一種礦用鏈輪的修復方法與流程

本發明涉及焊接技術，國際專利分類為B23K，具體涉及礦用鏈輪的修復技術。

背景技術：

礦用鏈輪是煤礦機械-刮板輸送機的重要部件之一，其工作原理是由輸送機通過鏈輪轉動實現驅動。鏈輪轉動過程中，輪齒依次與鏈輪嚙合牽引刮板鏈連續運動起到輸送作用。在這種情況下，鏈輪軸組在工作中不僅要承受整個設備在運行過程中的極大沖擊力，而且鏈輪和鏈環之間有極其劇烈的摩擦運動，再加上其工作環境非常惡劣，設備時刻處在煤屑、砂石、粉塵、水汽甚至有毒氣體的包圍之中。由于鏈輪長時間負載運行下得不到良好的維護，使得其極易在連續工作情況下產生磨損而最終導致失效。然而磨損失效的鏈輪只是鏈窩部位的尺寸減小而無法與鏈輪正常嚙合，鏈輪其它部位依然完好無損，如對這樣的鏈輪不采取合理有效的措施而是直接更換新鏈輪，將造成巨大的資源浪費及高昂的生產成本。

傳統的礦用鏈輪修復工藝生產效率低，一般只以單個或小批量零部件的修復為主。其設備和技術一般相對落后，不能形成批量生產。現有技術中最常見的方式是采用耐磨焊絲堆焊的方法對鏈輪進行修復。耐磨焊絲在材料成分、組織性能等方面都有較大差異，因此焊接難度大。耐磨焊絲堆焊厚度過大時，焊縫易產生較大的內應力，從而導致堆焊層與鏈輪基層結合不良而脫落，此外堆焊耐磨焊絲所得的堆焊層具有相當高的硬度與耐磨性，致使焊后難以加工出形狀復雜的鏈輪鏈窩。若采用堆焊結構鋼焊絲的方法，雖然可以選擇低強度匹配的焊絲改善鏈輪基材與堆焊修復層的焊接性，獲得與基材結合性能良好的堆焊修復層。但是，堆焊結構鋼焊絲所得的修復層硬度低、耐磨性差而達不到鏈輪的使用要求。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種礦用鏈輪修復方法。

本發明是一種礦用鏈輪的修復方法，其步驟為：

（1）焊前準備：焊前對待焊部位進行打磨，去除零件表面的油污、鐵銹等雜質，直至露出金屬光澤；選擇鎳基自熔合金粉末Ni60作為表面層的填充材料，過渡層填充材料選擇中高強度級別的結構鋼焊絲ER69-1焊絲，并用80%Ar+20%C02氣體保護焊進行過渡層的堆焊；

（2）預熱處理：將礦用鏈輪坡口表面及側面10mm范圍內進行清理，不得有鐵銹、氧化皮及油污，然后對堆焊鏈輪進行整體預熱待焊；預熱溫度范圍為200~400℃；

（3）堆焊過渡層：選用中高強度級別的結構鋼焊絲ER69-1焊絲，直徑φ1.2mm，并用80%Ar+20%C02氣體保護焊進行過渡層的堆焊，焊接電流200±10A，電弧電壓21~23V，焊接速度30~35cm/min，焊絲干伸長12~16mm，堆焊過程中嚴格控制層間溫度，選擇層間溫度在200±10℃范圍內，用熱電偶精確測量；焊接過程中若出現成形不良的焊縫，應立即用角磨機對其進行打磨，然后再進行焊接；

（4）回火處理：整個礦用鏈輪焊接完畢后，立即對其進行回火熱處理，回火溫度為250~450℃；

（5）耐磨層噴焊：在鏈輪再制造工藝中必須添加一層耐磨的表面功能層，選擇對表面耐磨層噴焊一層Ni60合金粉末；

①：預熱：對已堆焊礦用鏈輪進行超聲探傷，未發現明顯缺陷后首先對焊接得到的過渡層進行表面打磨，去除焊接留下的小顆粒飛濺及氧化皮，顯露出新的金屬表面；其次對施噴鏈輪進行預熱，預熱溫度為350~400℃；

②：耐磨層噴焊：待礦用鏈輪預熱完成后，采用噴槍對礦用鏈輪進行噴焊，采用碳化焰；

噴焊開始時，須將噴槍的火焰集中在鏈輪表面局部區域進行加熱，加熱到500℃以上時打開送粉開關，一邊送粉一邊熔化，待噴焊層呈鏡面狀時將噴槍平穩地移動到下一個局部區域，如此重復以上操作，直到噴焊層把鏈輪表面全部覆蓋；

