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類激光高能脈沖精密冷補(bǔ)技術(shù)原理與特點(diǎn)
類激光高能脈沖精密冷補(bǔ)技術(shù)是指修補(bǔ)效果類似于激光焊的一種新型金屬零件表面修補(bǔ)技術(shù)，其原理是采用斷續(xù)的高能電脈沖，在電極和工件之間形成瞬時(shí)電弧,使修補(bǔ)材料和工件迅速熔結(jié)在一起，達(dá)到冶金結(jié)合。其中，每個(gè)瞬時(shí)電弧的產(chǎn)生都是由起弧、維弧、熄弧三個(gè)過(guò)程組成，這個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間為幾十毫秒，而兩個(gè)電弧之間有幾秒到十幾秒的間隔時(shí)間。
（a）工作原理示意圖
時(shí)間 起弧 維弧 熄弧 幾十毫秒 幾十毫秒 幾秒到十幾秒 維弧 起弧 熄弧 電流
(b)熱源（電弧）工作過(guò)程示意圖
圖1類激光高能脈沖精密冷補(bǔ)技術(shù)原理示意圖
采用的高能脈沖能量集中、作用時(shí)間短，產(chǎn)生的瞬時(shí)電弧使得熱影響區(qū)金屬過(guò)熱比較小，實(shí)現(xiàn)了失效表面的“冷補(bǔ)”修復(fù)，有效地避免了薄壁類零件在其它焊修時(shí)產(chǎn)生的形變。同時(shí)在修補(bǔ)過(guò)程中有氬氣在電弧周圍形成氣體保護(hù)層，防止了空氣對(duì)鎢極、熔池及鄰近熱影響區(qū)的有害影響。利用該技術(shù)得到的修補(bǔ)層致密，結(jié)合強(qiáng)度高，修復(fù)成形好，其修復(fù)效果可與電子束焊、激光焊相媲美。
圖2 激光焊補(bǔ)技術(shù)與類激光冷補(bǔ)技術(shù)特點(diǎn)
該技術(shù)主要特點(diǎn)：
1、具有較高的焊補(bǔ)精度
通過(guò)對(duì)輸出電流、時(shí)間的精確控制，最小修復(fù)量達(dá)
2、具有較小的焊補(bǔ)沖擊
采用脈沖電流，能量集中，作用時(shí)間短，可進(jìn)行薄壁件的修補(bǔ)，焊補(bǔ)應(yīng)力和焊后變形小。
3、具有較小的熱影響區(qū)
對(duì)基體熱輸入量小，基材性能無(wú)退化，無(wú)宏觀熱變形；
4、具有較高的結(jié)合強(qiáng)度
基體與補(bǔ)材為冶金結(jié)合，適用各種加工方式，不會(huì)出現(xiàn)結(jié)合不牢固、脫落等現(xiàn)象。從圖3、圖4可以看出基材和補(bǔ)材結(jié)合良好，焊點(diǎn)連續(xù)，無(wú)裂縫。
圖3覆層截面金相圖（200×） 圖4 覆層截面金相圖（200×）
5、具有較廣的焊補(bǔ)材料
對(duì)焊補(bǔ)材料沒(méi)有特殊的要求，普通氬弧焊焊條均可用作焊補(bǔ)材料。
6、具有簡(jiǎn)單的操作工藝
工藝簡(jiǎn)便，可實(shí)現(xiàn)手工操作及自動(dòng)化控制，只需簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可。
7、具有較寬的應(yīng)用范圍
可實(shí)現(xiàn)精密修復(fù)、磨損、裂紋及缺損焊補(bǔ)、特形表面修復(fù)、局部不解體現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)。
利用脈沖電流的瞬間高能放電 迅速熔化 產(chǎn)生的高能電弧 完全融合 達(dá)到冶金結(jié)合 致密，成形好 厚度大、強(qiáng)度高 冷補(bǔ)效果可與電子束焊、激光焊相媲美 基體和冷補(bǔ)材料 冷 補(bǔ) 層
圖5 類激光高能脈沖精密冷補(bǔ)技術(shù)特點(diǎn)
二、設(shè)備原理以及技術(shù)指標(biāo)
類激光高能精密冷補(bǔ)機(jī)將380V工業(yè)電或220V市電通過(guò)整流濾波，再進(jìn)行逆變，然后通過(guò)高頻隔離變壓器，最后再變換成高能脈沖，高能脈沖以電弧形式釋放于鎢極和工件之間，溫度極高的電弧使焊絲和工件迅速熔化而熔接在一起。圖6為設(shè)備原理。
整流 濾波 逆變 電路 高頻隔離變壓器 高能 脈沖 驅(qū)動(dòng) 高頻高壓 電弧 氬氣 脈沖能量控制模塊
圖6 類激光高能脈沖精密冷補(bǔ)設(shè)備原理
表1類激光高能脈沖精密冷補(bǔ)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)
型號(hào) |
輸 入 |
