陳紅彬 江元河

（南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系，江蘇南通 226010）

在整個機(jī)械領(lǐng)域，鑄鐵材質(zhì)的應(yīng)用比較普遍，因為它抗震性好且價格低廉。但是鑄鐵件也存在很多缺點，比如塑性和韌性較差，受拉力時容易折斷或產(chǎn)生裂縫等。如果采用焊接的方法來修復(fù)裂縫，焊接接頭易產(chǎn)生白口鐵或者焊不透，甚至可能會越焊越裂。因此鑄鐵件裂縫用焊接法修復(fù)是不可靠的，此時通常的修復(fù)方法就是金屬扣合法。

1 實例分析

筆者之前在為某輪服務(wù)期間，曾經(jīng)親歷過用金屬扣合法來修復(fù)大型低速主推進(jìn)柴油機(jī)缸體裂紋。在船舶前往東南亞某國港口的途中，柴油機(jī)缸體因為熱應(yīng)力過大產(chǎn)生了一處裂紋。而此裂紋所處位置特殊，如圖1所示。

圖1 氣缸體

由示意圖可以看出，裂紋處既要承受高溫燃?xì)猱a(chǎn)生的周期性熱負(fù)荷應(yīng)力，又要承受氣缸最大爆壓時的瞬間沖擊力，并且緊鄰氣缸冷卻水套。這就要求修復(fù)后既要有足夠大剛度和強(qiáng)度，又要能承受一定的水壓防止漏水，且保證機(jī)體表面不變形更不能有附加熱應(yīng)力的產(chǎn)生，所以根本無法用焊補(bǔ)等方法修復(fù)。經(jīng)過全體輪機(jī)員緊急磋商，決定采用金屬扣合法中的“強(qiáng)密扣合法（又稱為波浪鍵-密封螺絲法）”來修復(fù)。

圖2 強(qiáng)固扣合法

它的原理是：用鉚接法保證裂縫處的密封，用波浪建扣合工藝保證強(qiáng)度，且在裂紋兩端鉆孔，防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。整個修復(fù)過程是鉚工和鉗工在常溫下操作，被修復(fù)部位無需加熱，自然就不存在熱變形和附加熱應(yīng)力，幾乎能完全滿足此處特殊的使用要求。

整個修復(fù)過程如下：

首先，在垂直于機(jī)體裂縫方向加工出具有一定尺寸和形狀的波浪槽。中小型機(jī)件加工波浪槽可在鏜床或者銑床上用銑刀加工，得到的精度較高。但由圖1看出，此處只能現(xiàn)場施工，所以當(dāng)時由責(zé)任輪機(jī)員用電鉆以及活動銑頭直接在機(jī)體上加工波浪槽。

其次，加工波浪鍵。對波浪鍵材料的要求是既要有一定的強(qiáng)度又要有較好的塑性，目的是讓波浪鍵有良好的鉚擊加工工藝性。當(dāng)修復(fù)在高溫下工作的機(jī)件時，修復(fù)用材料應(yīng)和機(jī)件的熱膨脹系數(shù)盡量接近，以避免扣合松脫或產(chǎn)生熱應(yīng)力，比如鎳基合金Ni36。此次裂紋處機(jī)體位置雖靠近燃燒室，但由冷卻水套隔開，所以工作溫度不算太高。綜合考慮，最終選擇波浪鍵的材質(zhì)為低碳鎳鋼18NiGrTi。因為它具有塑性好，冷加工強(qiáng)化型高，鉚擊后抗拉強(qiáng)度反而會提高等特點。［1］

再次，就是要把加工好的波浪鍵安裝到波浪槽中。此工作由責(zé)任輪機(jī)員在常溫下鉚擊波浪鍵，其目的是讓波浪鍵產(chǎn)生一定量的塑性變形而充滿整個槽的間隙，使波浪鍵凸緣與波浪槽凹處相扣合。這樣即可把產(chǎn)生裂紋的機(jī)件重新牢固地連接為一體，同時也保證了機(jī)件的強(qiáng)度。

