DT4材料螺紋激光熔覆修復方法研究

王亞軍　周騁　張傳勇　江怡南

摘要：燃油電磁閥用于燃油系統中油路的控制，在產品修理過程中經常遇到螺紋倒牙、斷扣、滑扣的情況，影響螺紋的連接強度。針對燃油電磁閥的線圈組件用材料DT4，使用激光熔覆的方法進行修復，修復前進行焊接強度論證，修復后進行無損檢測及性能檢查。結果表明：對于DT4材料，可采用激光熔覆的方法進行焊接修復，修復后的產品強度滿足要求;直接在原螺紋上進行焊接修復影響焊接質量，修復時需去除原螺紋，以免出現裂紋、結合面縫隙等情況;降低激光功率可減小或消除焊接氣孔。

關鍵詞：燃油電磁閥;螺紋;DT4;激光熔覆

中圖分類號：TG456.7 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）12-0074-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.15

0 前言

電磁閥是一種在電磁力作用下動作的執行機構，電磁閥工作時，給線圈加上額定電壓使線圈帶電勵磁，鐵心帶動閥芯克服彈簧力動作，打開或關閉閥門，控制介質流動。線圈斷電時，磁場力消失，閥芯在彈簧力作用下回到初始狀態[1]。DT4是一種碳含量很低的鐵基軟磁合金，由于其具有飽和磁感應強度高、矯頑力低、磁導率高、冷熱加工性能好、價格便宜等優點[2]，在電磁領域和航空工業中得到了廣泛應用[3]。

某型飛機燃油電磁閥的線圈組件采用DT4材料，在電磁閥修理過程中出現線圈組件螺紋倒牙、斷扣、滑扣等損傷情況，導致螺紋的連接強度下降。

螺紋損傷是一種常見的故障模式，一般情況下額外摩擦力和裝配過程中產生的熱量是導致螺紋副損傷、咬死的主要原因，相似材料的使用、螺紋副表面粗糙度及多余物都能增加螺紋副損傷及咬死的風險。目前對螺紋損傷的應力分析、檢測評判研究較多，對螺紋損傷的焊接修復方法研究較少。李文頂等人[4]對不銹鋼螺紋聯接副損傷及咬死現象進行了分析，并提出了潤滑、涂覆、熱控制等改進措施。李廣明[5]對動車組轉向架構架螺紋孔損傷機理進行了研究，得出環境因素、結構因素、過程管控為損傷的主要原因，提出了控制潔凈度、檢查螺紋孔狀態、噴涂緩釋劑、避免強行拆卸等對策。余作長等人[6]對輕微損傷小升角內螺紋的螺紋副應力進行了分析并對輕微損傷提出了打磨、拋光等處理方法。沈燁超等人[7]利用電火花沉積的方法對損傷的半軸套管螺紋進行了修復，并使用滲透、磁粉等方法對修復區進行無損檢測。

激光熔覆是采用激光作為熱源，將粉末或絲材等材料熔覆在基體材料之上，并形成冶金結合的熔覆工藝，堆積材料可通過送粉或送絲的形式預置于基體上。激光熔覆具有熱影響區小、熔覆速率快、覆層稀釋率低、與基體結合強度高、覆層裂紋傾向低、熔覆厚度大、成型精度高、耐磨損等特點，廣泛應用于再制造領域。孟氫鋇等人[8]利用激光熔覆方法對軸類部件損傷部位進行修復，恢復了軸類部件的力學性能。鄧蘋等人[9]研究了微變形激光熔覆焊接工藝并完成了安裝座板的焊接修復。閆曉玲等人[10]對激光熔覆再制造涂層應力的無損評價方法進行了研究，提高了檢測的可靠性。黃勇[11]等人對激光熔覆的再制造可視化損傷修復區域進行了研究，提出了一種損傷邊界識別及關鍵尺寸提取方法，并進行了相關試驗驗證。

文中采用激光熔覆的焊接方式對損傷的螺紋進行修復，之后重新加工螺紋，保證了產品的使用性能。

1 概述

某型飛機燃油電磁閥用于燃油系統中控制燃油的接通與斷開。燃油電磁閥的結構原理如圖1所示，主要由線圈組件、銜鐵、底座組件、殼體組件、彈簧、堵蓋、墊片等零部件組成。燃油通過進口進入產品中，在線圈組件斷電的情況下，底座組件受到彈簧的彈力作用，阻斷燃油流向出口;在線圈組件通電的情況下，底座組件在銜鐵的作用下克服彈簧的彈力，使得燃油順利流向出口。

線圈組件和殼體組件使用螺紋連接并通過墊片密封，在燃油電磁閥修理過程中，需要將線圈組件從殼體組件上分解下來，但是由于連接螺紋嚴重咬合導致分解后線圈組件上的螺紋出現損傷，如圖2所示。

在電磁閥修理過程中易出現線圈組件螺紋倒牙、斷扣、滑扣等損傷情況，導致螺紋的連接強度下降，無法保證燃油電磁閥的正常工作性能，損傷的螺紋如圖3所示。

線圈組件的待修復螺紋為DT4材料，其化學成分如表1所示，電磁性能如表2所示。

DT4材料含碳量極低，無淬硬傾向，焊接性能良好，適用于各種方法的焊接。因激光熔覆具有熱影響區小、結合強度高、焊接精度高等特點，故采用激光熔覆的焊接方式對損傷的螺紋進行修復。

