现代设备维修技术及其应用.pdf

中国资源综合利用协会主办现代设备维修技术及其应用费敬银，辛文利，王卫康西北工业大学理学院应用化学系(7 1 0 0 7 2)E m a i l：j y f e i n w p u e d u c nM o b i l e：13 9 9 112 0 8 7 61 前言机械设备在运行或停机过程中不可避免地会由于磨损、疲劳、断裂、变形、腐蚀、老化等原因而导致设备性能逐渐劣化、甚至出现故障。继续使用输出参数下降或不能正常运行的设备必然造成运行成本增加、加工精度降低、产品质量下降，也可能带来灾难性的后果。因此，及时排除设备故障、恢复设备应有的性能，需要一套系统、科学的设备维护、保养和修理方法。传统的修理方法包括：机械加工修理法(修理尺寸法、附加零件法、局部更换法)、焊修(补焊、钎焊、堆焊)、电镀(低温镀铁、镀铬)、胶粘(无机胶粘、有机胶粘、以及复合胶粘技术)等，在现实生活中，多数维修工作者仍使用传统的修理方法进行零部件的修复。2 0 世纪中期之后，随着工业化社会的迅速发展，机械设备的大量使用，工业自动化程度提高，人们越来越清楚地认识到设备维护、保养、维修的重要性，维修工作者开始研发新型设备维修技术，相继出现了热喷涂、热喷焊技术(火焰喷涂、喷焊等)，等离子喷涂、喷焊技术，电弧喷涂技术、爆炸喷涂技术、冷焊技术(补片技术)、微弧冷焊技术(气体保护熔丝焊技术)和电刷镀技术等。近年来，伴随着设备失效分析、故障诊断、状态检测技术的发展以及可靠性与可维修性理论的出现，一套系统、科学的现代设备维修体系乙逐渐形成。由于每一种修理方法都有其自身的特点和不足，因此，对于经常从事设备维修的科技工作者而言，根据零件的破坏方式选用恰当的维修技术，实现高效、可靠、低成本的设备维修显得非常重要。7 42 0 0 9 中国汽车零部件再制造技术交流与应用研讨会中国资渊综舍利用协会主办2 热喷涂(焊)技术及其特点有人常常将热喷涂技术和热喷焊技术混为一谈，不清楚两者之间的本质差异。从施工方式上看，两者极为相近；但是，从原理上讲，两者完全不同。21 热喷涂技术热喷涂技术是一种利用高温热源(通常是氧气乙炔火焰)将喷涂材料(粉料或丝材)加热到熔融状态，用高速气流将其雾化并喷射到工件的表面上形成涂层的表面修复技术。热喷涂技术的最大特点是生产效率高，涂层厚度大，特别适合于修复超差达到毫米级的工件。由于喷涂过程中，工件升温一股不会超过3 0 0 C，所以喷涂后的工件不会产生裂纹、也不会因热影响导致工件变形或基体材料的组织、性能发生明显的变化等问题。也正是由于喷涂施工过程中1 件处于低温状态，所以喷涂层与基体的结合力差，喷涂层孔隙率高且疏松。即使采用所谓的超音速喷涂技术，其结合强度也不会高于电镀层与基体的结合强度。热喷涂原理、过程如下：热喷涂现场照片喷涂后工件照片2 0 0 9 中国汽车零部件再制造技术交流与应用研讨会中国资掘综合利用协会主办涂层经修磨后照片喷涂层断面结构实物照片喷涂层受力破坏后实物照片大型工件喷涂防腐蚀涂层实物照片综上所述，热喷涂技术的优缺点如F：优点：适合大面积施工，涂层厚(厚度达到毫米级)，生产效率高。缺点：涂层疏松、多孔、结合力差、工艺步骤多、配套加工设备复杂(需要喷砂电拉毛、辊花、车螺纹，喷后机加或修磨)。