专利名称：黑色金属件的裂纹焊补方法
技术领域：
本发明涉及黑色金属件的裂纹修复方法，主要解决其裂纹修复问题。
黑色金属件主要指铸铁、铸钢、锻钢制成的零部件。例如发动机缸体、缸盖、增压器壳体等壳类零件、各种轴类件、各种机架和模具类零部件。当其在制造或使用过程中产生裂纹时，现有的焊补方法难以保证其焊后件的可靠性。现有的裂纹焊补方法包括焊前处理、焊补裂纹缺陷、焊后处理。具体的焊补方法有以下几种待补件被整体或局部大面积加热后再熔填焊缝金属。目的是使待补件被加热后发生预膨胀，以期与熔填的高温金属冷却时同步收缩，减少或消除焊缝残余应力。该方法虽常用，但应用上受到许多限制，这些限制是整体加热或大面积加热，通常其加热温度达到500-600℃，会造成待补件的变形，尤其是在加工余量很小的情况下，难以保证焊补件的尺寸和形位公差，因此该法仅用于毛坯待补件裂纹的焊补。另一方面，因熔填金属和加热待补件分别冷却至室温的温度梯度差别大，因此而形成的残留应力差别必须有长时间的保温冷却才能得以消除。若裂纹尺寸较大，待补件壁较厚情况下，该法同样可产生二次裂纹。
通过清理裂纹缺陷后，采取局部加强措施，局部加强措施主要指在裂纹的两端或一端，通过预焊加强筋或通过厚大部位螺孔连接加强筋等，使焊缝两侧的部位基材得到加强，以降低焊缝焊后冷却形成的拉应力的破坏作用。这种方法本身并不能消除焊后的残留应力，只是通过加强筋，使焊缝应力分布在较大的区域内，最终经过长时间自然失效来消除应力，若裂纹较大，基体较厚，这种方法作用减小。
焊后锤击消除残余应力，这是铸铁件常用的方法，但传统的锤击对锤击的部位、锤击的时间及温度、锤击力、锤击的频率都缺乏系统深入的研究，这使得锤击消除应力的方法带有很大的随机性、经验性，不易掌握，可靠性差。
通过调整熔填金属顺序进行施焊，该方法是通过对具体焊缝情况分析后，设计分段或纵横交错的熔填顺序，目的是使焊接应力方向错落分布，从而减少主要裂纹方向上的应力值，但同样不能消除应力，二次裂纹倾向同样存在，尤其是焊缝较大时叠加的应力值同样可能形成变形或二次裂纹的破坏。
上述各种焊补方法，其熔填金属的材料为市售的焊条，也可以是市售的合金粉末。焊后件按常规的切削加工成型。
综上原因，消除焊接应力是焊补件裂纹时控制件变形和二次裂纹的关键因素。对于焊件焊接应力通常指形成于焊缝区和周围受热区域的热应力，其应力特性表现为焊区冷却后受“拉”。考察热应力来源主要由三种应力构成第一种应力为熔填金属与基体连接界面因升温不同和材质的不同，因而冷却收缩系数的差异和收缩量的不同所形成的界面应力，也称过度区应力。第二种应力为熔填金属本身冷却收缩时形成的应力。第三种应力为焊缝基体侧因受热塑性变形而冷却收缩时形成的应力。在这三部分应力中，连接界面区所承受的应力最大，这是因为一方面界面熔合组织具有复杂性，界面两侧温度梯度最大，以及两种金属的收缩系数的差异较大造成的，另一方面按焊缝熔填顺序，后一次熔填金属必须在前一次熔填金属的表面上进行，所以各次熔填的金属冷却所产生的应力，最后都大部分叠加集中于界面上，当叠加应力超过其焊区薄弱部位或焊区周围基体上有应力集中部位的强度时，即发生二次裂纹。
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种黑色金属件的裂纹焊补方法，以更好的消除熔填金属后的界面应力，和冷却产生的收缩应力，同时也消除大部分焊区基体侧受热冷却形成的热应力，使熔填完后的焊件焊区处于一种低应力或压应力状态，焊补方法易掌握，可靠性好。
