一种矿用链轮的修复方法与流程

本发明涉及焊接技术，国际专利分类为B23K，具体涉及矿用链轮的修复技术。

背景技术：

矿用链轮是煤矿机械-刮板输送机的重要部件之一，其工作原理是由输送机通过链轮转动实现驱动。链轮转动过程中，轮齿依次与链轮啮合牵引刮板链连续运动起到输送作用。在这种情况下，链轮轴组在工作中不仅要承受整个设备在运行过程中的极大冲击力，而且链轮和链环之间有极其剧烈的摩擦运动，再加上其工作环境非常恶劣，设备时刻处在煤屑、砂石、粉尘、水汽甚至有毒气体的包围之中。由于链轮长时间负载运行下得不到良好的维护，使得其极易在连续工作情况下产生磨损而最终导致失效。然而磨损失效的链轮只是链窝部位的尺寸减小而无法与链轮正常啮合，链轮其它部位依然完好无损，如对这样的链轮不采取合理有效的措施而是直接更换新链轮，将造成巨大的资源浪费及高昂的生产成本。

传统的矿用链轮修复工艺生产效率低，一般只以单个或小批量零部件的修复为主。其设备和技术一般相对落后，不能形成批量生产。现有技术中最常见的方式是采用耐磨焊丝堆焊的方法对链轮进行修复。耐磨焊丝在材料成分、组织性能等方面都有较大差异，因此焊接难度大。耐磨焊丝堆焊厚度过大时，焊缝易产生较大的内应力，从而导致堆焊层与链轮基层结合不良而脱落，此外堆焊耐磨焊丝所得的堆焊层具有相当高的硬度与耐磨性，致使焊后难以加工出形状复杂的链轮链窝。若采用堆焊结构钢焊丝的方法，虽然可以选择低强度匹配的焊丝改善链轮基材与堆焊修复层的焊接性，获得与基材结合性能良好的堆焊修复层。但是，堆焊结构钢焊丝所得的修复层硬度低、耐磨性差而达不到链轮的使用要求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种矿用链轮修复方法。

本发明是一种矿用链轮的修复方法，其步骤为：

（1）焊前准备：焊前对待焊部位进行打磨，去除零件表面的油污、铁锈等杂质，直至露出金属光泽；选择镍基自熔合金粉末Ni60作为表面层的填充材料，过渡层填充材料选择中高强度级别的结构钢焊丝ER69-1焊丝，并用80%Ar+20%C02气体保护焊进行过渡层的堆焊；

（2）预热处理：将矿用链轮坡口表面及侧面10mm范围内进行清理，不得有铁锈、氧化皮及油污，然后对堆焊链轮进行整体预热待焊；预热温度范围为200~400℃；

（3）堆焊过渡层：选用中高强度级别的结构钢焊丝ER69-1焊丝，直径φ1.2mm，并用80%Ar+20%C02气体保护焊进行过渡层的堆焊，焊接电流200±10A，电弧电压21~23V，焊接速度30~35cm/min，焊丝干伸长12~16mm，堆焊过程中严格控制层间温度，选择层间温度在200±10℃范围内，用热电偶精确测量；焊接过程中若出现成形不良的焊缝，应立即用角磨机对其进行打磨，然后再进行焊接；

（4）回火处理：整个矿用链轮焊接完毕后，立即对其进行回火热处理，回火温度为250~450℃；

（5）耐磨层喷焊：在链轮再制造工艺中必须添加一层耐磨的表面功能层，选择对表面耐磨层喷焊一层Ni60合金粉末；

①：预热：对已堆焊矿用链轮进行超声探伤，未发现明显缺陷后首先对焊接得到的过渡层进行表面打磨，去除焊接留下的小颗粒飞溅及氧化皮，显露出新的金属表面；其次对施喷链轮进行预热，预热温度为350~400℃；

②：耐磨层喷焊：待矿用链轮预热完成后，采用喷枪对矿用链轮进行喷焊，采用碳化焰；

喷焊开始时，须将喷枪的火焰集中在链轮表面局部区域进行加热，加热到500℃以上时打开送粉开关，一边送粉一边熔化，待喷焊层呈镜面状时将喷枪平稳地移动到下一个局部区域，如此重复以上操作，直到喷焊层把链轮表面全部覆盖；

