摘要：为了节约攻坚使用过程中的成本，需要对受损零件进行修复。本文主要列举了几种基于焊接原理的材料表面修复技术，介绍了几种焊接修复技术的原理以及优点，并指出目前所存在的问题，为材料表面修复技术的未来研究方向提供一定的参考价值。
关键词：表面修复；焊接方法；优势；问题
1 前言
在机械零部件使用的过程中，难免会出现一些损伤。但这些损伤有时仅仅出现在零件表面，长期以这样的状态进行继续使用，会对零部件的性能造成很大的影响，甚至彻底报废，造成一定的损失。材料表面修复技术是一种利用物理、化学方法，对材料表面所出现的划痕、压印、磨损、凹坑等一系列缺陷进行填充修复，延长工件的使用寿命，具有一定的经济性。本文主要介绍了这几种表面修复焊接方法的原理、优点以及未来研究方向：激光熔覆焊、堆焊、冷焊工艺及微区脉冲点焊技术。
2 焊接表面修复技术
2.1 激光熔覆焊技术
激光熔覆焊技术属于一种增材制造技术，其利用激光熔覆的原理，将事先涂敷在工件表层的焊接材料利用激光加热使其熔化后迅速凝固，将焊接材料能够覆盖在有损伤的零件表面，能够使零件表面得到修复。激光熔覆焊能够达到与预敷层成分基本相同，这种焊接方法广泛应用于材料表面修复。
同传统的焊接方法相比较，激光熔覆焊在工作时的范围较小，因此热量输入也就比较小，能够节省能耗，在实际应用中可以节约一定的成本；不仅如此，较小的热量输入，在对工件进行加工的过程中，所造成的的热变形也比较小。激光熔覆焊这种焊接方法，能够使结合层具有同母材相类似的强度，因为其熔覆涂层与母材之间为冶金结合，强度能够达到母材强度的90%左右[1]。除此之外，激光熔覆焊的熔覆层与基体均无粗大的铸造组织，熔覆层及其界面组织致密，晶体细小，无孔洞，无夹杂裂纹等缺陷。在工业应用方面值得一提的是，激光熔覆焊能够实现精密仪器的修复，此应用是传统焊接方法所无法相比的，这是由于传统焊接方法所造成的热影响区较大，使精密仪器的修复具有一定的局限性，而激光熔覆焊打破了这一局限[2]，优势十分明显。
激光熔覆焊技术应用范围十分广泛，最初是美国对其在航空航天领域的应用，随后便是拓展到了石油化工、汽车制造、模具轧辊、生物医药等领域，发展速度较快。
尽管如此，激光熔覆焊所涉及到的工艺参数种类比较多，相对比较复杂，给操作带来一定的难度，增加了时间成本，所以未来的发展也会更注重于参数共享机制的建立，减少繁琐的工艺参数确定过程。在进行熔覆的过程中，涂覆层易出现裂纹以及气孔等问题，目前一些研究者们尝试采用预热的办法避免此类问题的产生，但这种方法有着局限性，并不适用于所有的零部件，如何更有效地消除熔覆过程中的裂纹和气孔也是未来研究的重点[3]。此外，由于熔覆过程中熔池的变化比较复杂，液态金属存在时间较短，还无法利用数值模拟准确地反映熔池的物理反应，给研究带来了一定的阻碍。
2.2 堆焊
堆焊技术的原理类似于激光熔覆技术，堆焊技术利用热源将合金材料熔覆在母材表面，使基体具有特定的使用性能，或者修复材料因服役而失效的部位使零件恢复原有形状和尺寸，达到延长使用寿命的目的。传统的堆焊方法包括焊条电弧焊、埋弧堆焊、气体保护堆焊，这些方法已经比较成熟，并且随着高能束技术的出现，又衍生出了激光堆焊技术以及电子束堆焊技术等堆焊方法。
