CN101898292B - 大型往复式压缩机曲轴裂纹手工氩弧焊冷态焊接修复技术 - Google Patents
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Abstract
本发明大型往复式压缩机曲轴裂纹手工氩弧焊冷态焊接修复技术,涉及焊接技术领域,旨在解决大型往复式压缩机曲轴产生裂纹、磨损、弯曲、变形等非损毁性缺陷修理存在的技术风险高、成功率低、采用传统焊接工艺热应力和热变形所至的曲轴失效易造成重大机械事故等技术问题。本发明包括如下步骤:清除待修复曲轴颈裂纹;调整同轴度和平行度偏差;焊接工艺评价;吊装定位;划线分区三次施焊;施焊过程的变形检测与控制;磨削机加工。本发明适用于大型往复式压缩机曲轴裂纹手工氩弧焊冷态焊接修复。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域,特别是大型设备的冷态焊接修复技术。
背景技术
目前针对大型往复式压缩机曲轴轴颈裂纹缺陷的处理手段既单一又无奈。浅表微裂纹一般采用磨削后配装相应小尺寸的轴承,或者激光熔敷后磨削到相关尺寸,但前提条件是保证曲轴强度和不影响装配的技术指标;而对于深度裂纹,尤其是出现在曲轴轴颈和与曲柄接壤的R处的深度裂纹,由于该处裂纹扩展将直接导致曲轴断裂,因此习惯的处理办法基本是废弃不用更换合格备件来恢复机器的原有功能,而没有备件储备的机组只能停车待援。
国内外也有过对大型曲轴深度裂纹缺陷修复的尝试,如采用“预热填焊后热处理再校正”的修理方法,这种传统意义上的焊接经实践证明始终有道迈不过去的坎,那就是焊接热应力和热变形带来的曲轴失效。曾经有容忍曲拐热变形的严重超差指标强行装机运行的案例,结果只能是运行不下去停机等待换轴,或者投入运行几天就发生曲轴断裂造成重大机械事故。目前国内外有不少曲轴断裂事故分析的论文和专著,结论多是针对曲轴设计、制造的改良,而具有推广价值、行之有效、工艺便捷的大型往复式压缩机曲轴裂纹修复技术至今还没有出现。
发明内容
本发明旨在解决大型往复式压缩机曲轴产生裂纹、磨损、弯曲、变形等非损毁性缺陷修理存在的技术风险高、成功率低、采用传统焊接工艺热应力和热变形所至的曲轴失效易造成重大机械事故等技术问题,以提供一种在常温状态下即可完成焊接;工艺简捷;焊件不需要预热、焊接、热处理、机械校正工序和大型的配套设施;修复技术可靠、便捷、经济、安全的大型往复式压缩机曲轴裂纹手工氩弧焊冷态焊接修复技术。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的大型往复式压缩机曲轴裂纹手工氩弧焊冷态焊接修复技术,由如下步骤构成:
a)清除待修复曲轴颈裂纹,调整曲轴主轴颈的同轴度偏差小于0.05mm、曲轴颈与母线的平行度偏差小于0.05mm;
b)进行待修复曲轴锻钢焊接工艺评价;
c)将待修复曲轴吊装就位于车床,车床卡盘与中心架支撑并找正,脱开离合器手动卡盘旋转配合手工氩弧焊施焊;
d)划线分区三次施焊,补焊至机加工尺寸;
e)施焊过程的变形检测与控制;
f)磨削机加工;
其中,所述步骤d中三次施焊的方式分别为底层补坑填焊、半圆补焊、整圆补焊;
所述步骤e中施焊过程的变形检测与控制包括:
