吳成武，宋明媚，王磊，李東，袁帥軍

（中國石油集團濟柴動力有限公司，山東 濟南 250300）

隨著發(fā)動機再制造技術(shù)的不斷進步，對核心零部件損傷的修復(fù)質(zhì)量要求越來越高，不但要恢復(fù)缺損材質(zhì)，而且要盡量減小或消除形變、氧化和一系列修補缺陷。而惰性氣體保護焊在補材結(jié)合強度和修補區(qū)域氧化控制等方面由于具備優(yōu)勢，因此經(jīng)常用來堆焊修復(fù)深層缺陷，在再制造生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用。

凸輪軸作為發(fā)動機核心零部件，運行過程中承受較強的周期性碾壓沖擊載荷，因此，對損傷失效部位需要高可靠性修復(fù)層來填補尺寸缺失。氬氣保護堆焊補修凸輪深層損傷是經(jīng)常采用的工藝手段。凸輪軸損傷修復(fù)對比效果如圖1所示。不過由于凸輪軸是大長徑比零件，對焊接熱量的影響較為敏感，一旦堆焊溫度控制不佳局部熱輸入量過大，極易引起凸輪軸跳動超差。因此，堆焊修復(fù)過程中如何有效控制焊接溫度、避免發(fā)生較大熱形變，是關(guān)系再制造成品尺寸精度是否達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵問題。

圖1 深層損傷凸輪軸修復(fù)前后對比圖

本文介紹一種用于解決上述難題的自動控溫式凸輪軸堆焊冷卻機的設(shè)計與應(yīng)用。

1 設(shè)計背景

為了在凸輪軸堆焊過程中有效控制焊接熱量的影響，從而盡量避免熱形變引起的整軸直線度超差，造成產(chǎn)品彎曲報廢。傳統(tǒng)工藝往往依靠工人的經(jīng)驗積累，采取斷續(xù)焊接；或者采用吸水性較強的織物材料蘸水后包覆在凸輪軸兩端來降溫。但以上方法作用有限，操作人員很難根據(jù)工件溫度適時調(diào)整冷卻程度。有時候冷卻過度，熔池過快冷卻難以充分排氣，形成內(nèi)部氣孔；有時冷卻不足，熱形變又難以抑制。為了解決這一難題，我們設(shè)計研發(fā)了一種操作便利的新型自動控溫式凸輪軸堆焊冷卻機。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)由以下部件構(gòu)成：水槽型堆焊工作臺、感溫組件、溫控流量調(diào)節(jié)組件、供水冷卻組件。主要結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)原理圖

附圖中各標(biāo)號為：1水槽型堆焊工作臺；2凸輪軸V型支架；3凸輪軸；4左冷卻噴水嘴；5右冷卻噴水嘴；6分水管；7耐高溫磁吸附式溫度傳感器探頭；8分水器；9后段主水管；10感溫線；11電控柜；12溫度控制器；13/21流量控制信號線；14電動比例積分調(diào)節(jié)閥；15/20水泵開關(guān)；16供電線；17過濾網(wǎng)；18水泵；19主水管。

（1）水槽型堆焊工作臺。水槽型堆焊工作臺由水槽和凸輪軸V型支架組成，凸輪軸V型支架固定在水槽底部，凸輪軸堆焊時將圓柱形支撐軸徑放置在V型開口位置上。如圖1所示

（2）感溫組件。感溫組件是由耐高溫磁吸附式溫度傳感器探頭及其感溫線組成，磁吸探頭安裝在堆焊凸輪的非焊接部位上，感溫線連接到溫控器輸入端。

（3）溫控流量調(diào)節(jié)組件。溫控流量調(diào)節(jié)組件由溫度控制器、流量控制信號線、電動比例積分調(diào)節(jié)閥組成。

溫度控制器可以單獨設(shè)定PID加熱和冷卻控制，處理具有不同加熱和冷卻響應(yīng)特性的控制系統(tǒng)。它可接收多種傳感器輸入信號，有熱電偶、鉑電阻、模擬電流/電壓輸入?？刂戚敵鲇欣^電器輸出、電壓輸出、電流輸出。該自動控溫式凸輪軸堆焊冷卻機采用鉑電阻輸入，電流輸出。溫度控制器如圖3所示。

