精密脉冲冷焊技术在航空修理中的应用研究

陈体磊，张忠洁，张志强，吴笑笑，邢敬伟，潘志国

（1.国营芜湖机械厂，安徽 芜湖241000；2.奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241000）

面对航空装备典型高附加值产品在服役过程中出现的失效与损伤，以及在日常运转和加工过程中经常会出现磨损、蚀坑、沟槽等损伤，如轴类零件表面腐蚀、划伤、裂纹等常见失效模式，对于企业来说，整个零部件因这些缺陷而造成报废，企业生产成本太大，急需开展局部修复技术应用。常见的表面改性技术常存在热影响区较大，金属基体易损伤与难以现场修复的问题[1-5]。同时由于特殊的金属特性和所处的安装位置，在生产及装配的过程中对轴尺寸的精度提出了很高的要求，因此需要一种可以满足焊接修复要求，效率高、成本低的修复手段。

精密脉冲冷焊技术是一种目前被广泛使用的高精密补焊技术，补焊修复时具有变形小、精度高、操作灵活性高等特点，该技术热输入量小，对零件力学性能好、热变形影响程度低等优点。易操作，适用于同一零件不同部位的补焊。在补焊过程中脉冲时间、脉冲电流得到精确的控制，热输入能量用于焊丝与零件之间的熔合，有过多的能量作用于工件，热影响区小，从而使零件基体表面受热大幅降低，热影响区范围小，无变形量和塌边现象，设备的起弧电流、脉冲时间都比一般的的氩弧焊减少数倍，大大降低了补焊过程中对工件的冲击，特别适用于轴类、深孔螺纹类、薄壁壳体等精加工部件的精密、无损修复，适用于航空零部件的磨损、腐蚀、划伤等损伤修复。该技术也是国外航空公司修复航空零部件的重要技术之一，国内航空修理厂尚未引进、消化。

1 精密脉冲冷焊技术工作原理

精密脉冲冷焊技术的工作原理是零件基体母材在电源储存的高能量在瞬间高频释放作用下，表面瞬间产生高压、高温区，电极材料呈现离子态，在微电场作用下与母材的基体发生融合反应，形成冶金结合[6]。在精密修复过程中，输出电流、时间等参数能够精确控制，焊接微小的基体几何区，焊丝直径可用至0.1～0.3 mm，修复精度好、变形程度低，特别对精加工部件局部小缺陷的修复工作适用，与常规氩弧焊焊点对比见图1,精密脉冲焊点明显比常规氩弧焊焊点尺寸小，相对修复精度高。

图1 焊点对比图

2 精密脉冲冷焊工艺

2.1 电极的操作要求

电极一般选用钨极，在使用过程要保持尖角锋利，必须保证集中放电，熔合区有良好的熔合效果；钨极的修磨方式可分为钝尖、细尖两种，除极少精密要求高、空间狭小的部位外，均采用钝尖的修磨方式，利于钨极较长时间使用；在修复产品操作过程中，当起弧声为“噗”声音、且熔合效果不良时表明电极表面已氧化明显，应重新修磨、更换新电极。

2.2 电极与焊丝的相互配合

脉冲冷焊与手工氩弧焊操作方法相近，但也有异同点：在起弧时，手工氩弧焊方法要求，看到熔池后再加丝，而脉冲冷焊机在起弧的瞬间，基体母材和焊丝同时熔化，故焊丝须提前预置好；与电极的配合位置将影响修复的质量效果，如电极放置超过一定角度或电极尖端直接指向焊丝前端，往往会造成焊丝熔化，进而发生回缩现象而不与基体母材相熔合。焊接时电极应与零件形成70°～85°夹角，且电极应指向送进焊丝前1～2mm的零件基体处。

2.3 脉冲焊接电流与补焊时间的配合

通过对相同零件不同位置、选用不同的焊材直径,通过在试样上开展焊接试验，优化焊补电流、焊补时间等工艺参数，对比焊缝表面成形及热影响区情况，形成常用焊接电流与补焊时间，如表1。

