合格。,第一节焊接修复技术,例：讨论缺陷挖除及坡口修磨 使用机械方法打磨掉裂纹后，仍存在原始铸造疏松缺陷，继续挖至约70 mm深，坡口底部缺陷消失，两侧仍存在少量局部疏松，考虑到坡口两侧距螺栓孔距离有限，若完全挖净疏松，势必破坏螺栓孔，而现场补焊并加工螺栓孔很难实现，经研究决定，不再扩宽坡口。经修磨，最终坡口型式如图2所示，平均宽度28 mm，最深70 mm。,第一节焊接修复
10、技术,例：讨论 镍基焊条冷补焊施焊分敷焊层的焊接和填充层的焊接2个步骤进行。即在预热的条件下，先完成焊条熔敷金属与门体之间的异种金属焊接，然后缓冷至室温，再进行焊条熔敷金属与敷焊层之间同种金属的焊接。由于实际坡口窄而深，无法一次完成敷焊层的焊接，所以敷焊层与填充层的焊接分4步进行，如图3所示。,第一节焊接修复技术,例：讨论焊后检验 焊后经缓冷至室温后进行表面打磨，然后进行着色探伤，经检验补焊区未见缺陷痕迹，大型铸钢件分段冷补焊工艺成功，目前,该主汽门仍安全运行。,第一节焊接修复技术,例：讨论 大型铸钢件镍基焊条冷补焊，对于窄而深的坡口或因焊接位置所限，敷焊层无法一次焊完的区域，可采用分段冷补焊
11、工艺依次进行敷焊及填充层的焊接，但反复加热次数不宜太多。补焊过程中锤击非常重要，可有效地减低应力，避免因窄而深坡口的较大拘束，使焊缝产生裂纹等缺陷。大型铸钢件的冷补焊，从坡口打磨、焊前预热到实施补焊的全过程要严格控制温度范围、焊接线能量、表面锤击以及焊接顺序等每道工序，不可操之过急，这样才能确保补焊工作顺利完成。,第一节焊接修复技术,2.有色金属的补焊：1）铜及铜合金：特点：铜易氧化，降低焊缝塑性，产生裂纹。导热性强；热胀冷缩量大，易变形，内应力增大。工艺：预热（300至700度）施焊焊后处理,第一节焊接修复技术,2.有色金属的补焊：2）铝及铝合金：特点：易氧化，熔点很高，很难熔化；导热性强；
12、热胀冷缩量大，易变形，内应力增大。铝合金结构件的焊接修补是航天器在生产和使用中不可避免地会遇到的问题。在焊接生产中，由于材料、结构、设备、工艺及环境条件等方面的偶然因素，在焊后会发现焊缝中存在超出标准的焊接缺陷，这就需要补焊。,第一节焊接修复技术,2.有色金属的补焊：3）钢：低碳钢：焊接性好，不需采用特殊工艺。中碳钢：易在弧坑处产生热裂纹。预热选多层焊焊后热处理选低氢焊条，提高抗裂性高碳钢：可焊性更差。用小电流慢速度施焊，焊后热处理。,第一节焊接修复技术,三、堆焊-目的不是连接零件，而是在零件表面堆敷金属，使其满足尺寸和精度要求，并使其具有一定的性能。所有熔焊方法均可用于堆焊。1.焊条电弧堆焊
13、：利用焊条电弧焊的方法。原理：通过电极放电引燃电弧，使焊条和基体金属熔化，形成金属熔敷层。,第一节焊接修复技术,三、堆焊1.焊条电弧堆焊：设备：焊条电弧焊机、焊钳、辅助工具。焊条：选与基体金属化学成分相近的焊条。工艺：预热（防裂纹、气孔、变形）-裂纹部位预加工（钻止裂孔、开坡口）-焊接,第一节焊接修复技术,三、堆焊2.埋弧堆焊：电弧在焊剂层下燃烧。原理：在焊丝和焊件之间引燃电弧，电弧热使焊件、焊丝和焊剂熔化，并有部分蒸发。金属和焊剂的蒸发形成一个空腔，电弧就在空腔内燃烧，隔绝了大气对电弧和熔池的影响，并防止热量迅速散失。,第一节焊接修复技术,三、堆焊2.埋弧堆焊：特点：减少了金属飞溅，消除了弧
14、光。但热量较集中，易变形，堆焊材料较贵。3.等离子弧堆焊：原理：用等离子弧作为热源将填加金属熔化，使之与基体金属实现冶金结合。特点：热量集中。焊修难熔、热敏性强的材料。,第一节焊接修复技术,三、堆焊例：表面堆焊技术在汽车修理中的应用 实例1：一台上海产6135发动机，由于冬季在室外停放时忘记放水，缸体气缸套处开裂一道长约4cm的裂纹，运用手工电弧焊修复工艺如下：1)焊条：选用铸612铜铁焊条，焊条直径3.2mm，焊后不进行机械加工。2)清除污物：将裂纹周围清洗干净，包括油污、铁锈，裂纹深处的油污和水用氧乙炔火焰加热，直到不冒烟为止。3)修整裂纹：在裂纹两端钻3mm的止裂孔。为了增大结合强度，沿
15、裂纹方向用手砂轮开出U形坡口，坡口开度120，深4-6mm。坡口两侧25mm以内用钢丝刷打光，露出金属表面。4)施焊：使缸体裂纹成水平位置放置，运条方向由两端向中间进行，待整条裂纹焊补完毕后，再焊两端的止裂孔。焊接速度为3.2-3.5mm/s，电流为80-110A。,第一节焊接修复技术,三、堆焊实例2：变速器齿轮由于齿面表层局部损坏。堆焊后用手砂轮和油石进行修整，无须进行复杂的热处理，基本达到原机械性能。工艺和要求如下：1)焊条：选择山东“齐鲁”Fe-Cr-C系列耐磨焊条中的DEZCr55-10高铬合金耐磨堆焊焊条，焊层硬度达HRC55，并有较高的冲击韧性，焊条直径为3.2mm。2)清除污物：
