焊接修复法

二、焊接修复法

利用焊接方法赋予零件以耐磨、耐蚀的堆焊层或进行必要的修补是焊接技术的主要内容。它的原理与传统的焊接虽没有本质的区别，但它焊接的是失效后的机械零件，因此要根据不同的对象来选定不同的焊接工艺，同时还应考虑零件本身焊修的经济性、修复后的使用性能等。利用焊接修复失效的零件是一种广泛使用的修复方法，它具有如下特点：

（1）适用性较广。大部分金属零件都可以用焊修法修复。焊接设备简单，工艺较成熟。

（2）结合强度高。不但可修复尺寸，赋予零件表面以耐磨、耐蚀等特殊性能的堆焊层，还可以焊补裂纹及断裂，修补局部损伤等。

（3）不受零件尺寸、修复场地的限制，成本低、效率高、灵活性大。

焊接修复法的缺点是焊接温度高，易引起金相组织变化并产生应力及变形，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。

（一）焊条电弧堆焊

利用焊条电弧堆焊的方法在零件表面熔敷一层金属，以使零件表面获得耐磨、耐蚀等性能或使零件尺寸得到恢复的焊接称为焊条电弧堆焊。它具有设备简单，工艺灵活，不受焊接位置及表面形状的限制，结合强度高，堆焊层厚度大等优点，是一种最常用的修复方法。

焊条电弧堆焊是将金属焊条和零件分别接到焊接电源两极，通过电极放电引燃电弧，使焊条和基体金属熔化，在零件缺陷处形成一层金属熔敷层的一种维修方法。焊条电弧焊的设备包括焊条电弧焊机、焊钳及辅助工具。焊机按电源性质分为交流电焊机和直流电焊机两种。

（二）埋弧堆焊

1.埋弧堆焊的基本原理　埋弧堆焊的电弧在焊剂层下燃烧，如图8－15所示。

图8－15　埋弧堆焊过程

1—焊丝　2—熔剂　3—渣壳　4—熔化金属

由于电弧的高温作用，熔化的金属与焊剂蒸发形成金属蒸气与焊剂蒸气，在焊剂层下造成一个密闭空腔，电弧在空腔内燃烧。在空腔的上面覆盖着熔化的焊剂层，隔绝了大气对焊缝金属的影响。由于气体的膨胀作用，空腔内的蒸气压力略大于大气压力，此压力与电弧的“磁吹”作用共同向后排挤熔化的金属，加深了基体金属的熔深。与金属一同被挤向熔池较冷部位的熔渣，因密度较小而浮在金属熔池上部，减缓了焊缝金属的冷却速度，使熔渣、金属及气体之间的反应更充分，能更好地清除熔池中的非金属杂质、熔渣和气体，从而得到化学成分理想的堆焊层。

埋弧焊的优点是：①液态金属与熔渣及气体的冶金反应较充分，堆焊层的化学成分和性能较均匀，焊缝表面光洁；②由于焊剂中元素对焊缝金属的过渡作用，可以根据零件的性能要求选用不同的焊丝和焊剂，以获得合乎要求的堆焊层；③堆焊层与基体金属的结合强度高；④堆焊层的抗疲劳性能比用其他修复工艺获得的修复层的性能强；⑤生产率高。

其缺点是工艺和技术比焊条电弧焊复杂，且由于焊接电流大，工件的热影响区大，因而主要用于较大的不易变形零件的修复。

除焊条电弧堆焊、埋弧堆焊外，还有振动电弧堆焊、等离子弧堆焊、二氧化碳气体保护堆焊等焊接修复工艺。其特点分述如下：

（1）振动电弧堆焊

①堆焊过程：工件连续旋转，焊丝等速送进并按一定的频率和振幅振动，焊丝与工件之间产生短路和脉冲电弧放电，使焊丝可以在较低的电压（12～22V）下，以较小的熔滴稳定而均匀地过渡到工件表面，形成一层质量好、薄而均匀的堆焊层。堆焊过程大体可分为三个阶段：短路期、放电期和空程期。该技术的优点是：熔深浅、堆焊层薄而均匀，工件受热影响小，堆焊层耐磨性好，生产率高，成本较低。其缺点是：由于电弧区保护作用差，空气中氧、氢、氮等气体易侵入电弧区和熔池，在堆焊层和基体结合处易产生气孔；堆焊层含氢量高，易产生裂纹；还易产生硬度不均匀等缺陷。

