专利名称：船用柴油机气缸盖的镍铬钼合金自动堆焊工艺方法
技术领域：
本发明涉及一种焊接加工方法，尤其涉及一种用于大型船用柴油机气缸盖的镍铬 钼合金自动堆焊工艺方法。
背景技术：
气缸盖是大功率低速船用柴油机的重要零件之一，其与缸套、活塞头和排气阀共 同构成柴油机的燃烧室。由于柴油的雾化和燃烧均在燃烧室内进行，因此气缸盖的工作条 件较为恶劣，其要承受很大的热应力和机械应力，尤其是气缸盖燃烧室内壁位于燃油阀喷 油处的区域更是要承受高温高压气体的冲击，因此在气缸盖的加工中，该区域都要采用镍 铬钼合金进行堆焊以进行表面强化。图1和图2是大型船用柴油机的气缸盖的示意图。图示气缸盖1是一轴心具有通 孔的台阶状圆柱形零件，形状类似普通的法兰盖。请参阅图2，所述气缸盖1 一般由整块锻 钢制成，其中央通孔的右部(工作位置时为上部，即开口于气缸盖1大端的部分)用于安装排 气阀组件，中央通孔的左部(工作位置时为下部，即开口于气缸盖1小端的部分)则构成燃烧 室11的一部分。气缸盖1设置有燃油阀2，其端部设有连通燃烧室11的喷油孔3，请参阅 图3放大图，在燃烧室11内壁喷油孔3开口的周围就是需要进行镍铬钼合金表面堆焊加工 的喷油区P，该喷油区P在气缸盖1燃烧室11的内壁上分布有多处(见图1)，每一喷油区P 对应一喷油孔3，该喷油区P的形状为扇形。在气缸盖1大端的外圆上设有多个平面12，气 缸盖1小端的外圆上设有多个横孔13。船用柴油机整体的体积庞大，长度、宽度和高度可达数米，甚至十余米，而气缸盖 在机械加工范畴中也堪称为大型工件，因此图示气缸盖1的加工十分繁复和困难，尤其加 工过程中如此笨重零件的位置调转和搬运都离不开吊运机械，其加工工艺费时费力。目前该气缸盖1燃烧室11喷油区P的镍铬钼合金堆焊加工都采用手工操作。请 参阅图5，现有加工方法为首先在需要进行堆焊加工的多个喷油区P的范围内用机加工方 法挖出深5mm的合金槽14，然后将气缸盖1以图2所示的垂直位置放置，即以气缸盖1大 端外圆落地的位置放置，以便作业人员探入气缸盖1的内腔中进行操作；随后用气焊喷枪 将气缸盖1工件预热；之后作业人员采用手动焊接的方式在合金槽14内进行堆焊，堆焊层 共有两层，第一堆焊层Ml使用 3. 2直径焊条打底，焊层厚度为3mm，第二堆焊层M2使用 小4直径的焊条盖面，焊层厚度为5mm，这样堆焊层总厚度约为8mm，堆焊焊接工艺采用混合 气体(C02+ Ar)保护焊接工艺，焊接材料为镍铬钼合金(Inconel Filler Metal 625);堆焊 加工完成后对气缸盖1中央通孔的内壁进行金属切削加工，从而将喷油区P的表层连同合 金槽14内第二堆焊层M2的上表层一起削平，加工余量d约为2mm (见图5)。上述船用柴油机气缸盖的镍铬钼合金堆焊方法存在有如下缺点
1、由于手工堆焊送丝速度慢，单层堆焊层不足以堆满合金槽14，所以需要堆焊两层，因 此导致焊接层厚、堆焊材料消耗量大、堆焊作业周期长，同时给后续加工留下较大的切削余 量；
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2、由于每个气缸盖1上设有多个喷油区P，因此在完成一处合金槽14的堆焊后，需要行 车配合作业人员吊起并转动气缸盖1，将第二处合金槽14转至适合位置再进行堆焊作业， 因此操作的劳动强度大，而且手动焊接对操作者的技能要求也比较高；
3、由于工件是垂直放置(如图2)且用手工进行加热，因此预热时工件受热不均勻会导 致变形；