堆焊技术最大的优点就是堆焊层与母材之间形成冶金结合，结合层的强度较好，且在使用过程中不易脱落，能够有效延长工件的使用寿命。不仅如此，堆焊技术能够根据零件的不同使用性能要求，例如耐磨耐蚀等，可以调整相应的工艺方案，并且能够根据不同的基体材料，例如铝合金、不锈钢，调整堆焊材料种类、设备及工艺参数实现修复，灵活性十分好。堆焊技术的实施设备简单，便于在不同的施工环境下操作，且造价并不高，有很好的经济性，是一种环境友好型表面修复技术，符合我国可持续发展的战略。堆焊层同基体生成的结合层组织较为致密，孔隙率低，在工业应用方面得到广大工程师们的青睐。
目前，堆焊技术被广泛应用于模具修复方面，为了提高模具的使用性能和寿命，可以利用堆焊技术对模具表面进行处理：增加堆焊材料与母材之间结合层的润湿性和流平性，并对模具本身进行相应的热处理，避免了模具在使用过程中出现开裂等问题[4]；汽车行业中，堆焊技术用来修复合金变速齿轮及铝合金制的汽缸盖、气泵等，均能得到良好的加工效果；对于冶金工业中一些需提高抗高温性及抗冷热疲劳性能的部件，利用堆焊技术进行表面强化，能够有效改善这两种性能。
基于目前国内的技术现状，有一系列问题并未得到解决。化学成分和金相组织对堆焊合金的使用性能起着决定性的作用，而一些复杂合金在进行堆焊操作时，不能有效地对堆焊层的反应过程进行控制，影响最后的使用性能，所以这一方面需要进一步研究[5]；与此同时，我国的堆焊材料体系还不够健全，焊接方法还不够经济高效，焊接设备还不够专业，这是今后研究的一个重点，对于工业的实际应用具有重大的意义[6]。
2.3 冷焊工艺
冷焊属于电阻焊的一种，利用瞬时电流所产生的高热量或者外力，在微观上将焊接材料熔覆在所需修复的工件表面，使焊接材料与基体形成冶金结合，实现焊材与基体的牢固熔接[7]。冷焊技术最大的特点就是不仅可以用来修复金属，刚可以用来修复非金属材料，不管是各类容器、设备还是零部件的腐蚀损伤、机械损伤等缺陷，都可以达到理想的修复效果，此外还可以用来实现基本的连接效果。
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一般来说，只要进行了加热处理，就有热输入，就会产生相应的热应力，而冷焊技术是依靠瞬时电流所产生的热量进行熔接，能够在室温下短时间完成焊接材料与母材的冶金结合，所产生的热应力比较小，不易收缩膨胀造成变形，也不会发生塌陷，重量变化不明显[8]。这种技术可以在工件表面小范围地精确施焊，且焊材与母材之间连接牢固，强度高，可以直接进行一系列二次机加工，只要焊材选择得当，还能使结合部位具有耐磨、抗冲击的性能，能够避免传统焊接方法中出现的裂纹、变色等问题。此外，冷焊技术还可以修复片状凹陷，修复效果理想。
冷焊技术可以应用于汽车覆盖件的冲模零件表面修复、压力容器表面修复、船舶上腐蚀破损零件的修复以及设备中的各种损坏零件的修复。冷焊技术现已发展并应用到焊接高强度、大规模焊接等重要结构领域，因为它在经济性、灵活性以及现场修复工艺有独特的优势[9]，符合国家发展循环经济的政策向导，具有广阔的发展应用前景。目前国内对冷焊技术在设备维修方面还需要进一步探索，对焊接质量及修复机理的研究还比较少，有待深一步研究。
2.4微区脉冲点焊
微区脉冲点焊也是属于电阻焊的一种，即在电源阳极和模具零件之间产生高能电脉冲，高能电脉冲使阳极压点附近产生瞬时高温，熔化这一微区的焊材和模具零件待修复表面金属，实现微区焊接[10]。微区脉冲点焊修复技术主要适合于修复各种复杂型腔的模具，精密液压件，辊类和轴类零件及经过热处理的、异形表面钢结构件等[11]。
