黑色金屬件的裂紋焊補方法技術

黑色金屬件的裂紋焊補方法，涉及黑色金屬件的裂紋修復方法。主要解決黑色金屬件焊補裂紋時所產生的熱應力問題。其方法包括：焊前處理、在裂紋區內先分段后分次熔填金屬，主要對每次熔填金屬實施機械錘擊，通過變形消除其冷卻收縮形成的拉應力，并為下次熔填金屬預置待焊面的壓應力，至完成裂紋的焊補過程。該方法有效地防止了焊后件的應力變形和二次裂紋的產生。（*該技術在2020年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及黑色金屬件的裂紋修復方法，主要解決其裂紋修復問題。黑色金屬件主要指鑄鐵、鑄鋼、鍛鋼制成的零部件。例如發動機缸體、缸蓋、增壓器殼體等殼類零件、各種軸類件、各種機架和模具類零部件。當其在制造或使用過程中產生裂紋時，現有的焊補方法難以保證其焊后件的可靠性。現有的裂紋焊補方法包括焊前處理、焊補裂紋缺陷、焊后處理。具體的焊補方法有以下幾種待補件被整體或局部大面積加熱后再熔填焊縫金屬。目的是使待補件被加熱后發生預膨脹，以期與熔填的高溫金屬冷卻時同步收縮，減少或消除焊縫殘余應力。該方法雖常用，但應用上受到許多限制，這些限制是整體加熱或大面積加熱，通常其加熱溫度達到500-600℃，會造成待補件的變形，尤其是在加工余量很小的情況下，難以保證焊補件的尺寸和形位公差，因此該法僅用于毛坯待補件裂紋的焊補。另一方面，因熔填金屬和加熱待補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力差別必須有長時間的保溫冷卻才能得以消除。若裂紋尺寸較大，待補件壁較厚情況下，該法同樣可產生二次裂紋。通過清理裂紋缺陷后，采取局部加強措施，局部加強措施主要指在裂紋的兩端或一端，通過預焊加強筋或通過厚大部位螺孔連接加強筋等，使焊縫兩側的部位基材得到加強，以降低焊縫焊后冷卻形成的拉應力的破壞作用。這種方法本身并不能消除焊后的殘留應力，只是通過加強筋，使焊縫應力分布在較大的區域內，最終經過長時間自然失效來消除應力，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力，這是鑄鐵件常用的方法，但傳統的錘擊對錘擊的部位、錘擊的時間及溫度、錘擊力、錘擊的頻率都缺乏系統深入的研究，這使得錘擊消除應力的方法帶有很大的隨機性、經驗性，不易掌握，可靠性差。通過調整熔填金屬順序進行施焊，該方法是通過對具體焊縫情況分析后，設計分段或縱橫交錯的熔填順序，目的是使焊接應力方向錯落分布，從而減少主要裂紋方向上的應力值，但同樣不能消除應力，二次裂紋傾向同樣存在，尤其是焊縫較大時疊加的應力值同樣可能形成變形或二次裂紋的破壞。上述各種焊補方法，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。焊后件按常規的切削加工成型。綜上原因，消除焊接應力是焊補件裂紋時控制件變形和二次裂紋的關鍵因素。對于焊件焊接應力通常指形成于焊縫區和周圍受熱區域的熱應力，其應力特性表現為焊區冷卻后受“拉”。考察熱應力來源主要由三種應力構成第一種應力為熔填金屬與基體連接界面因升溫不同和材質的不同，因而冷卻收縮系數的差異和收縮量的不同所形成的界面應力，也稱過度區應力。第二種應力為熔填金屬本身冷卻收縮時形成的應力。第三種應力為焊縫基體側因受熱塑性變形而冷卻收縮時形成的應力。在這三部分應力中，連接界面區所承受的應力最大，這是因為一方面界面熔合組織具有復雜性，界面兩側溫度梯度最大，以及兩種金屬的收縮系數的差異較大造成的，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行，所以各次熔填的金屬冷卻所產生的應力，最后都大部分疊加集中于界面上，當疊加應力超過其焊區薄弱部位或焊區周圍基體上有應力集中部位的強度時，即發生二次裂紋。本專利技術的目的在于針對上述現有技術的不足，提供一種，以更好的消除熔填金屬后的界面應力，和冷卻產生的收縮應力，同時也消除大部分焊區基體側受熱冷卻形成的熱應力，使熔填完后的焊件焊區處于一種低應力或壓應力狀態，焊補方法易掌握，可靠性好。該方法的根據是存在于焊件內焊后裂紋區內的熱應力，大部分是通過組織和結構的變形以及裂紋形式表現出來；而金屬組織的變形是應力表現的第一步，即通過金屬組織的變形可以改變其應力狀態。