该方法的根据是存在于焊件内焊后裂纹区内的热应力，大部分是通过组织和结构的变形以及裂纹形式表现出来；而金属组织的变形是应力表现的第一步，即通过金属组织的变形可以改变其应力状态。按这一原理，若能在熔填焊缝的每一段，每一层金属之前，施以待焊面组织内与熔填金属收缩时应力方向相反的压应力，即可使拉、压应力不断地相互抵消，以大幅度减少或彻底消除宏观焊接残余应力。而这一过程仅用机械锤击的方法，通过锤击，使待焊面发生变形，这不仅消除了上次熔填金属冷却所形成的拉应力，同时予置了下次熔填金属所需的表面压应力。只要熔填、锤击交替进行至焊补结束，并使每次锤击熔填金属达一定变形量，就可以实现焊后的焊缝区呈现低应力或压应力状态。完全不需要传统方法的额外加热和加强筋等措施。
本发明的技术方案是1．焊前处理。
2．用常规焊接设备在待补件的裂纹区内，先分段、后分次熔填金属，每次熔填金属的厚度为2-8毫米，对每次待焊金属的表面及其相邻基体进行机械锤击，其中重点锤击熔填金属，使其下凹塑性变形量达0.2-1.5毫米。开始锤击温度控制在750-250℃，结束锤击温度控制在200℃至室温，锤击频率为1-6次/秒。熔填与锤击金属交替进行至熔填金属填满整个焊缝。
当用乙炔-氧焊操作时，需对焊缝周围基体组织进行强制冷却，以控制受热范围和避免温升过高。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果1．在待焊表面予置压应力，能很好地改善连接界面区的应力状态，大幅度减少从界面开裂的机率。
2．对每次熔填于焊缝内的金属均经过锤击其表面，使之塑性变形消除残余应力；同时予置压应力，因此整个焊后区内金属呈低应力或压应力状态，充分保证焊补操作的顺利进行，有效控制了焊后件的变形和二次裂纹产生，尤其在裂纹缺陷较深，范围较大的情况下，该方法的优越性尤为突出。
3．不需其它辅助加热，也不需其它加强措施。
下面给予详细说明实施例一48NVD-20船用柴油机缸体，在1缸和3缸位表面，因长期使用后产生裂纹，裂纹长度420毫米，壁厚25毫米，穿透性裂纹。缸体材质HT250、德国制造、柴油机功率1250马力。其焊补方法是1．焊前处理包括开V形坡口、钻止裂孔，去油、锈杂质。在熔填金属前锤击待焊金属表面，使之下凹变形0.2-0.5mm，形成表面压应力。为获得良好的加工性能，也可使用专利号为ZL97107575.1其发明名称为“铸件表面缺陷的修补工艺”所述的方法，在缸体的加工面与该裂纹的交接处快速喷焊一层合金过渡层。
2．以电弧焊从止裂孔处开始向裂纹方向上分段、并在每段上分次熔填金属，每次快速熔填4-8mm金属层厚时即停焊，紧接着迅速对750-400℃的该熔填金属以1-4次/秒的锤击频率进行锤击，使其下凹塑性变形0.4-1毫米，锤击延续至该熔填金属冷至200℃至室温，为控制焊缝周围的基体升温，可采用强制冷却措施进行冷却，如水冷。
3．清理锤击表面杂质后，重复本上述第2步方法至熔填金属填满整个焊缝。
凡壳体类件，例如其它柴油机缸体、缸盖，增压器壳体，发电机壳体和电动机壳体均可采用实施例一的方法焊补其裂纹。
实施例二2640马力的船用柴油机缸头，材质为合金灰铁，在进气阀孔与排气阀孔之间的最薄弱部位，基体上产生贯通的三条裂纹，裂纹延伸至冷却水道，使用中漏水，裂纹深度35-40毫米，其焊补方法为1．焊前处理同实施例一2．该步方法除同实施例一第2步方法外，不同的是以电弧焊从裂纹最深处开始顺序向上熔填金属，每次快速熔填2-4mm金属层厚时即停焊，紧接着迅速对400-250℃的熔填金属以2-4次/秒的频率进行锤击，使其下凹塑性变形0.2-0.6毫米。同时也锤击相邻基体并延续至熔填金属冷至100℃至室温。
3．该步方法同实施例一第3步方法。
实施例三船用柴油机曲轴，锻钢制造，在曲拐工作面上曾有5条裂纹，平均深度为4.5毫米，平均长度为15毫米，其焊补工艺为1．焊前处理同实施例一，所不同的是用着色探伤法检查裂纹。在熔填金属前锤击待焊表面，使之下凹变形0.2-0.5mm形成表面压应力。同时将曲轴机械固定。
