專利名稱：黑色金屬件的裂紋焊補(bǔ)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及黑色金屬件的裂紋修復(fù)方法，主要解決其裂紋修復(fù)問題。
黑色金屬件主要指鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼制成的零部件。例如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、增壓器殼體等殼類零件、各種軸類件、各種機(jī)架和模具類零部件。當(dāng)其在制造或使用過程中產(chǎn)生裂紋時(shí)，現(xiàn)有的焊補(bǔ)方法難以保證其焊后件的可靠性。現(xiàn)有的裂紋焊補(bǔ)方法包括焊前處理、焊補(bǔ)裂紋缺陷、焊后處理。具體的焊補(bǔ)方法有以下幾種待補(bǔ)件被整體或局部大面積加熱后再熔填焊縫金屬。目的是使待補(bǔ)件被加熱后發(fā)生預(yù)膨脹，以期與熔填的高溫金屬冷卻時(shí)同步收縮，減少或消除焊縫殘余應(yīng)力。該方法雖常用，但應(yīng)用上受到許多限制，這些限制是整體加熱或大面積加熱，通常其加熱溫度達(dá)到500-600℃，會造成待補(bǔ)件的變形，尤其是在加工余量很小的情況下，難以保證焊補(bǔ)件的尺寸和形位公差，因此該法僅用于毛坯待補(bǔ)件裂紋的焊補(bǔ)。另一方面，因熔填金屬和加熱待補(bǔ)件分別冷卻至室溫的溫度梯度差別大，因此而形成的殘留應(yīng)力差別必須有長時(shí)間的保溫冷卻才能得以消除。若裂紋尺寸較大，待補(bǔ)件壁較厚情況下，該法同樣可產(chǎn)生二次裂紋。
通過清理裂紋缺陷后，采取局部加強(qiáng)措施，局部加強(qiáng)措施主要指在裂紋的兩端或一端，通過預(yù)焊加強(qiáng)筋或通過厚大部位螺孔連接加強(qiáng)筋等，使焊縫兩側(cè)的部位基材得到加強(qiáng)，以降低焊縫焊后冷卻形成的拉應(yīng)力的破壞作用。這種方法本身并不能消除焊后的殘留應(yīng)力，只是通過加強(qiáng)筋，使焊縫應(yīng)力分布在較大的區(qū)域內(nèi)，最終經(jīng)過長時(shí)間自然失效來消除應(yīng)力，若裂紋較大，基體較厚，這種方法作用減小。
焊后錘擊消除殘余應(yīng)力，這是鑄鐵件常用的方法，但傳統(tǒng)的錘擊對錘擊的部位、錘擊的時(shí)間及溫度、錘擊力、錘擊的頻率都缺乏系統(tǒng)深入的研究，這使得錘擊消除應(yīng)力的方法帶有很大的隨機(jī)性、經(jīng)驗(yàn)性，不易掌握，可靠性差。
通過調(diào)整熔填金屬順序進(jìn)行施焊，該方法是通過對具體焊縫情況分析后，設(shè)計(jì)分段或縱橫交錯(cuò)的熔填順序，目的是使焊接應(yīng)力方向錯(cuò)落分布，從而減少主要裂紋方向上的應(yīng)力值，但同樣不能消除應(yīng)力，二次裂紋傾向同樣存在，尤其是焊縫較大時(shí)疊加的應(yīng)力值同樣可能形成變形或二次裂紋的破壞。
上述各種焊補(bǔ)方法，其熔填金屬的材料為市售的焊條，也可以是市售的合金粉末。焊后件按常規(guī)的切削加工成型。
綜上原因，消除焊接應(yīng)力是焊補(bǔ)件裂紋時(shí)控制件變形和二次裂紋的關(guān)鍵因素。對于焊件焊接應(yīng)力通常指形成于焊縫區(qū)和周圍受熱區(qū)域的熱應(yīng)力，其應(yīng)力特性表現(xiàn)為焊區(qū)冷卻后受“拉”?？疾鞜釕?yīng)力來源主要由三種應(yīng)力構(gòu)成第一種應(yīng)力為熔填金屬與基體連接界面因升溫不同和材質(zhì)的不同，因而冷卻收縮系數(shù)的差異和收縮量的不同所形成的界面應(yīng)力，也稱過度區(qū)應(yīng)力。第二種應(yīng)力為熔填金屬本身冷卻收縮時(shí)形成的應(yīng)力。