压缩机曲轴等离子弧堆焊修复技术

曲轴用于实现旋转运动与往复运动之间的转换，是活塞式内燃机、压缩机等设备的关键部件，也是制造工艺复杂、成本很高的部件。某厂制冷压缩机检修时发现曲轴严重磨损（原基本尺寸为直径80mm，磨损后为直径77.2mm）。分析原因可能有两种：一是损坏部位的瓦座螺栓松动，造成间隙过大，油膜难以形成，部件过热使巴氏合金熔化剥落以至于恶性循环，造成严重磨损；二是向损坏部位供油的油孔堵塞，表现为机油压力过高，使润滑油难以正常输送，仅靠飞溅来润滑，难以维持高转速下的工作油膜而导致曲轴磨损。

1.修复方案

压缩机曲轴是受交变负荷、冲击负荷和传递转矩所产生的扭转应力的作用，它的特定受力条件决定了材料表面有一定的硬度和较大的结合强度（附着力），但硬度不应高于技术指标要求的原始曲轴硬度，更重要的是保证结合强度。

若采用氧乙炔火焰喷焊修复，轴温高、易变形或回火时使硬度下降。焊条电弧堆焊修复结合强度高，是熔融结合态，但易使曲轴变形、退火难以保证，只适用于大直径轴较小的局部损伤或者低转速的转轴修复。

等离子弧堆焊修复，堆焊层稳定性好，熔敷层与基体间为冶金结合，合金稀释率低。堆焊熔敷层属多孔性组织，在金属颗粒外面还有氧化膜包围，所以它的密度比原来的基体金属稍低。以w（C）=0.8%的镍铬合金焊丝做堆焊材料，其密度为6.78g/cm³，在堆焊层上用洛氏硬度计测试取高值，平均不小于35～42HRC，与原曲轴的硬度相近。堆焊层组织均匀，成形美观、平整，堆焊层厚度根据需要可以控制，一般在0.5～4mm为宜。由于以上理化性能指标适用于修复曲轴，因此选择等离子弧堆焊技术来修复该曲轴。

2.曲轴修复的工艺要点

曲轴不仅受到工作介质的压力、活塞连杆组的惯性力，还受到扭转振动、横、纵向振动的冲击载荷带来的冲击力，但每次行程都是间歇的，因此使曲轴产生交变负荷，这和其他转动轴是不一样的。曲轴受力复杂，条件恶劣，堆焊层的结合强度就成为影响堆焊修复质量的关键。焊丝的选材和堆焊的条件（如表面拉毛、清理、熔化温度等）就成为修复工艺方面的重要内容。等离子弧堆焊层与基体的结合力对曲轴的修复质量具有重要的意义，结合不好就会剥落或崩碎。抗剪强度和抗拉强度是评定熔敷层结合强度的两个技术指标。

1）曲轴的检查与清理。曲轴的检查包括三个方面。

①检查曲轴表面或内部是否有裂纹，首先进行探伤检查，以查出曲轴的缺陷。

②测量曲轴的主轴直径、连杆直径、曲轴回转直径、行程长度和各轴颈两端内圆角半径，进一步确认曲轴的材质为球墨铸铁，并做好记录，以便考虑下一步车削直径及等离子弧修复时的设备和磨削时机床的容量。曲轴实测的技术参数见表6-13。

表6-13 曲轴实测的技术参数

(www.xing528.com)

③在特制的V形尺上检查曲轴的弯曲度，超过千分之一须先矫直。检查完毕须对曲轴表面进行清理。清理的目的是消除焊接修复时油脂或氧化物隔绝熔敷层以及工件表面对结合强度的影响。

2）表面车削及拉毛处理。首先是缩小曲轴直径，缩小直径在车床上进行加工。熔敷层应具有一定的厚度，太薄则容易在磨削时磨穿，太厚则又削弱了轴颈的基体强度。在车削直径时，尽量按原来的内圆角半径加工。车小直径的经验公式为

d=D-D/25

式中 d——车削后的直径（mm）；

D——要恢复到的直径（mm）。

本实例中D=80mm，根据上式计算，d=80-80/25=76.8mm。因后续工艺是拉毛处理，对车削后的加工精度要求不高，且喷焊层厚度比基本尺寸加大0.7～1.2mm，因此本例取车削后直径d=77mm。

曲轴车削到ϕ77mm后，用车床进行拉毛处理（螺纹拉毛）。拉毛处理的目的是增大熔敷层与基体的结合面积，并达到相互嵌合的目的。表面粗糙度与熔敷层的结合强度有密切关系。表面粗糙度越大，结合强度越好。在车床上拉毛时背吃刀量要小，但进给量要大，用圆头尖刀车削成螺纹状，用来提高表面粗糙度，螺距为t=1.2mm，工件旋转线速度为12m/min。因为只有在低转速下才能得到最大的粗糙程度，目的是提高界面的结合强度。

3）油孔处理。用已加工好的炭精棒堵塞曲轴连杆轴颈油孔，露出高度应略高于磨削后涂层的厚度。

4）等离子弧堆焊修复。用专用焊丝（w（C）=0.8%的镍铬合金焊丝）进行堆焊修复，曲轴旋转线速度为7～12m/min，焊枪的移动量为5～10mm/r，堆焊约15s后，将焊枪垂直于曲轴左右移动，随时用卡钳测量，再向两端面内圆角堆敷，然后再重复向中间垂直堆敷，直至堆敷层厚度比基本尺寸加大0.7～1.2mm为止。堆敷完毕的工件冷却至40℃左右时，浸入油内6h，使润滑油能较多地渗入多孔性堆敷层中。

5）堆敷表面的磨削。堆敷表面的磨削在曲轴磨床上进行。开始用径向切入法，当磨削到大于直径0.15～0.20mm时再作轴向移动（左右移动），到磨出内圆角为止（可以轻微擦着两端平面）。磨削后内圆角半径应等于原来的内圆角半径。这样不会产生应力集中，并达到表面平整美观的效果。磨削时应注意熔敷层表面不应变色（即发黑发焦），否则易产生龟裂。如有变色应立即停止磨削，重修砂轮或更换新砂轮。磨削后的表面粗糙度为0.4_μm，轴颈尺寸ϕ80⁰_-0.02mm，硬度为35HRC，与原曲轴的硬度相同。然后用适当的钻头和电钻将炭精棒钻出，用锋角为30°小砂轮棒夹持在高速风动钻上面将孔口加工成倒喇叭形。加工完毕后，用汽油清洗曲轴各部位。油孔内部使用高压风枪进行彻底吹扫，否则在运转时存在内孔的夹杂物会掉下擦伤轴瓦磨损熔敷层或堵塞油道。

该制冷压缩机曲轴焊接修复后的应用实践表明，用等离子弧堆焊技术修复的曲轴，具有界面结合强度好、硬度高、耐冲击、耐磨损等优点。在技术指标考核方面，焊接修复后的曲轴与原轴没有任何区别。经过长周期运转未出现问题，表明其质量优良，并能适应装置的大负荷生产，这证明了修复方案的可行性，而且保证了生产的连续性，为企业增加了经济效益。