基于金屬扣合法的某輪機械故障的修復

陳紅彬 江元河

（南通航運職業(yè)技術學院輪機工程系，江蘇南通 226010）

在整個機械領域，鑄鐵材質的應用比較普遍，因為它抗震性好且價格低廉。但是鑄鐵件也存在很多缺點，比如塑性和韌性較差，受拉力時容易折斷或產(chǎn)生裂縫等。如果采用焊接的方法來修復裂縫，焊接接頭易產(chǎn)生白口鐵或者焊不透，甚至可能會越焊越裂。因此鑄鐵件裂縫用焊接法修復是不可靠的，此時通常的修復方法就是金屬扣合法。

1 實例分析

筆者之前在為某輪服務期間，曾經(jīng)親歷過用金屬扣合法來修復大型低速主推進柴油機缸體裂紋。在船舶前往東南亞某國港口的途中，柴油機缸體因為熱應力過大產(chǎn)生了一處裂紋。而此裂紋所處位置特殊，如圖1所示。

圖1 氣缸體

由示意圖可以看出，裂紋處既要承受高溫燃氣產(chǎn)生的周期性熱負荷應力，又要承受氣缸最大爆壓時的瞬間沖擊力，并且緊鄰氣缸冷卻水套。這就要求修復后既要有足夠大剛度和強度，又要能承受一定的水壓防止漏水，且保證機體表面不變形更不能有附加熱應力的產(chǎn)生，所以根本無法用焊補等方法修復。經(jīng)過全體輪機員緊急磋商，決定采用金屬扣合法中的“強密扣合法（又稱為波浪鍵-密封螺絲法）”來修復。

圖2 強固扣合法

它的原理是：用鉚接法保證裂縫處的密封，用波浪建扣合工藝保證強度，且在裂紋兩端鉆孔，防止裂縫進一步擴展。整個修復過程是鉚工和鉗工在常溫下操作，被修復部位無需加熱，自然就不存在熱變形和附加熱應力，幾乎能完全滿足此處特殊的使用要求。

整個修復過程如下：

首先，在垂直于機體裂縫方向加工出具有一定尺寸和形狀的波浪槽。中小型機件加工波浪槽可在鏜床或者銑床上用銑刀加工，得到的精度較高。但由圖1看出，此處只能現(xiàn)場施工，所以當時由責任輪機員用電鉆以及活動銑頭直接在機體上加工波浪槽。

其次，加工波浪鍵。對波浪鍵材料的要求是既要有一定的強度又要有較好的塑性，目的是讓波浪鍵有良好的鉚擊加工工藝性。當修復在高溫下工作的機件時，修復用材料應和機件的熱膨脹系數(shù)盡量接近，以避免扣合松脫或產(chǎn)生熱應力，比如鎳基合金Ni36。此次裂紋處機體位置雖靠近燃燒室，但由冷卻水套隔開，所以工作溫度不算太高。綜合考慮，最終選擇波浪鍵的材質為低碳鎳鋼18NiGrTi。因為它具有塑性好，冷加工強化型高，鉚擊后抗拉強度反而會提高等特點。［1］

再次，就是要把加工好的波浪鍵安裝到波浪槽中。此工作由責任輪機員在常溫下鉚擊波浪鍵，其目的是讓波浪鍵產(chǎn)生一定量的塑性變形而充滿整個槽的間隙，使波浪鍵凸緣與波浪槽凹處相扣合。這樣即可把產(chǎn)生裂紋的機件重新牢固地連接為一體，同時也保證了機件的強度。

然后，制作密封螺釘和螺紋孔。密封螺釘和螺紋孔的制作方法、加工工藝以及材料的選擇與波浪鍵和波浪槽基本一致。沿著機件裂紋方向由一端止裂孔開始鉆孔，螺孔大小一般為M5～M8標準螺孔，孔深與波浪槽深基本接近。需要注意的是鉆孔位置要使第二個密封螺絲與第一個有0.5～1.5mm 的重疊以保證密封的完整性和可靠性。［2］以此類推直至鉚工結束，隨后用電砂輪或者銼刀將螺絲修整到與機體平齊，整個修復工作就結束了。

最后，備車、試車。試運行一段時間，未發(fā)現(xiàn)裂縫漏水漏氣，也沒有再次開裂等異常情況的發(fā)生。為了美觀，在裂縫處刷了油漆，干燥后幾乎看不出有修復的痕跡。

此次修復持續(xù)五個多小時，從效率角度來看還是很快的，基本沒有耽誤既定航行計劃，節(jié)約了不少時間上的成本，提高了潛在的經(jīng)濟效益，用事實證明金屬扣合法確實可行可靠。

2 金屬扣合法的概念、分類和特點

2.1 金屬扣合法的概念

金屬扣合法是利用高強度合金材料制成特殊的連接件（例如波形鍵、綴縫栓）的塑性變形來實現(xiàn)緊密扣合作用，以達到修復機件裂紋的目的。要求扣合件的材料強度高，塑性和韌性好，冷加工硬化性強，即材料冷變形后強度大大提高。受熱零件用的扣合材料膨脹系數(shù)還應與零件材料的膨脹系數(shù)接近。此種工藝方法不僅用于鑄鐵件，還可以用在鋼件、有色金屬機件等的修復，尤其適用于大型機件的修復，如修復氣缸蓋、機體、機座、螺旋槳等部位產(chǎn)生的裂紋。

2.2 金屬扣合法的分類

金屬扣合法是一個總稱，它分為分強固扣合法或稱波浪鍵扣合法、強密扣合法或稱波浪鍵—密封螺絲法、加強扣合法或稱加強塊扣合法以及熱扣合法。修復總的原則是用于扣合裂縫的聯(lián)接鍵的強度必須接近于或等于甚至大于裂縫斷面未斷裂時的強度。