第三種應(yīng)力為焊縫基體側(cè)因受熱塑性變形而冷卻收縮時(shí)形成的應(yīng)力。在這三部分應(yīng)力中，連接界面區(qū)所承受的應(yīng)力最大，這是因?yàn)橐环矫娼缑嫒酆辖M織具有復(fù)雜性，界面兩側(cè)溫度梯度最大，以及兩種金屬的收縮系數(shù)的差異較大造成的，另一方面按焊縫熔填順序，后一次熔填金屬必須在前一次熔填金屬的表面上進(jìn)行，所以各次熔填的金屬冷卻所產(chǎn)生的應(yīng)力，最后都大部分疊加集中于界面上，當(dāng)疊加應(yīng)力超過其焊區(qū)薄弱部位或焊區(qū)周圍基體上有應(yīng)力集中部位的強(qiáng)度時(shí)，即發(fā)生二次裂紋。
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種黑色金屬件的裂紋焊補(bǔ)方法，以更好的消除熔填金屬后的界面應(yīng)力，和冷卻產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，同時(shí)也消除大部分焊區(qū)基體側(cè)受熱冷卻形成的熱應(yīng)力，使熔填完后的焊件焊區(qū)處于一種低應(yīng)力或壓應(yīng)力狀態(tài)，焊補(bǔ)方法易掌握，可靠性好。
該方法的根據(jù)是存在于焊件內(nèi)焊后裂紋區(qū)內(nèi)的熱應(yīng)力，大部分是通過組織和結(jié)構(gòu)的變形以及裂紋形式表現(xiàn)出來；而金屬組織的變形是應(yīng)力表現(xiàn)的第一步，即通過金屬組織的變形可以改變其應(yīng)力狀態(tài)。按這一原理，若能在熔填焊縫的每一段，每一層金屬之前，施以待焊面組織內(nèi)與熔填金屬收縮時(shí)應(yīng)力方向相反的壓應(yīng)力，即可使拉、壓應(yīng)力不斷地相互抵消，以大幅度減少或徹底消除宏觀焊接殘余應(yīng)力。而這一過程僅用機(jī)械錘擊的方法，通過錘擊，使待焊面發(fā)生變形，這不僅消除了上次熔填金屬冷卻所形成的拉應(yīng)力，同時(shí)予置了下次熔填金屬所需的表面壓應(yīng)力。只要熔填、錘擊交替進(jìn)行至焊補(bǔ)結(jié)束，并使每次錘擊熔填金屬達(dá)一定變形量，就可以實(shí)現(xiàn)焊后的焊縫區(qū)呈現(xiàn)低應(yīng)力或壓應(yīng)力狀態(tài)。完全不需要傳統(tǒng)方法的額外加熱和加強(qiáng)筋等措施。
本發(fā)明的技術(shù)方案是1．焊前處理。
2．用常規(guī)焊接設(shè)備在待補(bǔ)件的裂紋區(qū)內(nèi)，先分段、后分次熔填金屬，每次熔填金屬的厚度為2-8毫米，對每次待焊金屬的表面及其相鄰基體進(jìn)行機(jī)械錘擊，其中重點(diǎn)錘擊熔填金屬，使其下凹塑性變形量達(dá)0.2-1.5毫米。開始錘擊溫度控制在750-250℃，結(jié)束錘擊溫度控制在200℃至室溫，錘擊頻率為1-6次/秒。熔填與錘擊金屬交替進(jìn)行至熔填金屬填滿整個(gè)焊縫。
當(dāng)用乙炔-氧焊操作時(shí)，需對焊縫周圍基體組織進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，以控制受熱范圍和避免溫升過高。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果1．在待焊表面予置壓應(yīng)力，能很好地改善連接界面區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，大幅度減少從界面開裂的機(jī)率。
2．對每次熔填于焊縫內(nèi)的金屬均經(jīng)過錘擊其表面，使之塑性變形消除殘余應(yīng)力；同時(shí)予置壓應(yīng)力，因此整個(gè)焊后區(qū)內(nèi)金屬呈低應(yīng)力或壓應(yīng)力狀態(tài)，充分保證焊補(bǔ)操作的順利進(jìn)行，有效控制了焊后件的變形和二次裂紋產(chǎn)生，尤其在裂紋缺陷較深，范圍較大的情況下，該方法的優(yōu)越性尤為突出。