在喷熔过程中，喷枪与链轮表面的距离控制在20~50mm范围内，喷粉时距离需远一点，调到50mm左右；加热与熔融时距离控制在20mm；

喷焊结束后，对喷焊链轮进行缓冷处理，用石棉布包裹后放在保温砂中缓慢冷却。

本发明的有益之处为：对于磨损较严重、难以正常使用的矿用链轮也能进行修复，得到与基材结合性能良好的堆焊修复层和耐磨性良好的喷涂层。修复后满足矿用链轮的综合机械性能和使用要求，降低了成本，节约了时间和资源，在保证硬度、强度和耐磨性的同时不会损坏矿用链轮。

附图说明

图1为链轮堆焊过渡层拉伸的断口微观形貌图，图2、图3、图4、图5是堆焊过渡层不同区域焊缝组织形貌图。

具体实施方式

由于链轮材质一般为中碳调质钢，其碳当量较高（Ceq=0.8左右），提高淬硬性的合金元素Cr、Mo含量较多，使得链轮在焊接过程中易出现冷裂纹、再热裂纹等缺陷，从而降低了链轮再制造的质量，严重影响链轮在实际生产中的使用性能。为了解决这一关键问题并获得优秀的焊接整体性能，在链轮基材与堆焊或喷焊的耐磨表面层之间添加一层焊接工艺性能、机械力学性能较好的过渡层，过渡层起到缓解基材与表面层材质焊接性差的问题，可以提高整体修复件的结合强度与耐冲击性能，从而可以有效的避免因直接在链轮基材上堆焊或喷焊表面耐磨层而引起的焊接缺陷。因此采用“堆焊过渡层+喷焊表面耐磨层”的修复方案对磨损失效的链轮进行再制造。

本发明是一种矿用链轮的修复方法，其步骤为：

（1）焊前准备：焊前对待焊部位进行打磨，去除零件表面的油污、铁锈等杂质，直至露出金属光泽；选择镍基自熔合金粉末Ni60作为表面层的填充材料，过渡层填充材料选择中高强度级别的结构钢焊丝ER69-1焊丝，并用80%Ar+20%C02气体保护焊进行过渡层的堆焊；

（2）预热处理：将矿用链轮坡口表面及侧面10mm范围内进行清理，不得有铁锈、氧化皮及油污，然后对堆焊链轮进行整体预热待焊；预热温度范围为200~400℃；

（3）堆焊过渡层：选用中高强度级别的结构钢焊丝ER69-1焊丝，直径φ1.2mm，并用80%Ar+20%C02气体保护焊进行过渡层的堆焊，焊接电流200±10A，电弧电压21~23V，焊接速度30~35cm/min，焊丝干伸长12~16mm，堆焊过程中严格控制层间温度，选择层间温度在200±10℃范围内，用热电偶精确测量；焊接过程中若出现成形不良的焊缝，应立即用角磨机对其进行打磨，然后再进行焊接；

（4）回火处理：整个矿用链轮焊接完毕后，立即对其进行回火热处理，回火温度为250~450℃；

（5）耐磨层喷焊：在链轮再制造工艺中必须添加一层耐磨的表面功能层，选择对表面耐磨层喷焊一层Ni60合金粉末；

①：预热：对已堆焊矿用链轮进行超声探伤，未发现明显缺陷后首先对焊接得到的过渡层进行表面打磨，去除焊接留下的小颗粒飞溅及氧化皮，显露出新的金属表面；其次对施喷链轮进行预热，预热温度为350~400℃；

②：耐磨层喷焊：待矿用链轮预热完成后，采用一步法工艺、QHT-7/hA型喷枪对矿用链轮进行喷焊，采用碳化焰；

喷焊开始时，须将喷枪的火焰集中在链轮表面局部区域进行加热，加热到500℃以上时打开送粉开关，一边送粉一边熔化，待喷焊层呈“镜面”状时将喷枪平稳地移动到下一个局部区域，如此重复以上操作，直到喷焊层把链轮表面全部覆盖；