g)曲轴施焊的变形量检测:检测曲轴主轴颈变形的专用磁力表座安装在机床导轨上,监测反馈主轴颈水平、垂直两个方向百分表的数值变化,测点一5的位置为联轴器端油封处,测点二6为曲轴中段最易变形的部位,测点三7在靠近中心架的主轴颈位置,测点四8为曲轴非联轴器端的主轴颈处;
h)曲轴施焊的变形量控制:焊接过程各监测点水平、垂直两个方向的百分表数值无变化时可连续施焊,如果监测点的百分表读数有变化应立即停止焊接,记录各监测点水平、垂直两个方向的百分表数值,等待曲轴温度下降至各轴颈水平、垂直两方向的百分表读数恢复到焊接前数值时再进行继续焊接;若不能恢复到焊前数值时,应转动曲轴至变形的相反方向进行焊接,待各监测点百分表数值变化至焊前读数时,停止焊接使曲轴自然恢复到原始状态,再进行下一步的施焊;
所述步骤f的磨削机加工包括:
i)磨削前应保证曲轴图纸要求的最小加工余量以上,精磨至曲轴主轴颈工作尺寸后无损探伤检测没有缺陷;
j)检测残余变形量和技术参数均应符合机器装配指标要求:消除曲轴原弯曲变形;保证 3150mm长的曲轴各主轴颈同轴度偏差小于0.05mm、曲轴颈与母线的平行度偏差小于0.05mm、主轴颈圆跳动不大于0.04mm,主轴颈和曲拐轴颈的圆度和圆柱度偏差小于0.05mm、曲拐差小于0.038mm、曲轴颈直线度偏差小于0.05mm、轴颈表面粗糙度Ra0.8μm;轴颈表面硬度180~210HB。
本发明的大型往复式压缩机曲轴裂纹手工氩弧焊冷态焊接修复技术,其中所述步骤b中待修复曲轴锻钢工艺评价包括:
a)评定焊接产生的延迟性裂纹倾向,并进行热裂纹和冷裂纹试验予以验证;
b)评定焊接产生的热应力和热变形影响,校核曲轴最危险截面的静强度和疲劳强度。
本发明的大型往复式压缩机曲轴裂纹手工氩弧焊冷态焊接修复技术,其中所述步骤c中车床为C650。
本发明的有益效果:
1.在常温状态下即可完成焊接;
2.工艺简捷;
3.焊件不需要预热、焊接、热处理、机械校正工序和大型的配套设施;
4.修复技术可靠、便捷、经济、安全。
附图说明
图1为曲轴结构示意图
图2为曲轴底层补坑填焊次序示意图
图3为曲轴半圆补焊次序示意图
图4为曲轴整圆补焊次序示意图
图中标号说明:
11#主轴颈、22#主轴颈、33#主轴颈、44#主轴颈、5测点一、6测点二、7测点三、8测点四、11车床卡盘、12联轴节端、13钢性支撑、14中心架、15顶针、21~28底层补坑填焊次序焊点、31~36半圆补焊次序焊点、41~48整圆补焊次序焊点
具体实施方式
大型往复式压缩机曲轴裂纹手工氩弧焊冷态焊接修复必须考虑材质为45#(或42CrMo)锻钢曲轴的焊接性能,评价焊接性的原则主要包括两方面的内容:一是评定焊接产生工艺缺陷的倾向,为制定出合理的焊接工艺提供依据,需要进行抗裂性试验,即热裂纹和冷裂纹为主的试验予以验证;二是评定裂纹消除后焊接产生的热应力是否影响工件使用性能和苛刻技术条件的要求,这主要通过力学性能试验予以验证。
曲轴材料为中碳钢,按国际焊接学会推荐的工艺焊接性的碳当量计算公式:
CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)=0.666%
该公式的计算结果表明45#钢焊接具有较大的热裂纹敏感性,多数情况下焊接需要预热和层间温度,以降低焊缝和热影响区冷却速度,从而防止产生马氏体淬火组织(该组织使焊接处呈现脆性破坏或产生焊接裂纹),并且焊后还需要立即进行消除应力的热处理,特别对于承受冲击载荷的曲轴部件更是如此。
