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[摘 要]煤炭工业作为国民经济的基础产业，一直是国家发展的重点对象。针对煤矿大型采煤机、掘进机、通风机、主提升机等主轴损坏后的修复，本文探讨了采煤机主轴密封段轴径磨损的焊补工艺，并采用电火花堆焊工艺现场修复，获得满意效果和成功经验。
[关键词]采煤机滚筒主轴 轴颈 磨损 电火花堆焊
中图分类号：F407.21 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）09-0291-01
一、引言
煤炭工业作为国民经济的基础产业，一直是国家发展的重点对象。近二十年是我国煤炭行业发展史上发展最快，成就最大的时期。随着大型煤矿数量的增加、单机容量和参数的不断提高，机组的维护、修复日趋复杂重要。作为煤矿機械的心脏部件——各种机械主轴，因其运行精度高，运行速度快，制造成本高，一旦损坏，直接导致整个机组输出功率下降甚至瘫痪，成为煤矿修复工作的重中之重。针对采煤机滚筒轴径常见的磨损缺陷，技术人员曾采用热喷涂、氩弧焊等多种工艺进行修复[2]，但效果均不能令人满意。最近国外也有应用激光熔覆工艺修复采煤机主轴轴径的报道，但其昂贵的修复成本，在国内应用有一定困难。本文采用DZ-1400型电火花堆焊设备（简称 ESD）对磨损的采煤机主轴密封段轴径现场修复，获得满意效果和成功经验。
二、 采煤机主轴轴径的磨损
为保证采煤机主轴在大功率和无冷却的运行，运行中轴径与轴瓦的间隙保持在0.075～0.125mm。如果轴径发生磨损或拉伤，密封层中的油压难以维持均衡，润滑油就会泄露，轴径与轴瓦间的密封层被完全破坏主轴的大扭矩运转受到阻碍，采煤机组输出功率降低，严重时可导致机组不能工作。图1是转子轴径磨损后的示意图。
三、 电火花堆焊
电火花堆焊工艺原理
电火花堆焊工艺是将电源存储的高能量电能，在电极与金属母材间瞬时高频释放，形成空气电离通道，使高合金电极与母材表面产生瞬间微区高温、高压的物理化学冶金过程；同时在微电场作用下，微区内离子态的电极材料熔渗、扩散到母材基体，形成冶金结合。
由于堆焊过程是在瞬间的高温-冷却中进行的，在狭窄的堆焊过渡区会得到超细奥氏体组织。另外，堆焊是在微区内快速进行，对母材的热输入量极低，焊层的残余应力小至可忽略不计。
综上，电火花堆焊工艺有别于焊接、喷涂或元素渗入等工艺。简单地讲，是介于它们中间的工艺，是间有焊接等工艺的一些特点，又有热输入量小、焊层与母材冶金结合等独特优点的工艺。在某些特殊要求应用上，电火花堆焊工艺弥补了其他工艺的不足。
四、 试验与分析
（一）、 试样的制备
根据主轴轴径的通用材料，选择35CrMoA作为试样基体材料，尺寸为25mm×10mm×50mm。
堆焊电极材料的选择是根据煤矿机械的要求：堆焊层硬度与基体一致，具有自润滑、自磨光、抗气蚀特性与高合金含量。我们选择规格为Φ3.2mm×6.0mm的因康镍高合金棒作为堆焊电极。
首先用砂纸、铜丝刷清除试样表面的氧化物，然后用丙酮溶液清洗试样表面油污。预处理后，将试样基体与电火花堆焊机的地线紧固连接，在试样表面堆焊，堆焊厚度为1mm。
电火花堆焊后，用线切割方法获得堆焊层截面，并制备金相试样。
（二）、试验分析
（1）堆焊层无气孔、氧化物夹渣、裂纹等焊接缺陷。
（2）堆焊层、母材过渡层的晶粒细小，无长大倾向。
（3）堆焊层组织为极细小柱状晶结构，证明该堆焊层具有良好的耐腐蚀、耐磨损性能。
堆焊层Ni、Cr元素的能谱分析，经测量，电火花堆焊的热影响区厚度仅为10μm。这不仅证明电火花堆焊可得到与母材良好冶金结合的堆焊层，还显示堆焊热影响区极窄，焊接残余应力可忽略不计。
堆焊层=>热影响区=>基体的显微硬度测定，可知堆焊层、热影响区的平均硬度与基体硬度HV220极其接近。
（三）、分析结果
试验证明，在35CrMoA基体上，采用电火花堆焊工艺堆焊因康镍合金，堆焊层与母材冶金结合，无焊接缺陷。焊后热影响区极窄（当堆焊层达到1mm时，热影响区仅为0.01μm），堆焊层硬度与基体硬度相符。上述分析结果符合电站方面对电机转子轴径修复的要求。