结合力差是热喷涂技术的最大缺点。2 2 热喷焊技术与热喷涂不同，热喷焊技术则是用中性火焰将已喷涂在工件表面上的金属涂层再次加热重熔，涂层本身再次经历冶金过程，使涂层与基体间发生互熔或扩散，实现冶金结合，并进一步改善涂层本身的致密性。喷涂与喷焊的最大差别在于喷焊时使用的粉末是自熔性合金粉末(含有脱氧、造渣元柰)，井在喷粉之后进行高温重熔(9 5 0 以上熔融)，实现自熔性粉末的再次冶金。7 62 0 0 9 中国汽车零部件再制遣技术交流与应用研讨会中国资源综合利用协会主办由于喷焊层与基体间是冶金结合，所以喷焊层与基体间的结合力远高于喷涂层。由于喷焊过程中需要对涂层再次进行加热重熔所以喷焊技术的最大缺点也源于高温重熔过程，除了刚性极大的工件外，喷焊后的工件大多会产生热应力变形或热应力裂纹，还会导致工件本身材料组织和机械性能的变化，疲劳寿命降低。因此，常将喷焊技术用于对尺寸、形状要求不高工件的修复。热喷焊原理、过程如下：喷自熔性合金粉喷后加热重熔喷焊层断面实物照片喷焊后出现的热应力裂纹综上所述，热喷焊技术的优缺点如下：优点：适合修复对涂层结合力要求高的工件，涂层厚(厚度达到毫米级)，生产效率高。2 0 0 9 中国汽车零部件再制造技术交流与应用研讨会中国资源综合利用协会主办缺点：易产生热应力变形或热应力裂纹；喷焊修复后，工件疲劳寿命降低；工艺步骤多、配套加工设备复杂。3 其他形式喷涂(焊)技术3 1 等离子喷涂(焊)技术等离子喷涂(焊)技术与热喷涂(焊)技术原理相似，不同点在于等离子喷涂(焊)过程中所使用的热源不是一般的火焰(可燃气体与助燃剂混合后燃烧产生的火焰)，而是等离子焰(等离子焰的性质可以通过控制等离子发生器的相关参数来调节)。由于等离子焰的温度极高(1 0 0 0 0 以上)，目前可用于喷涂的所有材料都可以被等离子焰熔化，不受喷涂材料热点的限制，因此，可用于等离子喷涂(焊)材料的种类非常丰富(金属材料、非金属材料、高温陶瓷材料等)。但是，由于等离子喷涂(焊)技术没能从根本上解决热喷涂(焊)技术固有的问题，因此，除了一些特殊应用外(如军工产品的表面加工)，在日常维修中，很少采用等离子喷涂(焊)技术。等离子喷涂(焊)的主要优缺点如下：特点：热源温度高，不受材料熔点的限制，可调节参数多，涂层质量高。缺点：设备昂贵、成本高(其它缺点与热喷涂、喷焊技术相似)。3 2 电弧喷涂电弧喷涂是利用两根带电的金属丝材短路时产生的电弧热来熔化丝材，在高速气体的作用下，熔化的丝材被雾化，并喷射到工件表面上形成涂层。电弧喷涂的基本特性与热喷涂层相似。电弧喷涂技术的最大特点是生产效率高，涂层厚度大，适合于修复超差达到毫米级的工件。由于喷涂过程中，不预热工件，所以工件不会升温，对工件本身不会产生热影响。也正是由于电弧喷涂过程中工件处于低温状态，所以喷涂层与基体的结合力差，涂层孔隙率高且疏松。即使采用当前流行的超音速电弧喷涂技术，其结合强度也不会高于电镀层与基体的结合强度。电弧喷涂的优缺点如下：7 82 0 0 9 中国汽车零部件再制造技术交流与应用研讨会中国资源综合利用协会主办特点：喷涂丝材，成本低，生产效率高。缺点：只能喷涂金属(导电)丝材，结合力差(其它缺点与热喷涂技术相似)。