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電火花堆焊技術(shù)在HXn5型內(nèi)燃機(jī)車氣缸套修復(fù)中的應(yīng)用

2018-08-11 11:04史懷玉
科學(xué)與財(cái)富 2018年17期

史懷玉

摘 要: HXn5型內(nèi)燃機(jī)車在檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有較多的氣缸套密封槽上圈存在缺陷,使得氣缸套報(bào)廢,大大增加了維修成本。本文介紹公司通過(guò)材料分析、工藝試驗(yàn)、工件試修等方式,最終采用電火花堆焊技術(shù)對(duì)氣缸套的缺陷進(jìn)行焊接修復(fù),并摸索出一套完整的工藝流程。

關(guān)鍵詞: 電火花堆焊;機(jī)車氣缸套;缸套修復(fù)

1.前言

HXn5型內(nèi)燃機(jī)車的動(dòng)力組具有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu),柴油機(jī)的氣缸套安裝于加強(qiáng)套內(nèi)部,與氣缸蓋組成氣缸組件安裝在機(jī)體的氣缸孔上。上部由氣缸蓋壓緊固定,與活塞共同組成燃燒室,外部有冷卻水冷卻。隨著HXn5型內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)入檢修周期,在拆檢過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)較多的氣缸套密封槽上圈存在缺陷(如圖一、圖二所示)。該處缺陷破壞了氣缸套與加強(qiáng)套、汽缸蓋的密封,使其在使用過(guò)程中,不能保證柴油機(jī)水循環(huán)系統(tǒng)的密封性,導(dǎo)致冷卻水泄漏,造成油水互竄等問(wèn)題,影響柴油機(jī)的運(yùn)行,使得這些氣缸套只能進(jìn)行報(bào)廢處理,大大增加了機(jī)車的檢修成本。為此,HXn5型內(nèi)燃機(jī)車氣缸套的破損修復(fù)成為了一個(gè)重要的課題。

2.修復(fù)工藝的探索

2.1 對(duì)材料取樣檢測(cè)

氣缸套的材料為合金鑄鐵。為了解材料的組織與性能,我們?cè)趫?bào)廢的氣缸套上進(jìn)行取樣,并送檢測(cè)中心進(jìn)行檢測(cè)。

結(jié)果如下:

由圖三可見(jiàn),基體中的石墨長(zhǎng)度為4級(jí),以形狀彎曲,端部鈍化的A型石墨為主。

由圖四的金相分析可知,基體組織中珠光體占98%,鐵素體不到2%,還有少量的滲碳體,鐵素體和滲碳體在基體組織中呈彌散性分布。

母材力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果為:抗拉強(qiáng)度σb≥330Mpa,硬度HB240-350。

2.2材料的焊接性能分析與工藝選擇

從母材的性能考慮:鑄鐵的碳、硫和磷等雜質(zhì)含量高,抗拉強(qiáng)度低,脆性大,幾乎沒(méi)有塑形變形的能力,這使得它的焊接性能很差。在焊接接頭處易產(chǎn)生白口及淬硬組織。

從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性考慮:氣缸套修復(fù)屬于成品零件修復(fù),過(guò)大的熱輸入量不僅會(huì)造成氣缸套的尺寸及行為公差超標(biāo)而無(wú)法使用,而且由于缺口部位在氣缸套外只有5mm厚圓環(huán)上,使得焊后冷卻過(guò)程中,焊縫的收縮容易在熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋。

同時(shí)從經(jīng)濟(jì)方面考慮,由于氣缸套的體積較大,如果采用焊前預(yù)熱、焊后保溫等措施,將會(huì)消耗較多的能源。由此我們排除了氣焊、電弧熱焊等熱輸入量大,或者需要熱處理的焊接方式。

綜合以上幾點(diǎn)考慮,我們首先嘗試使用Z308電弧冷焊的方法進(jìn)行了試修復(fù),在這過(guò)程中又發(fā)現(xiàn)了如下一系列問(wèn)題使得電弧冷焊的修復(fù)效果不甚滿意:

(1)密封槽的缺陷部位空間太過(guò)狹小,電焊條很難精確送達(dá),操作難度大;

