船用柴油機氣缸蓋的鎳鉻鉬合金自動堆焊工藝方法
2023-05-07 15:50:31
專利名稱：船用柴油機氣缸蓋的鎳鉻鉬合金自動堆焊工藝方法
技術領域：
本發明涉及一種焊接加工方法，尤其涉及一種用於大型船用柴油機氣缸蓋的鎳鉻 鉬合金自動堆焊工藝方法。
背景技術：
氣缸蓋是大功率低速船用柴油機的重要零件之一，其與缸套、活塞頭和排氣閥共 同構成柴油機的燃燒室。由於柴油的霧化和燃燒均在燃燒室內進行，因此氣缸蓋的工作條 件較為惡劣，其要承受很大的熱應力和機械應力，尤其是氣缸蓋燃燒室內壁位於燃油閥噴 油處的區域更是要承受高溫高壓氣體的衝擊，因此在氣缸蓋的加工中，該區域都要採用鎳 鉻鉬合金進行堆焊以進行表面強化。圖1和圖2是大型船用柴油機的氣缸蓋的示意圖。圖示氣缸蓋1是一軸心具有通 孔的臺階狀圓柱形零件，形狀類似普通的法蘭蓋。請參閱圖2，所述氣缸蓋1 一般由整塊鍛 鋼製成，其中央通孔的右部(工作位置時為上部，即開口於氣缸蓋1大端的部分)用於安裝排 氣閥組件，中央通孔的左部(工作位置時為下部，即開口於氣缸蓋1小端的部分)則構成燃燒 室11的一部分。氣缸蓋1設置有燃油閥2，其端部設有連通燃燒室11的噴油孔3，請參閱 圖3放大圖，在燃燒室11內壁噴油孔3開口的周圍就是需要進行鎳鉻鉬合金表面堆焊加工 的噴油區P，該噴油區P在氣缸蓋1燃燒室11的內壁上分布有多處(見圖1)，每一噴油區P 對應一噴油孔3，該噴油區P的形狀為扇形。在氣缸蓋1大端的外圓上設有多個平面12，氣 缸蓋1小端的外圓上設有多個橫孔13。船用柴油機整體的體積龐大，長度、寬度和高度可達數米，甚至十餘米，而氣缸蓋 在機械加工範疇中也堪稱為大型工件，因此圖示氣缸蓋1的加工十分繁複和困難，尤其加 工過程中如此笨重零件的位置調轉和搬運都離不開弔運機械，其加工工藝費時費力。目前該氣缸蓋1燃燒室11噴油區P的鎳鉻鉬合金堆焊加工都採用手工操作。請 參閱圖5，現有加工方法為首先在需要進行堆焊加工的多個噴油區P的範圍內用機加工方 法挖出深5mm的合金槽14，然後將氣缸蓋1以圖2所示的垂直位置放置，即以氣缸蓋1大 端外圓落地的位置放置，以便作業人員探入氣缸蓋1的內腔中進行操作；隨後用氣焊噴槍 將氣缸蓋1工件預熱；之後作業人員採用手動焊接的方式在合金槽14內進行堆焊，堆焊層 共有兩層，第一堆焊層Ml使用 3. 2直徑焊條打底，焊層厚度為3mm，第二堆焊層M2使用 小4直徑的焊條蓋面，焊層厚度為5mm，這樣堆焊層總厚度約為8mm，堆焊焊接工藝採用混合 氣體(C02+ Ar)保護焊接工藝，焊接材料為鎳鉻鉬合金(Inconel Filler Metal 625);堆焊 加工完成後對氣缸蓋1中央通孔的內壁進行金屬切削加工，從而將噴油區P的表層連同合 金槽14內第二堆焊層M2的上表層一起削平，加工餘量d約為2mm (見圖5)。上述船用柴油機氣缸蓋的鎳鉻鉬合金堆焊方法存在有如下缺點
1、由於手工堆焊送絲速度慢，單層堆焊層不足以堆滿合金槽14，所以需要堆焊兩層，因 此導致焊接層厚、堆焊材料消耗量大、堆焊作業周期長，同時給後續加工留下較大的切削餘 量；
