摘要：通過對電火花沉積焊材的選用、堆焊接頭抗拉強度試驗、硬度試驗、斷口微觀形貌分析、焊縫和接頭的金相分析和熱影響區寬度值的測量及堆焊接頭成份分析等試驗，證明了電火花沉積工藝具有焊接熱輸入量極小、熱影響區極窄，殘余應力可忽略不計、堆焊焊縫與被修復母材為冶金結合等特點，適用于精密部件微量失重型尺寸失效的修復等領域。可實現對鼓風機、壓縮機和泵等的軸、葉輪與齒輪等重要部件進行尺寸超差及缺陷的修復。

　　關鍵詞：電火花沉積,熱輸入量小,冶金結合,修復

　　電火花沉積工藝是將電源存儲的高能量電能，在電極與金屬母材間瞬時高頻釋放，使高合金電極與母材表面產生瞬間微區高溫、高壓的物理化學冶金過程;同時微區內離子態的電極材料熔滲、擴散到母材基體，形成冶金結合[1]。

　　由于電火花沉積熱輸入小，熱影響區和變形極小，因而焊層的殘余應力小、與基體呈冶金結合等特點[2]，但沉積效率低，適用于精密部件微量失重型尺寸失效的修復等領域。轉子軸頸等精密部件在加工時扎刀、尺寸超差或裝配時碰傷，軸徑發生磨損或拉傷的情況在生產中時有發生。通過電火花沉積的試驗研究，為解決在生產中出現的問題和為用戶服務找到一條較好的途徑。可實現對鼓風機、壓縮機和泵等的軸、葉輪與齒輪等重要部件進行尺寸超差及缺陷的修復。

　　1電火花沉積修復的材料選用

　　結合生產中重要轉動件的常用材料，選取42CrMoE和KMN兩個有代表性的材料作為基體進行了堆焊試驗。42CrMoE的化學成份為：C:0.43%，Mn：0.60%，Si：0.23%，P:0.018%，S:0.003%,Cr：1.03%，Mo：0.19%;KMN的化學成份為：C:0.18%,Mn：0.55%，Si：0.32%，P:0.016%，S:0.008%,Cr：2.36%，Mo：0.93%。42CrMoE焊前經調質處理后，其抗拉強度逸800MPa，屈服強度逸650MPa，伸長率逸14%，斷面收縮率逸50%，沖擊功逸50J,硬度HB為241耀286;KMN焊前經正火+淬火+回火后，其抗拉強度逸931MPa，屈服強度逸833MPa，伸長率逸12%，斷面收縮率逸35%，沖擊功逸55J，硬度HB為293耀331。根據生產中遇到的實際情況，選用牌號N22和N24兩種鎳基作為填充材料進行了堆焊試驗。

　　2電火花沉積試驗

　　2.1氬氣保護的影響

　　沉積試驗時，氧化是影響堆焊層質量和厚度的重要因素，所以應做好焊接區的氣體保護。氬氣流量過小，不足以形成良好的保護，影響堆焊層的質量;氬氣流量過大，在基體表面返彈后形成紊流，使空氣卷入保護區，堆焊層金屬氧化后不能形成良好的沉積層。

　　經反復試驗表明，氬氣流量為7L/min時堆焊層的質量略好些，但沉積層的厚度非常薄，且沉積后瞬間形成凸點，表面粗糙度大，為保證焊接質量須反復打磨凸點，因而堆焊的效率非常低，且堆焊層致密度差，存在大量漏焊點。通過資料查詢，成型差的原因主要是氣體保護不好，導致熔融金屬表面張力大造成。但如何提高氣體保護效果成為擺在面前的難題。最后，通過在主機面板的保護氣體輸出接頭上直接接入一氣管，側吹實現對焊接區保護，并對氣管端口截面的改形及保護氣管在焊接區的位置等進行了改進和調試，終于取得了理想的試驗效果。沉積時電火花數量多，為銀白色均勻焊層，表面平滑，粗糙度小，層間只需偶爾打磨，致密度好。

　　2.2試驗過程

　　采用模擬試驗方案，考慮到電火花沉積主要應用于車間重要轉動件精加工后局部微小缺陷的修復，故選用兩種不同強度等級的鎳基填充焊材進行試驗。因為缺陷修復的質量考核指標主要是界面結合力和堆焊層的組織致密性問題，所以堆焊了拉伸試樣進行拉伸試驗和金相評定。選用兩種典型基體材料的鍛件進行最終熱處理后，機械加工出具有一定形狀系數(一般寬轅深比應該大于3)溝槽的拉伸試樣。