(2)鑄鐵焊條冷焊需要進(jìn)行錘擊,才能達(dá)到滿意的焊接效果。而在氣缸套焊接過(guò)程中沒(méi)有合適的空間進(jìn)行錘擊,甚至稍有不注意就會(huì)破壞槽口的上下圈;

(3)即使采用表面包覆、涂飛濺劑等防護(hù)措施,缸套的外表面及內(nèi)孔仍然會(huì)被飛濺粘上,造成缺陷;

(4)使用后的缸套外表面由于受到穴蝕,組織較疏松,同時(shí)修復(fù)的部位太薄,使得母材無(wú)法承受焊縫的收縮應(yīng)力,在經(jīng)過(guò)磨床加工之后,探傷發(fā)現(xiàn)缸套的修復(fù)部位仍然會(huì)有多處微小裂紋;

(5)部分缸套電弧冷焊以后經(jīng)過(guò)測(cè)量,內(nèi)孔的圓度偏差較大,超出上限值0.03mm。

汲取電弧冷焊的經(jīng)驗(yàn),結(jié)合實(shí)際焊修的情況,總結(jié)出以下3點(diǎn):

(1)需要采用工藝流程更加簡(jiǎn)單、操作更加方便的焊接方式進(jìn)行修復(fù),并且最好用焊絲作為電極進(jìn)行焊接。避免在焊接過(guò)程中錘擊等操作的同時(shí),也能夠?qū)㈦姌O方便、精準(zhǔn)的送達(dá)缺陷處進(jìn)行修復(fù);

(2)選用較焊條電弧焊更加小熱輸入量的焊接方式,減少氣缸套的變形量;

(3)需要選用熔池范圍小,焊縫的收縮小,飛濺少的焊接方式,防止焊后出現(xiàn)裂紋、飛濺等焊接缺陷。

綜合以上,為此我們決定選用電弧火花堆焊的焊接方式進(jìn)行焊接修復(fù)。

3.電弧火花堆焊介紹及工藝試驗(yàn)

3.1電弧火花堆焊的技術(shù)原理

電火花堆焊是利用電極在工作表面旋轉(zhuǎn),在相互接觸的微小區(qū)域瞬時(shí)(~s)流過(guò)高密度的電流(~A/),由于放電能量在時(shí)間和空間上的高度集中,在微小的放電區(qū)域產(chǎn)生了5000~25000K的高溫,使電機(jī)和工件接觸部分的金屬熔化并且形成熔池,加上電極的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的壓合作用,使熔池中熔化的金屬沉積到基體的表面,此過(guò)程將使表面產(chǎn)生微小的融化區(qū),并且發(fā)生了冶金反應(yīng)。同時(shí)在沉積過(guò)程中使用氬氣進(jìn)行保護(hù),有了氣體保護(hù)就可以使在電火花放電的同時(shí),陰陽(yáng)兩極間的氬氣被電離擊穿并形成微小的電弧,致使沉積層又擁有了脈沖氬弧焊的強(qiáng)化效果。

3.2電火花堆焊的優(yōu)點(diǎn)

與普通焊接修復(fù)技術(shù)相比,電火花堆焊的有如下優(yōu)點(diǎn):火花放電對(duì)基體的熱輸入量極低,幾乎不會(huì)使工件造成變形;焊前只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理,焊后也不需要再對(duì)工件進(jìn)行熱處理;電極選擇的范圍廣,理論上,任何導(dǎo)電的材料都可以作為電極;可以堆焊窄而長(zhǎng)的區(qū)域和內(nèi)孔表面;電火花堆焊后加工余量很小,小面積的焊接只需要采用油石、銼刀等手工工具進(jìn)行鉗工修理即可。

3.3電火花堆焊工藝試驗(yàn)

為了驗(yàn)證焊接工藝的可行性,焊接材料的選用是否正確,焊接工藝參數(shù)是否合適,需要進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。通過(guò)檢測(cè)試樣的性能來(lái)確定焊接產(chǎn)品能否滿足使用的要求。

3.3.1試樣制備

從報(bào)廢缸套上取料,制作大小250mm*12mm*12mm的試樣兩塊,中間開(kāi)X型破口,破口角度60°。

3.3.2試驗(yàn)焊材

采用自制的鎳基焊絲,焊絲材料近似于AWS A5.11 ENiCu-7,焊絲直徑3.2mm。

3.3.3焊絲參數(shù)