抗裂性试验:①手工焊和氩弧焊的常温下焊接试验。②小铁研试验;三组试板三种预热温度(80-100℃,100-150℃,150-200℃)计算出裂纹率,确定最低预热温度,使用退火焊道效果试验。
常温下焊接试验结果;不加热采用镍基合金焊材在厚度40mm的45#钢上(挖出长100mm×宽10mm×深8mm槽)进行补焊,补焊后磨平焊缝表面,冷却至室温24小时后,进行MT、PT、RT检测,手工氩弧焊的焊接方法结果合格,无任何焊接缺陷产生。
小铁研试验结果;采用镍基合金焊材,试件预热80-100℃施焊和预热150-200℃施焊,均在焊缝金属上(焊缝中间)出现热裂纹。分析裂纹产生有以下原因:小铁研试验是确定钢材冷裂倾向的裂纹率,通过试验确定防止冷裂的预热温度;而镍基合金焊材热裂倾向严重,其焊接坡口角度要求应大于70-80°,而小铁研试验坡口要求为标准的60°,且是斜Y形的, 坡口角度小,由于焊缝初始结晶方向的问题,容易在焊缝中间产生热裂纹,小铁研试验已证实曲轴不适用于预热后镍基合金焊材的施焊。
试验结果:采用镍基材料常温下施焊曲轴可以避免热裂纹的产生。
同时,由于曲轴属于复杂大型部件,几何尺寸与形位公差要求极高,若焊接预热温度、层间温度和焊后的热处理温度控制不当,曲轴极易产生严重变形而失效。因此曲轴裂纹的修复除了要满足工艺焊接性外,还必须兼顾曲轴变形量的控制。
对于曲轴而言还应包括动载疲劳试验,如果彻底消除深度裂纹后最小的曲轴主轴颈截面并不足以造成曲轴强度小于安全许用系数,则可以不作动载疲劳试验,而简单有效的办法就是校核该曲轴最危险截面的静强度和疲劳强度。
本发明详细结构、应用原理、作用与功效,参照附图1-4通过如下实施方式予以进一步说明。
1.待修复的大型往复式压缩机简介:由美国德莱塞兰(DRESSER-RAND)公司制造、电机直接驱动的卧式对称平衡往复式压缩机。机组的主要技术性能见表1。
表1待修复的大型往复式压缩机主要技术性能
型号 | OF16S-4(OF-对置,16-16英寸,S-标 准,4-4列) |
型式 | BDC-5(B-平衡,D-直接,C-连接,5 -5段) |
介质 | CO2 |
转速,rpm | 375 |
行程,mm | 381 |
最大允许活塞力,Kgf | 37421 |
总功率,KW | 1943 |
流量,m3/h(干基,标准状态) | 8504 |
进气/排气压力,MPa(表) | 100~400mm水柱/19.7 |
2.曲轴结构
表2曲轴材料的主要化学成份和机械性能表
3.曲轴裂纹分析
对待修复的大型往复式压缩机进行检测,2#主轴颈表面呈环形网状裂纹,裂纹诊断分析为:由于曲轴主轴颈与轴承工作温度过热(轴承巴氏合金损毁所至),轴颈表层被润滑油冷却淬火形成内应力、蠕变发展成裂纹,在交变的扭转载荷作用下,浅表面微裂纹逐渐扩展为深度裂纹(6.2mm)。强大的工作载荷已经造成 的曲轴弯曲0.42mm、最大曲拐差0.07mm(见表3),若不及时发现处理,裂纹继续扩展的后果是曲轴断裂造成事故。
表3曲轴弯曲变形检查数据
4.热裂纹试验与冷裂纹试验
机加工4块φ150mm,厚度30mm的45#钢园板,板中部用砂轮磨出长100mm,宽10mm,深5mm的凹槽,分别采用手工电焊(NiCrFe-3焊条)和手工氩弧焊(NiCr-3氩弧焊焊丝)焊接,其中包含热焊和冷焊两种处理方式。