3
2、由於每個氣缸蓋1上設有多個噴油區P，因此在完成一處合金槽14的堆焊後，需要行 車配合作業人員吊起並轉動氣缸蓋1，將第二處合金槽14轉至適合位置再進行堆焊作業， 因此操作的勞動強度大，而且手動焊接對操作者的技能要求也比較高；
3、由於工件是垂直放置(如圖2)且用手工進行加熱，因此預熱時工件受熱不均勻會導 致變形；
4、同樣是因為堆焊時工件為垂直放置，為保證放置的平衡性，所以氣缸蓋1大端外圓 上的多個平面12 (見圖1)不能在之前的機加工工序中一併銑掉，因此只能在堆焊工序後重 新再上工具機加工平面12，因此多增加了一次上下工具機和校調步驟，從而增加了整個氣缸蓋 1工件加工的工藝周期。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有船用柴油機氣缸蓋手工堆焊方法的不足， 提供一種船用柴油機氣缸蓋的鎳鉻鉬合金自動堆焊工藝方法，其改變傳統的手工堆焊方 式，採用自動堆焊機實現柴油機氣缸蓋的鎳鉻鉬合金堆焊工藝，從而降低勞動強度、簡化工 藝步驟、縮短加工周期、減少焊材消耗。本發明解決上述問題的方案如下
一種船用柴油機氣缸蓋的鎳鉻鉬合金自動堆焊工藝方法，用於對氣缸蓋燃燒室噴油區 的表面強化加工，其採用自動堆焊機對氣缸蓋燃燒室的噴油區表面進行鎳鉻鉬合金堆焊強 化，堆焊層為一層；該自動堆焊機包括能夠擺動和旋轉的迴轉工作檯以及焊槍位置能夠調 節的數控焊接機。本發明所述船用柴油機氣缸蓋的鎳鉻鉬合金自動堆焊工藝方法的操作步驟和具 體內容如下
(1)在氣缸蓋燃燒室的多個噴油區處逐個加工出數合金槽，槽深3.5mm，並且對該數合 金槽進行焊前處理，清洗和精整合金槽內的堆焊部位；
(2)使用陶瓷電熱板對氣缸蓋進行均勻預加熱，使之預熱溫度不低於200°C，並用隔熱
毯覆蓋氣缸蓋；
(3)將氣缸蓋吊裝並夾固在自動堆焊機的迴轉工作檯上，逐一在各合金槽中堆焊鎳鉻 鉬合金，堆焊層為一層且厚度為5mm，焊接中通過迴轉工作檯轉動氣缸蓋以實現合金槽位置 的調節、轉換和每一焊道的堆焊，通過自動堆焊機的數控焊接機實現焊槍位置的調節和焊 道的切換；
(4)檢查確認堆焊層無缺陷後，用金屬棉包裹對氣缸蓋整體進行保溫處理，保溫時間為 36小時以上，然後除去金屬棉使氣缸蓋在空氣中緩慢冷卻至50°C以下；
(5)將氣缸蓋由自動堆焊機上卸下並吊運裝夾在車床上，對氣缸蓋的中央通孔進行切 削加工，將噴油區的表層連同合金槽內堆焊層的上表層一起削平，加工餘量為0. 5mm ；
(6)焊後對堆焊區域用超聲波和著色探傷進行檢驗，並採用手工打磨和焊接來修整缺 陷直至合格。本發明所述自動堆焊機的迴轉工作檯包括底座、工作檯、擺動機構和轉動機構，該 擺動機構設置於底座上，該轉動機構設置於擺動機構上，該工作檯設置於轉動機構上，並且 工作檯受擺動機構和轉動機構的驅動實現繞水平位置的擺動和繞自身軸線的轉動；所述自動堆焊機的數控焊接機包括立柱、數控軸、橫臂、槍架和焊槍，水平的數控軸設置於直立的 立柱上且能夠沿該立柱上下移動，該橫臂設置在數控軸上且能夠沿數控軸前後移動，該槍 架設置於橫臂上，該焊槍固定在槍架上，通過數控軸和橫臂的移動能夠調節焊槍的位置。
