某型发动机汽缸盖更换阀座再制造研究

张建涛,朱旭聪,周建东

(1.海军装备部，北京 100841；2.4808工厂 威海修船厂，山东 威海 264200)

技术交流

某型发动机汽缸盖更换阀座再制造研究

张建涛1,朱旭聪2,周建东2

(1.海军装备部，北京 100841；2.4808工厂 威海修船厂，山东 威海 264200)

某发动机是一型断线装备，汽缸盖更换阀座修理涉及难度较大的铸造铝合金焊接、阀座外径电刷镀，以及承装孔辊压收口的特殊装配要求，经研究和大量工艺试验，较好地解决了修复过程中的再制造问题和装配问题，修复质量优于新品，取得了较好的经济效益。

发动机；铝质汽缸盖；更换阀座；再制造

某型发动机是4冲程、12缸、V型排列、夹角60°、机械增压的高速大功率柴油机。该发动机是一型断线装备，其中汽缸盖已无库存备件(损坏型式为排气阀阀座磨损)，依靠旧件修复维持装备器材保障。该汽缸盖为铝合金铸造结构，6个缸为一体，材料是ZL10(YB143-65)。

1 阀座装配结构及要求

该汽缸盖阀座主要有汽缸盖体、进排气阀导管和进排气阀座组成。气阀座镶嵌在汽缸盖体上，该发动机使用和维护保养说明书中对阀座的修理规定是：检查气阀座，如有松动或阀面磨损超差，应更换阀座。更换阀座的方法和要求：采用专用工具，先将旧阀座拉出，再将新阀座压入，阀座与孔的贴合面积不小于75%，阀座自由放入座孔时，阀座与孔的端面间隙为0.85～1.00 mm，敲进后端面间隙不大于0.08 mm，且应小于1/2的圆周，最后承装孔口进行辊压收口固紧，见图1。

(a)阀座不施力装入状态 (b)阀座打紧后辊压收口状态图1 阀座装配要求示意图

但实际情况是，如果将旧阀座拉出，原辊压收口的这一圈铝合金随阀座拉出而断裂掉下，承装孔口缺失一角，装上新阀座后，无法再辊压收口。说明书上的装配方法是新制汽缸盖的装配方法，旧汽缸盖按常规修理方法是无法更换阀座的。据我们了解，在此型装备在断线之前，汽缸盖从未更换过阀座，修理中如遇到阀座损坏就更换整列汽缸盖。

2 更换阀座再制造方法分析与设计

汽缸盖更换阀座有2个关键问题：一是阀座承装孔口断裂掉下部分的再制造，使承装孔能恢复到新汽缸盖体辊压收口前状态；二是旧阀座拉出后，承装孔内径尺寸略有变大，与阀座配合过盈量减少需要恢复过盈量。

承装孔口再制造方法有2种，一种是采用镶嵌同种材料的方法，由于该汽缸盖结构紧凑，镶嵌尺寸受限制，且阀座已采用了镶嵌的方法，承装孔再采用镶嵌显然不合理。另一种是焊补长肉恢复尺寸，这也是本项目最终选择的方法，但存在2个困难，一是铸造铝合金本身焊接就困难，再加上旧汽缸盖铝合金表面渗透了积碳和污油，清洁不净焊接难以熔合，气孔、夹渣等缺陷多，质量控制比较困难；二是汽缸盖共有24个气阀座孔，若全部焊补长肉，容易产生收缩变形。

恢复承装孔与阀座的过盈量，一般方法是增大阀座外径。该阀座采用特种铜合金制造，也是断线产品，现只有标准尺寸配件，阀座外径无余量。设计采用电刷镀纳米快速镍的方法增大外径尺寸。

3 阀座承装孔焊接工艺研究

该汽缸盖材质为铸造铝合金(ZL10)，具体成分见表1。铝合金焊接是有色金属焊接中较难的一种，主要表现为：①铝在空气中极易与氧气化合生成一层稳定的氧化铝薄膜，其熔点高达2 050 ℃，氧化铝薄膜具有很强的吸附性，所吸附的水分在焊接时会促使焊缝生成气孔；②铝的比热容、电导率很高，焊接需采用功率较大设备；③铝线膨胀系数较大，焊件变形及裂纹倾向也较大；④铝在焊接时的温度变化不会引起焊件的颜色变化，因此焊接温度辩别和操作手法控制有一定难度。另外，由于该汽缸盖工作所处环境高温、积碳、油污，铝质表面渗入油性杂质，对焊接产生更加不利的影响。

3.1焊材选择

根据该汽缸盖材料，选用ER4047铝合金氩弧焊焊丝，焊丝直径分别为1.6 mm和2.0 mm 2种，具体成分见表2。

3.2焊接方法试验和选择

为了克服铝合金焊接诸多困难，获得理想的焊补层，选择了3种焊接方法进行对比试验。

1)微修复氩气保护电弧冷焊。采用DM-D01多功能精密补焊机，焊接热源为钨极，保护气体为氩气，氩气纯度≥99.99%，焊丝直径1.6 mm，焊接电流120～140 A。