3 3 超音速喷涂超音速喷涂包括超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂和超音速电弧喷涂三大类。超音速喷涂与前面提到的各种喷涂技术的本质差异仅在于喷涂时气体的速度更高，高于声音在空气中的传播速度(声音在空气中的传播速度约为3 4 5 米秒)，这也是称之为超音速喷涂的理由。高速气体带来的直接好处是提高了涂层的致密性和涂层与基体的结合力。超音速喷涂的技术核心在于喷枪(实际上是喷嘴)的结构，由于喷嘴的结构特征改变了一般喷枪的空气动力学特性，使得喷出气体的速度超过音速。其它附件的构成与一般的喷涂并无不同。尽管超音速喷涂的效果优于一般喷涂技术，但未从本质上改变涂层与基体的结合方式，其主要缺点仍然是结合力差。3 4 爆炸喷涂爆炸喷涂是将处于爆炸极限范围内的混合气体在火花塞点燃下发生爆炸，借此加热喷涂粉末并喷射到工件的表面上形成涂层。其特点是喷射速度远高于声音的传播速度，因此涂层的密实性、涂层与基体的结合力更好。但是，爆炸喷涂设备复杂、昂贵、生产效率低，施工时噪声污染严重，因此很少有人将其作为一种设备维修技术广泛的使用。3 5 补焊(钎焊)技术及其特点当焊接技术用于设备维修时称之为焊修。焊修包括堆焊、补焊、钎焊等，每一种焊修方法都有其自身的特点和不足。2 0 0 9 中国汽车零部件再制造技术交流与应用研讨会中国资源综合利用协会主办3 5 1 补焊当焊修技术用于修复零部件的局部缺陷时称之为补焊。由于零件材质种类繁多，其可焊性相差极大，因此有各种各样的补焊方法。如碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁、铝及其合金等分别要采用不同材质的焊条、焊修设备、焊修工艺、以及焊后处理措施。有焊接经验者自然会摸索出一套解决具体问题的有效方法。但是，焊修过程中不可避免地在缺陷部位形成熔池，从熔池到工件本体之间的不均匀加热必然造成焊区及热影响区产生热应力，大的应力常常会使焊修零件产生变形、裂纹(如铸铁件、高碳钢件炸口等)、局部硬化等缺陷。另外焊修过程中还会导致熔池及熔池附近产生气孔、相变、机械性能降低等问题。因此，用补焊方法修复局部缺陷，常常是一种不得已而为之的选择。3 5 2 钎焊有人也将钎焊称之为补焊，实际上钎焊和补焊有质的不同。前面提到的补焊方法都属于熔化焊，在补焊部位形成熔池是它们共同的特征。而在钎焊过程中熔化的是钎料(钎料的熔点较低)，基体本身并未真正熔化，利用钎料熔化后的浸润作用粘附基体，并通过钎料与基体间的微扩散来进一步提高钎焊层与基体间的结合强度。因此，与熔化焊相比，钎焊时工件的热影响小，零件很少变形，机械性能也不会受到太大的影响。一般把焊料熔点高于4 5 0 的钎焊方法称之为硬钎焊(如黄铜钎料、银一铜合金钎料、镍一铬合金钎料等)，用其修补受力大、工作温度高的工件；把焊料熔点低于4 5 0的钎焊方法称之为软钎焊(如以锡、铅为主要组成的合金焊料)，用其修补受力小、工作温度低的工件。有人在修补凹坑时，先填充锡一铋合金钎料(钎料熔点1 3 5 -1 4 0。C)，然后再在钎料上刷镀一层耐磨镀层，这实际上是钎焊技术和刷镀技术的复合运用。钎焊的最大缺点是焊层软、强度低，当钎料或助焊剂选用不当时，钎焊层与基体结合不牢。