按這一原理，若能在熔填焊縫的每一段，每一層金屬之前，施以待焊面組織內與熔填金屬收縮時應力方向相反的壓應力，即可使拉、壓應力不斷地相互抵消，以大幅度減少或徹底消除宏觀焊接殘余應力。而這一過程僅用機械錘擊的方法，通過錘擊，使待焊面發生變形，這不僅消除了上次熔填金屬冷卻所形成的拉應力，同時予置了下次熔填金屬所需的表面壓應力。只要熔填、錘擊交替進行至焊補結束，并使每次錘擊熔填金屬達一定變形量，就可以實現焊后的焊縫區呈現低應力或壓應力狀態。完全不需要傳統方法的額外加熱和加強筋等措施。本專利技術的技術方案是1．焊前處理。2．用常規焊接設備在待補件的裂紋區內，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行機械錘擊，其中重點錘擊熔填金屬，使其下凹塑性變形量達0.2-1.5毫米。開始錘擊溫度控制在750-250℃，結束錘擊溫度控制在200℃至室溫，錘擊頻率為1-6次/秒。熔填與錘擊金屬交替進行至熔填金屬填滿整個焊縫。當用乙炔-氧焊操作時，需對焊縫周圍基體組織進行強制冷卻，以控制受熱范圍和避免溫升過高。本專利技術與現有技術相比，具有以下技術效果1．在待焊表面予置壓應力，能很好地改善連接界面區的應力狀態，大幅度減少從界面開裂的機率。2．對每次熔填于焊縫內的金屬均經過錘擊其表面，使之塑性變形消除殘余應力；同時予置壓應力，因此整個焊后區內金屬呈低應力或壓應力狀態，充分保證焊補操作的順利進行，有效控制了焊后件的變形和二次裂紋產生，尤其在裂紋缺陷較深，范圍較大的情況下，該方法的優越性尤為突出。3．不需其它輔助加熱，也不需其它加強措施。下面給予詳細說明實施例一48NVD-20船用柴油機缸體，在1缸和3缸位表面，因長期使用后產生裂紋，裂紋長度420毫米，壁厚25毫米，穿透性裂紋。缸體材質HT250、德國制造、柴油機功率1250馬力。其焊補方法是1．焊前處理包括開V形坡口、鉆止裂孔，去油、銹雜質。在熔填金屬前錘擊待焊金屬表面，使之下凹變形0.2-0.5mm，形成表面壓應力。為獲得良好的加工性能，也可使用專利號為ZL97107575.1其專利技術名稱為“鑄件表面缺陷的修補工藝”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/秒的錘擊頻率進行錘擊，使其下凹塑性變形0.4-1毫米，錘擊延續至該熔填金屬冷至200℃至室溫，為控制焊縫周圍的基體升溫，可采用強制冷卻措施進行冷卻，如水冷。3．清理錘擊表面雜質后，重復本上述第2步方法至熔填金屬填滿整個焊縫。凡殼體類件，例如其它柴油機缸體、缸蓋，增壓器殼體，發電機殼體和電動機殼體均可采用實施例一的方法焊補其裂紋。實施例二2640馬力的船用柴油機缸頭，材質為合金灰鐵，在進氣閥孔與排氣閥孔之間的最薄弱部位，基體上產生貫通的三條裂紋，裂紋延伸至冷卻水道，使用中漏水，裂紋深度35-40毫米，其焊補方法為1．焊前處理同實施例一2．該步方法除同實施例一第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/秒的頻率進行錘擊，使其下凹塑性變形0.2-0.6毫米。同時也錘擊相鄰基體并延續至熔填金屬冷至100℃至室溫。3．該步方法同實施例一第3步方法。實施例三船用柴油機曲軸，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，其焊本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種黑色金屬件的裂紋焊補方法，其特征在于：（１）焊前處理；（２）用常規的焊接設備在待補件的裂紋區內先分段、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行機械錘擊，重點錘擊熔填金屬，使其下凹塑性 變形量為０．２－１．５ｍｍ，開始錘擊時的溫度為７５０－２５０℃，錘擊頻率為１－６次／秒，結束錘擊時的溫度為２００℃至室溫，熔填金屬與錘擊金屬交替進行至熔填金屬填滿整個焊縫為止。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：江濤，武麗梅，
申請(專利權)人：重慶大學，
類型：發明
國別省市：85[中國|重慶]