技术领域
[0001] 本
发明涉及万向联轴器领域，特别涉及到一种万向联轴器的万向连杆断裂修复方法。
背景技术
[0002] 目前，广泛应用在热连轧粗
轧机、大型型
钢轧机、穿孔机、中宽厚板及炉卷轧机等重型机械的主传动装置上的重载及超重载一字轴式万向联轴器的万向连杆极易损坏：一方面是由于用在上述大型设备中的重载及超重载万向联轴器的体积庞大，回转直径在φ650毫米(mm)至1300毫米(mm)之间不等，
扭矩2300千
牛·米至19405千牛·米，导致其在设备启动、故障停机时瞬间受到巨大的冲击
载荷，即瞬间扭
力矩很大的冲击载荷作用；另一方面，在作业过程中还要受到
频率很高的交变冲击载荷的作用力的影响。
[0003] 综上所述，造成上述断裂的机理是：万向连杆的轴颈根部的疲劳断裂是其主要的失效形式。要解决该部件的强度问题存在如下几个技术难点：首先，受设备空间的制约，不能通过增加万向连杆尺寸的方式来提高重载及超重载一字轴式万向联轴器整体的承载能力；其次，本装置在运行中存在
应力集中的问题，应力集中导致万向连杆轴颈底部的疲劳断裂；最后，
现有技术中的万向连杆主要采用钢坯
热锻成型，再以数控机床加工其轴颈，而万向连杆的轴颈根部的过渡结构大多采用单圆弧面平滑过渡或者台阶型过渡。采用单圆弧面过渡的万向连杆易因为过渡圆弧尺寸过大而受到一字轴结构尺寸的限制，无法克服应力集中的问题，采用这种过渡方式的万向连杆依然在轴颈根部产生应力集中，在使用中仍旧容易发生断裂，此外该结构的
机械加工难度较大，工艺性欠佳，影响生产效率的提高；故大多采用台阶型过渡圆
角的结构方式。万向连杆存在截面形状的突然变化，在这些形状突变处存在较大的应力集中现象，即是在重载负荷作用下，扭力矩大于2800千牛·米时，极易造成断裂，是当前无法有效解决易断裂的难题。
[0004] 因此，重载及超重载万向联轴器的关键部件万向连杆的轴端和轴身连接处极易发生断裂而导致报废。常规
焊接修复裂纹的熔覆金属材料、强度、
温度、技术、工艺、热量
变形难以控制，很容易造成
焊缝的焊接温度高，而引起的热变形。加之因焊接施工工艺措施不当，焊接部分残留的焊接应力过大、强度不均，而产生新的裂纹，加剧了
热应力扩散，不可避免得再次引起了新的变形，导致无法使用而直接影响了正常生产，是企业急需解决的一大难题。
[0005] 开发一种无热应力变形的修复工艺，是万向联轴器易损件修复的课题。
[0006] EP1930116A2公开了一种裂纹修复工艺，其是直接在裂纹内熔敷填充纳米
合金28，然后 在纳米合金28上熔敷填料合金30，上述合金优选是用于
汽轮机配件的镍基或钴基超合金。上述工艺不能修复潜在的裂纹。
[0007] US2005015980A1公开了汽轮机零件的裂纹修复方法，在裂纹16处加工出修复槽18，该修复槽18的深度不能延伸到下面的空腔14中，该修复槽18的加工方法可以是手工磨削、机加工和电火花加工。在修复槽18中熔敷填充材料20,采用微
等离子体焊接机熔敷。低安倍数的微
等离子焊接工艺在修复槽18中输入
热能，使得汽轮机零件的修复槽18表面有厚度较薄的热影响层22。该影响层降低了修复后的汽轮机零件的强度。
发明内容
[0008] 本发明为解决现有技术中存在的问题，提供一种操作简单、快速应急，修复
质量高、无变形、成本低的万向联轴器轴位和轴身连接处断裂的修复方法。
[0009] 本发明具有如下优点：
[0010] 1、
冶金结合力≥500N，与基体材质结合强度相一致，达到不变形、不切根、不剥落的技
