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

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。

图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。

图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。

图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

图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。

图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。

图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

图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。

图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。

图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。

图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。

图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。

图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。

图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。

图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。

图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4～16mm螺栓的电弧螺柱焊机要用21kVA焊机，机重170kg；而焊4～12mm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。