與傳統的手工堆焊方法相比較，本發明所述船用柴油機氣缸蓋的鎳鉻鉬合金自動 堆焊工藝方法具有下列優點
1、縮短工序時間、減少焊材消耗——由於採用了自動堆焊機來代替手工方式實現氣缸 蓋的鎳鉻鉬合金堆焊工藝，各項焊接工藝參數都得到了自動控制，不僅保證了焊層質量，而 且大大提高了送絲速度，因此堆焊層能夠改為一層，比傳統手工焊方式少一層，減少了堆焊 層總厚度，從而縮短了堆焊時間，節約了焊條材料用量，同時減少了切削加工餘量，減輕了 後續機加工工序的工作量，提高了加工效率。2、降低操作的勞動強度——由於在焊接中使用工裝和迴轉工作檯轉動工件，因而 當轉換不同合金槽的焊接時不需要再動用行車進行配合來翻轉氣缸蓋的位置，再加上減少 了堆焊工序工作量，所以大大降低了工人的勞動強度和勞動危險性，同時自動化工藝也降 低了對操作者的技能要求，有利於培養新操作者。3、簡化工藝步驟——由於氣缸蓋工件在預熱、焊接和保溫時都是水平放置(即氣 缸蓋小端向上的位置，見圖2)，因此就不存在堆焊過程中氣缸蓋大端外圓上的多個平面(見 圖1)妨礙氣缸蓋合金槽調整位置的問題，於是該多個平面就可以在之前的機加工工序中一 並銑掉，從而精簡了堆焊工序後專門再加工平面12的步驟，減少了一次上下工具機和校調的 工序，縮短了氣缸蓋的加工周期。4、減少工件預熱的變形——由於氣缸蓋預熱過程中水平放置，而且採取陶瓷電熱 板對氣缸蓋整體加熱，因此工件預熱均勻，減少了變形。
圖1是船用柴油機氣缸蓋的結構圖。
圖2是圖1的A-A剖視圖。
圖3是圖2的B部放大圖。
圖4是本發明中自動堆焊機的結構示意圖。
圖5是傳統手工堆焊的加工示意圖。
圖6是本發明的加工示意圖。
圖7是本發明的加工方法流程圖。
圖中1一氣缸蓋； 2—燃油閥； 3—噴油孔4—-數控焊接機；5—迴轉工作檯；11-一燃燒室；12—平面；13—橫孔；14一合金槽；41-一立柱； 42—數控軸； 43-—橫臂；44-一槍架； 45—焊槍；51-一底座；52—工作檯；53—擺動機構；54—轉動機構；d—-加工餘量； P—噴油區； M--堆焊層；M1-一第一堆焊層；M2—第二堆焊層。
具體實施例方式本發明所述的船用柴油機氣缸蓋的鎳鉻鉬合金自動堆焊工藝方法用於對氣缸蓋1 燃燒室11噴油區P的表面強化加工，參見圖1，噴油區P是氣缸蓋1主要的受衝擊和高溫 區域，由均布在燃燒室11內壁的2 3塊扇型曲面構成。在採用耐蝕合金(如鎳鉻鉬合金) 對之進行表面強化加工時，傳統的手工堆焊工藝方法中對操作者有較高的技能要求。本發 明採用自動堆焊機代替手工方式實現堆焊工藝操作，所述自動堆焊機包括能夠擺動和旋轉 的迴轉工作檯5以及焊槍位置能夠調節的數控焊接機4，請參閱圖4。