3．不需其它輔助加熱，也不需其它加強(qiáng)措施。
下面給予詳細(xì)說明實(shí)施例一48NVD-20船用柴油機(jī)缸體，在1缸和3缸位表面，因長期使用后產(chǎn)生裂紋，裂紋長度420毫米，壁厚25毫米，穿透性裂紋。缸體材質(zhì)HT250、德國制造、柴油機(jī)功率1250馬力。其焊補(bǔ)方法是1．焊前處理包括開V形坡口、鉆止裂孔，去油、銹雜質(zhì)。在熔填金屬前錘擊待焊金屬表面，使之下凹變形0.2-0.5mm，形成表面壓應(yīng)力。為獲得良好的加工性能，也可使用專利號為ZL97107575.1其發(fā)明名稱為“鑄件表面缺陷的修補(bǔ)工藝”所述的方法，在缸體的加工面與該裂紋的交接處快速噴焊一層合金過渡層。
2．以電弧焊從止裂孔處開始向裂紋方向上分段、并在每段上分次熔填金屬，每次快速熔填4-8mm金屬層厚時(shí)即停焊，緊接著迅速對750-400℃的該熔填金屬以1-4次/秒的錘擊頻率進(jìn)行錘擊，使其下凹塑性變形0.4-1毫米，錘擊延續(xù)至該熔填金屬冷至200℃至室溫，為控制焊縫周圍的基體升溫，可采用強(qiáng)制冷卻措施進(jìn)行冷卻，如水冷。
3．清理錘擊表面雜質(zhì)后，重復(fù)本上述第2步方法至熔填金屬填滿整個(gè)焊縫。
凡殼體類件，例如其它柴油機(jī)缸體、缸蓋，增壓器殼體，發(fā)電機(jī)殼體和電動(dòng)機(jī)殼體均可采用實(shí)施例一的方法焊補(bǔ)其裂紋。
實(shí)施例二2640馬力的船用柴油機(jī)缸頭，材質(zhì)為合金灰鐵，在進(jìn)氣閥孔與排氣閥孔之間的最薄弱部位，基體上產(chǎn)生貫通的三條裂紋，裂紋延伸至冷卻水道，使用中漏水，裂紋深度35-40毫米，其焊補(bǔ)方法為1．焊前處理同實(shí)施例一2．該步方法除同實(shí)施例一第2步方法外，不同的是以電弧焊從裂紋最深處開始順序向上熔填金屬，每次快速熔填2-4mm金屬層厚時(shí)即停焊，緊接著迅速對400-250℃的熔填金屬以2-4次/秒的頻率進(jìn)行錘擊，使其下凹塑性變形0.2-0.6毫米。同時(shí)也錘擊相鄰基體并延續(xù)至熔填金屬冷至100℃至室溫。
3．該步方法同實(shí)施例一第3步方法。
實(shí)施例三船用柴油機(jī)曲軸，鍛鋼制造，在曲拐工作面上曾有5條裂紋，平均深度為4.5毫米，平均長度為15毫米，其焊補(bǔ)工藝為1．焊前處理同實(shí)施例一，所不同的是用著色探傷法檢查裂紋。在熔填金屬前錘擊待焊表面，使之下凹變形0.2-0.5mm形成表面壓應(yīng)力。同時(shí)將曲軸機(jī)械固定。
2．該步方法除同實(shí)施例二第2步方法外，所不同的是用電弧焊或氬弧焊或CO2氣體保護(hù)焊或噴焊的焊接方法從裂紋的一端向另一端熔填金屬，快速一次性填滿至要求尺寸。
3．該步方法同實(shí)施例一第3步的方法。
4．對其余裂紋重復(fù)實(shí)施1、2、3步驟，至完成焊補(bǔ)操作。
軸類件均可采用實(shí)施例三的方法焊補(bǔ)其裂紋。
實(shí)施例四摩托車塑料邊蓋板鑄鋼模具，其上有一條長度為5毫米，深12毫米裂紋，其焊補(bǔ)方法為1．焊前處理同實(shí)施例一。并使用發(fā)明專利ZL97107575.1所述的方法快速噴焊一層合金于加工面與裂紋的交接面上作為過渡。
2．該步方法除同實(shí)施例二第2步方法外，所不同的是次每快速熔填4-8mm金屬層厚時(shí)即停焊，緊接著迅速對750-400℃的熔填金屬以2-4次/秒的頻率進(jìn)行錘擊，使熔填金屬下凹變形0.8-1.5mm，形成表面壓應(yīng)力。錘擊延續(xù)至熔填金屬冷至100℃至室溫。
3．該步方法同實(shí)施例一第3步方法。
權(quán)利要求