　　對于42CrMoE材料，試驗編號為1裕，采用規格準3.2mm的鎳基焊材N22，工藝規范參數如下：電壓75耀83V，頻率310耀350Hz，氣體流量6耀9L/min;KMN材料，試驗編號為2裕，采用規格準3.2mm的鎳基焊材N24，工藝規范參數如下：電壓70耀85V，頻率310耀350Hz，氣體流量6耀9L/min。

　　3試驗結果分析

　　3.1電火花堆焊接頭力學性能分析

　　3.1.1電火花堆焊接頭抗拉強度分析

　　對于試驗編號為1裕的試樣，抗拉強度值分別為705和715MPa，斷裂位置均為靠近熔合線的焊縫處;對于試驗編號為2裕的試樣，抗拉強度值分別為835和840MPa，斷裂位置均為靠近熔合線的焊縫處。

　　3.1.2電火花堆焊接頭硬度分析

　　分別取1#、2#試樣進行試驗，對母材及熱影響區(HV1)、熔合線(HV1)、焊縫(HV1)進行試驗。在焊縫表面取二點，進行布氏硬度測試，1裕焊縫表面的硬度值為305HB、298HB，2裕焊縫表面的硬度值為341HB、345HB。

　　3.2斷口微觀形貌分析

　　對拉伸試樣的斷口形貌進行了分析。從斷口的微觀形貌(伊1000)可以看出，是脆性斷裂。

　　3.3焊縫的微觀組織形貌分析

　　可以看出，電火花沉積焊縫組織致密，為柱狀晶結構，且晶軸方向處于焊縫與母材結合面的法線方向，說明沿結合界面焊縫的冷卻速度極高，無裂紋缺陷。由于沉積堆焊是逐層進行的，且修磨凸點、補焊凹點，堆焊操作過程無方向性，所以在斷面組織結構上表現出了一定的差別。

　　3.4熱影響區組織分析

　　熱影響區與母材的微觀組織形貌(伊4000)對比分析可以看出，熱影響區組織明顯細化。其值約為110滋m(0.11mm)，說明電火花堆焊熱輸入極小，熱影響區極窄，焊接殘余應力可忽略不計。

　　3.5堆焊接頭成份分析

　　3.5.1堆焊接頭線掃描分析

　　對1裕試樣的堆焊接頭進行了線掃描分析，主要元素為Fe、Ni及Si，其中紅色曲線代表Fe元素，綠色曲線代表Ni元素，藍色曲線代表Si元素。

　　3.5.2堆焊接頭對應點的化學元素定量分析

　　對堆焊接頭的主要元素進行了電子探針的定量分析。編號1#試樣，在母材和熱影響區上隨機選取2點，焊縫上選取1點，編號2#試樣，在焊縫上隨機選取2點。化學元素含量的線分布與點分布可以看出，母材與焊縫熔合界面兩側的化學元素濃度呈漸變趨勢，互擴散明顯。因此可以認為援電火花堆焊工藝下，焊絲與母材在高溫下發生了一系列復雜的物理、化學冶金反應，元素互相熔滲、擴散和重新合金化，形成了牢固的冶金結合焊接接頭。

　　4結論

　　淤電火花修復工藝具有焊接熱輸入量極小、熱影響區極窄，殘余應力可忽略不計，母材組織不造成任何損傷的獨特技術優勢，蘊藏著巨大的經濟效益和社會效益。于電火花堆焊焊縫與被修復基體母材為冶金結合，極大提高了修復層的可靠性和使用壽命。盂可以現場施工，不用拆卸被修復件，節省時間;補焊后加工量小，節約后加工成本;工件不需焊前預熱和焊后熱處理，工期短，成本低。榆層的最大厚度可達3mm，可填焊修復深度6mm深坑與線性缺陷。

　　虞N22和N24兩種鎳基材料都可作為重要部件尺寸超差及缺陷的修復，其選擇原則應使焊材的硬度略小于或等于工件的硬度。愚堆焊層兩側易產生未熔合缺陷，應加大坡口角度，并先堆焊坡口的四周，再進行內部的填充堆焊。輿電火花堆焊工藝應注意氬氣的保護，并易產生未熔合和夾渣物缺陷，因而焊工應經過嚴格的培訓后方能上崗。

　　參考文獻

　　[1]黃小鷗，汪瑞軍.大型發電機轉子軸徑磨損的電火花堆焊修復[J].WeldingTechnology，2000，29(6)：17-19.

　　[2]王華仁.電火花沉積/堆焊技術試驗研究[J].表面技術，2007，36(1)：35-38.

　　相關期刊推薦：表面技術主要報道電鍍技術、涂料與涂裝技術、化學轉化膜技術、真空鍍膜、三廢治理及環保方面的科學研究、新技術、新工藝等方面的內容，是從事金屬、非金屬表面處理的廣大科研人員、工程技術人員以及與表面技術專業相關的大專院校師生，廠礦技術人員、管理人員的良師益友，在全國擁有眾多讀者。