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

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，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。

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