2．该步方法除同实施例二第2步方法外，所不同的是用电弧焊或氩弧焊或CO2气体保护焊或喷焊的焊接方法从裂纹的一端向另一端熔填金属，快速一次性填满至要求尺寸。
3．该步方法同实施例一第3步的方法。
4．对其余裂纹重复实施1、2、3步骤，至完成焊补操作。
轴类件均可采用实施例三的方法焊补其裂纹。
实施例四摩托车塑料边盖板铸钢模具，其上有一条长度为5毫米，深12毫米裂纹，其焊补方法为1．焊前处理同实施例一。并使用发明专利ZL97107575.1所述的方法快速喷焊一层合金于加工面与裂纹的交接面上作为过渡。
2．该步方法除同实施例二第2步方法外，所不同的是次每快速熔填4-8mm金属层厚时即停焊，紧接着迅速对750-400℃的熔填金属以2-4次/秒的频率进行锤击，使熔填金属下凹变形0.8-1.5mm，形成表面压应力。锤击延续至熔填金属冷至100℃至室温。
3．该步方法同实施例一第3步方法。
权利要求
1．一种黑色金属件的裂纹焊补方法，其特征在于(1)焊前处理；(2)用常规的焊接设备在待补件的裂纹区内先分段、后分次熔填金属，每次熔填金属的厚度为2-8mm，对每次待焊金属表面及其相邻金属基体进行机械锤击，重点锤击熔填金属，使其下凹塑性变形量为0.2-1.5mm，开始锤击时的温度为750-250℃，锤击频率为1-6次/秒，结束锤击时的温度为200℃至室温，熔填金属与锤击金属交替进行至熔填金属填满整个焊缝为止。
2．根据权利要求1所述的黑色金属件的裂纹焊补方法，其特征在于48NVD-20船用柴油机缸体上长420mm，壁厚25mm的穿透性裂纹焊补方法是(1)在熔填金属前，锤击待焊金属表面，使之下凹变形量0.2-0.5mm，用现有的“铸铁件表面缺陷的修补方法”，在缸体的加工面与该裂纹的交接面处快速喷焊一层合金过渡层；(2)用电弧焊从止裂孔处开始向裂纹方向上分段，并在每段上分次熔填金属，每次快速熔填金属的厚度为4-8mm，迅速对750-400℃的该熔填金属以1-4次/秒的锤击频率进行锤击，使其下凹塑性变形的厚度为0.4-1mm。(3)对焊缝周围的金属基体强制冷却。
3．根据权利要求1或2所述的黑色金属件的裂纹焊补方法，其特征在于2640马力的船用柴油机缸头上的进气阀孔与排气阀孔之间部位上每条深度达35-40mm的贯穿裂纹的焊补方法是用电弧焊从裂纹最深处开始向上熔填金属，每次快速熔填金属的厚度为2-4mm，迅速对400-250℃的该熔填金属以2-4次/秒的锤击频率进行锤击，使其下凹塑性变形0.2-0.6mm，同时也锤击其相邻基体，锤击延续至熔填金属冷至100℃至室温。
4．根据权利要求2或3所述的黑色金属件的裂纹焊补方法，其特征在于船用柴油机曲轴上的曲拐工作面上每条长度为15mm，深度为4.5mm的裂纹焊补方法是用电弧焊或氩弧焊或CO2气体保护焊或喷焊，从汽裂纹的一端向另一端，一次性快速熔填满金属。
5．根据权利要求2或3所述的黑色金属件的裂纹焊补方法，其特征在于摩托车塑料边盖板铸钢模具上长为5mm，深为12mm的裂纹焊补方法是每次快速熔填金属的厚度为4-8mm，迅速对750-400℃的该熔填金属以2-4次/秒的锤击频率进行锤击，使熔填金属下凹变形0.8-1.5mm，锤击延续至熔填金属冷至100℃至室温。
全文摘要
黑色金属件的裂纹焊补方法,涉及黑色金属件的裂纹修复方法。主要解决黑色金属件焊补裂纹时所产生的热应力问题。其方法包括:焊前处理、在裂纹区内先分段后分次熔填金属,主要对每次熔填金属实施机械锤击,通过变形消除其冷却收缩形成的拉应力,并为下次熔填金属预置待焊面的压应力,至完成裂纹的焊补过程。该方法有效地防止了焊后件的应力变形和二次裂纹的产生。
文档编号B23K31/00GK1288797SQ0012051
公开日2001年3月28日 申请日期2000年10月27日 优先权日2000年10月27日
发明者江涛, 武丽梅 申请人:重庆大学