4、同样是因为堆焊时工件为垂直放置，为保证放置的平衡性，所以气缸盖1大端外圆 上的多个平面12 (见图1)不能在之前的机加工工序中一并铣掉，因此只能在堆焊工序后重 新再上机床加工平面12，因此多增加了一次上下机床和校调步骤，从而增加了整个气缸盖 1工件加工的工艺周期。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有船用柴油机气缸盖手工堆焊方法的不足， 提供一种船用柴油机气缸盖的镍铬钼合金自动堆焊工艺方法，其改变传统的手工堆焊方 式，采用自动堆焊机实现柴油机气缸盖的镍铬钼合金堆焊工艺，从而降低劳动强度、简化工 艺步骤、缩短加工周期、减少焊材消耗。本发明解决上述问题的方案如下
一种船用柴油机气缸盖的镍铬钼合金自动堆焊工艺方法，用于对气缸盖燃烧室喷油区 的表面强化加工，其采用自动堆焊机对气缸盖燃烧室的喷油区表面进行镍铬钼合金堆焊强 化，堆焊层为一层；该自动堆焊机包括能够摆动和旋转的回转工作台以及焊枪位置能够调 节的数控焊接机。本发明所述船用柴油机气缸盖的镍铬钼合金自动堆焊工艺方法的操作步骤和具 体内容如下
(1)在气缸盖燃烧室的多个喷油区处逐个加工出数合金槽，槽深3.5mm，并且对该数合 金槽进行焊前处理，清洗和精整合金槽内的堆焊部位；
(2)使用陶瓷电热板对气缸盖进行均勻预加热，使之预热温度不低于200°C，并用隔热
毯覆盖气缸盖；
(3)将气缸盖吊装并夹固在自动堆焊机的回转工作台上，逐一在各合金槽中堆焊镍铬 钼合金，堆焊层为一层且厚度为5mm，焊接中通过回转工作台转动气缸盖以实现合金槽位置 的调节、转换和每一焊道的堆焊，通过自动堆焊机的数控焊接机实现焊枪位置的调节和焊 道的切换；
(4)检查确认堆焊层无缺陷后，用金属棉包裹对气缸盖整体进行保温处理，保温时间为 36小时以上，然后除去金属棉使气缸盖在空气中缓慢冷却至50°C以下；
(5)将气缸盖由自动堆焊机上卸下并吊运装夹在车床上，对气缸盖的中央通孔进行切 削加工，将喷油区的表层连同合金槽内堆焊层的上表层一起削平，加工余量为0. 5mm ；
(6)焊后对堆焊区域用超声波和着色探伤进行检验，并采用手工打磨和焊接来修整缺 陷直至合格。本发明所述自动堆焊机的回转工作台包括底座、工作台、摆动机构和转动机构，该 摆动机构设置于底座上，该转动机构设置于摆动机构上，该工作台设置于转动机构上，并且 工作台受摆动机构和转动机构的驱动实现绕水平位置的摆动和绕自身轴线的转动；所述自动堆焊机的数控焊接机包括立柱、数控轴、横臂、枪架和焊枪，水平的数控轴设置于直立的 立柱上且能够沿该立柱上下移动，该横臂设置在数控轴上且能够沿数控轴前后移动，该枪 架设置于横臂上，该焊枪固定在枪架上，通过数控轴和横臂的移动能够调节焊枪的位置。
与传统的手工堆焊方法相比较，本发明所述船用柴油机气缸盖的镍铬钼合金自动 堆焊工艺方法具有下列优点
1、缩短工序时间、减少焊材消耗——由于采用了自动堆焊机来代替手工方式实现气缸 盖的镍铬钼合金堆焊工艺，各项焊接工艺参数都得到了自动控制，不仅保证了焊层质量，而 且大大提高了送丝速度，因此堆焊层能够改为一层，比传统手工焊方式少一层，减少了堆焊 层总厚度，从而缩短了堆焊时间，节约了焊条材料用量，同时减少了切削加工余量，减轻了 后续机加工工序的工作量，提高了加工效率。2、降低操作的劳动强度——由于在焊接中使用工装和回转工作台转动工件，因而 当转换不同合金槽的焊接时不需要再动用行车进行配合来翻转气缸盖的位置，再加上减少 了堆焊工序工作量，所以大大降低了工人的劳动强度和劳动危险性，同时自动化工艺也降 低了对操作者的技能要求，有利于培养新操作者。3、简化工艺步骤——由于气缸盖工件在预热、焊接和保温时都是水平放置(即气 缸盖小端向上的位置，见图2)，因此就不存在堆焊过程中气缸盖大端外圆上的多个平面(见 图1)妨碍气缸盖合金槽调整位置的问题，于是该多个平面就可以在之前的机加工工序中一 并铣掉，从而精简了堆焊工序后专门再加工平面12的步骤，减少了一次上下机床和校调的 工序，缩短了气缸盖的加工周期。4、减少工件预热的变形——由于气缸盖预热过程中水平放置，而且采取陶瓷电热 板对气缸盖整体加热，因此工件预热均勻，减少了变形。