在对铸造缺陷、易在表面形成氧化膜的材料(不锈钢、铝及其合金)钎焊时先刷镀铜，然后再钎焊锡一铋合金。镀铜的作用就是为了改善基材的可钎焊性。3 5 3 打铜钉修复方法对于压坑等局部缺陷的修复，最早是采用打铜钉方法进行修补。具体操作方法是先8 02 0 0 9 中国汽车零部件再制造技术交流与应用研讨会中国资源综合利用协会主办用手电钻在缺陷部位打7 L，再用榔头将铜梢打进去对铜梢尾部进行手工修磨，直至符合尺寸要求。如果铜梢尾部过低，就无法保证精度要求。因此，有人在铜梢上再电刷镀金属镀层以恢复尺寸精度，但是很难消除梢钉边缘的缝隙，修复质量并不理想。下图是打铜钉修复压坑的实物照片。眄藩打铜钉修复压坑实物照片4 新型冷焊技术4 1 补片修复技术冷焊(补片)修复技术是在电阻焊原理的基础上开发出来的一种新型维修方法。设备的主要构成部分主要包括脉冲电源和用来填补缺陷的金属片。当基体金属和金属片之间有较高的接触电阻时，在脉冲电源瞬间输出大电流脉冲的作用下，局部产生的电阻热将金属片与基体粘结在一起。在单位面积上产生的电脉冲越多，粘结点越多，金属片与基体的粘结强度越高。这就如同传统的纳鞋底一样，针线越密，纳出的鞋底越结实。由于补片时只是在电极接触部位出现瞬间高温，在补片过程中工件本身不会升温，因此热影响小。但是当凹坑深度远高于金属片厚度时，需要多次修磨、多次补修，施工效率低F。凶为补片是局部粘结，而不是整体焊接，所以金属片与基体间的结合强度不高，层间夹杂很多空隙。另外，由于补片层与基体之间无法形成一个完美的整体，所以对冷焊后的工件进行修磨时，在摹体与补片部位之间不能形成平滑过渡。对于导电良好的基材(铜、铝等)，由于其具有较低的表面接触电阻，无法用补片方法进行维修。2 0 0 9 中国汽车零部件再制造技术交流与应用研讨会中国资源综音利用协会主办补片用脉冲电源女隅补片用金属片q 降蒸：-补片施工过程补片修复后的工件综上所述，冷焊(补片)修复技术的优缺点如下：优点：燕影响小，适合局部维修。缺点：效率低，涂层多孔，太尺寸超差件修复困难导电良好的基材(如铜、铝等)，无法用补片法修复。4 2 气体保护熔丝焊修复技术微弧冷焊是在气体保护焊的基础上发展起来的新型维修技术。设备的主要构成部分主要包括脉冲电源和用来填补缺陷的金属丝。在冷焊过程中，带电的金属丝与工件接触的瞬间产生电弧(一般在6 0 0 0*c 以上)，电弧热将金属丝熔化，用保护气体(惰性气体)把熔化的金属液滴吹射到工件的局部缺陷处，从而填平工件表面的凹坑或划伤，再通过机械修磨的办法加工冷焊部位，从而满足修复后的精度要求。与一般意义的气体保护焊技术不同，微弧冷焊时被熔化金属材料的是焊丝，不熔化8 22 0 0 9 中国汽车零部件再制造技术交流与应用研讨会中国资源综合利用协会主办基体材料，不会在修复部位形成焊接熔池，所以在微弧冷焊的施工过程中，工件温升小不会产生明显的热影响。与前面提到的几种局部缺陷修复方法相比，微弧冷焊修复技术的最大特点是焊层与基体结合牢固。不足之处是生产效率低，焊层多7 L，有微观缺陷，表面粗糙。一般粟用对焊层修磨后再刷镀一层金属镀层的方法来提高表面光洁度。微弧冷焊工件修磨后的实物照片微弧冷焊后的实物照片2 0 0 9 中国汽车零部件再制造技术交流与应用研讨会警圈一嘲囵中国资源综合利用协会主办5 F J Y 系列电刷镀修复技术5 1 刷镀技术原理前面按类别介绍了不同种类维修技术的特点及不足。