表1 常用焊接电流与补焊时间表

3 精密脉冲冷焊焊机设备

精密脉冲冷焊焊机设备由于热影响区极小、准确而精密、操作灵活，现场修补，准备工作量小，减少对工件或修复部分做复杂的分离工作、成本低、风险小等优点，与市场上一般的氩弧焊机的比较，热输入小，焊后工件变形量小。同时市场的一般修复设备(如电阻点焊、贴片机、微弧沉积、电火花层积堆焊机等)，存在焊后结合度低、焊补速度慢、焊材对应少、返修成本高等缺点，不能满足顾客的需求。脉冲冷焊机已达到激光焊机的精度，尽管激光熔覆、激光焊接工艺，瞬间将工件基体表面熔化，修复效果优良，但价格昂贵[7]。但冷焊修复的灵活性远远超过后者，可根据不同的修补量，优化选择不同的规格的焊丝，修复的效率得到极大的提高，并且具有极高程度的性价比，部分精密补焊设备见图2。

图2 部分精密补焊设备

精密脉冲冷焊焊机设备可以在2A的极小脉冲电流下起弧，输出电流稳定，热输出集中，可以与进口CMT焊机的焊接效果媲美。广泛用于注塑模、橡胶模、压铸、铜合金模、铝合金模等各类材料模具，修复后的高件可直接进行各种精加工、热处理及渗氮处理等后续工作。对铸造的缺陷气孔、缩孔、渣孔、裂纹，对球墨铸铁、灰口铸铁、不锈钢等缺陷的修补效果极佳，焊补速度快、效率高，焊后无色差、对机体强度影响小，对轴类、齿类及其它机械零件均可进行完美的修复。

4 精密脉冲冷焊工艺在航空修理厂的应用尝试

通过与设备厂家合作，使用精密冷焊机对试件进行焊补，对多个典型试验件开展工艺试验，如堆焊试验、成形焊缝试验、角焊缝成形试验，见图3、4、5。试验后发现：工件表面温度非常低，一次修复焊缝附近温度不高于60℃，补焊后工件未发生热应力变形现象。

图3 堆焊试验

图4 脉冲冷焊成形焊缝

图5 角焊缝成形

对精密脉冲冷焊机焊接试样焊缝弯曲试验和金相组织微观检测，如图6，在优化工艺操作和工艺技术参数下，冷焊焊缝与基体母材金属达到了冶金结合，结合强度完全能够满足一般焊接焊缝的要求，焊缝、热影响区和母材组织致密、过渡均匀，焊缝为冶金结合，由于修复过程中热输入量得到了精确的控制，焊缝的热影响区很窄，最大位置约0.48 mm。热影响区的宽度大小决定着变形量的大小，说明精密脉冲冷焊工艺对母材影响较小，焊接的残余应力可忽略不计。

图6 精密脉冲冷焊金相组织图

5 结束语

精密脉冲冷焊技术是一种修复效果好、工艺设备简单、能量利用率高、热影响区较小且运行成本较低的工艺方法[8]。精密脉冲冷焊修复技术对于零件表面腐蚀、划伤、裂纹等常见失效模式，具有较好的修复针对性，焊补过程中通过精确控制热输人量，保证精加工件的热变形量小、无损修复。表面修复层与母材发生原子结合，具有优良的冶金性，保证了修复层不脱落、综合性能良好。精密冷焊设备修复材料范围广、焊后工件变形量极小、操作简单、修复效果好，零件焊前无需预热和焊后热处理，可现场进行直接施工，加工余量小，后续加工成本低，周期短，极大降低了生产成本。该工艺对于航空零部件的修复上，具有广泛的应用前景，工艺方法优势明显，为航空零部件修理基础修复技术积累了宝贵的经验。如螺纹类、轴类修复尝试推广，见图7。

图7 部分精密脉冲冷焊修复工艺件

该技术对降低产品生产的成本具有重要的意义，具有广阔的应用前景。在实际推广应用过程中，要结合航空修理实际，综合考虑，有步骤、有计划的、论证性引进该技术。