图1是船用柴油机气缸盖的结构图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是图2的B部放大图。
图4是本发明中自动堆焊机的结构示意图。
图5是传统手工堆焊的加工示意图。
图6是本发明的加工示意图。
图7是本发明的加工方法流程图。
图中1一气缸盖； 2—燃油阀； 3—喷油孔4—-数控焊接机；5—回转工作台；11-一燃烧室；12—平面；13—横孔；14一合金槽；41-一立柱； 42—数控轴； 43-—横臂；44-一枪架； 45—焊枪；51-一底座；52—工作台；53—摆动机构；54—转动机构；d—-加工余量； P—喷油区； M--堆焊层；M1-一第一堆焊层；M2—第二堆焊层。
具体实施例方式本发明所述的船用柴油机气缸盖的镍铬钼合金自动堆焊工艺方法用于对气缸盖1 燃烧室11喷油区P的表面强化加工，参见图1，喷油区P是气缸盖1主要的受冲击和高温 区域，由均布在燃烧室11内壁的2 3块扇型曲面构成。在采用耐蚀合金(如镍铬钼合金) 对之进行表面强化加工时，传统的手工堆焊工艺方法中对操作者有较高的技能要求。本发 明采用自动堆焊机代替手工方式实现堆焊工艺操作，所述自动堆焊机包括能够摆动和旋转 的回转工作台5以及焊枪位置能够调节的数控焊接机4，请参阅图4。图示自动堆焊机的回转工作台5包括有底座51、工作台52、摆动机构53和转动机 构54。该摆动机构53设置于底座51之上，摆动机构53具有动力部件、与该动力部件啮合 的扇形齿轮以及穿置于该扇形齿轮轴心且架设于底座51上的摆动轴。该转动机构54设置 于摆动机构53上，转动机构54具有轴线与摆动轴垂直的回转齿轮和能够驱动该回转齿轮 360°旋转的驱动部件。该工作台52设置于转动机构54上，其形状为圆形，轴线与回转齿 轮重合。所述驱动部件能够驱动回转齿轮及其之上的工作台52进行360°的旋转，所述动 力部件能够驱动扇形齿轮及其之上的转动机构54和工作台52绕摆动轴进行摆动，因此，所 述工作台52以及夹固之上的气缸盖1受摆动机构53和转动机构54的驱动能够实现绕水 平位置的摆动和绕自身轴线的转动。图4所示自动堆焊机的数控焊接机4包括立柱41、数控轴42、横臂43、枪架44和 焊枪45。水平的数控轴42设置于直立的立柱41上，并且且能够沿该立柱41上下移动，该 数控轴42上设置有控制焊丝进给和焊接工艺参数的数控部件。所述横臂43设置在数控轴 42上且能够沿数控轴42前后移动，该横臂43上设置有枪架44。所述焊枪45固定在枪架 44上，用以穿置焊丝以直接对工件进行焊接。通过数控轴42和横臂43的移动能够实现焊 枪45上下升降和前后伸缩运动，从而调节焊枪45与工件之间的相对空间位置。以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。请参阅图1，图示气缸盖1燃烧室11内壁上分布有2处喷油区P，该喷油区P位于 喷油孔3的周围，形状为扇形，每块扇形曲面面积约为38000mm2。对该气缸盖1采用本发明所述的船用柴油机气缸盖的镍铬钼合金自动堆焊工艺 方法进行喷油区P的表面强化加工，其工艺操作流程见图7所示，具体步骤和内容如下
