鑄件補(bǔ)焊技術(shù)工藝試驗(yàn)研究

陳文云

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 201202)

鑄件補(bǔ)焊技術(shù)工藝試驗(yàn)研究

陳文云

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 201202)

摘要：對材料為球墨鑄鐵的傳動機(jī)械關(guān)鍵件—曲軸箱的鑄造缺陷進(jìn)行了分析研究，并提出了解決方法。針對曲軸箱存在的疏松、氣孔等鑄造缺陷，制作了鑄件試樣和利用實(shí)物，并采用北京奧宇可鑫鑄造缺陷修補(bǔ)技術(shù)對鑄件缺陷進(jìn)行修補(bǔ)。修補(bǔ)后的鑄件，經(jīng)泵壓試驗(yàn)、金相分析和實(shí)物耐久試驗(yàn)，驗(yàn)證合格。研究結(jié)果證明，該修補(bǔ)技術(shù)性能穩(wěn)定可靠、節(jié)能和環(huán)保。該設(shè)備的應(yīng)用提高了鑄件合格率，在機(jī)械工程項(xiàng)目工藝方案設(shè)計(jì)時，對于如何正確把握設(shè)備配置及根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)計(jì)算鑄件噸位有一定意義。

關(guān)鍵詞：曲軸箱；球墨鑄鐵；疏松；氣孔；鑄造缺陷修補(bǔ)

曲軸箱是傳動機(jī)械中的關(guān)鍵件，其材料為球墨鑄鐵QT400-15。該零件在設(shè)計(jì)上采用上下哈夫合模的結(jié)構(gòu)，自身結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，特別是上曲軸箱(見圖1)，存在較多不易補(bǔ)縮的熱節(jié)點(diǎn)。這些熱節(jié)點(diǎn)主要分布于靠近缸套孔、油道孔與機(jī)體裝配面的交匯處(見圖2)。由于熱節(jié)點(diǎn)處易發(fā)生疏松和產(chǎn)生氣孔，會給零件制造帶來難度。對于<0.254 mm的微針孔疏松，可以通過浸滲的方法進(jìn)行補(bǔ)救；對于加工過程中暴露出來的較大的疏松點(diǎn)則很難處理，如果采用鎳基生鐵焊條焊接，則在由于焊接過程中保溫不好掌握，基本行不通。針對該技術(shù)難點(diǎn)，研究人員對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化修改，鑄造廠也對鑄造工藝進(jìn)行了多次修改，包括鑄件澆鑄過程在易產(chǎn)生疏松和氣孔的熱節(jié)點(diǎn)部位增加熱緩凝固措施等，但效果仍不理想。交付使用的鑄件，精加工后，在泵壓檢測工序中，仍存在不同程度的滲漏現(xiàn)象。為此，研究人員采用北京奧宇可鑫工程有限公司生產(chǎn)的鑄件缺陷修補(bǔ)機(jī)，對鑄件進(jìn)行特殊修補(bǔ)，經(jīng)驗(yàn)證效果顯著[1]。

圖1　上曲軸箱

圖2　鑄造缺陷分布位置

1鑄件補(bǔ)焊工藝技術(shù)分析

曲軸箱的加工有67道工序，生產(chǎn)方式是單件小批量生產(chǎn)，加工周期近2個月。由于確定曲軸箱是否滲漏需要等到加工至成品時，才能通過泵壓工序進(jìn)行最終確認(rèn)，因此，一旦曲軸箱泵壓檢測出現(xiàn)滲漏報(bào)廢，則前功盡棄，造成人力、財(cái)力和物力方面的極大浪費(fèi)。為減少損失和保證質(zhì)量，研究人員進(jìn)行了反復(fù)調(diào)研，提出在接近成品尺寸時增加一道泵壓檢測工序，以提前發(fā)現(xiàn)疏松和氣孔等鑄造缺陷。該接近成品尺寸的余量預(yù)留大了無意義，預(yù)留小了風(fēng)險很大。經(jīng)過反復(fù)測量和統(tǒng)計(jì)研究，確定在加工尺寸單邊留0.05 mm余量的情況下，進(jìn)行泵壓試驗(yàn)，如出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，可允許采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)焊措施修補(bǔ)。補(bǔ)焊后，在進(jìn)口高精度加工中心上二次加工。

