《机械设备维修》-模块3学习情境2：冶金机械设备现代维修技术

金属扣合法是金属机件的一种特殊联接修理方法，它利用扣合件(例如波形键，缀缝栓等)材料的塑性变形或热胀冷缩的性质将损坏的零件连接起来，实现紧密扣合作用，以达到修复零件裂纹或断裂的目的。二、金属扣合法应用金属扣合工艺适用对象广泛。从原理上讲，凡存在裂纹、破损、孔洞及其他缺陷的金属机件，该工艺均能适用。目前，此种修复工艺方法已广泛用于铸铁件，钢件（尤其是不易焊修的钢件，如铸钢、合金钢等），有色金属机件等难焊补的零件，以及不允许有变形的零件的修复；尤其适用于大中型铸铁机件的修复，如机床床身、轧机机架等基础件的修复，又如船上许多大型机件（如：主、副柴油机的机座、机架、气缸体、缸盖等）以及各种机械的壳体和螺旋桨等的裂纹修复等，同时该工艺亦适用于某些零部件的加工制造或装配过程。近年来，金属扣合工艺与胶粘剂配合使用不仅增大连接强度，而且有利于提高密封性。其中，铸铁件的焊接性能极差，始终是焊接领域未能完全攻克的一道难题。但由于铸铁成本较低，并具有较好的铸造性、可加工性、耐磨性及减震性等特点，铸铁零件在机械零件中也占有一定的比例，比如多数基础件就是铸铁制造的。另外，又由于它们一般体积较大、结构复杂、制造周期较长、有较高精度要求，而且一般不作为日常备件储备，所以一旦损坏很难立即更换。况且，如果仅仅因为一些微小裂纹或局部断裂，就整体更换，这样做也极不经济。但是，若置之不理，听之任之，长此以往，一旦裂纹发展到一定程度，就可能出现严重后果。这时，如果能提前合理采用金属扣合修复技术，势必将极大节约维修费用，缩短维修周期，避免过长的停机损失。三、金属扣合法特点1、金属扣合修复工艺过程完全在常温下进行，因此，无需考虑修复件的热变形带来的影响。

2、波形槽是分散排列，波形键和缀缝栓在扣合过程中都是分层装入，逐片铆击，使修复部位的实际受力状态和理论计算比较接近，从而，避免了应力集中。

3、修理方法简单，成本低，修理周期短。金属扣合所需设备和工具极为简单，而且修复工作一般不受场地限制，可就地施工，不需拆卸机件，尤其是大型机件，或在缺少备件、更换新件工作难度大及各种应急状态下，该工艺将得显方便、快捷。运用该工艺修复缺陷机件，其费用仅为制作新件的1／3～１／30。

4、金属扣合法通常为手工作业，铆击时采用风动工具，对于防火，防爆要求的区域也可进行安全作业。如船舱内有大量的机油、润滑油等，而且环境相对狭窄、密闭［PS：譬如攀钢401机动船］。若零部件出现裂纹、断裂，为避免着火事故，一般不允许采用焊接，这时采用扣合技术将十分理想。5、扣合结束后将机件有关表面打磨清理，采用泥子填平，喷漆，一般看不见修理痕迹，也不破坏设备的外观（一般铸件出现裂纹难免，某些客户心里接受能力有限。对此采用扣合，在保证性能条件下，也容易被客户接受，还可避免返工造成的成本增加）。6、金属扣合法修理时只要在修前仔细地将断裂部位进行复位，并正确掌握铆击等工艺方法，一般能恢复原有精度，且修复质量可靠，并可具有足够的强度和良好的密封性能。如金属扣合后的容器可承受75×104Ｐa（即7.5kgf/cm2）的压力。7、金属扣合法也有其局限性，如薄壁铸件（壁厚≤8mm）则不宜采用。另外，波形槽整形较费时费力，单件制做波形键较为麻烦（一般波形键均由模具挤压成型，若制做数量少，则模具成本无法分摊，开模费用较高）。四、分类及技术原理按照性质和特点

