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太阳能焊接丨再制造工程车详细介绍

--太阳能焊接维修及再制造工程车

供稿:中国工控网 2016/8/18 11:20:35

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太阳能焊接维修及再制造工程车

1焊接维修及再制造工程总述

1.1缺欠类型

1.1.1永久变形:如弯曲、扭曲、平面凸凹等影响使用的永久变形。可用机械校正或热校正或焊接补强。

1.1.2裂纹空洞:如焊接或铸造中产生的裂纹与气孔,使用中的疲劳裂纹与应力集中处的局部开裂。可用挖补堆焊方法修复。

1.1.3断裂:如裂纹不加以修复可继续扩展,到一定时间达到一定极限使构件断裂失效,如疲劳断裂和应力腐蚀断裂,这种断裂一般容易及时发现,焊接挖补和补强。但对一些机械和结构由于材料或焊接接头的断裂韧性不足,在低温或冲击条件下运行则易产生瞬间迅速整体结构断裂,这种情况往往难以修复。

1.1.4磨损:磨损是最常见的一种失效方式,如列车运行中的车轮和钢轨的磨损、转向架心盘的磨损、车勾勾舌的磨损。如水轮机的泥沙冲蚀磨损、建筑机械、工程机械和农业机械的工作刀刃具的砂石磨损。磨损程度和面积有大有小,基本上都能用堆焊、喷涂喷焊、电火花强化及沉积、电镀及电刷镀恢复尺寸,通过添加合金层,还可获得不同性质的合金层,其硬度和耐磨性超过原来部件,甚至可以用一般材料通过熔敷合金层制成双金属零部件,可节约大量的贵重合金。由维修发展到再制造工程。

1.2再制造工程概述

过去前苏联及我国对这一块都十分重视,有工厂、有教材、有专著、有手册。美国则采取“用后不修即丢弃”,一学美国就不采取旧件修复,因此维修行业和技术日趋冷落。但近些年来,由于节能建材从材料设备工艺和应用范围都有很大的扩展,“用后丢弃”的概念逐渐向“再制造”转变, 再制造已成为降低成本、节材、节能、延寿和改善环境及可持续发展的有效措施。即使在美国,近来也兴起作为一个新兴的产业,并形成了表面科学与工程新学科领域。表面科学与工程发展很快,特别是薄膜技术发展更快,广泛用于各个领域,本文仅就几种通用且与焊接关联很大的方法作简要概述。

1.2.1堆焊:堆焊是应用最广的一种修复和再制造方法,可以用任何焊接方法堆焊,也便于用多种方法掺合金和调整熔合比和层高,生产率高、易于自动化、工艺简单。但只适用于厚层堆焊。焊高碳钢、高合金钢和铸铁裂纹倾向大、工艺复杂,焊接变形应力大。

1.2.2热喷涂:应用很广,生产率居中,零件材料及表面材料几乎不受限制。粉末喷涂可以很方便调整合金成分,但结合为机械结合,强度低、有孔隙、承载能力低,特别是难以承受冲击载荷和干摩擦,但由于有孔隙的储油性能,增高了油润滑匹配件的耐磨性。由于热输入低对零件受热少、变形应力小。由于粗糙度较小,恢复尺寸时加工量小,用于有些静配合时甚至可不加工。为了提高接合强度,发展了喷焊,使其变为冶金结合。为减少喷射离子和基体受热发展了冷喷涂,它不同于传统热喷涂(超速火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等传统热喷涂),它不需要将喷涂的金属粒子熔化,所以喷涂基体表面产生的温度不会超过150℃。冷喷涂的理论基础是:压缩空气加速金属粒子到临界速度(超音速),金属粒子直击到基体表面后发生物理形变。金属粒子撞击在基体表面并牢固附着,整个过程金属粒子没有被熔化,涂层致密性好,可喷涂任意厚度的涂层,可以在任何金属、玻璃、陶瓷和岩石表面喷涂。

1.2.3电火花强化:电火花强化是用两电极间放电来使一极离子向另一极转移沉积,可用作表面沉积强化,又可用于金属刻花和钻孔,在设备维修中很有用,但生产率很低,涂层很薄。为了提高效率,发展了电火花微弧沉积冷焊,可对难焊的铸铁或高合金钢缺欠冷焊修复,以把变形应力和组织变化减到极小。

1.2.4双金属部件:该方法适合于厚层和薄层的再制造工程,它们之间可达到优势互补。这些工艺技术可形成不同使用性能材料的表面层,使达到耐磨、耐冲刷、耐蚀、耐热、隔热、导电(或半导体)及超导、绝缘、辐射、催化、仿生等特殊功能。这些工艺技术能合理利用材料,扩展零部件用途和延寿,还可制造出很多新材料和特殊表层使用性能的零部件及新产品。可大大节省材料(特别是贵重材料)和大大延长使用寿命,可创造出很大的经济和社会效益。