2試樣的確定

為了驗(yàn)證上述3項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，研究人員根據(jù)實(shí)際出現(xiàn)鑄造缺陷的情況，專門設(shè)計(jì)制造了試樣1來驗(yàn)證第1項(xiàng)泵壓滲漏和第3項(xiàng)特殊焊接對金相組織的影響。利用存在疏松滲漏的報(bào)廢曲軸箱，對缸套孔圓柱度做焊前和焊后的檢測，來確認(rèn)第2項(xiàng)缸套孔焊后的變形量[3]。

2.1試樣1的確定

根據(jù)曲軸箱出現(xiàn)的疏松和氣孔情況，模擬設(shè)計(jì)制作了試樣1，實(shí)物及剖視圖如圖3和圖4所示。試樣1材質(zhì)為球墨鑄鐵QT400-15，試樣端面加工出2個φ3 mm深4 mm的不通孔，圓柱面上加工出2個φ1 mm的通孔，2種尺寸小孔均為模擬鑄件發(fā)生氣孔、疏松的尺寸狀況，在修補(bǔ)前需要對2組小孔的孔口進(jìn)行適當(dāng)打磨。試件1下端加工成G3/8管螺紋，用做泵壓接口連接。

圖3　泵壓及金相試樣1　　　圖4　泵壓及金相試樣1　實(shí)物圖　剖視圖

2.2試樣2的確定

試樣2選用已報(bào)廢的曲軸箱實(shí)物(見圖5)，用以確認(rèn)缸套孔焊后的變形量，通過對缸套孔圓柱度做焊前焊后的檢測，掌握缸套孔的實(shí)際變形量，以確定0.05 mm余量的合理性。

圖5　報(bào)廢曲軸箱試樣2

3特殊補(bǔ)焊

3.1采用AKZQB-2000C鑄造缺陷修補(bǔ)機(jī)補(bǔ)焊試樣1

選擇已制作的試樣1，在修補(bǔ)前，模擬正常缺陷的周邊不規(guī)則形狀，對兩組小孔的孔口進(jìn)行適當(dāng)打磨。補(bǔ)焊后表面效果如圖6所示。

圖6　試樣1補(bǔ)焊后效果圖

3.2采用AKZQB-2000C鑄造缺陷修補(bǔ)機(jī)補(bǔ)焊曲軸箱

為驗(yàn)證該技術(shù)對于修補(bǔ)曲軸箱縮松缺陷的可行性，研究人員取了1件缸套孔有疏松缺陷的上曲軸箱，作為鑄件缺陷修補(bǔ)技術(shù)的驗(yàn)證試樣。

修補(bǔ)前，對該缸套孔孔徑尺寸進(jìn)行X、Y兩個方向的測量并記錄測量值(見表1)。首先對有缺陷的部位做適當(dāng)?shù)拇蚰ヌ幚?，深度約為1～1.5 mm，然后進(jìn)行焊補(bǔ)，補(bǔ)材是厚度為0.3 mm的Q235低碳鋼。補(bǔ)焊后，待工件冷卻后二次測量孔徑X、Y兩個方向的尺寸并記錄(見表1)。補(bǔ)焊后，經(jīng)過精鏜加工的缸套孔形貌如圖7所示。

表1　缸套孔變形量　(mm)

圖7　曲軸箱缸套孔補(bǔ)焊、精鏜后效果圖

4檢測3項(xiàng)技術(shù)參數(shù)

4.1檢測缸套孔變形量

缸套孔變形量見表1。

4.2滲漏試驗(yàn)