1．一種黑色金屬件的裂紋焊補(bǔ)方法，其特征在于(1)焊前處理；(2)用常規(guī)的焊接設(shè)備在待補(bǔ)件的裂紋區(qū)內(nèi)先分段、后分次熔填金屬，每次熔填金屬的厚度為2-8mm，對每次待焊金屬表面及其相鄰金屬基體進(jìn)行機(jī)械錘擊，重點(diǎn)錘擊熔填金屬，使其下凹塑性變形量為0.2-1.5mm，開始錘擊時(shí)的溫度為750-250℃，錘擊頻率為1-6次/秒，結(jié)束錘擊時(shí)的溫度為200℃至室溫，熔填金屬與錘擊金屬交替進(jìn)行至熔填金屬填滿整個(gè)焊縫為止。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的黑色金屬件的裂紋焊補(bǔ)方法，其特征在于48NVD-20船用柴油機(jī)缸體上長420mm，壁厚25mm的穿透性裂紋焊補(bǔ)方法是(1)在熔填金屬前，錘擊待焊金屬表面，使之下凹變形量0.2-0.5mm，用現(xiàn)有的“鑄鐵件表面缺陷的修補(bǔ)方法”，在缸體的加工面與該裂紋的交接面處快速噴焊一層合金過渡層；(2)用電弧焊從止裂孔處開始向裂紋方向上分段，并在每段上分次熔填金屬，每次快速熔填金屬的厚度為4-8mm，迅速對750-400℃的該熔填金屬以1-4次/秒的錘擊頻率進(jìn)行錘擊，使其下凹塑性變形的厚度為0.4-1mm。(3)對焊縫周圍的金屬基體強(qiáng)制冷卻。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的黑色金屬件的裂紋焊補(bǔ)方法，其特征在于2640馬力的船用柴油機(jī)缸頭上的進(jìn)氣閥孔與排氣閥孔之間部位上每條深度達(dá)35-40mm的貫穿裂紋的焊補(bǔ)方法是用電弧焊從裂紋最深處開始向上熔填金屬，每次快速熔填金屬的厚度為2-4mm，迅速對400-250℃的該熔填金屬以2-4次/秒的錘擊頻率進(jìn)行錘擊，使其下凹塑性變形0.2-0.6mm，同時(shí)也錘擊其相鄰基體，錘擊延續(xù)至熔填金屬冷至100℃至室溫。
4．根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的黑色金屬件的裂紋焊補(bǔ)方法，其特征在于船用柴油機(jī)曲軸上的曲拐工作面上每條長度為15mm，深度為4.5mm的裂紋焊補(bǔ)方法是用電弧焊或氬弧焊或CO2氣體保護(hù)焊或噴焊，從汽裂紋的一端向另一端，一次性快速熔填滿金屬。
5．根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的黑色金屬件的裂紋焊補(bǔ)方法，其特征在于摩托車塑料邊蓋板鑄鋼模具上長為5mm，深為12mm的裂紋焊補(bǔ)方法是每次快速熔填金屬的厚度為4-8mm，迅速對750-400℃的該熔填金屬以2-4次/秒的錘擊頻率進(jìn)行錘擊，使熔填金屬下凹變形0.8-1.5mm，錘擊延續(xù)至熔填金屬冷至100℃至室溫。
全文摘要
黑色金屬件的裂紋焊補(bǔ)方法,涉及黑色金屬件的裂紋修復(fù)方法。主要解決黑色金屬件焊補(bǔ)裂紋時(shí)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力問題。其方法包括:焊前處理、在裂紋區(qū)內(nèi)先分段后分次熔填金屬,主要對每次熔填金屬實(shí)施機(jī)械錘擊,通過變形消除其冷卻收縮形成的拉應(yīng)力,并為下次熔填金屬預(yù)置待焊面的壓應(yīng)力,至完成裂紋的焊補(bǔ)過程。該方法有效地防止了焊后件的應(yīng)力變形和二次裂紋的產(chǎn)生。
文檔編號B23K31/00GK1288797SQ0012051
公開日2001年3月28日 申請日期2000年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月27日
發(fā)明者江濤, 武麗梅 申請人:重慶大學(xué)