②电弧区的保护：向电弧区喷射水蒸气、二氧化碳气体、空气或纯氧，或用焊剂作为保护介质。振动电弧堆焊修复厚度可达0.5～3mm，常用于汽车、拖拉机及其他工程机械零件修复中，如曲轴、承受交变载荷的零件等。

（2）等离子弧堆焊　等离子弧堆焊是利用联合型等离子弧或转移型等离子弧为热源，以合金粉末或焊丝作为填充金属的一种熔化焊接工艺。其优点是：弧柱稳定、温度高、热量集中；规范参数可调性好，熔池平静，可控制基体金属熔深，降低冲淡率；熔敷效率高，堆焊焊道宽，易实现自动化。其缺点是：设备成本高，堆焊时噪声大，紫外线辐射强烈并产生臭氧。

按照填充材料的填充方式不同，等离子弧堆焊可分为：

①热丝等离子弧堆焊：焊丝利用本身的电阻预热后，再送入等离子弧区进行堆焊。由于焊丝预热降低了堆焊层的冲淡率，提高了熔敷率，并减少了堆焊层中的气孔。

②冷丝等离子弧堆焊：将焊丝不经加热而直接送入等离子弧区堆焊。

③预制型等离子弧堆焊：将堆焊合金预先制成环状或其他形状放置在零件的堆焊表面，然后用等离子弧加热而形成熔敷层。它适于形状简单、批量大的零件的堆焊。

④粉末等离子弧堆焊：将合金粉末自动送入电弧区实现堆焊。其堆焊质量高，易实现自动化。

（3）二氧化碳气体保护堆焊　二氧化碳气体保护堆焊是用二氧化碳气体作为保护介质的一种堆焊工艺。其过程如下：二氧化碳气体从喷嘴中以一定的速度吹向电弧区，将电弧及熔池与空气隔开，形成一个可靠的保护层，以防止氧、氢、氮等有害气体侵入熔化的金属，从而获得性能良好的堆焊层。

二氧化碳气体保护堆焊的优点是：堆焊层质量好，抗腐蚀、抗裂能力强，堆焊变形小，堆焊层硬度高而均匀，生产率高，成本低，适应性强。其缺点是：电弧吹力强，使堆焊层的冲淡率较高，难以控制堆焊层的合金成分。由于二氧化碳的氧化作用，合金元素烧损严重，易产生气孔，且设备复杂。

（4）低真空熔结工艺　低真空熔结工艺过程是：将质量分数为94％的合金粉末与质量分数为6％的松香油调制而成的料浆涂敷到经过预先加工、清洗、除油、去污的零件待修表面。在80℃的烘箱中烘干，出炉后修整外形，然后在非氧化气氛中或低真空中的钼丝炉中熔结，以获得致密光滑的合金涂层，也可用激光、高频感应、等离子弧、电子束等热源熔结。整个熔结过程分为三个阶段：松香挥发阶段、合金熔化阶段及凝固阶段。

低真空熔结的优点是：结合强度高，无裂纹、气孔等缺陷，可用于制造和修复一些耐高温、耐腐蚀、耐磨损的零件，可延长零件的使用寿命，降低成本。对合金粉末的要求是：具有良好的自熔性（常用Ni基和Co基自熔性合金），熔点低；熔结过程能自行造渣，涂层与基体金属结合良好；具有适当的液态流动性，结晶温度范围较宽；具有良好的润湿性；涂层有良好的耐磨、耐蚀、耐疲劳等性能。低真空熔结涂层一般厚0.02～4mm。