試樣1進(jìn)行泵壓試驗(yàn)，在壓力P=3 MPa下保壓45 min不滲漏。其中氣壓試驗(yàn)如圖8所示，液壓試驗(yàn)如圖9所示。

圖8　氣體泵壓狀態(tài)　　　　　　圖9　液壓泵壓狀態(tài)

4.3金相分析

球墨鑄鐵補(bǔ)焊區(qū)域形貌如圖10所示，高倍顯微鏡下可見母材區(qū)域石墨成球狀+團(tuán)狀+蠕蟲狀分布，基體組織為鐵素體+極少量珠光體，近補(bǔ)焊區(qū)域石墨、組織無明顯邊化(見圖11)。

圖10　球墨鑄鐵補(bǔ)焊　　　　圖11　近補(bǔ)焊區(qū)域　區(qū)域形貌

5鑄造缺陷修補(bǔ)機(jī)工作原理及焊補(bǔ)特點(diǎn)

鑄造缺陷修補(bǔ)機(jī)如圖12所示，其是1999年由中國北京奧宇可鑫表面工程技術(shù)有限公司發(fā)明研制出的一種新型焊補(bǔ)設(shè)備。

圖12　AKZQB-2000C鑄造缺陷修補(bǔ)機(jī)

5.1工作原理

該設(shè)備利用電阻生熱的原理，輸出<3 V的低電壓、>3 000 A的高電流，在焊補(bǔ)點(diǎn)形成1 800～2 200 ℃的瞬間高溫，將補(bǔ)材與基材同時溶化為約φ1.5 mm的點(diǎn)，通過溶化點(diǎn)的反復(fù)堆積，完成缺陷的修補(bǔ)過程。對每一個焊補(bǔ)點(diǎn)的熱能輸出，設(shè)備均有智能化的模糊控制系統(tǒng)，保證輸出的熱能95%以上用于熔化做功，剩余微量熱量在2個熔點(diǎn)的毫秒級時間間隔內(nèi)迅速導(dǎo)散，使鑄件在整個焊補(bǔ)過程中，焊補(bǔ)點(diǎn)及其附近始終處于常溫狀態(tài)，徹底避免了鑄件因焊補(bǔ)升溫而造成的裂紋、硬化現(xiàn)象。因傳統(tǒng)電焊、氬弧焊的連續(xù)給熱及熱能的不可控性，使鑄鐵的焊補(bǔ)不可避免地會出現(xiàn)硬化、裂紋和顏色不統(tǒng)一(焊條為抗裂紋加入大量的Ni元素)等不良現(xiàn)象，造成了鑄鐵件缺陷的大量報(bào)廢。鑄造缺陷修補(bǔ)機(jī)焊補(bǔ)，無升溫變形，無裂紋硬點(diǎn)，為鑄造企業(yè)提供了一種新的焊補(bǔ)方法[4]。

5.2焊補(bǔ)特點(diǎn)

1)結(jié)合牢固、致密，無脫落的可能，缺陷的修補(bǔ)過程為補(bǔ)材與基材的二次冶金熔化。

2)常溫焊補(bǔ)，基體不發(fā)熱，焊補(bǔ)點(diǎn)附近金相組織不改變，無應(yīng)力集中等現(xiàn)象。

3)不出現(xiàn)熱變形、裂紋現(xiàn)象，無明顯的影響機(jī)械加工性能。由于在整個缺陷的焊補(bǔ)過程中，始終處于常溫狀態(tài)，故在傳統(tǒng)焊補(bǔ)工藝中出現(xiàn)的不足均得已避免，焊補(bǔ)后對后序機(jī)械加工影響不大。

4)對于熱處理后鑄件的修補(bǔ)(如機(jī)床導(dǎo)軌面、曲軸面等)，焊補(bǔ)點(diǎn)附近不會出現(xiàn)退火軟化現(xiàn)象；對于熱處理前的鑄件，焊補(bǔ)后不影響其淬火、調(diào)質(zhì)和滲碳等熱處理工藝。

