识冷焊:

冷焊技术是一门新型发展起来并得到广泛应用的技术,在很多传统焊接技术无法满足的情况下扮演着重要的作用。冷焊是应用机械力、分子力或电力使得焊材扩散到器具表面的一种工艺,常用于修复超差,涂层。在物理学中纳米尺寸下必须考虑的一种负效应。 


华生机电冷焊机的原理是利用充电电容,以10-3~10-1秒的周期,10-6~10-5的超短时间放电。电极材料与模具接触部位会被加热到8000~10000摄氏度,等离子化状态的熔融金属以冶金的方式过渡到工件的表面。由于与母材之间产生了合金化作用,向工件内部扩散,熔渗,形成了扩散层,得到了高强度的结合。

实现冷焊的原理是放电时间与下一次放电间隔时间相比较短,机器有足够的相对停止时间,热量会通过模具基本体扩散到外界,因此模具的被加工部位不会有热量聚集。虽然模具的升温几乎停留在室温,可是由于瞬时融化的原因,电极尖端的温度可以到达10000摄氏度左右。焊条瞬间产生金属熔融,过渡到母材金属的接触部位,同时由于等离子电弧的高温作用,表层深处开成像生了根一样的强固的扩散层,呈现出高结合性,不会脱落。


由于冷焊区别于传统意义的焊接,冷焊剂的硬度、粘附力和强度特别高,几乎没有收缩率,能可靠的防止许多化学作用、物理应力和机械应力等,人们又称其为“液体金属”。采用合理的工艺,选择适当的化学粘合材料将同种材料或异种材料连接在一起,实现连接、密封、固持、功能涂层,是冷焊当前的主要应用之一。 

冷焊可以用来对大部分金属以及其他各种原材料进行相互连接、固定焊接和密封,硬化后和金属一样能锉、刨、磨、铣、抛光、车、喷丸等,能用各种刀具进行加工。对于修复旧设备,减少制造过程的废次品,具有重要意义。

再者某些材料的连接用一般的焊接法时,由于焊接时温度高,不仅有损材料的强度,而且还容易变形,特别对薄型材料就更成问题。但这些问题对冷焊来说是不存在的,因为冷焊是在常温下进行,同时接头的应力能比较均匀地分布在全部胶面上,从而改善了金属由于焊、铆、螺栓连接所引起的上述部分问题,提高了疲劳寿命。 

现在随着冷焊技术应用的成熟,高分子复合材料类冷焊应用较为稳定广泛,其中较具权威的有美国美嘉华高分子复合材料冷焊技术。其可以很好避免热应力变形,同时材料良好的附着抗压、抗腐蚀等综合性能,可以较大限度地满足各种设备部件的使用,从而在低成本的投入下有效保证生产。 

冷焊技术常用的一个方面,便是焊接铸铁件。在焊接工艺中,直接用碳钢焊条补焊铸铁件,其困难有三:一是母体金属碳质向焊缝扩散,在迅速冷却中成为白口铁或高碳钢;二是由于在冷却后母材与焊缝间残存巨大内应力

因此,若不采取特殊工艺措施,施焊中或焊后会随即开裂。即使侥幸成功,也难于作用下一步的切削加工。用冷焊技术便可解决上述问题。焊后工件焊缝强度高于母材,可切削加工。 

焊前首先要清理工件,去除油污,查明裂纹和破损形态。为此可用气焊枪或喷灯加热,再用钢丝刷清理,细微裂纹须用四氯化碳洗净后细心检查。在裂纹端头开孔止裂,再沿裂纹开孔。

清理做好后,需要焊熔敷打底层。首先在焊槽坡口两侧分别熔敷第一层,这一层应薄而均匀,完全覆盖坡口,使以后各层不再接触母体金属。为此,选用尽可能小的电流:交流60~80安,直流略小一点,焊条直径2.5毫米。小于5毫米的薄件,用1.6毫米焊条。为了防止产生热应力,要掌握“继续、分散、低温起焊”的原则。每段以15~25毫米为宜,每次起焊温度要低于60度,并及时撞击。 

清理渣、瘤之后,在打底层上面堆焊第二、三、四层。方法也如打底层一样,但应注意勿再触及母体金属。两侧坡口填充到只剩下3~4毫米缝隙,即可盖面合缝。 

整个焊缝由打底、充填、盖面三种层次组成,各起不同作用。打底层直接与母体金属接触,大量的碳素扩散到这一层,使得本来为低碳钢的焊条材料变成高碳钢,冷却后形成以网状渗碳体为主、夹有马氏体、屈氏体和残余奥氏体的结构,在与母体金属之间的界面上,还会出现一层0.07~0.34毫米的白口铁。