[0011] 术要求，FGM-KM材料与基体结合自熔性好，流动性好。
[0012] 2、恢复厚度可达1—1000毫米(mm)以上。
[0013] 3、耐磨、耐冲击、耐热疲劳，抗摩擦、磨损、冲刷磨损、颗粒磨损其冲击韧性均高于新
[0014] 件，使用寿命是新件的1—5倍，价格仅仅是新件5％--25％。
[0015] 4、制定弥散强化复合梯度功能材料(FGM--KM)《，快速修复》技术标准条例。详见著作权号：2011-A-038708。
[0016] 本发明是这样实现的，一种万向联轴器万向连杆裂纹修复工艺，
[0017] 1)清洁探伤检查并确认联轴器万向连杆整体各部位的损伤程度；
[0018] a、表面清理油污、锈斑层、疲劳层及不规则裂纹，采用着色探伤和
超声波探伤相结合确保对基体裂纹进行全面检测，得出准确无误的诊断结果；不允许遗漏任何
缺陷隐患。
[0019] b、万向连杆轴端与本体轴身连接处存在的裂纹，此处是
剪切应力最集中地方，采取
车削工艺去除，具体为：以裂纹为中心线，向两侧平分，用车刀车出单面呈U型坡口，两面同时车削，则坡口上下呈 型；在车削时加
切削液冷却，严格控制轴体温度以不烫手为准，约40～50℃为适；
[0020] c、采用着色探伤和
超声波探伤相结合进行检测，确保基体缺陷清理彻底；
[0021] d、粗化处理:清洗除去油污层，车削去除疲劳层5-10毫米，再进行超声波探伤确认有无裂纹缺陷；
[0022] e、
净化处理：用
氧化钠(NaOH),
碳酸钠(Na2CO3),
硝酸钠(NaNO3)消除待修
工件金属 表面的碎屑及残留物；
[0023] 2)一次
退火：取样检测基体的化学元素成分，并确认各元素在基体中所占比例，计算出膨胀系数，按膨胀系数设计联轴器万向连杆的整体升温及降温的时间和速度，进入离子
辐射炉，梯度升温；
[0024] 3)按结合层、过渡层、工作层、加工层呈梯度采用浸熔法配制熔敷合金；通过大功率焊机和专用
焊丝依次逐层进行熔敷，使约占43％合金能按熔敷层的需要分别渗入到约占57％的基体金属中,直到熔敷达到一定的加工余量；
[0025] 4)二次退火：熔敷层达到一定加工余量后，再次进入离子辐射炉，按设计要求，全过程管控温度通过保温后再进行梯度降温、消除焊接应力，避免基体整体温度反差过大而形成新的应力集中点，从而带来的新的断裂隐患，达到设计温度后出炉自然冷却到室温；
[0026] 5)先期采用手工打磨方法，磨掉熔敷层的致高点，然后对修复部位进行机械加工、机械磨削，确保修复表面达到图纸的几何尺寸和性能要求；
[0027] 6)质量管控通过外观分析比较和尺寸检测；修复前后硬度的对比；熔敷区化学元素与基体化学元素检测；超声波探伤及磁粉探伤检测，以确保整体修复的质量。
[0028] 进一步地，一次退火的所述梯度升温为由30℃-50℃-100℃-150℃-200℃-250℃-300℃-350℃-400℃-480℃，每一个温度梯度时间为0.5-1.5H。
[0029] 进一步地，二次退火的梯度降温为30℃-50℃-100℃-150℃-200℃-250℃-280℃,每一个温度梯度时间为0.5-1.5H。
[0030] 进一步地，所述结合层采用FGM—KM1#材料稀释熔敷区S、P，消除或减少S、P避免冷、热裂纹的产生；所述FGM—KM1#材料包括Ni 0.70—0.80％，C 0.066—0.070％，Mn 0.4-0.42％,WC 0.14-0.16％,S 0.010—0.22％。
