电火花堆焊技术在HXn5型内燃机车气缸套修复中的应用

史怀玉

摘 要： HXn5型内燃机车在检修过程中发现有较多的气缸套密封槽上圈存在缺陷，使得气缸套报废，大大增加了维修成本。本文介绍公司通过材料分析、工艺试验、工件试修等方式，最终采用电火花堆焊技术对气缸套的缺陷进行焊接修复，并摸索出一套完整的工艺流程。

关键词： 电火花堆焊；机车气缸套；缸套修复

1.前言

HXn5型内燃机车的动力组具有其独特的结构，柴油机的气缸套安装于加强套内部，与气缸盖组成气缸组件安装在机体的气缸孔上。上部由气缸盖压紧固定，与活塞共同组成燃烧室，外部有冷却水冷却。随着HXn5型内燃机车进入检修周期，在拆检过程中我们发现较多的气缸套密封槽上圈存在缺陷（如图一、图二所示）。该处缺陷破坏了气缸套与加强套、汽缸盖的密封，使其在使用过程中，不能保证柴油机水循环系统的密封性，导致冷却水泄漏，造成油水互窜等问题，影响柴油机的运行，使得这些气缸套只能进行报废处理，大大增加了机车的检修成本。为此，HXn5型内燃机车气缸套的破损修复成为了一个重要的课题。

2.修复工艺的探索

2.1 对材料取样检测

气缸套的材料为合金铸铁。为了解材料的组织与性能，我们在报废的气缸套上进行取样，并送检测中心进行检测。

结果如下：

由图三可见，基体中的石墨长度为4级，以形状弯曲，端部钝化的A型石墨为主。

由图四的金相分析可知，基体组织中珠光体占98%，铁素体不到2%，还有少量的渗碳体，铁素体和渗碳体在基体组织中呈弥散性分布。

母材力学性能检测结果为：抗拉强度σb≥330Mpa，硬度HB240-350。

2.2材料的焊接性能分析与工艺选择

从母材的性能考虑：铸铁的碳、硫和磷等杂质含量高，抗拉强度低，脆性大，几乎没有塑形变形的能力，这使得它的焊接性能很差。在焊接接头处易产生白口及淬硬组织。

从产品的结构特性考虑：气缸套修复属于成品零件修复，过大的热输入量不仅会造成气缸套的尺寸及行为公差超标而无法使用，而且由于缺口部位在气缸套外只有5mm厚圆环上，使得焊后冷却过程中，焊缝的收缩容易在热影响区产生裂纹。

同时从经济方面考虑，由于气缸套的体积较大，如果采用焊前预热、焊后保温等措施，将会消耗较多的能源。由此我们排除了气焊、电弧热焊等热输入量大，或者需要热处理的焊接方式。

综合以上几点考虑，我们首先尝试使用Z308电弧冷焊的方法进行了试修复，在这过程中又发现了如下一系列问题使得电弧冷焊的修复效果不甚满意：

（1）密封槽的缺陷部位空间太过狭小，电焊条很难精确送达，操作难度大；

（2）铸铁焊条冷焊需要进行锤击，才能达到满意的焊接效果。而在气缸套焊接过程中没有合适的空间进行锤击，甚至稍有不注意就会破坏槽口的上下圈；

（3）即使采用表面包覆、涂飞溅剂等防护措施，缸套的外表面及内孔仍然会被飞溅粘上，造成缺陷；

（4）使用后的缸套外表面由于受到穴蚀，组織较疏松，同时修复的部位太薄，使得母材无法承受焊缝的收缩应力，在经过磨床加工之后，探伤发现缸套的修复部位仍然会有多处微小裂纹；

（5）部分缸套电弧冷焊以后经过测量，内孔的圆度偏差较大，超出上限值0.03mm。

汲取电弧冷焊的经验，结合实际焊修的情况，总结出以下3点：

（1）需要采用工艺流程更加简单、操作更加方便的焊接方式进行修复，并且最好用焊丝作为电极进行焊接。避免在焊接过程中锤击等操作的同时，也能够将电极方便、精准的送达缺陷处进行修复；