功 率 |
輸出電流 |
脈沖時(shí)間 |
體 積 |
模式 |
Csm-300 A型 |
220V+20% 50Hz |
4000W |
0 |
0.01到10秒連續(xù)可調(diào) |
300×150× |
手動(dòng) |
Csm-300 B型 |
380V+20% 50Hz |
6000W |
0 |
0.01到10秒連續(xù)可調(diào) |
380×150× |
自動(dòng) |
三、類激光冷補(bǔ)工藝特點(diǎn)
1.根據(jù)修補(bǔ)的部位和場(chǎng)合實(shí)際情況，選擇單點(diǎn)工作模式或連續(xù)工作模式；
2．依據(jù)補(bǔ)材的種類和直徑大小，可以選擇脈沖電流值來(lái)精確控制脈沖能量的大小；
3．按照基體材料的耐熱能力以及對(duì)熱影響區(qū)的要求擇脈沖時(shí)間，可以精確控制脈沖的作用時(shí)間；
4．根據(jù)實(shí)際需求，選擇手工操作方式或自動(dòng)化控制方式。
（1）手工操作：
手工操作比較靈活，便于掌握，可以對(duì)零件任意部位進(jìn)行修補(bǔ)。圖7為手工操作修補(bǔ)汽車曲軸的實(shí)例。
圖7 采用手工操作修復(fù)曲軸
（2）自動(dòng)化控制：
類激光高能脈沖精密冷補(bǔ)機(jī)配合三維或五維自動(dòng)控制臺(tái)，通過(guò)控制臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)可準(zhǔn)確的控制焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡，能夠?qū)崿F(xiàn)直線、折線、圓弧和不規(guī)則劃痕的精密修復(fù)。圖8為利用自動(dòng)操作修補(bǔ)裝備零件實(shí)例。
自動(dòng)控制能夠降低勞動(dòng)強(qiáng)度，克服人為操作的誤差，可顯著提高修復(fù)精度、修復(fù)效率和修復(fù)質(zhì)量；同時(shí)，可以避免修復(fù)時(shí)產(chǎn)生的電弧對(duì)人體的輻射。
（a）對(duì)凸輪軸進(jìn)行試修補(bǔ) （b）對(duì)連桿的試修補(bǔ)
（c）對(duì)齒輪軸的修補(bǔ) （d）對(duì)薄壁零件的修補(bǔ)
圖8 利用自動(dòng)化控制方式修補(bǔ)裝備零件實(shí)例
（a） （b）
圖9 采用自動(dòng)化方式進(jìn)行冷補(bǔ)試驗(yàn)的試樣
四、應(yīng)用領(lǐng)域及范圍
1. 裝甲車輛等重型裝備
裝甲車輛等重型裝備傳動(dòng)部分零部件表面磨損、腐蝕、以及微區(qū)損傷、缺損等失效修復(fù)，解決損傷面積小、形狀復(fù)雜、位置特殊的修復(fù)難題。
2. 汽車機(jī)車等機(jī)動(dòng)車輛
汽車、機(jī)車等各類機(jī)動(dòng)車的凸輪、曲軸、齒輪、傳動(dòng)軸、盤類、桿類等傳動(dòng)零部件修復(fù)，以及車體的表面焊道缺陷補(bǔ)平修正。
3. 船舶工業(yè)
軍艦、大型拖船、艦船等船舶發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、曲軸、連桿軸頸的磨損、線性裂紋與溝痕等損傷，以及各類傳動(dòng)軸、齒輪等傳動(dòng)零部件的修復(fù)。
4. 航空工業(yè)
飛機(jī)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、沉淀硬化不銹鋼的表面腐蝕、劃傷、裂紋等表面失效與缺陷修復(fù)、飛機(jī)起落架、外板部件、發(fā)動(dòng)機(jī)零件等修復(fù)。
5. 機(jī)械加工
加工制造過(guò)程中產(chǎn)生的加工超差及缺陷修補(bǔ)。
6. 特形表面
曲軸、凸輪軸、凹槽、內(nèi)角等特形表面的修復(fù)。
7. 模具
各類模具劃傷、磨損、局部凹陷、型腔點(diǎn)蝕等缺陷的修復(fù)。
8. 鑄造
鑄件或加工產(chǎn)生的砂眼、氣孔等缺陷的修補(bǔ)。
9. 油田
鉆井等大型裝備磨損、腐蝕的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)。
10. 礦業(yè)
各種礦山機(jī)械設(shè)備、風(fēng)機(jī)軸、壓力機(jī)活塞柱、特別適用于煤礦液壓支柱崩傷、腐蝕坑的修復(fù)。
曾貴芳
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