在噴熔過程中，噴槍與鏈輪表面的距離控制在20~50mm范圍內，噴粉時距離需遠一點，調到50mm左右；加熱與熔融時距離控制在20mm；

噴焊結束后，對噴焊鏈輪進行緩冷處理，用石棉布包裹后放在保溫砂中緩慢冷卻。

本發明的有益之處為：對于磨損較嚴重、難以正常使用的礦用鏈輪也能進行修復，得到與基材結合性能良好的堆焊修復層和耐磨性良好的噴涂層。修復后滿足礦用鏈輪的綜合機械性能和使用要求，降低了成本，節約了時間和資源，在保證硬度、強度和耐磨性的同時不會損壞礦用鏈輪。

附圖說明

圖1為鏈輪堆焊過渡層拉伸的斷口微觀形貌圖，圖2、圖3、圖4、圖5是堆焊過渡層不同區域焊縫組織形貌圖。

具體實施方式

由于鏈輪材質一般為中碳調質鋼，其碳當量較高（Ceq=0.8左右），提高淬硬性的合金元素Cr、Mo含量較多，使得鏈輪在焊接過程中易出現冷裂紋、再熱裂紋等缺陷，從而降低了鏈輪再制造的質量，嚴重影響鏈輪在實際生產中的使用性能。為了解決這一關鍵問題并獲得優秀的焊接整體性能，在鏈輪基材與堆焊或噴焊的耐磨表面層之間添加一層焊接工藝性能、機械力學性能較好的過渡層，過渡層起到緩解基材與表面層材質焊接性差的問題，可以提高整體修復件的結合強度與耐沖擊性能，從而可以有效的避免因直接在鏈輪基材上堆焊或噴焊表面耐磨層而引起的焊接缺陷。因此采用“堆焊過渡層+噴焊表面耐磨層”的修復方案對磨損失效的鏈輪進行再制造。

本發明是一種礦用鏈輪的修復方法，其步驟為：

（1）焊前準備：焊前對待焊部位進行打磨，去除零件表面的油污、鐵銹等雜質，直至露出金屬光澤；選擇鎳基自熔合金粉末Ni60作為表面層的填充材料，過渡層填充材料選擇中高強度級別的結構鋼焊絲ER69-1焊絲，并用80%Ar+20%C02氣體保護焊進行過渡層的堆焊；

（2）預熱處理：將礦用鏈輪坡口表面及側面10mm范圍內進行清理，不得有鐵銹、氧化皮及油污，然后對堆焊鏈輪進行整體預熱待焊；預熱溫度范圍為200~400℃；

（3）堆焊過渡層：選用中高強度級別的結構鋼焊絲ER69-1焊絲，直徑φ1.2mm，并用80%Ar+20%C02氣體保護焊進行過渡層的堆焊，焊接電流200±10A，電弧電壓21~23V，焊接速度30~35cm/min，焊絲干伸長12~16mm，堆焊過程中嚴格控制層間溫度，選擇層間溫度在200±10℃范圍內，用熱電偶精確測量；焊接過程中若出現成形不良的焊縫，應立即用角磨機對其進行打磨，然后再進行焊接；

（4）回火處理：整個礦用鏈輪焊接完畢后，立即對其進行回火熱處理，回火溫度為250~450℃；

（5）耐磨層噴焊：在鏈輪再制造工藝中必須添加一層耐磨的表面功能層，選擇對表面耐磨層噴焊一層Ni60合金粉末；

①：預熱：對已堆焊礦用鏈輪進行超聲探傷，未發現明顯缺陷后首先對焊接得到的過渡層進行表面打磨，去除焊接留下的小顆粒飛濺及氧化皮，顯露出新的金屬表面；其次對施噴鏈輪進行預熱，預熱溫度為350~400℃；

②：耐磨層噴焊：待礦用鏈輪預熱完成后，采用一步法工藝、QHT-7/hA型噴槍對礦用鏈輪進行噴焊，采用碳化焰；

噴焊開始時，須將噴槍的火焰集中在鏈輪表面局部區域進行加熱，加熱到500℃以上時打開送粉開關，一邊送粉一邊熔化，待噴焊層呈“鏡面”狀時將噴槍平穩地移動到下一個局部區域，如此重復以上操作，直到噴焊層把鏈輪表面全部覆蓋；