五、 现场修复
（一）、预处理
首先，将轴径磨损部位的边缘锐角用锉锉钝，然后用砂纸或平锉清除待修复面的氧化层和疲劳层。使用铜丝刷或高压空气将铁削清理干净后，用丙酮溶液清洗轴径表面油污。
（二）、电火花堆焊设备准备
由于采煤机主轴体积大，重量达几吨，拆装、运输困难，修复工作只能在现场进行。将DZ-1400型电火花堆焊机就近安置在轴径待修复处（以堆焊枪能够在磨损部位自由移动为最佳位置）。确认AC220V输入电源和工业用纯氩气气源与堆焊机的快速接头正确连接。将氩气流量设定在7 l/min（气流过高，会导致保护失效，空气卷入影响堆焊质量），电极的伸出量应控制在2—3mm为宜，以保证堆焊过程中氩气的保护效果。
（三）、堆焊
参照设备手册提供工艺，在电机转子轴径磨损处进行电火花堆焊，以得到银白色均匀焊层为最佳效果。每堆焊一层（厚约50μm），肉眼检查堆焊层是否有氧化物等焊接缺陷，如有，用什锦锉清除并用铜丝刷清理后，再堆焊下一层。
堆焊层接近到修复尺寸时，用刃口平尺找平，堆焊层以高出最终修复尺寸50--70μm为宜。堆焊完成后，如检查发现存在漏焊点、面，可补焊。
（四）、后加工
电火花堆焊完成后，由钳工对轴径修复面进行尺寸恢复和最终抛光。修复标准参轴径的技术要求。图2是堆焊修复后研磨抛光后的采煤机主轴密封段轴径。
六、 结论
（一）、电火花堆焊层与母材冶金结合，堆焊热影响区极窄，残余应力可忽略不计。
（二）、采用电火花堆焊工艺修复煤矿大型采煤机械主轴密封段轴径，可在线操作，工艺简单。补焊后加工量小，减少停机时间。
（三）、采用电火花堆焊工艺对煤矿大型机械主轴密封段轴径修复取得成功，获得巨大经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 电力可靠性管理中心，全国大机组手册[M]，1998，4
[2] 电站焊接技术展望[C]，中国电机工程学会建会六十周年学术报告论文专集
[3] Williams A，D.，Humphries J.L.第十五届国际热喷涂大会（ITSC’98）论文精选。
[关键词]采煤机滚筒主轴 轴颈 磨损 电火花堆焊
中图分类号：F407.21 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）09-0291-01
一、引言
煤炭工业作为国民经济的基础产业，一直是国家发展的重点对象。近二十年是我国煤炭行业发展史上发展最快，成就最大的时期。随着大型煤矿数量的增加、单机容量和参数的不断提高，机组的维护、修复日趋复杂重要。作为煤矿機械的心脏部件——各种机械主轴，因其运行精度高，运行速度快，制造成本高，一旦损坏，直接导致整个机组输出功率下降甚至瘫痪，成为煤矿修复工作的重中之重。针对采煤机滚筒轴径常见的磨损缺陷，技术人员曾采用热喷涂、氩弧焊等多种工艺进行修复[2]，但效果均不能令人满意。最近国外也有应用激光熔覆工艺修复采煤机主轴轴径的报道，但其昂贵的修复成本，在国内应用有一定困难。本文采用DZ-1400型电火花堆焊设备（简称 ESD）对磨损的采煤机主轴密封段轴径现场修复，获得满意效果和成功经验。
二、 采煤机主轴轴径的磨损
为保证采煤机主轴在大功率和无冷却的运行，运行中轴径与轴瓦的间隙保持在0.075～0.125mm。如果轴径发生磨损或拉伤，密封层中的油压难以维持均衡，润滑油就会泄露，轴径与轴瓦间的密封层被完全破坏主轴的大扭矩运转受到阻碍，采煤机组输出功率降低，严重时可导致机组不能工作。图1是转子轴径磨损后的示意图。
三、 电火花堆焊
电火花堆焊工艺原理
电火花堆焊工艺是将电源存储的高能量电能，在电极与金属母材间瞬时高频释放，形成空气电离通道，使高合金电极与母材表面产生瞬间微区高温、高压的物理化学冶金过程；同时在微电场作用下，微区内离子态的电极材料熔渗、扩散到母材基体，形成冶金结合。