(1)在气缸盖燃烧室喷油区处加工出合金槽并对之进行焊前处理 通过机械加工在气缸盖1燃烧室11的两个喷油区P处逐个挖削出合金槽14，槽深 3. 5mmo然后使用行车和专用水平吊具将气缸盖1吊入焊接车间，吊运过程中注意保护已 加工面，在加工面之上加垫保护布，将气缸盖1以水平位置(即气缸盖1小端向上的位置)摆 放在作业场地的地面上。随后对该两合金槽14进行焊前处理打磨精整需要堆焊的部位以及周围区域，用 无纤维的布和清洗剂彻底去除该部位区域的油污、铁屑等污物，最后目视检查堆焊面上是 否有划伤、毛刺等异常情况。(2)对气缸盖进行预热
根据气缸盖1尺寸的大小，使用适当数量的陶瓷电热板将气缸盖1整体围住，对气缸盖 1进行均勻预加热，预热温度不低于200°C;确认气缸盖1的温度时，采用数字测温仪在距离
6焊接区(即喷油区P)至少75mm处，测得预热温度数据应达到彡200°C。为了避免焊接操作 前气缸盖1冷却以及人员被烫伤，要用隔热毯覆盖好气缸盖。(3)将气缸盖装夹在自动堆焊机的回转工作台上，并逐一在各合金槽中堆焊一层 镍铬钼合金
将气缸盖1用行车吊装在自动堆焊机的回转工作台5上(见图4)，并根据气缸盖1的尺 寸形状换用合适的定位组件将气缸盖1夹固于回转工作台5上，然后启动摆动机构53和转 动机构54将需要堆焊的第一个合金槽14调整至水平位置。再移动数控焊接机4的数控轴 42和横臂43，使焊枪45到达焊接位置，并在数控部件中输入焊接参数。在第一个合金槽14中堆焊镍铬钼合金，焊接材料牌号为Inc0ne1625，焊丝直径 小1. 2，堆焊层M为一层且厚度为5mm ；焊接参数为电压25 25. 3V、电流204 210A、送丝速度 10.1m / min。参见图6，合金槽14中的堆焊层M是沿纵向逐道焊接上去的，首先启动转动 机构54使回转工作台5上的气缸盖1进行扇形角度的回转，边回转边焊枪45完成第一道 焊接，然后横臂43沿前后纵向移动一焊道的距离，同时气缸盖1旋转返回焊道的起点，以达 到焊道的切换，再使气缸盖1扇形回转进行第二道焊接，如此循环完成第一个合金槽14中 所有焊道的焊接，最终形成堆焊层M。完成第一个合金槽14中的堆焊后，转动回转工作台5使其上气缸盖1的第二个合 金槽14到达水平的焊接位置，然后重复上述同样的工艺过程完成第二个合金槽14中镍铬 钼合金的堆焊。如此循环完成气缸盖1上所有喷油区P的表面堆焊强化加工。(4)对气缸盖进行保温后在空气中缓慢冷却
所有合金槽14的堆焊结束后，对堆焊层M进行目视检查，在确认无缺陷后，用金属棉包 裹气缸盖1以对其整体进行保温处理，保温时间为36小时以上，然后除去金属棉使气缸盖 1在空气中冷却至50°C以下。(5)在车床上对气缸盖喷油区的表层连同合金槽内堆焊层的上表层一起削平
将气缸盖1由自动堆焊机上卸下，并且用行车吊运装夹在车床上，装夹时夹固气缸盖1 的大端，校对小端的外圆和平面，使之径向和端面跳动< 0. 05mm，然后对气缸盖1燃烧室11 的中央通孔进行切削加工，将喷油区P的表层连同合金槽14内堆焊层M的上表层一起削 平，加工余量d为0. 5mm (见图6)。(6)焊后检验并修整缺陷
焊接完成后对堆焊区域进行检验，检验采用目测、超声波与着色探伤相结合的方式，若 发现超出质量标准的缺陷，则通过钳工手工打磨和手工氩弧焊补焊的方法来修整缺陷直至 合格。本发明达到了缩短工序时间、减少焊材消耗、降低劳动强度、简化工艺步骤和减少 工件变形的有益效果。本发明要求的保护范围不仅限于上述实施例，也应包括其他对此发 明显而易见的变换和替代方案。