然后，制作密封螺釘和螺紋孔。密封螺釘和螺紋孔的制作方法、加工工藝以及材料的選擇與波浪鍵和波浪槽基本一致。沿著機(jī)件裂紋方向由一端止裂孔開始鉆孔，螺孔大小一般為M5～M8標(biāo)準(zhǔn)螺孔，孔深與波浪槽深基本接近。需要注意的是鉆孔位置要使第二個密封螺絲與第一個有0.5～1.5mm 的重疊以保證密封的完整性和可靠性。［2］以此類推直至鉚工結(jié)束，隨后用電砂輪或者銼刀將螺絲修整到與機(jī)體平齊，整個修復(fù)工作就結(jié)束了。

最后，備車、試車。試運行一段時間，未發(fā)現(xiàn)裂縫漏水漏氣，也沒有再次開裂等異常情況的發(fā)生。為了美觀，在裂縫處刷了油漆，干燥后幾乎看不出有修復(fù)的痕跡。

此次修復(fù)持續(xù)五個多小時，從效率角度來看還是很快的，基本沒有耽誤既定航行計劃，節(jié)約了不少時間上的成本，提高了潛在的經(jīng)濟(jì)效益，用事實證明金屬扣合法確實可行可靠。

2 金屬扣合法的概念、分類和特點

2.1 金屬扣合法的概念

金屬扣合法是利用高強(qiáng)度合金材料制成特殊的連接件（例如波形鍵、綴縫栓）的塑性變形來實現(xiàn)緊密扣合作用，以達(dá)到修復(fù)機(jī)件裂紋的目的。要求扣合件的材料強(qiáng)度高，塑性和韌性好，冷加工硬化性強(qiáng)，即材料冷變形后強(qiáng)度大大提高。受熱零件用的扣合材料膨脹系數(shù)還應(yīng)與零件材料的膨脹系數(shù)接近。此種工藝方法不僅用于鑄鐵件，還可以用在鋼件、有色金屬機(jī)件等的修復(fù)，尤其適用于大型機(jī)件的修復(fù)，如修復(fù)氣缸蓋、機(jī)體、機(jī)座、螺旋槳等部位產(chǎn)生的裂紋。

2.2 金屬扣合法的分類

金屬扣合法是一個總稱，它分為分強(qiáng)固扣合法或稱波浪鍵扣合法、強(qiáng)密扣合法或稱波浪鍵—密封螺絲法、加強(qiáng)扣合法或稱加強(qiáng)塊扣合法以及熱扣合法。修復(fù)總的原則是用于扣合裂縫的聯(lián)接鍵的強(qiáng)度必須接近于或等于甚至大于裂縫斷面未斷裂時的強(qiáng)度。

（1）強(qiáng)固扣合法（波浪鍵扣合法）

此種方法適用于滿足一般強(qiáng)度條件的機(jī)件修復(fù)，機(jī)件厚度在8～45mm 左右。其實質(zhì)是在垂直于機(jī)件裂紋或折斷面的方向上加工出具有一定形狀和尺寸的波浪槽，再將與波浪槽相吻合的波浪鍵嵌入其中，鍵與槽之間有0.1mm 的間隙，常溫下鉚擊波浪鍵，使其產(chǎn)生變形而充滿槽腔。借波浪鍵的凸緣與波浪槽的凹處互相扣合，將損壞的機(jī)件重新牢固地連接為一體。為使裂紋兩端應(yīng)力能夠分散，可在裂紋兩端鉆止裂孔。如圖2所示。

（2）強(qiáng)密扣合法（波浪鍵—密封螺絲法）

此種方法適用于修復(fù)有密封要求，且增加機(jī)件裂縫部位的剛度等情況，比如氣缸蓋、氣缸套以及排氣閥等的修復(fù)，它是在上述強(qiáng)固扣合法的基礎(chǔ)上，再沿裂紋鉆孔、攻絲和旋入涂有膠粘劑的密封螺釘。每個孔的鉆孔、攻絲以及嵌入密封螺釘三道工序完成后再鉆下一個孔。要求每兩孔重疊0.5～1.5mm。全部裂紋上嵌滿密封螺釘后用砂輪壓平、打磨。

在裂紋上可安裝密封螺釘，也可安裝密封圓柱銷。前者適用于承受低壓的有裂紋的零件，后者則適用于承受高壓的有裂紋零件。密封螺釘可選用M3-M8 規(guī)格；圓柱銷直徑可選用3-8mm，長度均與波浪鍵的厚度相同。此外，它們的材料亦同于波浪鍵，但不重要的零件也可選用低碳鋼或紫銅等較軟材料。［3］如圖3所示。