圖示自動堆焊機的迴轉工作檯5包括有底座51、工作檯52、擺動機構53和轉動機 構54。該擺動機構53設置於底座51之上，擺動機構53具有動力部件、與該動力部件嚙合 的扇形齒輪以及穿置於該扇形齒輪軸心且架設於底座51上的擺動軸。該轉動機構54設置 於擺動機構53上，轉動機構54具有軸線與擺動軸垂直的迴轉齒輪和能夠驅動該迴轉齒輪 360°旋轉的驅動部件。該工作檯52設置於轉動機構54上，其形狀為圓形，軸線與迴轉齒 輪重合。所述驅動部件能夠驅動迴轉齒輪及其之上的工作檯52進行360°的旋轉，所述動 力部件能夠驅動扇形齒輪及其之上的轉動機構54和工作檯52繞擺動軸進行擺動，因此，所 述工作檯52以及夾固之上的氣缸蓋1受擺動機構53和轉動機構54的驅動能夠實現繞水 平位置的擺動和繞自身軸線的轉動。圖4所示自動堆焊機的數控焊接機4包括立柱41、數控軸42、橫臂43、槍架44和 焊槍45。水平的數控軸42設置於直立的立柱41上，並且且能夠沿該立柱41上下移動，該 數控軸42上設置有控制焊絲進給和焊接工藝參數的數控部件。所述橫臂43設置在數控軸 42上且能夠沿數控軸42前後移動，該橫臂43上設置有槍架44。所述焊槍45固定在槍架 44上，用以穿置焊絲以直接對工件進行焊接。通過數控軸42和橫臂43的移動能夠實現焊 槍45上下升降和前後伸縮運動，從而調節焊槍45與工件之間的相對空間位置。以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。請參閱圖1，圖示氣缸蓋1燃燒室11內壁上分布有2處噴油區P，該噴油區P位於 噴油孔3的周圍，形狀為扇形，每塊扇形曲面面積約為38000mm2。對該氣缸蓋1採用本發明所述的船用柴油機氣缸蓋的鎳鉻鉬合金自動堆焊工藝 方法進行噴油區P的表面強化加工，其工藝操作流程見圖7所示，具體步驟和內容如下
(1)在氣缸蓋燃燒室噴油區處加工出合金槽並對之進行焊前處理 通過機械加工在氣缸蓋1燃燒室11的兩個噴油區P處逐個挖削出合金槽14，槽深 3. 5mmo然後使用行車和專用水平吊具將氣缸蓋1吊入焊接車間，吊運過程中注意保護已 加工面，在加工面之上加墊保護布，將氣缸蓋1以水平位置(即氣缸蓋1小端向上的位置)擺 放在作業場地的地面上。隨後對該兩合金槽14進行焊前處理打磨精整需要堆焊的部位以及周圍區域，用 無纖維的布和清洗劑徹底去除該部位區域的油汙、鐵屑等汙物，最後目視檢查堆焊面上是 否有劃傷、毛刺等異常情況。(2)對氣缸蓋進行預熱
根據氣缸蓋1尺寸的大小，使用適當數量的陶瓷電熱板將氣缸蓋1整體圍住，對氣缸蓋 1進行均勻預加熱，預熱溫度不低於200°C;確認氣缸蓋1的溫度時，採用數字測溫儀在距離
6焊接區(即噴油區P)至少75mm處，測得預熱溫度數據應達到彡200°C。為了避免焊接操作 前氣缸蓋1冷卻以及人員被燙傷，要用隔熱毯覆蓋好氣缸蓋。(3)將氣缸蓋裝夾在自動堆焊機的迴轉工作檯上，並逐一在各合金槽中堆焊一層 鎳鉻鉬合金