2太阳能焊接维修及再制造工程车

维修工作很多是在无电地区进行,或者在远离有电处所进行,而且一个较大的维修工程往往需要多种方法进行,因此除了需要专一的太阳能焊接车外,还需要一种综合的太阳能焊接工程车。因此必须制作一台太阳能综合焊接工程车。

2.1太阳能电焊接车的制造

第一个设计选的是栓接铝合金结构和4kW差速电机,只制成了一个不锈钢骨架太阳能集装箱车体,成为4.5kW的离网电站。第二个设计完成了电器和控制系统,达到发电并试用于水等离子焊接与切割。后与多家企业联系合作做车未果,后来得到艾格科技公司的大力支持,在技术、人工材料上作了无偿的支持,做成了一台自行式太阳能焊接工程车。由于焊接难度较大、技术复杂、经费极少,故退而采用钢结构和1.5kW电机后桥驱动,虽改用了轻质柔性太阳能板和高效储电池,但仍是小马拉大车。好在该车主要目的不是在多拉快跑,而是在探索太阳能-储电池能量与运动系统规律。

2.1.1底盘及传动机构

底盘及传动机构如图1。底盘是主要承载结构,联接前后桥和走行部分,承受箱体结构的重量,上安装车体,前端联接司机室,即成整车。

 

1底盘及传动机构

2.1.2司机室结构及制作

司机室结构及制作如图2。司机室内安装全部车行控制设备,左侧为车门,右侧预留安装太阳能系统控制柜,外罩钢板。右图为司机室与底架安装完成后开车运行情况,上载七八个人能轻松运行。司机室前安装前车灯和后视镜。

 

2司机室结构及制作和完成后运行情况

2.1.3车体结构及整车形貌

车体结构仍为钢框架结构,下侧墙为钢板复面如图3a),后墙为两扇大门,空格处安装太阳能电池板,上顶为1m2柔性多晶硅太阳能电池板8块共1.2kW。上侧墙为1.6×0.8m2柔性单晶硅太阳能电池板4块共1.0kW,司机室顶斜面还可装0.3kW(现未装)。全部安装完成后外貌如图3b),上侧墙太阳能电池板在车行时关闭,车停时张开提高充电效率,中部为玻璃窗。

 

3车体结构及整车形貌

2.2车内布置

车内布置如图4。其中a)为焊接工程车。中间两大铁柜合为一焊接平台,下面柜内底层

 

4太阳能焊接车及测试公务车布置

放电池。中层放焊接设备及工具,柜边有电源插座,随插随用。外出服务时可用相应功率的服务车带设备外出服务。图中b)为测试车及公务车,台上放桌布,四周有折叠凳可布置为会议桌,旁边空间有折叠方桌和方凳和4个可放沙发垫的沙发。四个长凳可组成一个单人床。

3内载主要设备及功能

焊接维修和再制造方法很多,仅介绍几种由焊接派生出的常用的方法及设备组合。

3.1水等离子焊接与切割[1]

3.1.1水等离子焊接与切割设备及应用

水等离子切割与焊接是将水(焊接时用50%的酒精水溶液)加热成蒸汽并完全电离产生等离子弧,其温度可达8000℃,其焊机结构技术参数和应用如图5。野外工作有4kW太阳能电池和储电池即可使用,可达300A的电焊机的功能,与常规焊接设备比,可节电3/4,不产生有害气体,紫外线很弱,安全环保,可进行各种金属(例如碳钢、合金钢、铸铁、铜合金、铝合金等)切割、焊接、钎焊、预热、重熔、工件整形等,可进行异种金属焊接,甚至可切割绝缘材料,例如石英玻璃、陶瓷、水泥、石块等,不用氩气,一机多用,节能减排。

 

5水等离子焊接与切割设备及应用

3.1.2我校试验证明,用于粉末合金堆焊可大大提高焊层硬度和耐磨性,如图6

 

6水等离子粉末合金堆焊的试验结果

3.2电火花强化沉积和冷焊

3.2.1电火花强化[2]

电火花强化过程设备及电路原理如图7。该设备为早期研制,一部分试验及试用结果如

 

7电火花强化过程设备及电路原理图

由图8看出其强化规律,硬化效果都很好,耐磨性及寿命,呈数倍提高,但生产效率很低,现准备对设备加以改造,增大电容,直接用太阳能-储电池直流系统供电以提高效率。

 