2)钨极氩弧焊。采用交直流两用脉冲氩弧焊机，焊接热源为钨极，保护气体为氩气，氩气纯度≥99.99%，焊丝直径 2.0 mm，焊接电流240～260 A。

3)钨极氦弧焊。也采用交直流两用脉冲氩弧焊机，焊接热源为钨极，保护气体为氦气，氦气纯度≥99.99%，焊丝直径2.0 mm，焊接电流100～120 A。

3种焊接方法试验结果如下。

第1)方法：焊接速度慢，平均3 h 焊补1个孔，焊接变形小，焊接层内有较多气孔，强度和韧性差。

第2)方法：焊接速度快，平均20 min焊补1个孔，焊接变形较大，焊接层内有很多气孔，强度和韧性适中。

第3)方法：焊接速度快，平均20 min焊补1个孔，焊接变形较小，焊接层内无气孔，强度和韧性良好，优于基体机械性能。

经过反复试验，最终选择了第3)种方法，采用氦气作为保护气体的钨极氦弧焊。

3.3其它焊接措施

为进一步提高焊接质量，减少变形，同时还采取了以下措施：一是采用绸布丙酮擦洗，将阀座承装孔焊接区域的油污和积碳清洁干净，再用微型角磨机和不锈钢钢丝刷打磨清理，直至露出金属光泽；二是严格控制焊接温度，按预定的顺序，隔缸、分层、分段、交叉进行焊接，过程中监测汽缸盖温度，温度控制在30～50 ℃之间，减小热影响区；三是严格控制焊接手法、电流参数、氦气纯度和流量，确保焊层饱满有光泽，无气孔、夹渣、裂纹等。

表1 汽缸盖ZL10铝合金主要成分及性能

表2 ER4047铝合金焊丝主要成分及性质

3.4焊补位置和尺寸

为了减少焊接变形，焊补量要尽可能少，同时要保证切削加工后锥面和下平面上不能缺肉，因此焊补位置要精准，具体位置和尺寸见图2。

图2 焊补位置和尺寸图

4 阀座装配工艺研究

阀座在发动机工作过程中，要求能承受燃烧室的高温和气阀运动的冲击，不松动、不脱落、耐磨损。阀座如果在工作中脱落，会发生活塞顶缸事故，严重时将造成整机报废。因此，阀座装配的关键是保证阀座能可靠地固定在承装孔内。

4.1阀座固紧度检验方法确定

阀座依靠过盈配合和辊压收口2种方法叠加固紧，因此采用单一的过盈量来衡量其固紧度不甚合理。此阀座从孔中拉出采用了专用工具，用拉出阀座所需要的转矩来衡量其固紧度更为合理，对专用工具作适当改进，可以用普通转矩板手检测其转矩。经检测，旧汽缸盖阀座拉出转矩统计值为90～110 N·m，则将阀座固紧度设计值确定为≥100 N·m。

4.2阀座过盈量与电刷镀方法确定

阀座与承装孔为锥面过盈配合，锥度1∶5，过盈量要求如图1所示，轴向压紧量为0.85～1.00 mm，换算成径向过盈量等于0.17～0.20 mm。汽缸盖拉出旧阀座后承装孔直径略有变大, 大约0.02～0.04 mm，研究采用电刷镀纳米快速镍的方法增大阀座外径，此方法工艺简单、镀层结合牢固，经反复拆装镀层完好无损。镀层厚度定为0.03～0.05 mm，比原过盈量略大一些，以适当提高固紧度。在电刷镀各种参数确定后，用刷镀时间控制镀层厚度。

4.3装配方法确定

装配方法完全依照新制汽缸盖的装配方法，重点是控制好阀座与孔配合的贴合度，要求每个孔用色油检测，着色面积达到75%以上，且分布均匀。若达不到要求，采用手工刮研修正。装配过程如下：①先将阀座不施力放入承装孔内，测量阀座与孔的端面间隙应为0.85～1.00 mm，见图1；②用专用工具将阀座敲进，至端面间隙不大于0.08 mm，且应小于1/2的圆周；③最后用专用工具将承装孔口进行辊压收口固紧。

5 再制造质量检测与分析

该汽缸盖更换阀座质量主要取决于承装孔口焊补再制造和阀座装配这2方面质量。焊接质量用焊接层强度来衡量，按既定的焊接工艺进行试件焊接，测得焊接强度δb为255 MPa，大于235 MPa的基体强度,符合设计要求。另外，通过焊接层切削加工和辊压收口的手感，也提示出其强度和韧性均优于基体；阀座装配质量用固紧度衡量，在一列业已报废的汽缸盖上做工艺试验，按上述工艺方法进行阀座装配，在辊压收口之前测得固紧度为80～90 N·m，辊压收口后再测得固紧度为130～140 N·m，符合“≥100 N·m”的设计要求，且比原阀座固紧度大。

综上所述，汽缸盖更换阀座的再制造质量符合并优于新汽缸盖制造要求。

6 台架试验验证

为进一步验证再制造质量，将一列修复的汽缸盖装于发动机上做台架校核试验，按新机出厂试验标准完成各项试验检测，发动机各项性能指标全部符合要求。试验结束后再次分解汽缸盖，抽测阀座紧固度，其值与装配时相同，符合要求。

The valve-seat of cylinder cap has been repaired and replaced，which belongs to a cut-off motor,with some special requirements for its fitting such as aluminium alloy welding,brush plating on valve-seat outside diameter and roll crushing for binding off.Through a great number of technical experiments,the remaking quality proved better than the new one's and a higher economic efficiency has been achieved.

motor;aluminium cylinder cap;valve seat replacement;remake

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.04.002

张建涛(1972-)，男，河北深泽人，高级工程师，硕士，主要从事舰船修理工作。

2014-03-05