將氣缸蓋1用行車吊裝在自動堆焊機的迴轉工作檯5上(見圖4)，並根據氣缸蓋1的尺 寸形狀換用合適的定位組件將氣缸蓋1夾固於迴轉工作檯5上，然後啟動擺動機構53和轉 動機構54將需要堆焊的第一個合金槽14調整至水平位置。再移動數控焊接機4的數控軸 42和橫臂43，使焊槍45到達焊接位置，並在數控部件中輸入焊接參數。在第一個合金槽14中堆焊鎳鉻鉬合金，焊接材料牌號為Inc0ne1625，焊絲直徑 小1. 2，堆焊層M為一層且厚度為5mm ；焊接參數為電壓25 25. 3V、電流204 210A、送絲速度 10.1m / min。參見圖6，合金槽14中的堆焊層M是沿縱向逐道焊接上去的，首先啟動轉動 機構54使迴轉工作檯5上的氣缸蓋1進行扇形角度的迴轉，邊迴轉邊焊槍45完成第一道 焊接，然後橫臂43沿前後縱向移動一焊道的距離，同時氣缸蓋1旋轉返回焊道的起點，以達 到焊道的切換，再使氣缸蓋1扇形迴轉進行第二道焊接，如此循環完成第一個合金槽14中 所有焊道的焊接，最終形成堆焊層M。完成第一個合金槽14中的堆焊後，轉動迴轉工作檯5使其上氣缸蓋1的第二個合 金槽14到達水平的焊接位置，然後重複上述同樣的工藝過程完成第二個合金槽14中鎳鉻 鉬合金的堆焊。如此循環完成氣缸蓋1上所有噴油區P的表面堆焊強化加工。(4)對氣缸蓋進行保溫後在空氣中緩慢冷卻
所有合金槽14的堆焊結束後，對堆焊層M進行目視檢查，在確認無缺陷後，用金屬棉包 裹氣缸蓋1以對其整體進行保溫處理，保溫時間為36小時以上，然後除去金屬棉使氣缸蓋 1在空氣中冷卻至50°C以下。(5)在車床上對氣缸蓋噴油區的表層連同合金槽內堆焊層的上表層一起削平
將氣缸蓋1由自動堆焊機上卸下，並且用行車吊運裝夾在車床上，裝夾時夾固氣缸蓋1 的大端，校對小端的外圓和平面，使之徑向和端面跳動< 0. 05mm，然後對氣缸蓋1燃燒室11 的中央通孔進行切削加工，將噴油區P的表層連同合金槽14內堆焊層M的上表層一起削 平，加工餘量d為0. 5mm (見圖6)。(6)焊後檢驗並修整缺陷
焊接完成後對堆焊區域進行檢驗，檢驗採用目測、超聲波與著色探傷相結合的方式，若 發現超出質量標準的缺陷，則通過鉗工手工打磨和手工氬弧焊補焊的方法來修整缺陷直至 合格。本發明達到了縮短工序時間、減少焊材消耗、降低勞動強度、簡化工藝步驟和減少 工件變形的有益效果。本發明要求的保護範圍不僅限於上述實施例，也應包括其他對此發 明顯而易見的變換和替代方案。
權利要求
一種船用柴油機氣缸蓋的鎳鉻鉬合金自動堆焊工藝方法，用於對氣缸蓋燃燒室噴油區的表面強化加工，其特徵在於所述工藝方法採用自動堆焊機對氣缸蓋燃燒室的噴油區表面進行鎳鉻鉬合金堆焊強化，堆焊層為一層；該自動堆焊機包括能夠擺動和旋轉的迴轉工作檯以及焊槍位置能夠調節的數控焊接機。