5)焊補(bǔ)效果滿足X光檢測標(biāo)準(zhǔn)，常溫補(bǔ)焊具有基體不發(fā)熱，不變形，基體組織不改變，焊補(bǔ)區(qū)域組織致密，以及近縫區(qū)強(qiáng)度削弱甚微等特點(diǎn)，可以滿足一些要求嚴(yán)格的航空、航天等軍工鑄件產(chǎn)品的焊補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

6)補(bǔ)材可選擇加工過程中產(chǎn)生的鐵屑、普通鐵絲和金屬片，設(shè)備耗能<0.5 kW/h。

7)環(huán)保。工作時無毒、無煙、無光、無塵、無噪聲和無環(huán)境污染，無須穿戴任何防護(hù)用品。

6結(jié)語

試驗(yàn)結(jié)果表明：1)補(bǔ)焊后泵壓，在壓力P=3 MPa下保壓45 min不滲漏，滿足要求；2)缸套孔補(bǔ)焊后，在X方向上的變形量Δx=0.002 mm，在Y方向上的變形量Δy=0.003 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)定的變形限量值0.03 mm，滿足要求；3)焊接過程，補(bǔ)焊材與母體在焊縫區(qū)內(nèi)相互結(jié)晶、連續(xù)生長和互相滲透，母體組織未出現(xiàn)明顯破壞現(xiàn)象，過渡區(qū)有大量未改變的球狀石墨體存在，實(shí)際基體材質(zhì)金相組織影響過渡區(qū)沿焊縫寬0.1～0.2 mm，泵壓不滲漏，滿足要求。

曲軸箱在補(bǔ)焊過程始終處于常溫狀態(tài)，無組織變化，無內(nèi)應(yīng)力，故補(bǔ)焊件在工作中不會因?yàn)殚L期的振動、溫度變化等原因釋放內(nèi)應(yīng)力，出現(xiàn)微裂紋和引起尺寸變化，采用此特殊焊接方法補(bǔ)焊球鐵材質(zhì)的曲軸箱安全、可靠，可以解決鑄件疏松、氣孔等鑄造缺陷帶來的質(zhì)量缺陷。

該設(shè)備的應(yīng)用提高了鑄件合格率，并且節(jié)能、環(huán)保。了解此知識內(nèi)容，在工程項(xiàng)目工藝方案設(shè)計(jì)時，對于如何正確把握設(shè)備配置及根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)計(jì)算鑄件噸位有一定意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2001.

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[3] 夏建元,曾大新,張紅霞.金屬材料彩色金相圖譜[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[4] 王思濤，李宏偉，張寶東,等.齒盤堆焊開裂后二次補(bǔ)焊對產(chǎn)品質(zhì)量的影響[J].新技術(shù)新工藝,2013(5):110-112.

責(zé)任編輯彭光宇

Experimental Study on the Process of the Repair Welding of Casting Technology

CHEN Wenyun

(China Shipbuilding the 9th Design and Research Engineering Co.,Ltd.，Shanghai 201202，China)

Abstract：Introduce the analysis of solving method of casting defects of key parts crankcase in transmission machinery. According to the existing loose, porosity and other casting defects in crankcase，using casting sample and material object can repair the casting defects with Beijing Aoyuksin casting defect repair technology.The repaired casting certificates the pump pressure experiment，metallographic analysis and physical endurance testing. The results prove that the repair technology is stable and reliable, energy saving and environmental.The application of the device improves the qualified rate of the casting,and it makes sense on how to correctly configure the equipment and calculate the casting tonnage according to prodution program during the design process of mechanical engineering project.

Key words:crankcase，nodular cast iron，loose，pores，casting defect repair

收稿日期：2015-01-06

作者簡介：陳文云(1964-)，男，高級工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及工程工藝設(shè)計(jì)等方面的研究。

中圖分類號：TG 457

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A