[0031] 进一步地，，所述过渡层是依据工件断裂处的深度需要采用梯度功能的涂层，可达#1-1000毫米以上的熔敷深度，用以过渡逐步硬化，并恢复尺寸；过渡层采用FGM—KM2材料提高冲击韧性、疏散应力并适当增加硬度；所述FGM—KM2#材料包括C≤10％，Mn 1.30-
1.40％，Si≤0.48％，Mo 0.28-0.40％，Ni 1.50％，Cr≤0.60％，S≤0.020％，P≤0.018％。
[0032] 进一步地，所述工作层主要满足熔敷层的硬度，主要依据工况条件、技术要求的需要，如耐磨、耐
腐蚀、耐温、耐冲击韧性等工况条件的技术需求，配比的相应
合金元素，可完全满足洛氏硬度(HRC)30-38的需要；所述工作层采用FGM-KM3#材料提高材质的耐热、耐磨、耐载荷能力；所述FGM—KM3#材料包括C 0.3％,Cr 8％,B 2％,Si 2.5％,Fe 5％,Ni≤50％,WC 35％。
[0033] 进一步地，所述加工层是
铁素体软层，便于机械加工提高加工速度，简易快捷进入工作层经精加工，就可达到硬面合金层的技术要求；
[0034] 所述加工层采用的FGM-KM4#材料包括C 0.07％，Fe 0.32％，Mn 0.30％，Si 0.16％，S 0.01％，P 0.010％。
[0035] 本发明具有如下技术效果,本发明针对的万向轴连杆长11米,直径860毫米，纹裂已断透， 坡口尺寸860毫米，单边430毫米，双边共860毫米，进行了彻底的修复，修复部位的扭力矩能达成2800千牛·米—3800千牛·米，该部位的结合力≥500N牛，金相组织致密，无熔敷缺陷，经超声波探伤检测达到GB11345中Ⅱ级要求,
晶体结构优良、焊接质量良好。
附图说明
[0036] 图1为湖南华菱湘潭钢铁有限公司棒材厂联轴器万向连杆的损伤程度的示意图；
[0037] 图2为湖南华菱湘潭钢铁有限公司棒材厂联轴器万向连杆的净化处理后的示意图；
[0038] 图3为东
风锻造俄罗斯16000T
主轴联轴器万向连杆的轴部损伤程度的示意图；
[0039] 图4为东风锻造俄罗斯16000T主轴联轴器万向连杆的轴部净化处理后的示意图。
具体实施方式
[0040] 以下施工案例用来说明本发明，但不用来限制本发明的适用范围。
[0041] 实施案例
[0042] 1)清洁探伤检查并确认联轴器万向连杆整体各部位的损伤程度；
[0043] a、表面清理油污、锈斑层、疲劳层及不规则裂纹，对于深度大的用超声波探伤检测，浅裂纹采用着色探伤，两者相结合进行检测以确保基体缺陷清理彻底。
[0044] b、万向连杆轴端与本体轴身连接处存在的裂纹，这是剪切应力最集中之处，采取车削工艺去除，具体为：以裂纹为中心线，向两侧平分，用车刀车出单面呈U型坡口、裂纹两侧面同时车削，则坡口上下呈 型；在车削过程中必须保证冷却效果，严格控制轴体温度以不烫手为准，约40～50℃为宜。
[0045] 此工序严禁选用氧气切割(3000～3400℃)，其生成的Fe2O3三氧化二铁难熔点4300℃，也不可采用碳弧气刨切割(6000～8000℃)，因其温度高、易变形，同时在坡口处留下了难熔的碳质点。增大了焊接难度，带来了可焊性极差的负面因素，因此不予采用。
[0046] c、采用着色探伤及超声波探伤检测，确保基体缺陷清理彻底。
[0047] d、粗化处理：除去油污清洁后，再进行超声波探伤确认无缺陷后，车削去除疲劳层，一般5-10毫米，以基体露出完好的金属层为准，目的是保证熔敷的焊接强度、增加结合力，确 保基体和熔敷材料的冶金结合。