2 修復方案

2.1 焊接強度論證

對DT4材料進行激光熔覆粉末匹配并進行激光熔覆試驗，以驗證激光熔覆后試樣的力學性能是否滿足該產品的使用性能。由于目前激光熔覆領域無DT4粉末，因此按等強度原則選取了強度相近的BLT-G01粉末進行激光熔覆。設計專用的焊接試件，結構尺寸如圖4所示。用電子試驗機對試件進行拉伸試驗，結果發現試件抗拉強度為289 MPa，而DT4材料的抗拉強度在76～274 MPa，滿足產品強度要求。

2.2 設計焊接工裝

根據線圈組件螺紋部分的內部結構尺寸設計專用的焊接工裝，結構尺寸如圖5所示，工裝與線圈組件內孔的配合間隙按0.1 mm進行設計，材料為銅，焊接時將焊接工裝置于圖2的虛線框中，用于激光熔覆時熱量傳遞，并阻止線圈組件孔徑發生變形。

2.3 焊接工藝參數

激光熔覆粉末選用BLT-G01，激光功率800～1 200 W，掃描速度0.01 m/s，載粉氣380～400 L/h，搭接率40%～50%，光斑直徑2 mm;單道熔覆層高度不大于0.5 mm。

2.4 焊接方案

根據螺紋損傷形態制定兩種焊接方案：一種是將毛刺去除后直接在損傷的螺紋上進行激光熔覆，焊后車制螺紋;另一種是將現有的螺紋全部車修去除，然后在光桿上進行激光熔覆，焊后車制螺紋，兩種方案加工后的螺紋如圖6所示。

由圖6可知，方案1加工的螺紋焊接質量較差，表面存在疑似裂紋且焊接部分與原螺紋的結合面存在狹長的縫隙，方案2加工的螺紋表面質量明顯好于方案1，僅存在部分氣孔，因此選擇方案2。

為消除焊接氣孔，對激光功率、光斑直徑、熔覆速度等焊接工藝參數進行研究。實驗表明，激光功率越大，熔化的熔覆金屬量越多，產生氣孔的概率越大，適當地降低激光功率，可減小或消除焊接氣孔。將激光功率由1 200 W降低至800 W，修復后的螺紋對比如圖7所示，可以看出，降低激光功率后，氣孔消除。

2.5 無損檢測

由于激光熔覆粉末選用的BLT-G01粉末（奧氏體不銹鋼），不含有磁性，無法使用磁粉探傷進行判定，X射線檢測原理為投影檢測，因螺紋交替相互干擾無法進行X射線檢查內部情況，因此選用與磁粉探傷靈敏度和探傷區域相近的著色進行檢測，無損檢測結果為“無裂紋”。

2.6 性能檢查

（1）電阻檢查：對線圈組件電阻進行測量，應符合要求。

（2）強度試驗：給產品進口加壓，保持10 min，不允許外部滲漏。

（3）抗電強度試驗：用500 V、50 Hz交流電壓檢查導電零件和殼體之間的電絕緣強度，1 min內不允許擊穿。

（4）絕緣強度檢測：用500 V兆歐表測量線圈絕緣電阻，應符合要求。

（5）工作電流檢測：對電磁閥進行通電檢查，經過線圈組件的電流應符合要求。

（6）起動電壓檢測：給電磁閥進口輸入壓力，由零緩慢提高線圈組件的輸入電壓，檢查電磁閥第一次接通時的起動電壓，應符合要求。

（7）工作性能檢查：給電磁閥進口輸入壓力，在不同的壓力下設置不同的電壓，產品應正常工作。

（8）釋放電壓檢測：給電磁閥進口輸入壓力，給線圈組件輸入電壓，緩慢降低輸入電壓，線圈組件釋放、電磁閥關閉時的電壓應符合要求。

（9）密封性試驗：堵塞電磁閥出口，給電磁閥進口輸入壓力，給線圈組件輸入電壓，保持5 min，不允許外部滲漏。

（10）內漏檢測：線圈組件斷電，給電磁閥進口輸入壓力，保持5 min，出口泄漏應符合要求。

（11）流量檢測：給電磁閥進口和出口之間設置輸入壓力，線圈組件輸入電壓，測量出口流量應符合要求。

3 結論

線圈組件經過焊接強度論證、車修去除螺紋、激光熔覆修復，車修加工螺紋、無損檢測、性能檢查等步驟完成了螺紋的再制造修復，滿足了電磁閥的使用要求。

（1）可采用激光熔覆的方法對DT4材料進行焊接修復，修復后的產品強度滿足要求。

（2）直接在原螺紋上進行焊接修復影響焊接質量，使用激光熔覆的方法對螺紋進行焊接修復時需要將原螺紋去除，以免出現裂紋、結合面縫隙等情況。

（3）適當地降低激光功率，可減小或消除焊接氣孔。

參考文獻：

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[11] 黃勇，孫文磊，周超軍，等. 基于激光熔覆的再制造零件可視化損傷修復區域規劃[J]. 焊接學報，2017，38（11）：51-56.

收稿日期：2020-07-10;修回日期：2020-08-31

基金項目：裝備預研領域基金項目（61409230509）

作者簡介：王亞軍（1988— ），男，碩士，工程師，主要從事航空產品再制造技術研究。E-mail：wangyajun366@163.com。