在喷熔过程中，喷枪与链轮表面的距离控制在20~50mm范围内，喷粉时距离需远一点，调到50mm左右；加热与熔融时距离控制在20mm；

喷焊结束后，对喷焊链轮进行缓冷处理，用石棉布包裹后放在保温砂中缓慢冷却。

如图1所示，链轮堆焊过渡层拉伸的断口微观形貌为典型的韧窝状，而韧窝尺寸的大小可以反映材料塑性变形能力的大小，因为材料在塑性变形过程中，当材料的局部发生应力集中后，较大的应力破坏了原子间结合力，首先形成一些微孔，即裂纹源。继续塑性变形过程中，微孔处存在三向应力集中，会继续扩展并合并，所以就形成了韧窝。而韧窝越大的材料局部抗失稳的能力越大，说明该断裂部位具有较好的塑韧性。

图2为熔合区形貌，熔合区组织冶金结合良好，其组织为铁素体和珠光体，此珠光体以在铁素体基体上分布的非层片状形态存在，这种弥散分布的颗粒渗透体有利于改善钢的塑韧性。图3为堆焊层形貌，其组织为细针状铁素体、少量块状铁素体，且其组织均匀细小，低合金高强钢焊缝金属中出现大量针状铁素体组织时，焊缝金属具有较高的强度和良好的低温冲击韧性。图4为热影响区形貌，其组织变化不明显，为回火索氏体与少量呈深色的回火屈氏体，晶粒较母材稍大，但并未出现过热组织。图5为母材形貌，基体组织为回火索氏体，其上有少量呈块状分布的铁素体，由于链轮界面较大，淬火时心部未淬透，故而心部存在铁素体。

以上所述的步骤（1）中对待焊的矿用链轮的整体处理为：堆焊过渡层+喷焊表面耐磨层的处理方案。

以上所述的步骤（2）中，将待焊的矿用链轮放入简易少氧电阻炉中加热至300℃，并在保温4h后取出。

以上所述的步骤（3)中，采用80%Ar+20%C02气体保护焊进行过渡层的堆焊，并控制层间温度在200℃，用热电偶精确测量。

以上所述的步骤（4）中整个矿用链轮焊接完毕后，应立即对其进行回火热处理，放入简易少氧电阻炉中，控制回火温度为400℃。

以上所述的步骤（5）中对耐磨层喷焊加工处理中：

①对待喷焊矿用链轮进行超声探伤，随后放入简易少氧电阻炉中预热，预热温度控制为350℃；

②采用喷枪对矿用链轮采用碳化焰喷焊；将喷枪的火焰集中在链轮表面区域进行加热，加热到500℃以上时打开送粉开关，一边送粉一边熔化，待喷焊层呈镜面状时将喷枪平稳地移动到下一区域，如此重复以上操作，直到喷焊层把链轮表面全部覆盖；

在喷熔过程中，喷枪与链轮表面的距离控制在20~50mm范围内，喷粉时距离需远一点，调到50mm；加热与熔融时距离控制在20mm；

③喷焊结束后，对喷焊件进行缓冷处理，石棉布包裹后放在保温砂中缓慢冷却。

以下为本发明的具体实施例，包括如下工序：

一．焊前准备：

焊前对待焊部位进行打磨，去除矿用链轮表面的油污、铁锈等杂质，直至露出金属光泽。自主设计半自动焊接平台，提高工作效率，保证焊接质量。根据链轮工作所处环境的特点，链轮的失效往往是由于表面磨损而造成的，所以链轮修复过程中的任务不仅仅是填充修复链轮链窝部位的几何尺寸，而更重要的是使其具有高硬度、高耐磨损性能的表面层，因此选择合适的表面填充材料显得尤为重要。结合前人的实践经验与填充材料自身的力学性能，选择镍基自熔合金粉末Ni60作为表面层的填充材料。综合考虑链轮材质焊接性及使用性能要求，过渡层填充材料选择中高强度级别的结构钢焊丝ER69-1焊丝，并用80%Ar+20%C02气体保护焊进行过渡层的堆焊，此工艺具有电弧稳定、飞溅少、特别是焊缝中非金属夹杂物少，焊缝结合强度和冲击韧性高等优良特点。

二．堆焊过渡层

该焊丝既具有较高的强度又拥有良好的韧塑性。所以由此焊丝焊接修复的链轮，不仅可以承受较大的载荷与此同时也可以承受较大的冲击，ER69-1焊丝焊丝化学成分及力学性能

如表1：表1 ER69-1焊丝化学成分（质量分数，%）及力学性能

①预热处理

中碳调质钢碳当量较大、合金元素含量高，为防止焊接冷裂纹，焊接此类钢材时应对其进行一定温度的预热。预热具有减缓焊接接头冷却速度的作用，从而减少或避免在Ms点附近生成淬火组织，同时也有利于焊缝中氢的逸出。参照公式求出的预热温度，确定对矿用链轮进行整体预热，预热温度范围为200~400℃。