2.根據權利要求1所述的船用柴油機氣缸蓋的鎳鉻鉬合金自動堆焊工藝方法，其特徵 在於所述工藝方法的步驟如下(1)在氣缸蓋燃燒室噴油區處加工出數個合金槽並對之進行焊前處理；(2)對氣缸蓋進行預熱；(3)將氣缸蓋裝夾在自動堆焊機的迴轉工作檯上，並逐一在各合金槽中堆焊一層鎳鉻 鉬合金；(4)對氣缸蓋進行保溫後在空氣中緩慢冷卻；(5)將氣缸蓋由自動堆焊機上卸下裝夾在車床上，對氣缸蓋的中央通孔進行切削加工， 將噴油區的表層連同合金槽內堆焊層的上表層一起削平；(6)焊後檢驗並修整缺陷。
3.根據權利要求2所述的船用柴油機氣缸蓋的鎳鉻鉬合金自動堆焊工藝方法，其特徵 在於所述工藝方法各步驟的具體操作內容如下(1)在氣缸蓋燃燒室的多個噴油區處逐個加工出數個合金槽，槽深3.5mm，並且對該數 合金槽進行焊前處理，清洗和精整合金槽內的堆焊部位；(2)使用陶瓷電熱板對氣缸蓋進行均勻預加熱，使之預熱溫度不低於20(TC，並用隔熱 毯覆蓋氣缸蓋；(3)將氣缸蓋吊裝並夾固在自動堆焊機的迴轉工作檯上，逐一在各合金槽中堆焊鎳鉻 鉬合金，堆焊層為一層且厚度為5mm，焊接中通過迴轉工作檯轉動氣缸蓋以實現合金槽位置 的調節、轉換和每一焊道的堆焊，通過自動堆焊機的數控焊接機實現焊槍位置的調節和焊 道的切換；(4)檢查確認堆焊層無缺陷後，用金屬棉包裹對氣缸蓋整體進行保溫處理，保溫時間為 36小時以上，然後除去金屬棉使氣缸蓋在空氣中緩慢冷卻至50°C以下；(5)將氣缸蓋由自動堆焊機上卸下並吊運裝夾在車床上，對氣缸蓋的中央通孔進行切 削加工，將噴油區的表層連同合金槽內堆焊層的上表層一起削平，加工餘量為0. 5mm ；(6)焊後對堆焊區域用超聲波和著色探傷進行檢驗，並採用手工打磨和焊接來修整缺 陷直至合格。
4.根據權利要求1、2或3所述的船用柴油機氣缸蓋的鎳鉻鉬合金自動堆焊工藝方法， 其特徵在於所述自動堆焊機的迴轉工作檯包括底座、工作檯、擺動機構和轉動機構，該擺 動機構設置於底座上，該轉動機構設置於擺動機構上，該工作檯設置於轉動機構上，並且工 作臺受擺動機構和轉動機構的驅動實現繞水平位置的擺動和繞自身軸線的轉動；所述自動 堆焊機的數控焊接機包括立柱、數控軸、橫臂、槍架和焊槍，水平的數控軸設置於直立的立 柱上且能夠沿該立柱上下移動，該橫臂設置在數控軸上且能夠沿數控軸前後移動，該槍架 設置於橫臂上，該焊槍固定在槍架上，通過數控軸和橫臂的移動能夠調節焊槍的位置。
全文摘要
本發明公開了一種船用柴油機氣缸蓋的鎳鉻鉬合金自動堆焊工藝方法，用於對氣缸蓋燃燒室噴油區的表面強化加工，其採用自動堆焊機對氣缸蓋燃燒室的噴油區表面進行鎳鉻鉬合金堆焊強化，堆焊層為一層；該自動堆焊機包括能夠擺動和旋轉的迴轉工作檯以及焊槍位置能夠調節的數控焊接機。本發明改變了傳統的手工堆焊方式，實現了氣缸蓋鎳鉻鉬合金堆焊工藝的自動化，從而降低了勞動強度、簡化了工藝步驟、縮短了加工周期、減少了焊材消耗。
文檔編號B23K9/04GK101885100SQ20101023881
公開日2010年11月17日 申請日期2010年7月28日 優先權日2010年7月28日
發明者何福遠, 尤理鋼, 徐雲天, 徐鑫華, 朱衛軍, 王軍, 王巍, 胡新成 申請人:上海中船三井造船柴油機有限公司