[0048] e、净化处理：用氢氧化钠(NaOH),碳酸钠(Na2CO3),硝酸钠(NaNO3)再加合成剂消除待修复工件焊接表面的碎屑及残留物。
[0049] 2)一次退火：取样检测基体的化学元素成分，并确认各元素在基体中所占比例，计算出膨胀系数，按膨胀系数设计联轴器万向连杆的整体温度变化的时间和速度，进入离子辐射炉，梯度升温；
[0050] 梯度升温：由常温30℃--50℃--100℃--150℃--200℃--250℃--300℃--350℃--400℃--480℃/h(即小时)，每一个梯度时间为0.5—1.5H。
[0051] 退火：在炉内冷却到200℃以下，出炉在封闭的条件下，自然冷却到室温。
[0052] 3)按结合层、过渡层、工作层、加工层呈梯度采用浸熔法配制熔敷合金；进行分层熔敷通过大功率焊机和专用弥散强化
复合材料(FGM-KM)依次按梯度逐层进行熔敷，使约占43％合金能按层次要求分别渗入到约占57％的基体金属中,直到熔敷层达到机加工所要求的几何尺寸。
[0053] a、结合层：采用FGM—KM1#材料稀释熔敷区S、P，消除或减少S、P冷、热裂纹的产生；
[0054] FGM—KM材料为弥散强化复合梯度功能材料，将单向组织体转化变性为多相组织体特性的复合
型材料，能在基材表面熔敷后形成新型熔敷合金层，其金相组织分别以珠光体，
马氏体，奥氏体及双相耐磨合金为主的熔敷层，熔敷合金由固态向液态转化为半液态接近半固态转化为固态，形成一次结晶和二次结晶的过程，基体金属表面氧化，脱氧并形成易熔的
硼硅酸盐类
熔渣浮出，形成保护膜使
熔化的合金与被处理的固态基体金属达成冶金结合，在这一过程中，基体表面金属层向熔敷金属层弥散并相互渗透，最后形成冶金结合层。
[0055] FGM—KM1#材料的主要元素包括Ni、C、Mn、Wc等，如表1所示。
[0056] 表1
[0057]Ni镍 C碳 Mn锰 Wc碳化钨 S硫
0.70—0.80％ 0.066—0.070％ 0.4-0.42％ 0.14-0.16％ 0.010—0.22％
抗拉强度 屈服强度 延伸率 AKV冲击功
560(MPa) 370(MPa) 31 60
[0058] 对于不同材质要选用不同的合金，确保熔敷材料与基体的亲和力，通过改变原材质的金相结构，避免冷、热裂纹的产生。为恢复尺寸，梯度硬化起到
基础的铺垫作用。
[0059] b、过渡层：采用FGM—KM2#材料提高冲击韧性、疏散应力并适当增加硬度；
[0060] 目的：解决各成分之间的良好融合，既要达到提高硬度目的，又要满足提高冲击韧性的 要求，达到恢复尺寸逐步过渡强化的目的。
[0061] FGM—KM2#材料主要元素包括C、Mn、Si、Mo、Ni、Cr、S、P，如表2所示。
[0062] 表2
[0063]C Mn Si Mo Ni Cr S P
≤10％ 1.30—1.40％ ≤0.48％ 0.28—0.40％ 1.50％ ≤0.60％ ≤0.020％ ≤0.018％ [0064] c、工作层：采用FGM—KM3#材料提高材质的耐热、耐磨、耐冲击能力；
[0065] 目的：保证强化金属具有优良的机械性能，具备良好的耐热、耐疲劳性能，达到多相改性的目的。
[0066] FGM—KM3#材料主要元素包括C、Cr、B、Si、Fe、Ni、WC如表3所示。
[0067] 表3
[0068]C Cr B Si Fe Ni WC
