内容摘要：本文采用常温冷焊重熔技术对零件磨损尺寸恢复后进行试验研究和质量分析。试验表明：通过对零件表面进行修复来恢复零件的尺寸和性能，而修复表面使用的金属仅仅是原材料的1%～2％，成本也仅是新品的10％，不仅质量达到要求，而且具有良好的经济性。
1.概述
零部件再制造后的产品性能和质量达到新品甚至超过新品，而成本一般只是新品的50％，节能60％，节材70％。此外，再制造是规模化的生产模式，它有利于实现自动化生产和产品的在线质量监控，有利于降低成本，减少资源和能源消耗，减轻环境污染，能以最小的投资获得最大的经济效益。因此零部件再制造必然会成为一个新的趋势和产业。本文根据再制造零件的结构和损伤性质，恢复零件的尺寸和性能。制定合理的修复工艺方案，运用先进的清洗、修复、表面工程处理技术对零件进行修复，测试修复后“新品”的物理性能，并对其进行金相组织分析，根据测试数据得出其质量性能指标，并在北京奥宇可鑫再制造技术研究院进行了修复验证。
2.试验过程
机床导轨常采用HT250，QT300以及45钢，其耐磨性好、摩擦系数小、尺寸性能稳定。其常见磨损形式为粘着磨损型（大型机床的导轨缺油引起的大面积研伤），磨粒磨损型（机床的导轨受到工件或工具等物品高应力的磕碰后，导轨的表面将出现凹坑，而凹坑的周围同时会出现凸起或毛刺。如不及时修理，当滑板在导轨上滑动时，导轨上的凸起或毛刺，势必将滑板研伤；切屑或型砂在垂直的压力下，压溃导轨或滑板表面，移动时便将导轨或滑板研伤）和腐蚀磨损型（含腐蚀性成分的滴水润滑液晶剂、切削液等润滑和冷却的导轨面会出现腐蚀磨损）。
预处理：
（1）机床导轨表面处理①清理导轨表面：去除导轨表面的灰尘、油污、锈蚀、残渣等。②除油处理：使用有机溶剂丙酮除去导轨表面油垢。③去除氧化膜、疲劳层：用角向磨光机打磨去导轨表面氧化层和疲劳层。④整形处理：尖角要打平，与基准面过渡区要过渡平整，把磨损面整理成适于修复的形状，笔尖放不下的沟槽可做适当拓宽处理。
（2）常温冷焊重熔设备的准备、检查①主机：确保通电良好，检查保险等。②正负极线的连接：确保正负极接线牢固，内部铜导线无折断；因其影响能量输出，且导线、手柄易发热。参数设置：输入电压：220V；功率消耗：≤600W；焊点电压：3V；焊点电流：3000A；焊点温度：800~2200℃；焊点直径：约Ф1.2mm。③焊笔的准备：尖干净光滑，且有一定坡度。
（3）各种研磨、辅助工具的准备①研磨工具的准备：包括角向磨光机、电磨头、笔式磨头、油石、砂带、金刚石锉等。②辅助工具的准备：包括卡盘、支架、保护设施等。
（4）材料准备焊补基体材料可以是铸铁及球墨铸铁、铸钢、合金钢等。电极材料为直径Ф4~Ф6mm的铬锆铜合金。本文选用HT250，QT300，45钢。
（5）补材的准备常用的有低碳钢、高碳钢、不锈钢等，为了深入研究不同补片对机床导轨修复产生的效果，本论文选用了低碳钢、高碳钢补片进行修复。
修复工艺过程：①将正、负极线连接好，与主机连接牢固，负极接在导轨的非使用面上，且结合处干净，无杂质或锈蚀，如结合处有杂质等，需先使用角向磨光机打磨出新鲜机体。②初步判断基体材质为黑色金属，分别选择低碳钢、高碳钢来修复该导轨。③将电极紧压于补材上，再踩动脚踏开关。④焊笔与焊补面的夹角以45°至60°为宜，特殊情况再做改变。⑤在导轨损伤面上先焊几点将补材固定住，再做连续焊补。⑥焊笔在补材上做滚动焊补，焊点之间不准隔开或重叠，要做到点点相接，相互压叠1/3~1/2，本着点动成线、线动成面、面动成体的原理，耐心细致地点、线、面焊补。⑦一般焊笔尖接触面积为1.0~1.2mm左右，焊头太小，焊补效率低，焊头太大，焊补强度低。因此在长期焊补过程中需要随时修磨焊笔头。⑧出现闪点、打火现象，要及时补焊；打火后要及时补焊，因为打火后会留下凹坑，影响尺寸恢复，尤其是最后一层补片的焊补，出现打火现象要及时补焊，电极也要重新打磨光滑。⑨运动速度要适宜，太慢影响效率，太快闪点太多，影响焊补效果，要配合好频率进行焊补。修复示意如图1所示。