圖3 溫度控制器

電動比例積分調(diào)節(jié)閥內(nèi)置配流盤，提高調(diào)節(jié)精度。電動比例積分調(diào)節(jié)閥如圖4所示，執(zhí)行器尺寸如圖5所示。

圖4 電動比例調(diào)節(jié)閥

圖5 執(zhí)行器尺寸圖

（4）供水冷卻組件。供水冷卻組件是由水泵、供電線、水泵開關(guān)、過濾網(wǎng)、主水管、分水器、左/右冷卻噴水嘴、左/右分水管所組成。水泵將過濾網(wǎng)過濾后的清潔冷卻水泵入主水管內(nèi)，主水管中間串聯(lián)安裝有電動比例積分調(diào)節(jié)閥，經(jīng)過其調(diào)節(jié)流量后，進入分水器，冷卻水一分為二后分別進入左、右分水管，將冷卻水以弧形水膜形式噴灑在堆焊凸輪軸兩側(cè)，實現(xiàn)冷卻目的。

3 工作原理

該自動控溫式凸輪軸堆焊冷卻機根據(jù)工作過程中凸輪軸的溫度變化，實時調(diào)整冷卻程度，讓零件在堆焊過程中，始終保持在適宜的溫度范圍內(nèi)。

溫度控制器根據(jù)溫度傳感器測量得到的溫度數(shù)值，與自身預(yù)先設(shè)定的溫度值進行比較。若溫度傳感器輸入的測量值達(dá)到溫度控制器的設(shè)定值，則電動比例積分調(diào)節(jié)閥的閥門打開。如果測量值高于設(shè)定值，溫度控制器采用冷卻PID控制，輸出4-20mA的模擬量信號，增大電動比例積分調(diào)節(jié)閥冷卻水流量；如果測量值接近設(shè)定值，溫度控制器通過電動比例積分調(diào)節(jié)閥減小冷卻水流量，直至測量值等于設(shè)定值。

4 應(yīng)用效果

將待堆焊凸輪軸放置在水槽型堆焊工作臺的V型支架上，水冷組件可根據(jù)實際堆焊位置的不同移動到相應(yīng)凸輪兩側(cè)面進行安裝。水槽內(nèi)注入冷卻水，將左/右冷卻噴水嘴安裝在待焊凸輪兩側(cè)位置，水泵放置在水槽底部，開啟水泵控制開關(guān)。冷卻水經(jīng)過濾網(wǎng)、水泵、主水管、電動比例積分調(diào)節(jié)閥、分水器、分水管、左/右冷卻噴水嘴，為凸輪軸進行冷卻。

溫度控制器設(shè)定值為：200℃，當(dāng)溫度傳感器采集到的熱影響區(qū)溫度高于此數(shù)值時，溫度控制器PID控制增大電動比例積分調(diào)節(jié)閥冷卻水流量。之后熱影響區(qū)溫度逐漸下降，當(dāng)測量值接近設(shè)定值時，溫度控制器通過電動比例積分調(diào)節(jié)閥減小冷卻水流量。

通過以上控制方式，可以將凸輪軸堆焊過程中的熱影響區(qū)溫度始終控制在適宜的溫度范圍內(nèi)，既可避免局部溫升過高導(dǎo)致的熱形變，也可避免由于過度冷卻、熔池過快凝固排氣不充分導(dǎo)致的焊層氣孔。

5 結(jié)語

該新型自動控溫式凸輪軸堆焊冷卻機的冷卻水流量可根據(jù)堆焊溫度變化自動調(diào)節(jié)，冷卻位置靈活可調(diào)便于操作。生產(chǎn)應(yīng)用后可有效地避免工件熱形變和氣孔缺陷，適用于多種規(guī)格軸類零部件的堆焊輔助作業(yè)，可有效避免熱形變導(dǎo)致的整軸跳動超差問題，也可盡量避免焊層內(nèi)部氣孔缺陷。