微区脉冲点焊技术的热影响区较小，能够减小焊接时对母材的影响，不产生变形和软化，提高整个焊接接头的强度及性能。这是因为脉冲点焊过程的高热量是瞬时产生的，热输入量较小，变形量较小，使被修复的零件从始至终整体都处于一个“冷态”，这样就能够避免零件因受热影响区影响而进行热处理的过程。无论零件表面划伤尺寸有多大，微区脉冲点焊技术都能够进行修复，其他传统表面修复技术例如电镀、热喷涂等在修复尺寸方面有一定的限制。微区脉冲点焊技术能够修复较厚零件，一般25个厚以下的材料都能进行修复，并且焊接完成后的修复层强度较高，结合力强。而且该技术所用设备便捷，所用的补材选择面宽，能够实现快速修复，满足工业上的需求。
微区脉冲点焊这种焊接方法也存在着一些局限性。虽然这种焊接方法可以修复任何尺寸的材料表面损伤，但仅仅只限于金属材料，不能修复非金属材料，不能像高分子合金填补技术那样，对于所有的材料都能进行修复。微区脉冲点焊技术只能修复1—25个厚的金属材料表面，达到25个厚时进一步增加金属厚度，修复效果并不是很理想，大大降低了结合处的强度，不能满足应用需求。此外，利用微区脉冲点焊进行修复的材料表面粗糙度较差，只有在对粗糙度要求较低时，应用此方法才比较合适[12]。
3.结束语
可进行表面修复的处理方法还有很多，包括热喷涂、电刷镀、等离子喷涂等，这里就不一一列举了。本文所列举的几种焊接方法，其实也可以称之为表面处理方法，二者具有一定的重叠性。实际上，激光熔覆焊技术与堆焊技术的原理相类似，冷焊技术与微区脉冲点焊技术的原理相类似，可以对它们之间进行一个比较，但是它们有一个共同的与案例特点，那就是都是通过不同手段的升温将焊接材料或者母材加热至熔融态，使焊接材料与母材进行分子间结合，本质上来说还是属于焊接方法。这几种焊接方法简单有效，进行修复时方便快捷，成本较低，在模具修复方面应用的比较多。在社会正在快速发展的今天，这几种传统的焊接方法正在得到不断的更新，正在进行着更深层次的研究，它们将会成为工业修复领域的主力军出现在人们的世界。
参考文献：
[1] 袁汝康.激光熔覆焊在离心式压缩机轴头及半联轴器中修复的应用[J].贵州化工，2004，29（5）：50-51.
[2] 王洪波.激光熔覆焊机械零部件修复上的应用[J].工艺与装备，2018，（9）：171-172.
[3] 郑文娜.激光熔覆焊修复技术的应用研究[J].南方农机，2019，（17）：39-40.
[4] 任艳艳.我国堆焊技术的发展及展望[J].焊接技术，2012（6）：1-4.
[5] 邹茜.堆焊修复技术的发展与应用[J].技术与应用，2015（15）：139.
[6] 王新年.我国堆焊技术的应用及发展[J].民营科技，2015（7）：236.
[7] 王娴娴.基于电弧冷焊的Ni基合金熔涂技术的研究[D]，青岛：青岛科技大学，2018
[8] 袁斌.汽车覆盖件冲模零件表面修复技术[J].模具工业，2019，45（3）：62-66
[9] 王珂.冷焊技术及其在设备修复工艺中的应用[J].中国设备工程，2010（57）：57-58
[10] 胡仲翔.序列脉冲微区点焊技术用于模具修复[J].机电信息，2002（5）：38-39
[11] 胡仲翔.微区脉冲点焊技术用于模具修复[J].中国表面工程，2002（1）：21-22
[12] 马世宁.应急维修技术（续二）——划伤快速修复技术[J].中国修船，2003（3）：43-44
论文作者:孙旭,赵晖,王金川
论文发表刊物:《文化时代》2019年18期
论文发表时间:2020/3/18
标签：技术论文; 表面论文; 点焊论文; 冷焊论文; 方法论文; 零件论文; 激光论文; 《文化时代》2019年18期论文;