图1 修复示意
图2 修复前后对比
焊后处理：主要指研磨，找尺寸。
首先，面的研磨：平面研磨：粗磨可用角向磨光机打磨或将油石放平研磨，，待接近标准尺寸需要精磨时，用平尺或平板磨具垫砂带研磨。其次，边、棱的研磨：由焊补面向基准面方向用力研磨，反之则不用力，研磨时配合相应的测量工具研磨至需要尺寸。
使用冷焊技术恢复零件尺寸的案例还有汽轮机主轴轴头划伤（见图3），空压机螺旋转子轴轴头磨损（见图4），小机上盖气蚀（见图5），瑞士磨齿机导轨磨损修复（见图6）。
图 3
图 4
图 5
图 6
3.试验分析
（1）补材结合强度测定影响修复层与基体结合强度的因素是多种多样的，如基体与补材的基本性质、修复工艺以及修复后的加工工艺等。对焊补层采用锉削法，将试样固定，在试件边缘处，用锉刀由基体锉向表面修复层，锉刀与修复层面成约45°。锉削时，修复层表面发生磨损，但不应产生成生揭起脱落。否则，结合力差。由于冷焊层补材与基体是冶金结合，检测结果表明，锉削后，冷焊层在锉削过程中不会剥脱或者被揭起，满足结合强度定性测量的要求。
（2）硬度检测结果如表1~表3所示
采用洛氏硬度计对冷焊层和基体的硬度进行检测，表明冷焊修复层的硬度稍微高于基体的硬度，且修复层表面各点的硬度比较均匀，没有出现硬点和局部硬化的情况，满足零件尺寸恢复的硬度要求。
（3）金相分析总体来看，焊补处未见明显分界线，无硬点、硬化现象，过渡区域微小，焊补点附近未见渗碳体的析出，焊补处金属组织致密，补焊层与基体间的结合良好，有元素扩散现象，为冶金结合，其基体材料出现局部熔化特征。采用低碳钢进行修复后的焊补点比母材更致密，低碳钢修复后出现少量的渗碳体，如图8~图11所示。
图 8
图 9
图 10
图 11
由于使用常温冷焊重熔技术的过程中机体与补材熔化的时间和凝固的时间非常短，为奥氏体充分过冷转变为铁素体的冷却提供了条件，焊缝金属的热有95%用于熔化机体与补材，剩余热量通过热传导进入周围母材从而得到快速冷却。于是在低碳钢焊缝金属中形成魏氏组织。高碳钢补材全部为片状的马氏体组织。马氏体显著的特点为高硬度，高强度。因此用高碳钢修复能够提高表面的硬度，进而改善耐磨性。
（4）外观检查用冷焊修复，放电时间与下一次放电间隔时间相比极短，由于等离子电弧产生的闪温作用，焊补点处的补材与基材同时熔化。断电后，电极继续保持压力，使熔核凝固并过渡到与基材金属的接触部位，两种熔化后的液态金属重新固化，因此焊层的熔接强度高。与传统的焊接方法相比，试样热影响区域小，不产生热裂纹和残余应力，修复后表面几乎不留痕迹，不会产生局部退火软化现象。
4.结语
（1）修复后基体与补材之间为冶金结合，结合牢固、致密。修复后不需要重新热处理，可直接用于铣、锉、磨等精加工而不会脱落。选择不同材质的补材进行同材、异材焊补，以适应不同性能的要求。修复后对其进行了观察和分析，改善了机体的性能。
（2）不仅零件尺寸恢复质量达到要求，而且具有良好的经济性。后期还要进行零件表面质量、尺寸精度、材质质量、使用要求性能(耐压性、耐磨性、耐蚀性、耐氧化性、耐疲劳性)等检验。使得零件尺寸恢复达到专业化、批量化、规范化的再制造标准要求。
作者简介：林宋等，北方工业大学机电工程学院；彭兴礼，北京奥宇可鑫表面技术有限公司。
来源：焊接切割联盟
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