（三）钎焊

用比焊件熔点低的金属材料作钎料（填充材料），将焊件和钎料共同加热到高于钎料熔点而低于焊件熔点的温度，钎料熔化润湿焊件的钎焊面，并靠毛细作用填充接头缝隙，经钎料与焊件之间的扩散而形成钎焊接头。与熔化焊相比，焊件加热温度低，变形小，其组织及力学性能变化小，受焊件焊接性的限制少，可连接异种材料；绝大多数金属及合金以及非金属材料都可用钎焊修复。钎焊的缺点是焊缝强度较其他焊接方法低，故适于强度要求不高的零件的裂纹、断裂的修复，尤其适于低速运动零件的研伤、划伤等局部缺陷的修补。

钎焊质量除取决于钎焊方法、钎剂、钎料及保护气氛外，很大程度上还取决于钎焊前焊件表面的清洗、接头间隙的控制及焊后处理。

钎焊按温度分为硬钎焊和软钎焊。钎料熔点高于450℃的钎焊称为硬钎焊，低于450℃的钎焊称为软钎焊，相应的钎料分为硬钎料、软钎料，钎剂分为硬钎剂和软钎剂。

常用的软钎料有锡铋合金、铅锡合金、锌镉合金等。硬钎料有铜锌合金、铜磷合金、银基钎料、铝基钎料、镍基钎料等。选用钎料时应考虑以下因素：熔点低于焊件，与焊件能形成良好的钎焊接头，满足所用钎焊温度及方法的需要，满足接头工作需要，成本低。

常用的软钎剂主要由松香、乙醇、三乙醇胺、盐酸乙二胺等有机物及氯化锌、氯化铵、氟硼酸盐、盐酸等组成。硬钎剂主要由硼酸、硼砂、氟硼酸盐、氯化物等组成。

钎剂的主要作用是清除钎料与焊件待焊表面的氧化膜，改善钎料与焊件的润湿，并在钎焊过程中防止再度氧化。对钎剂的要求是熔点低于钎料，有良好的去膜能力和较宽的活化温度范围，不易失效，钎焊后的残渣对焊件的腐蚀性小、且易清除。

（四）铸铁的焊修

铸铁零件在机械设备中占有很大比例，且许多是重要零件，如底座、缸体、箱体、曲轴及导轨等。这些零件体积大、结构复杂、制造成本高，因此对这些零件的修复具有很重要的意义。

铸件修复的特点：

（1）铁含碳量高、塑性差，对冷却速度十分敏感，焊层易形成白口组织，导致产生裂纹；局部过热会使铸铁晶粒粗大、组织疏松、变脆，并促使裂纹产生。

（2）长期工作在高温或腐蚀介质中的铸铁件，其基体松散、内部组织氧化腐蚀，吸收油脂，从而降低了可焊性，且易产生气孔、裂纹甚至焊不上。同时铸铁中较高的硫磷含量也会影响可焊性。

铸铁的焊修方法通常有气焊、钎焊、电弧焊等。按铸铁件是否预热分为铸铁冷焊、铸铁热焊和铸铁半热焊。

1.铸铁冷焊　铸铁冷焊指焊前焊件不预热或预热温度低于200℃的焊接。其优点是：方法简便，修复速度快，劳动条件比热焊好，变形小。其缺点是易产生白口组织、热应力裂纹、气孔缺陷，同时对操作技艺要求较高。常用小电流、细焊条断续焊、锤击焊缝等措施以减少焊层的白口组织和裂纹。

2.铸铁的热焊　铸铁的热焊是先将工件预热至600℃左右再进行焊接，焊后要加热、保温、缓冷。其焊接可用电弧焊或气焊。因为焊前预热600℃左右，焊接过程中温度保持在400℃左右，焊后缓冷，工件温度均匀，所以能够得到质量优良的焊缝或焊层。焊缝的金相组织与基体相同，强度高、密封性好、机械加工容易，适用于箱体、气缸体、缸盖等结构较复杂的铸铁件的修复。其缺点是需要加热及保温设备，劳动条件较差，工件整体预热会产生较大的热变形。

3.铸铁的钎焊　对一些小型铸铁件或大型铸铁件的局部焊补，常用黄铜钎焊修复。如前所述，钎焊时钎料熔化，而焊件并不熔化，熔化区不会形成白口组织，且热应力小，不易产生裂纹。