（3）加強(qiáng)扣合法（加強(qiáng)塊扣合法）

此方法是在機(jī)件上垂直于裂紋方向上加工出一定形狀尺寸的鍵槽，嵌入與之相應(yīng)形狀和尺寸的高強(qiáng)度合金鋼塊，鉚擊扣合使之充滿槽腔，拉緊裂紋。這樣就可以使載荷分布在更大的面積上，以提高承載能力。對于承受高載荷的厚壁零件，采用強(qiáng)固扣合法不能保證零件強(qiáng)度要求時，可采用此法。再于加強(qiáng)鋼塊與機(jī)件交界處，鑲嵌圓柱銷，要求圓柱銷分布在鋼塊和機(jī)件上分布均勻，從而使加強(qiáng)塊與零件牢固接合。如圖4所示。

圖3 強(qiáng)密扣合法

圖4 加強(qiáng)塊扣合法

加強(qiáng)扣合法主要用于承受高載荷的厚壁機(jī)件，通常壁厚超過45mm。加強(qiáng)塊的形狀各異，有矩形、十字形和X形等，依機(jī)件和裂紋的情況選用。

（4）熱扣合法

熱扣合法是利用金屬材料的熱脹冷縮的特性修復(fù)零件裂紋的方法。將一定形狀的扣合鍵加熱至一定溫度后嵌入零件裂紋處的相應(yīng)形狀、尺寸的鍵槽中，當(dāng)扣合鍵冷卻收縮后將零件裂紋拉緊而成一體?？酆湘I的形狀、尺寸依零件裂紋部位的形狀和安裝的可能性設(shè)計成不同的形式，例如圓環(huán)形、工字形等。如圖5及圖6所示。

圖5 工字型扣合件

扣合鍵的加熱最低溫度可經(jīng)計算求出，并要求實際加熱溫度比計算溫度約高100-200℃。熱扣合法應(yīng)用于修復(fù)大型、重型設(shè)備，如大型飛輪、齒輪和重型設(shè)備的機(jī)體等。

圖6 圓形扣合件

2.3 金屬扣合法的特點

金屬扣合法在機(jī)械領(lǐng)域能夠得到廣泛應(yīng)用，基于以下主要特點：

（1）修復(fù)工藝簡單，成本低，周期短，可操作性強(qiáng)。且修復(fù)工作一般不受場地的限制，可就地施工，因此不需拆卸機(jī)件進(jìn)車間，節(jié)省大量成本和時間；

（2）修復(fù)工作在室溫下進(jìn)行，所以不存在熱應(yīng)力及殘余應(yīng)力等，不破壞原有精度；

（3）波形槽是分散排列，波形鍵和綴縫栓在扣合過程中都是分層裝入，逐片鉚擊，使修復(fù)部位的實際受力狀態(tài)和理論計算比較接近，從而避免了應(yīng)力集中；

（4）金屬扣合法通常為手工作業(yè)，鉚擊時采用風(fēng)動工具，對于防火、防爆要求的區(qū)域也可進(jìn)行安全作業(yè)；

（5）扣合結(jié)束后將機(jī)件有關(guān)表面打磨清理，采用泥子填平、噴漆，一般看不見修理痕跡，也不破壞設(shè)備的外觀；

（6）金屬扣合法修理時只要在修前仔細(xì)地將斷裂部位進(jìn)行復(fù)位，并正確掌握鉚擊等工藝方法，一般能恢復(fù)原有精度。也就是說修復(fù)質(zhì)量可靠，有足夠的強(qiáng)度、韌性和良好的密封性能。［4］

3 結(jié) 語

金屬扣合法應(yīng)用在機(jī)械領(lǐng)域的修復(fù)中至今已有約一個世紀(jì)的時間。在這個漫長的發(fā)展過程中，機(jī)器設(shè)備的維修工作者不斷地對此種方法進(jìn)行研究和探索，通過不懈的努力和實踐，使這項技術(shù)日趨完善，在技術(shù)、工藝、效益以及效率上都有了很大的提高。所以，在整個機(jī)械修復(fù)領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1 潘建農(nóng).金屬材料與熱處理［M］.湖南：湖南大學(xué)出版社，2009.

2 魏海軍，金國平.輪機(jī)維護(hù)與修理［M］.大連：大連海事大學(xué)出版社，2008.

3 王少純.金屬工藝學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

4 吳先文.機(jī)械設(shè)備維修技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2012.