0.3％ 8％ 2％ 2.5％ 5％ ≤50％ 35％
[0069] d、加工层：主要目的，改善修复部分的机械加工性能，既为机械加工留出适当余#量，又可以确保机加工的
精度和进度，提高机加工的效率。采用FGM—KM4材料降低表面硬度，改善加工性能；
[0070] FGM—KM4#材料主要元素包括C、Fe、Mn、Si，如表4所示。
[0071] 表4
[0072]C Fe Mn Si S P
0.07％ 0.32％ 0.30％ 0.16％ 0.01％ 0.010％
[0073] 4)二次退火：熔敷层达到一定加工余量后，再次进入离子辐射炉，按设计要求，全过程管控温度通过保温后再进行梯度降温、消除焊接应力，避免基体整体温度反差过大而形成新的应力集中点，从而带来的新的断裂隐患，达到设计温度后出炉自然冷却到室温；
[0074] 5)先期采用手工打磨方法，磨掉熔敷层的致高点，然后对修复部位进行机械加工、机械磨削，确保修复表面达到图纸的几何尺寸和性能要求；
[0075] 6)质量管控通过外观分析比较和尺寸检测；修复前后硬度的对比；熔敷区化学元素与基体化学元素检测；超声波探伤及磁粉探伤检测，以确保整体修复的质量。
[0076] 图1为湖南华菱湘潭钢铁有限公司棒材厂联轴器万向连杆的损伤程度的示意图；图2为湖南华菱湘潭钢铁有限公司棒材厂联轴器万向连杆的净化处理后的示意图；图3为东风锻造俄罗斯16000T主轴联轴器万向连杆的轴部损伤程度的示意图；图4为东风锻造俄罗斯16000T 主轴联轴器万向连杆的轴部净化处理后的示意图。
[0077] 上述修补方法应用于如下公司的断裂修复，
[0078] 1、大冶特钢二轧分厂
[0079] 2、东风锻造厂
[0080] 3、湖北神力锻造厂
[0081] 4、俄罗斯生产的万向连杆,进口件、新冶钢轧钢厂
[0082] 5、湖南华菱湘潭钢铁有限公司5米宽厚板厂
[0083] 6、武钢轧板厂、武钢
冷轧厂、武钢大型厂
[0084] 本发明具有如下的优点和积极效果:
[0085] 专用技术与当前我国先进的激光技术、超声波技术、等离子技术工艺相比，具有以下优越性：
[0086] a、激光、超声波、等离子技术只能解决1-3毫米(mm)的硬面涂层，而使用我们的专有技术可以解决1-1000毫米(mm)以上的涂层，其硬度达到和超过上述技术要求，并且能达到变相改性处理的目的。其化学、物理，机械性能均能由单一体变为多相体，对硬度、强度、韧性、耐磨、耐热等性能均有大幅提高，熔敷层硬度根据需要可达到洛式硬度HRC30—68[0087] b、熔敷层组织，硬度比常规淬火高15％-50％，
耐磨性能提高1-5倍，特别适应旧、大、粗、笨重工件的强化处理。
[0088] c、根据工件材质、厚度、大小、形状有效地进行自由调节和温度控管，如掌控好熔敷线
能量、熔敷线速度等，能有效地避免在熔敷过程中出现的变形、气孔、夹渣、未焊透、偏边、弧坑、裂纹等缺陷。通过最佳协同效应，确保了基体与熔敷材料良好的冶金结合，不炸、不裂、形成一体。
[0089] d、可以对破损严重的、断裂的、大厚度的、需大面积修复的报废工件快速在线高效便捷的进行修复，这是其它工艺方法无法比拟的。
[0090] e、施工设备选用优良的熔敷FGM—KM材料及采用高新技术工艺，能快捷、灵活、经济适用达到快速、应急的效果，便于操作，因而可大大降低修复成本。同时修复后的工件可以达到新件的使用寿命和技术要求并可改善和提高及满足工件条件的需要，的确值得推广。