②堆焊过渡层：

将矿用链轮坡口表面及侧面10mm范围内进行清理，不得有铁锈、氧化皮及油污，然后对已堆焊链轮进行整体预热待焊。堆焊过程中应严格控制层间温度，层间温度过低将导致堆焊层开裂，温度过高会引起接头脆化，为此选择层间温度在200±10℃范围内，用热电偶精确测量。焊接过程中若出现成形不良的焊缝，应立即用角磨机对其进行打磨，然后再进行焊接。

③回火处理：

焊接合金元素含量较高的中碳调质钢，只采取预热的措施是很难获得综合力学性能优良的焊缝组织。因为焊接结束后若不对已焊链轮进行有效的热处理措施，已焊链轮将会在大气环境中快速冷却，而冷却速度较快时，焊缝中的氢将来不及向外扩散而聚集在焊缝内、焊缝中的残余应力也无法释放出来，这样将导致焊缝组织的力学性能较差。因此，整个链轮焊接完毕后，应立即对其进行回火热处理，回火温度为400±20℃。

三．耐磨层喷焊：

堆焊的过渡层只能起到改善链轮基材与耐磨表面层材质之间焊接性差的作用，却不能满足链轮正常工作时抗磨损的力学性能要求，所以在链轮再制造工艺中必须添加一层耐磨的表面功能层。选择对表面耐磨层喷焊一层Ni60合金粉末。

①预热：

对已堆焊的矿用链轮进行超声探伤，未发现明显缺陷后首先对焊接得到的过渡层链轮进行表面打磨，去除焊接留下的小颗粒飞溅及氧化皮，显露出新的金属表面。其次对施喷链轮进行预热，预热温度为350~400℃，预热温度要适宜而不可过高，温度过高将使母材表面严重氧化，影响喷焊操作的顺利进行，为了降低预热过程中引起的氧化，宜采用碳化焰。

②耐磨层喷焊：

待链轮预热完成后，采用一步法工艺、QHT-7/hA型喷枪对链轮进行喷焊。喷焊开始时，须将喷枪的火焰集中在链轮表面的一个区域进行加热，加热到500℃以上时打开送粉开关，一边送粉一边熔化，待喷焊层呈“镜面”状时将喷枪平稳地移动到下一个区域，如此重复以上操作，直到喷焊层把链轮表面全部覆盖。在喷熔过程中，喷枪与链轮表面的距离控制在20~50mm范围内，喷粉时距离需远一点，调到50mm；加热与熔融时距离控制在20mm左右。喷焊结束后，需要对喷焊件进行缓冷处理，一般用石棉布包裹后放在保温砂中缓慢冷却，以防止喷焊件在快速冷却的过程产生裂纹。

表2 耐磨层表面硬度试验结果

表2是堆焊和喷焊耐磨层表面硬度试验结果对比，从表2中可以看出喷焊工艺和堆焊工艺所得链轮耐磨层的表面硬度中，喷焊工艺的平均硬度是更高的，较堆焊工艺的高4.3HRC。由此可以确定喷焊工艺所得的矿用链轮的耐磨性能优于堆焊工艺所得。

表3 对磨磨损试验磨销质量损失量

表3是将堆焊耐磨链轮、喷焊耐磨链轮分成两组试验，每组试验分别备有三个磨销与一个磨盘。试验前分别称取并记录每个磨销链轮的质量，试验中每个链轮切块摩擦30min，试验后观察磨盘的摩擦痕迹，对比分析实验中摩擦系数的大小，称取并计算出磨销的质量损失量及其平均质量损失值，对磨磨损试验磨销质量损失量如表3所示。可以看出在相同试验条件下，堆焊链轮质量损失量较大，喷焊链轮质量损失量较小。从磨销质量损失量来分析，损失量越小的链轮其耐磨性能也就越好，经过对比分析喷焊链轮的质量损失量最小，则可以初步推断出喷焊链轮的耐磨性能最好，堆焊链轮较差。