（2）选用较焊条电弧焊更加小热输入量的焊接方式，减少气缸套的变形量；

（3）需要选用熔池范围小，焊缝的收缩小，飞溅少的焊接方式，防止焊后出现裂纹、飞溅等焊接缺陷。

综合以上，为此我们决定选用电弧火花堆焊的焊接方式进行焊接修复。

3.电弧火花堆焊介绍及工艺试验

3.1电弧火花堆焊的技术原理

电火花堆焊是利用电极在工作表面旋转，在相互接触的微小区域瞬时（～s）流过高密度的电流（～A/），由于放电能量在时间和空间上的高度集中，在微小的放电区域产生了5000～25000K的高温，使电机和工件接触部分的金属熔化并且形成熔池，加上电极的往复运动过程中的压合作用，使熔池中熔化的金属沉积到基体的表面，此过程将使表面产生微小的融化区，并且发生了冶金反应。同时在沉积过程中使用氩气进行保护，有了气体保护就可以使在电火花放电的同时，阴阳两极间的氩气被电离击穿并形成微小的电弧，致使沉积层又拥有了脉冲氩弧焊的强化效果。

3.2电火花堆焊的优点

与普通焊接修复技术相比，电火花堆焊的有如下优点：火花放电对基体的热输入量极低，几乎不会使工件造成变形；焊前只需进行简单的预处理，焊后也不需要再对工件进行热处理；电极选择的范围广，理论上，任何导电的材料都可以作为电极；可以堆焊窄而长的区域和内孔表面；电火花堆焊后加工余量很小，小面积的焊接只需要采用油石、锉刀等手工工具进行钳工修理即可。

3.3电火花堆焊工艺试验

为了验证焊接工艺的可行性，焊接材料的选用是否正确，焊接工艺参数是否合适，需要进行焊接工艺试验。通过检测试样的性能来确定焊接产品能否满足使用的要求。

3.3.1试样制备

从报废缸套上取料，制作大小250mm*12mm*12mm的试样两块，中间开X型破口，破口角度60°。

3.3.2试验焊材

采用自制的镍基焊丝，焊丝材料近似于AWS A5.11 ENiCu-7，焊丝直径3.2mm。

3.3.3焊丝参数

3.3.4试验结果

将焊接后的试样送上海材料研究所进行力学性能检测，其检测结果如下：

3.3.5结果分析

由检测数据可知，焊缝与母材的结合性好；焊缝强度高于母材；热影响区的硬度与母材接近，没有产生白口组织和淬硬现象；焊缝硬度低于母材，但不影响缸套的使用性能；探伤未发现裂纹，焊缝的可靠性较高。

综上，以电火花堆焊为焊接手段，配以合适的工艺参数与焊材修复出的气缸套是能够满足使用要求的。

4. 电火花堆焊工艺的实施过程及要点

4.1电火花堆焊工艺的实施过程

依据焊接工艺试验，制定出如下一套完整的气缸套修复工艺，对气缸套进行试修复。

焊接的作业流程：修前检查→打磨、消除缺陷→电火花堆焊→磨修→探伤检查→整体检测→清洗防护→存放或交付

4.2电火花堆焊工艺的实施要点

4.2.1在缺陷修补之前，可用火焰将缺陷周围加热至200℃左右去除工件表面油污和氧化物。再用手持微型精密打磨机打磨缺陷部位，去除周边疲劳层。并再次渗透探伤检查，确认缺陷已完全消除。同时缺陷底部应打磨平滑，呈圆弧过渡。之后还需使用丙酮清洗干净待修复部位，丙酮自然挥发，使工件表面干燥。

4.2.2焊接过程中，需要时刻观察焊缝的表面状态，如果出现气孔、起皮等焊接缺陷，需要先将缺陷打磨消除，并且填补后，再在整体进行焊接。焊接同时观察焊缝颜色，气体保护效果好，焊接密实的焊缝一般表面呈银白色。

4.2.3如果缺陷为很小的部分脱落，可以直接使用油石、锉刀进行磨修。缺陷过大，则需要使用磨床研磨，以保证外圆和密封槽的尺寸。磨修后焊缝部位的外圆尺寸可以略小于标准尺寸，但是密封槽的宽度必须大于或等于规定宽度，这样有利于气缸套的安装以及密封圈的放置。

5. 电火花堆焊工艺产生的效果

修复以后的气缸套状态如下图所示：渗透探伤没有密集性的气孔以及线状缺陷。缸套经过清洗以后，焊缝的部位的颜色与母材差别不明显。

到目前为止，已经修复完成了200余只气缸套，并且大部分已经装车使用，使用期间没有出现过产品的质量问题，说明产品修复的质量稳定可靠。

6. 电火花堆焊工艺的应用与推广

实践证明，电火花堆焊修复的产品能够满足机车的使用要求。可以将其作为一种特殊的修复手段，推广到汽缸盖、加强套等机车重要配件的修复中，减少由于碰伤、划伤等缺陷造成的零件报废。扩大修复的市场，大大降低了资源的浪费，同时也为公司创造了巨大的经济效益。

参考文献

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