这并非是一个理想的结构,但它在母体金属与焊缝之间形成一堵“墙”,有效地阻挡住碳素再向其后各层扩散,而且,这一层又很薄,他减少了母材成分在焊缝中的融合比,这正是获得成功的关键点。 

填充层除作为焊料之外,另一个重要作用是对底层作多次反复的退火。分析表明:第一层熔敷打底所产生的界面白口铁,在其后作了第二层充填时,已缩减为0.2毫米以下,呈不连续薄片填第三层之后,白口铁进一步缩减到0.0毫米以下,原先白口铁界面只残存极少量不连续薄片,其余均以转化为网状渗碳体+马氏体+残余奥氏体;第三、四层均为低碳钢正火组织:铁素体+索氏体,母材过热区则是片状石墨+回火屈氏体或回火索氏体。 

盖面层的作用是最后的封闭裂缝,它也起着对以前各层焊料的退火作用。由于离母材金属已远,焊料成分不受母体干扰,保持了应有的强度和塑性。此时,所有各层已经多次退火,残余白口铁几乎全部转化,对切削加工已无影响。 

为了防止热应力的破坏作用,采取了相应措施:焊前开透孔,开通槽底使两边金属完全分离,这样在施焊过程的大多数时间里,母体金属可自由涨缩,不致产生过高应力;后期盖面时的热应力主要有塑性盖面层承受,其次,施焊中的气体、熔渣极易排出,再加上分段、断续、低温起焊、锤击等常规措施,均可使热应力的破坏作用减到很低限度。 

经实践证明,此工艺方法在实际生产中成功率达85%以上,经实验,证明焊缝强度超过母材,可以切削加工。“结422”普通焊条比焊铸铁专用高镍焊条便宜许多,全部作业过程又不需特殊装备,因此采用此工艺方法,焊补铸件具有很高的经济效益。 

一、冷焊技术在舰船应急抢修中的应用也非常广泛,主要表现在船体应急修补和关键设备修理两方面。 

(1)船体应急修补现代船舶制造早已突破了传统的铆钉、螺丝、焊接等固定方式,而采用不同材质如铝材、生铁及轻型合成材料的粘合组装技术。由于船舶航行于江、河、海等特殊环境,气候复杂多变,因此存在大量的临时性修理工程,如船体粘接修补、零件的结构粘接和修复等施工。 

(2)水下抢修。大型水面舰艇吨位大、携带仪器设备等比较多,同时担负着重要的战备训练任务,航行的水域环境比较复杂,遇到的临时抢修任务也很多。某舰在航行过程中船体水下部位破裂7个孔洞,直径均在10mm左右,严重影响舰艇航行和主机等设备安全。

抢修人员采用冷焊技术进行修补,根据船体结构和破损部位决定使用加强型MM-UM聚合金属粘结材料附加玻璃纤维布的方法进行局部除锈的表面处理,最后进行水下修复。值得一提的是,该材料具有水中直接施工的特点,,且粘结稳定、牢固,经过6个月以上的航行检验,修补部位完好无损。 

(3)甲板修理。船用甲板敷层种类比较多,对其修补应该重点考虑被修基体的材质。甲板敷层修理时要对被敷层钢板进行表面处理,除油、漆、锈等杂质,并保持干燥。将选定的修补材料进行调制等预处理,均匀涂覆在甲板表面,并刮平光表面,常温固化即可,紧急时可进行加温固化。某艇经过甲板表面处理修复后,修复处性能和正常甲板相近,使用2年以上未出现问题。 


二、关键设备修理 

舰船主机、油柜等关键设备的正常运行关系到整舰的安全航行,对于这些设备损坏和故障应该及时修复,并保持可靠运行。 

      (1)油柜修理。舰船油柜焊缝及油舱底部的高压油管接头焊缝处比较容易泄露,而一旦发生泄露将直接影响油舱中储油品质的变化。由于震动的缘故,这些部位即使是正常焊接也容易再次开裂损坏,考虑这一情况,采用高弹金属——橡胶混合修补剂进行修复,不仅有效堵漏,而且抗震动,经过实船航行验证,效果良好。 

      (2)柴油机修复。船用柴油机由于长期处于环境恶劣的工作环境之中,振动和疲劳严重,缸体外壳往往出现裂纹损伤。某船柴油机缸体出现长达2m以上的裂纹,宽度1mm,渗油严重,如不采取措施裂纹讲继续扩大,严重影响柴油机正常运转。经过现场勘查、论证,采用特制MM-OL钢陶瓷带油修复技术,对缸体表面直接进行修补,快速完成了抢修任务,被修船迅速投入正常航行。 



2019年05月21日

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