类激光高能脉冲精密冷补技术

一、类激光高能脉冲精密冷补技术原理与特点

类激光高能脉冲精密冷补技术是指修补效果类似于激光焊的一种新型金属零件表面修补技术，其原理是采用断续的高能电脉冲，在电极和工件之间形成瞬时电弧,使修补材料和工件迅速熔结在一起，达到冶金结合。其中，每个瞬时电弧的产生都是由起弧、维弧、熄弧三个过程组成，这个过程持续时间为几十毫秒，而两个电弧之间有几秒到十几秒的间隔时间。

（a）工作原理示意图

(b)热源（电弧）工作过程示意图

图1类激光高能脉冲精密冷补技术原理示意图

采用的高能脉冲能量集中、作用时间短，产生的瞬时电弧使得热影响区金属过热比较小，实现了失效表面的“冷补”修复，有效地避免了薄壁类零件在其它焊修时产生的形变。同时在修补过程中有氩气在电弧周围形成气体保护层，防止了空气对钨极、熔池及邻近热影响区的有害影响。利用该技术得到的修补层致密，结合强度高，修复成形好，其修复效果可与电子束焊、激光焊相媲美。

图2  激光焊补技术与类激光冷补技术特点

该技术主要特点：

1、具有较高的焊补精度

通过对输出电流、时间的精确控制，最小修复量达0.2mm。

2、具有较小的焊补冲击

采用脉冲电流，能量集中，作用时间短，可进行薄壁件的修补，焊补应力和焊后变形小。

3、具有较小的热影响区

对基体热输入量小，基材性能无退化，无宏观热变形；

4、具有较高的结合强度

基体与补材为冶金结合，适用各种加工方式，不会出现结合不牢固、脱落等现象。从图3、图4可以看出基材和补材结合良好，焊点连续，无裂缝。

图3覆层截面金相图（200×）             图4 覆层截面金相图（200×）

5、具有较广的焊补材料

对焊补材料没有特殊的要求，普通氩弧焊焊条均可用作焊补材料。

6、具有简单的操作工艺

工艺简便，可实现手工操作及自动化控制，只需简单培训即可。

7、具有较宽的应用范围

可实现精密修复、磨损、裂纹及缺损焊补、特形表面修复、局部不解体现场修复。

图5  类激光高能脉冲精密冷补技术特点

二、设备原理以及技术指标

类激光高能精密冷补机将380V工业电或220V市电通过整流滤波，再进行逆变，然后通过高频隔离变压器，最后再变换成高能脉冲，高能脉冲以电弧形式释放于钨极和工件之间，温度极高的电弧使焊丝和工件迅速熔化而熔接在一起。图6为设备原理。

图6  类激光高能脉冲精密冷补设备原理

表1类激光高能脉冲精密冷补设备技术指标

三、类激光冷补工艺特点

1.根据修补的部位和场合实际情况，选择单点工作模式或连续工作模式；

2．依据补材的种类和直径大小，可以选择脉冲电流值来精确控制脉冲能量的大小；

3．按照基体材料的耐热能力以及对热影响区的要求择脉冲时间，可以精确控制脉冲的作用时间；

4．根据实际需求，选择手工操作方式或自动化控制方式。

（1）手工操作：

手工操作比较灵活，便于掌握，可以对零件任意部位进行修补。图7为手工操作修补汽车曲轴的实例。

图7 采用手工操作修复曲轴

（2）自动化控制：

类激光高能脉冲精密冷补机配合三维或五维自动控制台，通过控制台的数控系统可准确的控制焊枪的运动轨迹，能够实现直线、折线、圆弧和不规则划痕的精密修复。图8为利用自动操作修补装备零件实例。

自动控制能够降低劳动强度，克服人为操作的误差，可显著提高修复精度、修复效率和修复质量；同时，可以避免修复时产生的电弧对人体的辐射。

（a）对凸轮轴进行试修补                           （b）对连杆的试修补    

（c）对齿轮轴的修补                        （d）对薄壁零件的修补

图8  利用自动化控制方式修补装备零件实例

  （a）                                （b）

图9 采用自动化方式进行冷补试验的试样

四、应用领域及范围

1.              装甲车辆等重型装备

装甲车辆等重型装备传动部分零部件表面磨损、腐蚀、以及微区损伤、缺损等失效修复，解决损伤面积小、形状复杂、位置特殊的修复难题。

2.              汽车机车等机动车辆

汽车、机车等各类机动车的凸轮、曲轴、齿轮、传动轴、盘类、杆类等传动零部件修复，以及车体的表面焊道缺陷补平修正。

3.              船舶工业

军舰、大型拖船、舰船等船舶发动机缸体、曲轴、连杆轴颈的磨损、线性裂纹与沟痕等损伤，以及各类传动轴、齿轮等传动零部件的修复。

4.              航空工业

飞机高强度结构钢、沉淀硬化不锈钢的表面腐蚀、划伤、裂纹等表面失效与缺陷修复、飞机起落架、外板部件、发动机零件等修复。

5.              机械加工

加工制造过程中产生的加工超差及缺陷修补。

6.              特形表面

曲轴、凸轮轴、凹槽、内角等特形表面的修复。

7.              模具

各类模具划伤、磨损、局部凹陷、型腔点蚀等缺陷的修复。

8.              铸造

铸件或加工产生的砂眼、气孔等缺陷的修补。

9.              油田

钻井等大型装备磨损、腐蚀的现场修复。

10.         矿业

各种矿山机械设备、风机轴、压力机活塞柱、特别适用于煤矿液压支柱崩伤、腐蚀坑的修复。