电火花(ESD）堆焊工艺修复抽油泵柱塞喷焊层气孔

一、前言

柱塞是管式抽油泵的关键部件，系统运行过程中砂粒磨损是降低柱塞使用寿命的主要原因。为了提高柱塞使用寿命，国内多采用氧乙炔火焰喷焊工艺在柱塞基体表面上喷焊Ni60自熔合金。但喷焊过程中，气孔等缺陷使柱塞的成品率下降，喷焊成本大大提高。针对这一问题，我所开发电火花堆焊在线修复工艺，彻底解决柱塞喷焊层后加工时，喷焊层气孔缺陷难以修复难题，并已在多家柱塞生产厂家获得成功应用。图（1）是电火花堆焊设备。

 图（1） 电火花堆焊设备          图（2）电火花堆焊工作原理图

二、电火花堆焊工艺原理

电火花堆焊是利用电源中存储的电能，使旋转电极在接触工件瞬间产生高频火花放电，放电微波区域内产生5000~10000°C的高温，将作为堆焊极的导电材料熔化甚至气化。高温及电场的作用使熔融的导电材料通过扩散进入工件表面，形成合金化的表面覆盖层，从而实现工件表面尺寸恢复，图（2）是电火花堆焊工作原理图，图（3）是电火花堆焊工作现场。

图（3）电火花堆焊工作现场

与其它表面处理工艺相比，电火花堆焊工艺具有如下特点：

1．   携带方便，可现场使用，设备投资和运行费用低；

2．   可对一般几何形状的表面进行局部堆焊；

3．   热输入量小，不会使工件退火或变形；

4．   堆焊层与基体的结合为冶金结合，抗损伤和剥离性能强；

5．   电极材料选择范围广，来源多，且其消耗量少。

三、堆焊材料的选择

根据柱塞表面喷焊层材料的可焊性及所选焊材应满足耐磨、耐蚀并与柱塞表面喷焊层良好冶金结合的特点，选择规格为¯3.2*6（mm）的因康镍182及哈氏合金作为柱塞表面堆焊电极进行对比试验。因康镍182及哈氏合金丝材化学成分如表一。

  表一   化学成分（%） 

四、试样制备

试样母材选用柱塞常用材质：45#钢。

试样尺寸为：¯40*150（mm）。

在其表面喷焊Ni60（Ni-Cr-B-Si系自熔合金粉末）至尺寸¯44mm，再通过机加工至¯43mm，以便暴露喷焊层缺陷。如喷焊层无气孔，则人工制出针孔大小缺陷进行电火花工艺修复。

五、            ESD堆焊工艺

5.1工件表面准备   

    用硬质合金旋转锉将气孔等缺陷清除干净，再用砂纸、平锉等工具清除工件表面氧化物。然后用丙酮溶液清洗待焊部位及周围油污。如要堆焊的凹坑比电极直径小，用砂轮等磨锐电极端正头。

5.2堆焊：（工艺参数可参照设备手册）

a．   准备：将地线夹与工件连接，设置氩气流量在6 升/分左右并调整电极的伸出长度在3mm 左右。

b．   堆焊：先以小功率堆焊，再增大功率并加大频率，使电极始终处于熔融状态，以获得优质焊缝。堆焊过程中要始终避免工件氧化，以提高堆焊层与基材的结合强度，并在层间注意检查堆焊层是否有缺陷。如有，应将缺陷清除，表面清理干净后再进行下一层堆焊。

六、            结果及分析

    采用线切割方法获得电火花堆焊层截面，并制成金相试样。金相试验结果如图（4）、（5）、（6）。

由图（4）、（5）可知，因康镍182堆焊层组织为细小的柱状晶结构，且无气孔、氧化物、裂纹等缺陷。由图（6）是堆焊层与基体硬度比较，图（7）是镍元素过渡能谱测定。

综上可知：电火花堆焊因康镍182层与母材为良好的冶金结合，且热影响区极窄，焊接应力可忽略不计；堆焊层材料硬度与母材接近为制造厂认可。

  图（4）ESD堆焊层金相照片     图（5）因康镍182堆焊层金相

（转载自中国科教评价网http://www.nseac.com）

图（6）堆焊层与基体硬度比较    图（7）镍元素分布能谱测定。

七、现场应用

1．   预处理：首先检查缺陷处柱塞轴径尺寸，如仍有0.2mm的加工余量，则先用冲头将孔压实，用硬质合金旋转锉将气孔等缺陷清除干净，再用砂纸、平锉等工具清除工件表面氧化物。然后用丙酮溶液清洗待焊部位及周围油污。

2．   堆焊：将DZ1400型电火花堆焊机安置在轴径待修复处，并按上述堆焊工艺进行电火花堆焊。堆焊层接近周围轴径尺寸时，用刃口平尺找平，以高出周围尺寸50~70m m为宜。

3．