17-4PH 钢轴磨损微弧冷焊修复工艺研究

17-4PH 钢轴磨损微弧冷焊修复工艺研究

武建生1，王爱民1，王晓军2

（1.中国石油兰州石化公司机电仪运维中心 甘肃 兰州730060;

2.兰州理工大学材料科学与工程学院 甘肃 兰州 730060）

摘要：为了解决17-4PH钢的在焊接修复过程中变形问题，通过采用微弧冷焊技术进行焊接， 可避免发生变形，研究了冷焊的焊接工艺和修复层焊接接头的拉伸性能、硬度的形成和变化， 为类似微弧冷焊技术用于修复零部件提供借鉴。

关键词：微弧冷焊、脉冲焊接、焊接参数、时效处理

17-4PH钢牌号0Cr17Ni4Cu4Nb，是一种沉淀硬化型马氏体不锈钢，是由铬、镍、铜、铌 构成的沉淀、硬化的不锈钢。具有高强度、硬度高和抗腐蚀等特性。广泛用与石油化学、航空、海洋、核能领域的高负载、高耐磨的工况，常见的有结构件和紧固件，如挤压机轴、螺栓等零部件。但这些零部件的表面在加工制造和使用过程中有时也出现缺陷划伤、磕碰、磨损等情况，影响工件的功能使用，需要修复，对于这类缺陷的修复一般采用焊接填补，在加工到原尺寸和精度，避免零部件提前报废，节省成本。但采用传统电弧焊因输入线能量大， 生产热量多，易使工件受热不均发生变形，材料局部退火、变色，焊缝成型不好，填充不好控制。

为了克服这些困难，近年来开发的高能脉冲微弧冷焊技术在机械再制造中越来越广泛使用，该焊接传到工件的热量相当少，焊点以外的材料升温较小，不会产生退火、变色等问题， 用于精准精密修复，通过控制脉冲时间、脉冲电流能精确控制所需要的焊接质量。本文就 17-4PH钢轴磨损进行微弧冷焊修复工艺开展研究。

1、修复冷焊焊接工艺制定与选择

微弧冷焊焊机采用冷焊模式焊接。在该模式下，冷焊机将储存于电容器中的电能在极短的时间内瞬间通过脉冲电弧的形式释放到钨极与工件之间，温度极高的电弧瞬间使得金属材料的工件和焊丝迅速熔合连接在一起，从而达到补焊的目的，其熔接过程可在几十毫秒内完成，到下次起弧的脉冲时间间隙相比于放电时的脉冲时间要大的多，所以传到工件的热量相当少，升温较小，不易发生组织变化和变形。母材：17-4PH钢，焊材：S630型号焊丝，其 中焊丝直径均为1.0mm，保护气体氩气，99.99%。

1.1焊接工艺参数

焊接时分别采用单层单道焊、单层多道焊以及多层多道焊的焊接方式进行，在单层单道焊焊接方式下通过改变脉冲电流、脉冲时间来进行对比不同参数下的焊缝尺寸变化，焊接时保护气体氩气流量均设置为8L/min，钨极离工件的距离为1mm左右，钨极离焊丝的距离略 大于钨极离工件的距离。施焊前对所有焊接件进行表面打磨，除去表面氧化层、油污等污染物质，并用丙酮溶液进行擦拭清洗。焊接工艺参数见表1。

表1工艺参数

1.2外观成形

焊接时采用设定的五组工艺参数，其它焊接条件也均相同。焊接时要把握控制好下一个

焊点与上一个焊点之间的距离，让下一个焊点的成形可以与上一个焊点之间形成完美的过 渡，焊点与焊点之间达到连续、致密、表面平整，焊缝的成形质量好。图1为不同工艺参数 下17-4PH所对应的冷焊焊缝形貌，五条焊缝从上到下依次对应表2中的五组工艺参数。

图1不同工艺参数下17-4PH冷焊焊缝宏观形貌

图中焊缝整体成形质量较为良好。每条焊缝具有良好光泽，无明显的焊点发黑发黄现象， 每个焊点之间过渡连续，没有明显起伏，焊缝表面较为平整，厚度均匀。在五组工艺参数下母材焊缝宏观形貌变化较为相似，但从图看，第二组工艺参数最为合理，即焊缝宏观形貌最优的一组工艺参数为：脉冲电流45A，脉冲时间45ms。

2、冷焊修复接头分析

焊接接头分析需要对脉冲冷焊修复层的拉伸强度、硬度等。

2.1拉伸性能分析

为研究脉冲冷焊修复层与母材基体之间的结合强度，对修复后板材进行切割取样，测试在室温下的拉伸强度，拉伸件应力-应变曲线如图2所示。

图2应力-应变曲线

图2中A1、A2为母材的两组拉伸试验曲线，B1、B2为修复层焊后未时效处理的拉伸曲 线，C1为修复层焊后自然时效处理30天后的拉伸试样曲线。从曲线图中可以看出，17-4PH 两组不锈钢母材拉伸件抗拉强度和断后伸长率均比较接近，其中抗拉强度分别为1127.4MPa和1131.2MPa，平均抗拉强度1129.3MPa；未经时效处理的两组修复层试样抗拉强度分别为 1053.8MPa和935.2MPa，平均抗拉强度994.5MPa，仅为母材平均抗拉强度1129.3MPa的 88.1%，强度和塑性比母材低；自然时效处理30天后的修复层试样抗拉强度为1134.8MPa， 比母材平均抗拉强度略高。可以看出冷焊修复后17-4PH修复层未经时效处理时抗拉强度比 母材低出不少，经时效处理后抗拉强度略高于母材。

2.2硬度分析

出焊后未时效处理的修复层硬度低，平均硬度只有

314HV1，热影响区附近硬度最高， 与母材和修复层相比较最为突出，17-4PH母材平均硬度为346HV1，冷焊后未经过时效处理 的修复层硬度较低，仅为母材硬度346HV1的90.8%。自然时效30天后，母材硬度无明显变 化，修复层硬度明显高于母材硬度，平均硬度为358HV1，时效处理后的热影响区附近硬度 无明显变化。通过在沉淀硬化和相变硬化两者的共同作用下，时效后这种钢的强度和硬度增加很多。

3、结论

通过试验和分析研究可知：

a)     选定的17-4PH钢修复微弧冷焊接工艺参数能满足性能要求。使用微弧冷焊技术， 在焊接修复时，其焊接工艺参数应选择为：脉冲电流45A，脉冲时间45ms，氩气保护流数 为8L/min；

b)     修复焊接后修复层拉伸强度未经时效处理时抗拉强度比母材低出不少，经时效处理后抗拉强度略高于母材，故焊接完后需要进行时效处理；

c)     焊接完成后，修复层经过沉淀硬化和相变硬化和时效处理后，钢的修复层硬度高于母材。

由此可以看出冷焊修复后修复层与母材钢接近或优于母材钢。

参号文献：

[1]    关锰、贾永峰、张春华等，高能脉冲冷焊Fe基合金改性层的组织及性能。沈阳工业大 学学报。2016,38（6）：628-633.