经过综合对比、分析可知，目前迫切需要一类快速、高效、经济、在常温下能够得到与基体结合牢固(金属键结合)的新型修复技术。刷镀是一种不需要镀槽的常温快速电镀方法，依靠镀笔提供电沉积金属镀层所需要的镀液，镀笔所到之处就能快速沉积金属镀层。改变镀液种类或操作参数，就可沉积出满足不同性能要求的金属镀层。由于镀层是在基体金属上以金属原子为基本单元规则堆积而成，所以镀层致密，与基体结合牢固。刷镀的电流越大、时间越长，镀层越厚(镀层厚度大于3 5 毫米)。正是因为用刷镀方法可以在修复部位获得结合力好、厚度大、微观结构致密、硬度范围宽的金属镀层，刷镀维修技术在设备维修中的应用越来越广泛。5 2 刷镀维修技术的突出特点(以热喷涂技术为参照物)从事热喷涂修复服务工作者常认为热喷涂技术具有生产效率高、涂层厚度大、工件的升温少(一般不会超过3 0 0 C)、不易产生裂纹、变形等特点，但是，当快速、超厚、环保型刷镀技术出现后，用刷镀法修复零部件表现出更大的综合优势，以下将通过修复实例对比，说明刷镀修复技术的突出特点。5 2 1 修复厚度对比热喷涂技术的最佳修复厚度在1 1 5 m m 之间，高于最佳值，涂层容易脱落。如果用热喷涂法修复超差量较小(0 1 一-0 5 r a m)的工件，必须先用机械加工的办法加工待修件，使其超差量达到l m m 左右，然后再进行喷涂。如果不进行机械加工，直接在超差量较小的工件上喷涂，在后续的磨削加工中，涂层会自动脱皮。刷镀法的修复厚度不仅高于热喷涂修复技术(大于3 5 m m)，而且结合力高于热喷涂技术。特别是当待修复件的超差较小时，无需机械加工，可以直接刷镀出结合力好的金属镀层，省工、省时、成本低廉。2 0 0 9 中国汽车零部件再制造技术交流与应用研讨会中国资源综合利用协会主办镀后偏车试验(结合力好)喷涂层剥离后的照片(结合力差)2 0 0 9 中国汽车零部件再制造技术交流与应用研讨会中国资源综合利用协会主办5 2 3 局部修复特点刷镀法可以修复局部缺陷，热喷涂法无能为力不解体修复大型设各轴承座孔不解体修复进口印刷机2 0 0 9 中国汽车零部件再制造技术交流与应用研讨会中国资源综台利用协会主办钻杆接头螺纹防卡死刷镀铜2 0 0 9 中国汽车零部件再制造技术交流与应朋研讨会中国资源综合利用协会主办6 结论通过对不同维修技术的介绍可知，与其它形式的修复技术相比，本文提到F J l 系列刷镀技术既具有生产效率高、涂层厚度大、结合强度好、应用范围广等特点，在设备再制造工程领域有广泛的适应性和高度的可靠性。参考文献1 费敬银，严卫东，刘学元机械设备维修工艺学 M 西安：西北工业大学出版社，2 0 0 1 9 4-9 6 2 费敬银等，提高难镀材料刷镀修复可靠性的新方法，电刷镀技术，2 0 0 6，(4)：3 0 3 3 3 费敬银，王卫康等自补偿光亮电刷镀镍技术及其在超音速风洞表面强化中的应用，材料保护，2 0 0 6，3 9(6)：5-94 费敬银等利用F J Y 系列电刷镀技术解决特殊工程技术问题，海峡两岸表面工程学术论坛，西安，2 0 0 5 1 0 8 82 0 0 9 中国汽车零部件再制造技术交流与应用研讨会