8强化规范及材料匹配对硬度的影响及使用效果

3.2.2电火花微弧沉积和冷焊

电火花沉积冷焊是在电火花强化基础上发展起来的,小规范时强化,中规范时沉积,大规范时进入微弧冷焊,其沉积冷焊过程性能及其与电火花强化的比较如图9,电极由电磁振动送进变为氩气保护和旋转送进。

 

9沉积冷焊过程性能及其与电火花强化的比较

3.2.3智能电火花修复冷焊机(本车配置)

LD-E8型智能电火花修复机的结构及技术参数如图10。该机采用矩形波脉冲电源,脉冲频率、占空比、峰值电压均可调节。可采用电动旋转机头,也可采用超声振动机头,可进行电火花强化和沉积冷焊,用超声振动机头强化沉积时,由于超声振动去膜和锤击搅拌,提高了效率和质量,降低了功率要求,可不用氩气保护,而且高效优质,是一种新方法。

 

10LD-E8型智能电火花修复机的结构及技术参数

3.2.4氩弧焊脉冲控制器与TIG焊联合微弧冷焊(本车配置)

近与氩弧焊机结合电火花微弧沉积如图11,据称在薄板焊接或冷焊中达到激光焊效果,商家称为仿激光焊,该机规范调整范围大效率更高。

 

11氩弧焊脉冲控制器与TIG焊联合微弧冷焊

3.3电容螺柱焊

3.3.1轻型电容螺柱焊设备焊件及焊机的技术参数

轻型电容螺柱焊设备焊件及焊机的技术参数如图12。螺柱焊是一种杆-板焊接方法,把杆或螺柱直接焊接在板件或物体上,以连接其他物体,广泛用于制造和维修各部门,可代替铆接、栓接以减少在板件或物体上钻孔和受力时的孔边应力集中。螺柱焊有电容螺柱焊、电弧螺柱焊和电渣螺柱焊。本车配置电容螺柱焊,已能基本满足常用维修及再制造的要求。

 

12轻型电容螺柱焊设备焊件及焊机的技术参数

3.3.2本车搭载的电容螺柱焊设备

本车搭载的电容螺柱焊设备焊件及焊机的技术参数如图13。本图给出了电容储能焊接系统详细的构造细部,有利于设备的使用和维修。

 

13本车搭载的电容螺柱焊设备焊件及焊机的技术参数

3.4超声波设备及其应用

超声波是超过20000Hz的声波。用高频电流的交变,使振子声极系统通过压电陶瓷材料,将电能转化为超声振动能,在焊接和维修及再制造工程中广泛应用。

3.4.1超声波焊接

通过声极极头,使工件物质产生振动,在压力下摩擦生热加热到塑性状态,完成固相接触焊接。用超声波振动破坏工件氧化膜并产生空化作用,有利于浸润铺展和扩散焊接,可作到无钎剂焊接。用超声波振动搅拌熔化焊熔池,可提高焊缝冶金质量。超声波电火花沉积冷焊就能使焊接生产效率和焊缝质量都有所提高,常用超声波焊接如图14

 

14常用超声波焊接

3.4.2超声波强化和冲击处理[6]

焊接会产生变形和应力,特别是缺欠的焊补,是在刚性体中堆焊,焊接过程中由于拘束应力,可能当时就产生裂纹,即使不裂,也会产生很大的平面或三向拉应力,对使用强度产生影响。用超声冲击可以把焊缝处拉应力变成压应力,还可强化表面、细化表层组织、减少应力集中源、提高疲劳强度如图15

 

15超声波强化和冲击处理及处理效果

3.4.3超声波测试

超声波可以在物体中传播,传播速度随介质而异,遇到介质宊变,会产生反射,利用此原理可进行硬度测试,残余应力测试和无损缺欠检测,是维修及再制造中必要的检测手段。

4结束语

选用水等离子焊是由于多功能和节能。选用电容储能焊接设备为太阳能焊接维修和再制造主体设备,其一是因为特别节能。例如一台焊416mm螺栓的电弧螺柱焊机要用21kVA焊机,机重170kg;而焊412mm螺栓的电容储能螺柱焊机只需0.4kW焊机,机重只有17kg,如用于接触点焊、缝焊、对焊和凸焊,也会有很大的节能效果。其二是易与太阳能电动车结合共用电源,降低设备成本,提高能源利用效率。其三是易于作到用太阳能系统直接焊接,省去逆变环节。其四是随着高功率密度超级电容的发展,将使太阳能电动车和储能焊机更快的发展。同时测试和焊后处理也特别重要。一个完整的焊接维修及再制造工程,从检测成型挖补到厚层堆焊和薄层熔敷,从热处理去应力和强化,均可用车载先进设备和技术完成。更难得的是自带太阳能-储电池能源系统供车行和焊接,工作方便、节能减排效率高、成本低。

 

审核编辑(王雪)
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