试验结果是手工电焊的试件有延迟裂纹,而手工氩弧焊则没有裂纹产生,采用热焊工艺均有可能出现裂纹(预热温度不容易掌握和控制),因此采用手工氩弧焊的冷态焊接工艺进行修补曲轴是较理想的选择方法。
5.曲轴强度校核
从电机端开始为压缩机第一列。
第一列(四级和五级): T=279.1kN R=274.1kN
第二列(三级): T=201.8kN R=198.2kN
第三列(二级): T=157.4kN R=154.6kN
第四列(一级): T=179.3kN R=176.1kN
输入平均转矩: M=50.96kN.M
曲轴结构为两段双拐轴,根据受力状况分析需要校核第一段(即压缩机曲轴的第一、二列)。通过计算横截面的弯矩与扭矩,选择曲轴危险截面第一列输入端1#主轴颈截面(截面1)和第一列输出端2#主轴颈磨削后最小直径 最危险截面(截面2)进行静强度和安全系数计算,同时计算拟恢复2#主轴颈直径为 截面(截面3)的静强度和安全系数与之比较安全性。
轴颈1水平支反力 87.4kN
轴颈1竖直支反力 88.9kN
轴颈2水平支反力 -11.7kN
轴颈2竖直支反力 -11.4kN
6.手工氩弧焊冷态焊接修复技术的质量标准
a.焊前彻底清除轴颈裂纹,焊后采用着色、磁探、超探等多种无损探伤手段确认修复轴颈表、里不存在裂纹或其它缺陷,并且保证3150mm长的曲轴没有热变形:1#至4#主轴颈的同轴度偏差小于0.05mm、曲轴颈与母线的平行度偏差小于0.05mm。
b.消除曲轴原有0.42mm的弯曲变形,主轴颈圆跳动不得大于0.04mm,主轴颈和曲拐轴颈的圆度和圆柱度偏差小于0.05mm,
c.曲拐差小于0.038mm,曲轴的主轴颈、曲轴颈直线度偏差小于0.05mm;
d.修复轴颈的表面粗糙度Ra0.8μm;轴颈表面硬度180~210HB;
7.手工氩弧焊冷态焊接修复技术的施工过程
曲轴吊装上C650车床,车床卡盘与中心架支撑、找正,脱开离合器,手动卡盘旋转配合手工氩弧焊施焊。
a.划线分区三次施焊
三种不同形式的补焊如图2-4所示,按序号进行底层补坑填焊、半圆补焊、整圆补焊。
(一)底层补坑填焊的要求为:
1)分八等分;
2)基本对称;
3)分层焊接。
其施焊步骤:手工氩弧焊,直径ф2.4mm焊丝,材质NiCr-3,焊接电流80~110A,焊接速度≥110mm/min;焊接方式为转动曲轴进行平焊。焊接时应有适当运条,防止未熔合出现,熔深在保证熔合良好的情况下尽可能地减少。固定的测温点采用热电偶和红外线测温仪双重监控,焊接温差≤10℃。转动方向和速度均由施焊人员指挥调整,施焊过程中随时观察曲轴变形测量点的数据变化,百分表数值一旦发生异常,施焊马上停止,随即改变焊接位置和方向。轴颈所有凹坑全部填焊且连成圆滑弧面;焊后保温缓慢冷却,同时监控曲轴变形量,24小时后对整个轴颈面PT检查,以防延迟性裂纹产生而造成漏检。
(二)第二次半圆补焊的要求为:
1)分八等分;
2)分散;
3)对称;
4)分层。
其施焊步骤:焊前用钢丝刷或磨光机磨出金属光泽,磁探后不见裂纹,补焊后续层。补焊长度超过100mm时,应分段、对称、逆向施焊。用特制的圆头小錘进行锤击,锤击出密集小麻点即可。
(三)第三次整圆补焊的要求为:
1)分八等分;
2)对称;
3)分层;
4)层间接头应错开。