权利要求
一种船用柴油机气缸盖的镍铬钼合金自动堆焊工艺方法，用于对气缸盖燃烧室喷油区的表面强化加工，其特征在于所述工艺方法采用自动堆焊机对气缸盖燃烧室的喷油区表面进行镍铬钼合金堆焊强化，堆焊层为一层；该自动堆焊机包括能够摆动和旋转的回转工作台以及焊枪位置能够调节的数控焊接机。
2.根据权利要求1所述的船用柴油机气缸盖的镍铬钼合金自动堆焊工艺方法，其特征 在于所述工艺方法的步骤如下(1)在气缸盖燃烧室喷油区处加工出数个合金槽并对之进行焊前处理；(2)对气缸盖进行预热；(3)将气缸盖装夹在自动堆焊机的回转工作台上，并逐一在各合金槽中堆焊一层镍铬 钼合金；(4)对气缸盖进行保温后在空气中缓慢冷却；(5)将气缸盖由自动堆焊机上卸下装夹在车床上，对气缸盖的中央通孔进行切削加工， 将喷油区的表层连同合金槽内堆焊层的上表层一起削平；(6)焊后检验并修整缺陷。
3.根据权利要求2所述的船用柴油机气缸盖的镍铬钼合金自动堆焊工艺方法，其特征 在于所述工艺方法各步骤的具体操作内容如下(1)在气缸盖燃烧室的多个喷油区处逐个加工出数个合金槽，槽深3.5mm，并且对该数 合金槽进行焊前处理，清洗和精整合金槽内的堆焊部位；(2)使用陶瓷电热板对气缸盖进行均勻预加热，使之预热温度不低于20(TC，并用隔热 毯覆盖气缸盖；(3)将气缸盖吊装并夹固在自动堆焊机的回转工作台上，逐一在各合金槽中堆焊镍铬 钼合金，堆焊层为一层且厚度为5mm，焊接中通过回转工作台转动气缸盖以实现合金槽位置 的调节、转换和每一焊道的堆焊，通过自动堆焊机的数控焊接机实现焊枪位置的调节和焊 道的切换；(4)检查确认堆焊层无缺陷后，用金属棉包裹对气缸盖整体进行保温处理，保温时间为 36小时以上，然后除去金属棉使气缸盖在空气中缓慢冷却至50°C以下；(5)将气缸盖由自动堆焊机上卸下并吊运装夹在车床上，对气缸盖的中央通孔进行切 削加工，将喷油区的表层连同合金槽内堆焊层的上表层一起削平，加工余量为0. 5mm ；(6)焊后对堆焊区域用超声波和着色探伤进行检验，并采用手工打磨和焊接来修整缺 陷直至合格。
4.根据权利要求1、2或3所述的船用柴油机气缸盖的镍铬钼合金自动堆焊工艺方法， 其特征在于所述自动堆焊机的回转工作台包括底座、工作台、摆动机构和转动机构，该摆 动机构设置于底座上，该转动机构设置于摆动机构上，该工作台设置于转动机构上，并且工 作台受摆动机构和转动机构的驱动实现绕水平位置的摆动和绕自身轴线的转动；所述自动 堆焊机的数控焊接机包括立柱、数控轴、横臂、枪架和焊枪，水平的数控轴设置于直立的立 柱上且能够沿该立柱上下移动，该横臂设置在数控轴上且能够沿数控轴前后移动，该枪架 设置于横臂上，该焊枪固定在枪架上，通过数控轴和横臂的移动能够调节焊枪的位置。
全文摘要
本发明公开了一种船用柴油机气缸盖的镍铬钼合金自动堆焊工艺方法，用于对气缸盖燃烧室喷油区的表面强化加工，其采用自动堆焊机对气缸盖燃烧室的喷油区表面进行镍铬钼合金堆焊强化，堆焊层为一层；该自动堆焊机包括能够摆动和旋转的回转工作台以及焊枪位置能够调节的数控焊接机。本发明改变了传统的手工堆焊方式，实现了气缸盖镍铬钼合金堆焊工艺的自动化，从而降低了劳动强度、简化了工艺步骤、缩短了加工周期、减少了焊材消耗。
文档编号B23K9/04GK101885100SQ20101023881
公开日2010年11月17日 申请日期2010年7月28日 优先权日2010年7月28日
发明者何福远, 尤理钢, 徐云天, 徐鑫华, 朱卫军, 王军, 王巍, 胡新成 申请人:上海中船三井造船柴油机有限公司