在噴熔過程中，噴槍與鏈輪表面的距離控制在20~50mm范圍內，噴粉時距離需遠一點，調到50mm左右；加熱與熔融時距離控制在20mm；

噴焊結束后，對噴焊鏈輪進行緩冷處理，用石棉布包裹后放在保溫砂中緩慢冷卻。

如圖1所示，鏈輪堆焊過渡層拉伸的斷口微觀形貌為典型的韌窩狀，而韌窩尺寸的大小可以反映材料塑性變形能力的大小，因為材料在塑性變形過程中，當材料的局部發生應力集中后，較大的應力破壞了原子間結合力，首先形成一些微孔，即裂紋源。繼續塑性變形過程中，微孔處存在三向應力集中，會繼續擴展并合并，所以就形成了韌窩。而韌窩越大的材料局部抗失穩的能力越大，說明該斷裂部位具有較好的塑韌性。

圖2為熔合區形貌，熔合區組織冶金結合良好，其組織為鐵素體和珠光體，此珠光體以在鐵素體基體上分布的非層片狀形態存在，這種彌散分布的顆粒滲透體有利于改善鋼的塑韌性。圖3為堆焊層形貌，其組織為細針狀鐵素體、少量塊狀鐵素體，且其組織均勻細小，低合金高強鋼焊縫金屬中出現大量針狀鐵素體組織時，焊縫金屬具有較高的強度和良好的低溫沖擊韌性。圖4為熱影響區形貌，其組織變化不明顯，為回火索氏體與少量呈深色的回火屈氏體，晶粒較母材稍大，但并未出現過熱組織。圖5為母材形貌，基體組織為回火索氏體，其上有少量呈塊狀分布的鐵素體，由于鏈輪界面較大，淬火時心部未淬透，故而心部存在鐵素體。

以上所述的步驟（1）中對待焊的礦用鏈輪的整體處理為：堆焊過渡層+噴焊表面耐磨層的處理方案。

以上所述的步驟（2）中，將待焊的礦用鏈輪放入簡易少氧電阻爐中加熱至300℃，并在保溫4h后取出。

以上所述的步驟（3)中，采用80%Ar+20%C02氣體保護焊進行過渡層的堆焊，并控制層間溫度在200℃，用熱電偶精確測量。

以上所述的步驟（4）中整個礦用鏈輪焊接完畢后，應立即對其進行回火熱處理，放入簡易少氧電阻爐中，控制回火溫度為400℃。

以上所述的步驟（5）中對耐磨層噴焊加工處理中：

①對待噴焊礦用鏈輪進行超聲探傷，隨后放入簡易少氧電阻爐中預熱，預熱溫度控制為350℃；

②采用噴槍對礦用鏈輪采用碳化焰噴焊；將噴槍的火焰集中在鏈輪表面區域進行加熱，加熱到500℃以上時打開送粉開關，一邊送粉一邊熔化，待噴焊層呈鏡面狀時將噴槍平穩地移動到下一區域，如此重復以上操作，直到噴焊層把鏈輪表面全部覆蓋；

在噴熔過程中，噴槍與鏈輪表面的距離控制在20~50mm范圍內，噴粉時距離需遠一點，調到50mm；加熱與熔融時距離控制在20mm；

③噴焊結束后，對噴焊件進行緩冷處理，石棉布包裹后放在保溫砂中緩慢冷卻。

以下為本發明的具體實施例，包括如下工序：

一．焊前準備：

焊前對待焊部位進行打磨，去除礦用鏈輪表面的油污、鐵銹等雜質，直至露出金屬光澤。自主設計半自動焊接平臺，提高工作效率，保證焊接質量。根據鏈輪工作所處環境的特點，鏈輪的失效往往是由于表面磨損而造成的，所以鏈輪修復過程中的任務不僅僅是填充修復鏈輪鏈窩部位的幾何尺寸，而更重要的是使其具有高硬度、高耐磨損性能的表面層，因此選擇合適的表面填充材料顯得尤為重要。結合前人的實踐經驗與填充材料自身的力學性能，選擇鎳基自熔合金粉末Ni60作為表面層的填充材料。綜合考慮鏈輪材質焊接性及使用性能要求，過渡層填充材料選擇中高強度級別的結構鋼焊絲ER69-1焊絲，并用80%Ar+20%C02氣體保護焊進行過渡層的堆焊，此工藝具有電弧穩定、飛濺少、特別是焊縫中非金屬夾雜物少，焊縫結合強度和沖擊韌性高等優良特點。

二．堆焊過渡層

該焊絲既具有較高的強度又擁有良好的韌塑性。所以由此焊絲焊接修復的鏈輪，不僅可以承受較大的載荷與此同時也可以承受較大的沖擊，ER69-1焊絲焊絲化學成分及力學性能

如表1：表1 ER69-1焊絲化學成分（質量分數，%）及力學性能

①預熱處理

中碳調質鋼碳當量較大、合金元素含量高，為防止焊接冷裂紋，焊接此類鋼材時應對其進行一定溫度的預熱。預熱具有減緩焊接接頭冷卻速度的作用，從而減少或避免在Ms點附近生成淬火組織，同時也有利于焊縫中氫的逸出。參照公式求出的預熱溫度，確定對礦用鏈輪進行整體預熱，預熱溫度范圍為200~400℃。