其施焊步骤:按上述相同步骤施焊。盖面层后用氩弧焊在焊缝表面再加热一次作为退火焊道,掌握曲轴补焊时上拱、冷却时下拱的微小变形规律,根据百分表测得的变形量大小和方向,在上拱部位的焊缝金属上用氩弧焊进行加热校正。每次加热后保温缓慢冷却到室温,测得的残余变形量和方向再次确定氩弧焊加热的位置、区域,直至达到加工余量的 尺寸要求。
8.曲轴施焊过程的变形控制与检测
曲轴2#主轴颈焊接过程中,由专人观察各测量点主轴颈水平、垂直两个方向百分表数值的变化,并认真记录变化情况。
施焊前以曲轴0°方向固定曲轴,在测点水平、垂直两个方向的百分表校核小表读数,尽量使各测点百分表小表读数调整为一致,以便于读数、记录,避免造成读数记录误差。垂直方向上的检测百分表应从主轴颈的下方垂直安装,这样安装的最大好处是便于施焊人员在焊接2#主轴颈时能用余光随时观察到百分表的数值变化,百分表数值一旦发生变化,施焊人员可马上停止焊接作业,专人负责观察其它各百分表的数值变化,随时与施焊人员协调交流。
曲轴施焊中的变形控制:焊接过程中2#主轴颈及其它各测点轴颈水平、垂直两个方向的百分表读数不变化或变化不明显时,均可连续继续施焊。施焊过程应保证循序渐进、不能鲁莽操作施焊,曲轴原则上不进行变形火焰校正。
焊接过程中2#主轴颈水平、垂直两个方向的百分表读数有变化或其它测点轴颈水平、垂直两个方向的百分表读数有变化,均应马上停止焊接,记录下各测点水平、垂直两个方向的百分表读数,待曲轴温度下降,且各轴颈水平、垂直两个方向的百分表读数恢复到焊接前的读数后再进行继续焊接。
当各轴颈水平、垂直两个方向的百分表读数均恢复不到焊接前的读数时,应转动曲轴至变形相反方向(180°),重新校核各测点水平、垂直两个方向的百分表小表读数,再进行焊接,待各测点水平、垂直两个方向的百分表读数变化至先前变形时的读数时,停止焊接,让曲轴自然恢复回变形时状态,再进行下一步的焊接。
曲轴施焊过程的变形量检测:曲轴变形检测量具的安装:检测曲轴主轴颈变形的专用磁力表座直接架装在机床导轨上,水平、垂直两个方向直接检查记录百分表的数值变化情况,曲轴主轴颈测量点的具体位置如图1所示。即测点一5的位置在联轴节端油封处,测点二6的位置在2#主轴颈的中段打磨较浅处,测点三7的位置在2#、3#主轴颈空位靠近中心架处,测点四8的位置在4#主轴颈的端面处。
曲轴施焊后的变形量检测:利用施焊前曲轴在车床上找正的基准,粗略车削焊层外圆周面,待焊肉表面圆整光滑后,对焊接区域进行磁粉、着色、超声波等项目的无损探伤检查,检查四个主轴颈的圆跳动值并与未施焊前的数值对比,无明显变形还应该继续检查曲拐差、主轴颈直线度、曲拐颈平行度等形位公差的变化。
9磨削精加工
1# 3# 4#
0.02 0.01 0.04
主轴颈跳动值:
1# 2# 3# 4#
0.04 0.02 0.015 0.02 0.04
曲轴上数控中心以1#、4#主轴颈母线为基准找平,测得直线度为:
1# 2# 3# 4#
0.04 0 0.01 0.01
→ → → →
0°方向曲轴颈平行度:
1# 2# 3# 4#
0.01 0.02 0.02 0.02
→ → → →
0°方向曲轴颈直线度:
1# 2# 3# 4#
0.04 0 0.01 0.01
→ → → →
90°(弯曲方向)曲轴颈平行度:
1# 2# 3# 4#
0.015 0.02 0.03 0.02
→ → → →
10.修复效果分析