16、用油洗或火焰将齿轮表面的油污处理干净。3)施焊：将齿轮预热至200-250，电弧长度与焊条直径相当，焊接电源110-150A，焊条与齿轮堆焊表面接近垂直，焊后缓冷。此外，用上海“堆212”焊条修复五十铃CXZ187和三菱FV415型汽车中、后桥平衡悬架心轴；用锡铅合金作钎料，火焰加热堆焊发动机曲轴止推片，从而调整曲轴的轴向间隙，也都是成功的。,第一节焊接修复技术,四、钎焊原理：钎料（填充材料）比焊件熔点低。将焊件、钎料共同加热，钎料熔化润湿基体金属，填充接头间隙，并与基体金属产生扩散作用而把分离的焊件连接起来。特点：温度低，操作方便，接头强度低。用途：焊接薄板、薄管、硬质合金刀头及焊修铸铁件，
17、电器设备等，强度要求不高的零件。,钎焊机,高频钎焊机,总结：传统焊接修复法的特点1.优点：适用性较广；结合强度高；不受零件尺寸、修复场地的限制，成本低、效率高，灵活性大。2.缺点：焊接温度高，易引起金相组织的变化并产生应力变形，不易修复精度较高、细长及较薄的零件，同时易产生气孔、夹渣、裂纹等缺陷。,第一节焊接修复技术,五、焊接新技术1.激光焊接 优点：1）激光焊接点直径只有0.2mm2.0mm；2）受热范围小，不会出现变形，不会出现气孔；3）激光的冲量使得焊接效果牢固，粘付性强，不易脱落；4）可加工材料如模具钢，不锈钢，铍铜及贵重金属等；5）可修补裂痕、崩角、模边、及磨损了的密封边；6）焊接过
18、后可以磨削加工成光面；7）可在极硬的材料上进行焊接(HRC60)。,第一节焊接修复技术,五、焊接新技术1.激光焊接 应用：城固县文化馆藏有一只汉代青铜耳杯，从边沿至底部开裂10多厘米，耳杯形状壁薄仅0.8毫米，传统修复方法对此无奈。经文保中心采用激光熔覆方法焊接、并做抛光等处理，残损断裂的青铜耳杯焕然一新完整如初，肉眼难辨其曾遭过损伤。文保中心还对宜川县的青铜剑、甘肃秦安的青铜提梁卣等裂损文物进行不同方式的焊接修复，都取得完美的效果。,第一节焊接修复技术,五、焊接新技术2.摩擦焊技术 利用摩擦热作为焊接热源。在压力作用下，通过待焊工件的摩擦界面及其附近温度升高，材料的变形抗力降低、塑性提高、界
19、面氧化膜破碎，伴随着材料产生塑性流变，通过界面的分子扩散和再结晶而实现焊接的固态焊接方法。摩擦焊通常由如下四个步骤构成：1、机械能转化为热能；2、材料塑性变形；3、热塑性下的锻压力；4、分子间扩散再结晶。,第一节焊接修复技术,五、焊接新技术2.摩擦焊技术应用：（1）航空航天工业。随着现代高性能军用航空发动机的不断更新，其主要性能指标推重比亦不断提高；在飞机制造中，摩擦焊接也展现了新的应用前景。AISI4340超高强度钢因其具有高的缺口敏感性和焊接脆化倾向，当用来制造飞机起落架时，国外规定不允许采用熔化焊接方法施焊。（2）汽车工业。采用锻焊复合结构取代整体锻造生产汽车半轴在国外已得到广泛应用。可
20、利用摩擦焊接工艺简化制造工艺和降低生产成本。,第一节焊接修复技术,五、焊接新技术3.超声波焊 超声波焊接是利用10KHZ以上超声波机械振动能实现的一种固相压力焊接方法。在压力作用下传输到焊件接合界面的超声频机械振动使界面两侧表面发生微位移相对滑动摩擦，这种微摩擦既有助于表面膜破碎而实现界面两侧间金属的接触，又因摩擦发热升温及随之发生的微变形而清除了界面上的微观不平度、扩大有效接触面、加速两侧金属原子通过界面进行扩散及再结晶，从而实现固相焊接。,第一节焊接修复技术,五、焊接新技术3.超声波焊 超声波焊接不会对焊件引起高温损伤和污染，特别适用于金、银、铝、铂、钼合金细丝与硅片上金属涂层之间的微型引
21、线焊接并形成低电阻接头，最宜焊接高导热、导电材料，是微电子器件及电器制造中的重要连接方法，还可以焊接各种异种金属接头及塑料。,第一节焊接修复技术,五、焊接新技术3.超声波焊 其焊接区具有适度冷作硬化后的细结晶组织特征，但无熔化迹象，而只是扩散、相变、再结晶等固相冶金过程的结果。随焊件厚度的增加，设备所需功率指数剧增，因此，只适于丝、箔、片等薄件焊接，除铝外，一般可焊厚度上限为0.41.0mm；接头形式一般为搭接接头。,第一节焊接修复技术,五、焊接新技术 新焊接技术在航天工艺焊接生产中的应用获得了突飞猛进的发展，焊接自动化和高的质量及可靠性保证能力将是21世纪对焊接技术的基本要求。尤其是铝合金中厚板和厚板焊接技术在近几年将成为航天焊接工作者研究和推广的热点之一。,
