大型往复压缩机曲轴裂纹的激光熔覆修复

1、第34卷 第5期 化肥工业 2007年10月大型往复压缩机曲轴裂纹的激光熔覆修复贺运初,潘树林,胡祖汉2(1湖南金信化工有限责任公司 冷水江 417506;2广西大学化学化工学院 南宁 530004)摘要 阐述了激光熔覆技术的原理与特点,介绍了应用激光熔覆技术修复大型往复压缩机曲轴曲柄销表面裂纹的简要过程及该曲轴修复后的运行情况。实践证明,激光熔覆技术具有覆层缺陷率低、组织细密、性能优异、与基体结合牢固及在加工过程中对基体的热影响极小、工件变形小等优点。关键词 激光熔覆 曲轴 修复RepairbyLaserFusionCoatingofCracksinCrank shaftofLargeRec

2、iprocatingCompressor(1.JinxinChemicalIndustryCo.,Ltd.ofHunanProvince Lengshuijiang 417506;2.ChemistryandChemicalEngineeringCollegeofGuangxiUniversity Nanning 530004)Abstract Theprincipleandspecialfeaturesareexplainedofthelaserfusioncoatingtechnology,andthebriefprocessisgivenoftherepairofthesurfacecr

3、acksinthecrankpinofthecrank shaftofalargereciprocatingcompressorbythelaserfusioncoatingtechnologyaswellastheoperationofthecrank shaftafterrestoration.Practiceprovesthatthelaserfusioncoatingtechnologyhastheadvantagesoflowdefectiverateofthecoating,closetexture,excellentperformance,firmlinkagewiththema

4、trix,verysmallthermaleffectonthematrixduringprocessingandlittledeformationoftheworkpiece.Keywords laserfusioncoating crank shaft restoration#HeYunchu,PanShulin,HuZhuhan内H22( )-165/320氢氮气压缩机是六级压缩的对称平衡式往复压缩机,其曲轴的主轴颈和为锻造件,在加工过程中进行过正火热处理。曲是由表面裂纹或穿透裂纹扩展引起的。为消除因裂纹扩展而导致曲轴断裂甚至毁坏机组的事故隐患,经认真研究后,应用激光熔覆技术对曲柄销上的

5、裂纹进行修复,取得了较好效果。1曲柄销的直径均为 280mm,材质为45钢,毛坯柄销和主轴颈的表面均未进行强化处理,轴颈的表面硬度较低,在运行过程中易磨损。某公司的1台H22( )氢氮气压缩机的一级连杆大头瓦失效后未被及时发现,导致一级连杆大头轴承带病运行3.5h以上,轴瓦上的轴承合金全部熔化流失,轴瓦钢背及连杆瓦窝的部分部位已变为蓝色,连杆大头孔的圆柱度误差达0.22mm;曲柄销亦磨损严重,其圆柱度误差达1.39mm,且在表面产生了龟裂,裂纹最大深度达3.5mm。断裂是机械零件和工程构件的3种主要失效形式之一,大多1 曲轴裂纹修复方法的选择曲轴是在不断周期性变化的气体力、往复和回转运动质量的

6、惯性力以及它们的力矩(转矩和弯矩)共同作用下工作的,在运行过程中承受交变的弯曲与扭转载荷的联合作用,因此需从设计方面保证其有足够的强度、刚度、合理的结构形状2及尺寸,同时在制造或修理过程中必须严格控制曲轴的尺寸、形状和位置精度,并将曲轴的内、外部缺陷控制在规范允许的范围内3,4。因而在第34卷 第5期 化肥工业 2007年10月修复承受复杂交变载荷、对裂纹非常敏感的大型压缩机曲轴裂纹时,需先将裂纹彻底清除,再采用科学可靠的方法填充因清除裂纹而形成的凹坑。对于出现裂纹损伤的材料,实现材料损伤愈合的前提条件是要有能量供给和物质补给。从已进行的一些研究来看,外部能量补给的作用显得1尤为重要和突出。因

7、此,在选择曲柄销裂纹修复方法时,应重点考虑能量补给方式,同时兼顾补给物质的种类。在填充金属凹坑的常规焊接法、高能微弧脉冲焊接法、火焰喷焊法、电镀法等方法中,常规焊接法易使曲轴产生超出规范允许范围的热变形,高能微弧脉冲焊接法会因焊接效率非常低、填充凹坑所需时间相当长而导致较大的停机减产损失,火焰喷焊法、电镀法则因填充的覆层与基体结合强度较低而难以保证曲轴长周期运行,因而它们都不是填充曲柄销凹坑的理想方法。始于1974年并已取得很大进展的激光熔覆技术是利用大功率高能量激光束聚集能量极高等特点,以近似绝热的快速加热,在很短的时间内使工件表面微熔,并将预先涂覆在材料表面的涂层或同步送粉与基体表面一起熔

8、化后迅速凝固,获得与基体冶金结合的致密覆层,以恢复零件的几组成各具特点的梯度功能材料,底层具有与基体浸润性好、结合强度高等特点,中间层具有一定强度、硬度及良好的抗裂性,面层具有抗冲刷、耐磨损、耐腐蚀等性能。应用激光熔覆技术对材料裂纹缺陷进行修复的研究始于20世纪80年代,主要是为了解决传统裂纹修复工艺存在的工作量大、耗时长以及修复质量不高的缺点,已取得了较多成果,现主要应用于制造工艺复杂、耗工费时、价格昂贵的零件的1修复。经综合考虑曲轴对强度、刚度、位置精度等的要求及上述金属凹坑填充方法的各自特点,选择激光熔覆技术填充曲柄销上的凹坑。2 曲轴裂纹的修复过程何尺寸或强化零件的表面性能。激光加热速