3.3.4試驗(yàn)結(jié)果

將焊接后的試樣送上海材料研究所進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè),其檢測(cè)結(jié)果如下:

3.3.5結(jié)果分析

由檢測(cè)數(shù)據(jù)可知,焊縫與母材的結(jié)合性好;焊縫強(qiáng)度高于母材;熱影響區(qū)的硬度與母材接近,沒(méi)有產(chǎn)生白口組織和淬硬現(xiàn)象;焊縫硬度低于母材,但不影響缸套的使用性能;探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋,焊縫的可靠性較高。

綜上,以電火花堆焊為焊接手段,配以合適的工藝參數(shù)與焊材修復(fù)出的氣缸套是能夠滿足使用要求的。

4. 電火花堆焊工藝的實(shí)施過(guò)程及要點(diǎn)

4.1電火花堆焊工藝的實(shí)施過(guò)程

依據(jù)焊接工藝試驗(yàn),制定出如下一套完整的氣缸套修復(fù)工藝,對(duì)氣缸套進(jìn)行試修復(fù)。

焊接的作業(yè)流程:修前檢查→打磨、消除缺陷→電火花堆焊→磨修→探傷檢查→整體檢測(cè)→清洗防護(hù)→存放或交付

4.2電火花堆焊工藝的實(shí)施要點(diǎn)

4.2.1在缺陷修補(bǔ)之前,可用火焰將缺陷周圍加熱至200℃左右去除工件表面油污和氧化物。再用手持微型精密打磨機(jī)打磨缺陷部位,去除周邊疲勞層。并再次滲透探傷檢查,確認(rèn)缺陷已完全消除。同時(shí)缺陷底部應(yīng)打磨平滑,呈圓弧過(guò)渡。之后還需使用丙酮清洗干凈待修復(fù)部位,丙酮自然揮發(fā),使工件表面干燥。

4.2.2焊接過(guò)程中,需要時(shí)刻觀察焊縫的表面狀態(tài),如果出現(xiàn)氣孔、起皮等焊接缺陷,需要先將缺陷打磨消除,并且填補(bǔ)后,再在整體進(jìn)行焊接。焊接同時(shí)觀察焊縫顏色,氣體保護(hù)效果好,焊接密實(shí)的焊縫一般表面呈銀白色。

4.2.3如果缺陷為很小的部分脫落,可以直接使用油石、銼刀進(jìn)行磨修。缺陷過(guò)大,則需要使用磨床研磨,以保證外圓和密封槽的尺寸。磨修后焊縫部位的外圓尺寸可以略小于標(biāo)準(zhǔn)尺寸,但是密封槽的寬度必須大于或等于規(guī)定寬度,這樣有利于氣缸套的安裝以及密封圈的放置。

5. 電火花堆焊工藝產(chǎn)生的效果

修復(fù)以后的氣缸套狀態(tài)如下圖所示:滲透探傷沒(méi)有密集性的氣孔以及線狀缺陷。缸套經(jīng)過(guò)清洗以后,焊縫的部位的顏色與母材差別不明顯。

到目前為止,已經(jīng)修復(fù)完成了200余只氣缸套,并且大部分已經(jīng)裝車使用,使用期間沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題,說(shuō)明產(chǎn)品修復(fù)的質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

6. 電火花堆焊工藝的應(yīng)用與推廣

實(shí)踐證明,電火花堆焊修復(fù)的產(chǎn)品能夠滿足機(jī)車的使用要求??梢詫⑵渥鳛橐环N特殊的修復(fù)手段,推廣到汽缸蓋、加強(qiáng)套等機(jī)車重要配件的修復(fù)中,減少由于碰傷、劃傷等缺陷造成的零件報(bào)廢。擴(kuò)大修復(fù)的市場(chǎng),大大降低了資源的浪費(fèi),同時(shí)也為公司創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]謝進(jìn),陶麗娜,侯曉燕.HXN5型機(jī)車柴油機(jī)氣缸套的優(yōu)化應(yīng)用[B].機(jī)車車輛工藝,2016(2).

[2]羅成,董仕節(jié),熊翔.電火花沉積表面技術(shù)研究的最新進(jìn)展.材料導(dǎo)報(bào),2008(11).

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