曲轴2#主轴颈裂纹缺陷已完全消除;曲轴0.42mm的弯屈完全消除;曲轴静强度和疲劳强度均在安全许用系数以上;曲拐轴与主轴母线中心偏差0.02mm;2#主轴颈恢复到 的几何尺寸;主轴颈圆度、圆柱度偏差0.02mm;主轴颈粗糙度Ra0.8μm;主轴颈表面硬度HRC21-24;曲轴主轴颈跳动0.02mm;曲轴手工氩弧焊冷态焊接修复过程中未发生焊接变形;修复后的二氧化碳压缩机曲轴完全满足装配技术条件。
从上所述,本发明的大型往复式压缩机曲轴裂纹手工氩弧焊冷态焊接修复技术,可在常温状态下完成焊接;工艺简捷;焊件不需要预热、焊接、热处理、机械校正工序和大型的配套设施,并具有修复技术可靠、便捷、经济、安全等诸多优点。
Claims (3)
1.大型往复式压缩机曲轴裂纹手工氩弧焊冷态焊接修复技术,其特征在于由如下步骤构成:
a)清除待修复曲轴颈裂纹,调整曲轴主轴颈的同轴度偏差小于0.05mm、曲轴颈与母线的平行度偏差小于0.05mm;
b)进行待修复曲轴锻钢焊接工艺评价;
c)将待修复曲轴吊装就位于车床,车床卡盘与中心架支撑并找正,脱开离合器手动卡盘旋转配合手工氩弧焊施焊;
d)划线分区三次施焊,补焊至机加工尺寸;
e)施焊过程的变形检测与控制;
f)磨削机加工;
其中,所述步骤d中三次施焊的方式分别为底层补坑填焊、半圆补焊、整圆补焊;
所述步骤e中施焊过程的变形检测与控制包括:
g)曲轴施焊的变形量检测:检测曲轴主轴颈变形的专用磁力表座安装在机床导轨上,监测反馈主轴颈水平、垂直两个方向百分表的数值变化,测点一(5)的位置为联轴器端油封处,测点二(6)为曲轴中段最易变形的部位,测点三(7)在靠近中心架的主轴颈位置,测点四(8)为曲轴非联轴器端的主轴颈处;
h)曲轴施焊的变形量控制:焊接过程各监测点水平、垂直两个方向的百分表数值无变化时可连续施焊,如果监测点的百分表读数有变化应立即停止焊接,记录各监测点水平、垂直两个方向的百分表数值,等待曲轴温度下降至各轴颈水平、垂直两方向的百分表读数恢复到焊接前数值时再进行继续焊接;若不能恢复到焊前数值时,应转动曲轴至变形的相反方向进行焊接,待各监测点百分表数值变化至焊前读数时,停止焊接使曲轴自然恢复到原始状态,再进行下一步的施焊;
所述步骤f的磨削机加工包括:
i)磨削前应保证曲轴图纸要求的最小加工余量以上,精磨至曲轴主轴颈工作尺寸后无损探伤检测没有缺陷;
j)检测残余变形量和技术参数均应符合机器装配指标要求:消除曲轴原弯曲变形;保证3150mm长的曲轴各主轴颈同轴度偏差小于0.05mm、曲轴颈与母线的平行度偏差小于0.05mm、主轴颈圆跳动不大于0.04mm,主轴颈和曲拐轴颈的圆度和圆柱度偏差小于0.05mm、曲拐差小于0.038mm、曲轴颈直线度偏差小于0.05mm、轴颈表面粗糙度Ra0.8μm;轴颈表面硬度180~210HB。
2.如权利要求1所述的大型往复式压缩机曲轴裂纹手工氩弧焊冷态焊接修复技术,其特征在于:所述步骤b中待修复曲轴锻钢工艺评价包括:
a)评定焊接产生的延迟性裂纹倾向,并进行热裂纹和冷裂纹试验予以验证;
b)评定焊接产生的热应力和热变形影响,校核曲轴最危险截面的静强度和疲劳强度。
3.如权利要求1所述的大型往复式压缩机曲轴裂纹手工氩弧焊冷态焊接修复技术,其特征在于:所述步骤c中车床为C650。
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