9、率极快,并以基体金属作为冷却介质,冷却速率可达381010K/s,使涂覆材料瞬间熔化和凝固。这既可减小涂层氧化的几率,减少基体材料对涂层的稀释,保持涂层的高合金度,又使晶粒来不及长大,较大的温度梯度加剧了熔池的对流,使组织进一步细化,还可使其对基体的热效应降至最小限度,使引起变形和开裂的可能性很小5,6。覆层的强韧性很高。首先用模具电磨打磨曲柄销上存在的裂纹,将裂纹清除干净,并经磁粉探伤合格后,在曲柄销上形成3个圆滑过渡的凹坑,其尺寸(长!宽!深)分别为35mm!15mm!3.8mm,60mm!15mm!1.4mm和30mm!14mm!0.9mm。然后应用激光熔覆技术填充曲柄销上的凹坑,所用激

10、光加工设备为5kW的CO2激光器,补给物质为镍基合金粉末,输出功率、光斑尺寸、搭接率、扫描速率等工艺参数则根据熔覆厚度等因素酌情调整。经检查,熔覆层与基体之间有明显的边界。对熔覆层及其附近区域进行了多种无损检测,磁粉探伤时在熔覆层与基体之间的界面处有明显的磁粉堆积,分析认为这可能是熔覆层与基体的磁导率不同引起的,不一定是表面缺陷;进行渗透探伤时,未发现表面缺陷;用超声表面波检测,未发现表面开口性缺陷。受客观条件和检修工期的限制,未对熔覆层及其热影响区进行金相分析,但据文献介绍6内激光熔覆技术具有下列特点:(1)激光熔覆层稀释率低,与基体为冶金结合,结合强度可不低于基体材料的90%,在重载使用条

11、件下不剥落;(2)在激光加工过程中,基体的材料表面微熔,微熔层深度为0.050.10mm,基体热影响区极小,一般为0.10.2mm;(3)熔覆层及其界面缺陷率低,组织致密,晶粒细小,强韧性好;(4)在激光加工过程中,基体的温度不超过80 ,工件基本无热变形,机械重复性好;(5)激光熔覆层组织由底层、中间层及面层,45钢镍基激光#熔覆层的组织形态是以等轴晶状和树枝状为主的共晶组织,也有自熔覆层与基体的热影响区的交界面向熔覆层内生长的一些大小不一的胞状共晶组织,基体的热影响区为淬火状态的马氏体,越靠近熔覆区马氏体形态越细小,这些组织特点决定了熔在对曲柄销上的凹坑进行激光熔覆后,用专用车床对曲柄销进

12、行车削加工,以消减曲柄销的圆柱度误差,使之符合相关规范的要求。在曲柄销的加工过程中,由于存在偏心距,再加上夹紧力、切削力和切削热的作用,曲轴会产生较大的扭第34卷 第5期 化肥工业 2007年10月转及弯曲变形,因此需以未受损伤的主轴颈为定位基准,以保证主轴颈与曲柄销轴线间的平行度误差在允许范围内。在有效消减圆柱度误差后,曲柄销的直径减小至 278.3mm,与之匹配的连杆大头瓦需相应加厚。体的热影响极小、工件变形小等优点,能保证零件的修复质量,在压缩机曲轴、涡轮叶片等制造工艺复杂、所受载荷大、价格昂贵的零件修复方面具有广阔的应用前景。参考文献:1 黄开金,周金鑫,谢长生,等.裂纹修复与激光技术

13、J.金属热处理,2002,(3):1 4.2 王迪生,杨乐之.活塞式压缩机结构M.北京:机械工业出版社,1990:118.3 金光熹主编.压缩机制造工艺学M.北京:机械工业出版社,1986:79.4 JB/T91051999,大型往复活塞压缩机技术条件S.5 尚丽娟,康煜平,刘常升,等.试论粉末火焰喷焊和激光熔覆技术J.热加工工艺,2002,(4):47 49.#6 许萍,梅敦,张秀云,等.45钢激光熔覆的组织与性能J.3 修复后的运行情况曲轴修复后投入运行,机组运行正常,分别在累计运行168,336,720,4000和8000h后对曲柄销的熔覆层及其附近区域进行仔细检查,未发现表面开裂、熔覆

14、层脱落等异常现象。4 结语激光熔覆技术具有覆层缺陷率低、组织细密、内蒙古工业大学学报,2001,(4):295 298.(上接第46页)1000m有效气(标态)煤耗:550kg;增加氧耗:380#0.55!0.547=377.9273m/h(标态);年运行时间按8000h计算,在不增加人员及其它消耗时,年经济效益:(0.391!1500-310!0.547-377.92!0.57)!8000=161.21(万元)。此效益不包括因提高有效气体成分和降低煤于161万元。参考文献性能优异、与基体结合牢固及在加工过程中对基(收稿日期 2006 04 25)耗部分的效益,因此提高煤浆浓度的年效益远高1

15、吉登高,张丽娟,高明峰,等.我国水煤浆制备与燃烧技术的发展J.选煤技术,2004,(4):16.D.上海:华东理工大学,2006.2 张继臻.燃煤浆清洁热风喷雾干燥工艺的开发与应用研究内(收稿日期 2006 10 11)(上接第49页)不尽相同,如果掺烧,操作条件不易确定,不利于稳定煤气炉的操作。操作经验,合成氨和甲醇的制造成本明显降低,初步达到了预期的目的,也为劣质煤应用开辟了新用途。目前,烧劣质煤在操作上还存在着一些问题,在今后的生产过程中还需要不断总结经验,从而实现煤气发生炉优质、高产、安全、低耗的目的。(收稿日期 2006 04 24)5 结语安阳公司在烧劣质煤过程中,积累了一定的(上接第51页)电耗增高,每月至少需停车清理风