由于堆焊过程是在瞬间的高温-冷却中进行的，在狭窄的堆焊过渡区会得到超细奥氏体组织。另外，堆焊是在微区内快速进行，对母材的热输入量极低，焊层的残余应力小至可忽略不计。
综上，电火花堆焊工艺有别于焊接、喷涂或元素渗入等工艺。简单地讲，是介于它们中间的工艺，是间有焊接等工艺的一些特点，又有热输入量小、焊层与母材冶金结合等独特优点的工艺。在某些特殊要求应用上，电火花堆焊工艺弥补了其他工艺的不足。
四、 试验与分析
（一）、 试样的制备
根据主轴轴径的通用材料，选择35CrMoA作为试样基体材料，尺寸为25mm×10mm×50mm。
堆焊电极材料的选择是根据煤矿机械的要求：堆焊层硬度与基体一致，具有自润滑、自磨光、抗气蚀特性与高合金含量。我们选择规格为Φ3.2mm×6.0mm的因康镍高合金棒作为堆焊电极。
首先用砂纸、铜丝刷清除试样表面的氧化物，然后用丙酮溶液清洗试样表面油污。预处理后，将试样基体与电火花堆焊机的地线紧固连接，在试样表面堆焊，堆焊厚度为1mm。
电火花堆焊后，用线切割方法获得堆焊层截面，并制备金相试样。
（二）、试验分析
（1）堆焊层无气孔、氧化物夹渣、裂纹等焊接缺陷。
（2）堆焊层、母材过渡层的晶粒细小，无长大倾向。
（3）堆焊层组织为极细小柱状晶结构，证明该堆焊层具有良好的耐腐蚀、耐磨损性能。
堆焊层Ni、Cr元素的能谱分析，经测量，电火花堆焊的热影响区厚度仅为10μm。这不仅证明电火花堆焊可得到与母材良好冶金结合的堆焊层，还显示堆焊热影响区极窄，焊接残余应力可忽略不计。
堆焊层=>热影响区=>基体的显微硬度测定，可知堆焊层、热影响区的平均硬度与基体硬度HV220极其接近。
（三）、分析结果
试验证明，在35CrMoA基体上，采用电火花堆焊工艺堆焊因康镍合金，堆焊层与母材冶金结合，无焊接缺陷。焊后热影响区极窄（当堆焊层达到1mm时，热影响区仅为0.01μm），堆焊层硬度与基体硬度相符。上述分析结果符合电站方面对电机转子轴径修复的要求。
五、 现场修复
（一）、预处理
首先，将轴径磨损部位的边缘锐角用锉锉钝，然后用砂纸或平锉清除待修复面的氧化层和疲劳层。使用铜丝刷或高压空气将铁削清理干净后，用丙酮溶液清洗轴径表面油污。
（二）、电火花堆焊设备准备
由于采煤机主轴体积大，重量达几吨，拆装、运输困难，修复工作只能在现场进行。将DZ-1400型电火花堆焊机就近安置在轴径待修复处（以堆焊枪能够在磨损部位自由移动为最佳位置）。确认AC220V输入电源和工业用纯氩气气源与堆焊机的快速接头正确连接。将氩气流量设定在7 l/min（气流过高，会导致保护失效，空气卷入影响堆焊质量），电极的伸出量应控制在2—3mm为宜，以保证堆焊过程中氩气的保护效果。
（三）、堆焊
参照设备手册提供工艺，在电机转子轴径磨损处进行电火花堆焊，以得到银白色均匀焊层为最佳效果。每堆焊一层（厚约50μm），肉眼检查堆焊层是否有氧化物等焊接缺陷，如有，用什锦锉清除并用铜丝刷清理后，再堆焊下一层。
堆焊层接近到修复尺寸时，用刃口平尺找平，堆焊层以高出最终修复尺寸50--70μm为宜。堆焊完成后，如检查发现存在漏焊点、面，可补焊。
（四）、后加工
电火花堆焊完成后，由钳工对轴径修复面进行尺寸恢复和最终抛光。修复标准参轴径的技术要求。图2是堆焊修复后研磨抛光后的采煤机主轴密封段轴径。
六、 结论
（一）、电火花堆焊层与母材冶金结合，堆焊热影响区极窄，残余应力可忽略不计。
（二）、采用电火花堆焊工艺修复煤矿大型采煤机械主轴密封段轴径，可在线操作，工艺简单。补焊后加工量小，减少停机时间。
（三）、采用电火花堆焊工艺对煤矿大型机械主轴密封段轴径修复取得成功，获得巨大经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 电力可靠性管理中心，全国大机组手册[M]，1998，4
[2] 电站焊接技术展望[C]，中国电机工程学会建会六十周年学术报告论文专集
[3] Williams A，D.，Humphries J.L.第十五届国际热喷涂大会（ITSC’98）论文精选。