②堆焊過渡層：

將礦用鏈輪坡口表面及側面10mm范圍內進行清理，不得有鐵銹、氧化皮及油污，然后對已堆焊鏈輪進行整體預熱待焊。堆焊過程中應嚴格控制層間溫度，層間溫度過低將導致堆焊層開裂，溫度過高會引起接頭脆化，為此選擇層間溫度在200±10℃范圍內，用熱電偶精確測量。焊接過程中若出現成形不良的焊縫，應立即用角磨機對其進行打磨，然后再進行焊接。

③回火處理：

焊接合金元素含量較高的中碳調質鋼，只采取預熱的措施是很難獲得綜合力學性能優良的焊縫組織。因為焊接結束后若不對已焊鏈輪進行有效的熱處理措施，已焊鏈輪將會在大氣環境中快速冷卻，而冷卻速度較快時，焊縫中的氫將來不及向外擴散而聚集在焊縫內、焊縫中的殘余應力也無法釋放出來，這樣將導致焊縫組織的力學性能較差。因此，整個鏈輪焊接完畢后，應立即對其進行回火熱處理，回火溫度為400±20℃。

三．耐磨層噴焊：

堆焊的過渡層只能起到改善鏈輪基材與耐磨表面層材質之間焊接性差的作用，卻不能滿足鏈輪正常工作時抗磨損的力學性能要求，所以在鏈輪再制造工藝中必須添加一層耐磨的表面功能層。選擇對表面耐磨層噴焊一層Ni60合金粉末。

①預熱：

對已堆焊的礦用鏈輪進行超聲探傷，未發現明顯缺陷后首先對焊接得到的過渡層鏈輪進行表面打磨，去除焊接留下的小顆粒飛濺及氧化皮，顯露出新的金屬表面。其次對施噴鏈輪進行預熱，預熱溫度為350~400℃，預熱溫度要適宜而不可過高，溫度過高將使母材表面嚴重氧化，影響噴焊操作的順利進行，為了降低預熱過程中引起的氧化，宜采用碳化焰。

②耐磨層噴焊：

待鏈輪預熱完成后，采用一步法工藝、QHT-7/hA型噴槍對鏈輪進行噴焊。噴焊開始時，須將噴槍的火焰集中在鏈輪表面的一個區域進行加熱，加熱到500℃以上時打開送粉開關，一邊送粉一邊熔化，待噴焊層呈“鏡面”狀時將噴槍平穩地移動到下一個區域，如此重復以上操作，直到噴焊層把鏈輪表面全部覆蓋。在噴熔過程中，噴槍與鏈輪表面的距離控制在20~50mm范圍內，噴粉時距離需遠一點，調到50mm；加熱與熔融時距離控制在20mm左右。噴焊結束后，需要對噴焊件進行緩冷處理，一般用石棉布包裹后放在保溫砂中緩慢冷卻，以防止噴焊件在快速冷卻的過程產生裂紋。

表2 耐磨層表面硬度試驗結果

表2是堆焊和噴焊耐磨層表面硬度試驗結果對比，從表2中可以看出噴焊工藝和堆焊工藝所得鏈輪耐磨層的表面硬度中，噴焊工藝的平均硬度是更高的，較堆焊工藝的高4.3HRC。由此可以確定噴焊工藝所得的礦用鏈輪的耐磨性能優于堆焊工藝所得。

表3 對磨磨損試驗磨銷質量損失量

表3是將堆焊耐磨鏈輪、噴焊耐磨鏈輪分成兩組試驗，每組試驗分別備有三個磨銷與一個磨盤。試驗前分別稱取并記錄每個磨銷鏈輪的質量，試驗中每個鏈輪切塊摩擦30min，試驗后觀察磨盤的摩擦痕跡，對比分析實驗中摩擦系數的大小，稱取并計算出磨銷的質量損失量及其平均質量損失值，對磨磨損試驗磨銷質量損失量如表3所示。可以看出在相同試驗條件下，堆焊鏈輪質量損失量較大，噴焊鏈輪質量損失量較小。從磨銷質量損失量來分析，損失量越小的鏈輪其耐磨性能也就越好，經過對比分析噴焊鏈輪的質量損失量最小，則可以初步推斷出噴焊鏈輪的耐磨性能最好，堆焊鏈輪較差。