（1）強固扣合法（波浪鍵扣合法）

此種方法適用于滿足一般強度條件的機件修復，機件厚度在8～45mm 左右。其實質是在垂直于機件裂紋或折斷面的方向上加工出具有一定形狀和尺寸的波浪槽，再將與波浪槽相吻合的波浪鍵嵌入其中，鍵與槽之間有0.1mm 的間隙，常溫下鉚擊波浪鍵，使其產(chǎn)生變形而充滿槽腔。借波浪鍵的凸緣與波浪槽的凹處互相扣合，將損壞的機件重新牢固地連接為一體。為使裂紋兩端應力能夠分散，可在裂紋兩端鉆止裂孔。如圖2所示。

（2）強密扣合法（波浪鍵—密封螺絲法）

此種方法適用于修復有密封要求，且增加機件裂縫部位的剛度等情況，比如氣缸蓋、氣缸套以及排氣閥等的修復，它是在上述強固扣合法的基礎上，再沿裂紋鉆孔、攻絲和旋入涂有膠粘劑的密封螺釘。每個孔的鉆孔、攻絲以及嵌入密封螺釘三道工序完成后再鉆下一個孔。要求每兩孔重疊0.5～1.5mm。全部裂紋上嵌滿密封螺釘后用砂輪壓平、打磨。

在裂紋上可安裝密封螺釘，也可安裝密封圓柱銷。前者適用于承受低壓的有裂紋的零件，后者則適用于承受高壓的有裂紋零件。密封螺釘可選用M3-M8 規(guī)格；圓柱銷直徑可選用3-8mm，長度均與波浪鍵的厚度相同。此外，它們的材料亦同于波浪鍵，但不重要的零件也可選用低碳鋼或紫銅等較軟材料。［3］如圖3所示。

（3）加強扣合法（加強塊扣合法）

此方法是在機件上垂直于裂紋方向上加工出一定形狀尺寸的鍵槽，嵌入與之相應形狀和尺寸的高強度合金鋼塊，鉚擊扣合使之充滿槽腔，拉緊裂紋。這樣就可以使載荷分布在更大的面積上，以提高承載能力。對于承受高載荷的厚壁零件，采用強固扣合法不能保證零件強度要求時，可采用此法。再于加強鋼塊與機件交界處，鑲嵌圓柱銷，要求圓柱銷分布在鋼塊和機件上分布均勻，從而使加強塊與零件牢固接合。如圖4所示。

圖3 強密扣合法

圖4 加強塊扣合法

加強扣合法主要用于承受高載荷的厚壁機件，通常壁厚超過45mm。加強塊的形狀各異，有矩形、十字形和X形等，依機件和裂紋的情況選用。

（4）熱扣合法

熱扣合法是利用金屬材料的熱脹冷縮的特性修復零件裂紋的方法。將一定形狀的扣合鍵加熱至一定溫度后嵌入零件裂紋處的相應形狀、尺寸的鍵槽中，當扣合鍵冷卻收縮后將零件裂紋拉緊而成一體?？酆湘I的形狀、尺寸依零件裂紋部位的形狀和安裝的可能性設計成不同的形式，例如圓環(huán)形、工字形等。如圖5及圖6所示。

圖5 工字型扣合件

扣合鍵的加熱最低溫度可經(jīng)計算求出，并要求實際加熱溫度比計算溫度約高100-200℃。熱扣合法應用于修復大型、重型設備，如大型飛輪、齒輪和重型設備的機體等。

圖6 圓形扣合件

2.3 金屬扣合法的特點

金屬扣合法在機械領域能夠得到廣泛應用，基于以下主要特點：

（1）修復工藝簡單，成本低，周期短，可操作性強。且修復工作一般不受場地的限制，可就地施工，因此不需拆卸機件進車間，節(jié)省大量成本和時間；

（2）修復工作在室溫下進行，所以不存在熱應力及殘余應力等，不破壞原有精度；

（3）波形槽是分散排列，波形鍵和綴縫栓在扣合過程中都是分層裝入，逐片鉚擊，使修復部位的實際受力狀態(tài)和理論計算比較接近，從而避免了應力集中；

（4）金屬扣合法通常為手工作業(yè)，鉚擊時采用風動工具，對于防火、防爆要求的區(qū)域也可進行安全作業(yè)；

（5）扣合結束后將機件有關表面打磨清理，采用泥子填平、噴漆，一般看不見修理痕跡，也不破壞設備的外觀；

（6）金屬扣合法修理時只要在修前仔細地將斷裂部位進行復位，并正確掌握鉚擊等工藝方法，一般能恢復原有精度。也就是說修復質量可靠，有足夠的強度、韌性和良好的密封性能。［4］

3 結 語

金屬扣合法應用在機械領域的修復中至今已有約一個世紀的時間。在這個漫長的發(fā)展過程中，機器設備的維修工作者不斷地對此種方法進行研究和探索，通過不懈的努力和實踐，使這項技術日趨完善，在技術、工藝、效益以及效率上都有了很大的提高。所以，在整個機械修復領域中得到越來越廣泛的應用。

1 潘建農(nóng).金屬材料與熱處理［M］.湖南：湖南大學出版社，2009.

2 魏海軍，金國平.輪機維護與修理［M］.大連：大連海事大學出版社，2008.

3 王少純.金屬工藝學［M］.北京：清華大學出版社，2011.

4 吳先文.機械設備維修技術［M］.北京：人民郵電出版社，2012.