强固扣合强密扣合优级扣合热扣合(1)、技术原理：在垂直于零件裂纹或折断面的方向上，借助模板或手工加工出一定形状和尺寸的波形槽，然后把形状与波形槽相吻合的，由高强度材料制成的波形键逐片嵌入槽中，在常温下铆击波浪键，使其产生塑性变形而充满槽腔，借助波形键的凸缘与波形槽的凹部相互扣合，使损坏的零件重新牢固地联接成一体，如图所示。（简单地将：在垂直于裂纹方向加工出波形槽，嵌入形状相似的波浪键，在常温下铆击波浪键，利用波浪键与槽的啮合作用使零件联成一体。大家可以看出这种连接形式类似于铆接的断面。）1、强固扣合法（或称波浪键扣合法）1、强固扣合法（或称波浪键扣合法）(2)、适用范围：适用于修复壁厚8～40mm的一般强度要求的薄壁机件。实例：破裂的法兰修复一块法兰破裂成三块，把块１～块３拼成原状，在各条裂纹上镶铆金属锁固件——波浪键，配合适当的机加工、钳工操作，该法兰可恢复原几何尺寸，并近似恢复原件的机械性能。

1、强固扣合法（或称波浪键扣合法）对于要求密封的零件，可在强固结合法的基础上，再在裂缝隙上用缀缝栓密封，称为强密扣合法。

2、强密扣合法(又称波浪键—密封螺钉扣合法)(1)、技术原理：在强固扣合工艺原理的基础上，在两波形键之间裂纹或折断面的结合线上加工缀缝栓孔，并使第二次钻的缀缝栓孔稍微切人已装好的波形键和缀缝栓，形成一条密封的“金属纽带”，以达到阻止流体受压渗漏的目的。

2、强密扣合法(又称波浪键—密封螺钉扣合法)(2)、工艺：在强固扣合（即波浪键扣合）的基础上，再沿裂纹钻孔攻丝，相邻两螺孔应彼此相割（即有一定的重叠)，相割量为0.5mm～1.5mm，两端螺孔应覆盖裂纹终端，螺孔与波浪键也应相割。将涂有粘结剂(即胶粘剂)的密封螺钉从波浪键两对侧向槽间逐个旋入。全部裂纹上装满密封螺钉后用砂轮打磨平整，不破坏设备的外观，不与其它零部件发生干涉。在裂纹上可装密封螺钉或密封圆柱销。前者用于承受低压的裂纹零件，后者用于承受高压的裂纹零件。密封螺钉可选用M3～M8；圆柱销直径可选用3mm～8mm，长度与波浪键厚度t相同。密封螺钉和圆柱销的材料可与波浪键材料相同；对于要求不高、不重要零件也可选用低碳钢或纯铜等软质材料制造，这样便于铆紧。粘结剂一般可选用环氧树脂胶或氧化铜－磷酸无机胶。2、强密扣合法(又称波浪键—密封螺钉扣合法)

(3)、应用：适用于有强度要求和密封要求的场合。如缸体、机体、受压容器等零件的裂纹或折断的修理。实例：有孔洞的发动机缸体修复在缸体的孔洞处镶配相近材质及相近几何形状的金属镶块，然后依前述方法镶铆波浪键和缀缝螺栓，该缸体可恢复原有几何形状和机械性能2、强密扣合法(又称波浪键—密封螺钉扣合法)

对承受高载荷的厚壁零件修复时，采用强固、强密扣合法不能保证修复质量要求，这时可以镶入加强件，如下图所示，使载荷分布在更大的面积上，提高其承载能力，这样的方法称为优级扣合法，又称加强扣合法。3、优级扣合法（又称加强（块）扣合法）加强扣合法示意图1—加强件；2—缀缝栓；3—波形键；(1)技术原理：优级扣合法是在垂直于裂纹或断裂面的修复区上，加工出一定形状的空穴（例如矩形），然后把形状、尺寸相同的加强件嵌入空穴中，在零件与加强件的结合处再加工缀缝栓，使其一半嵌在加强件上，另一半嵌在零件基体上，从而得到牢固的结合。必要时还可用波浪键对加强块和机件进行扣合，如图所示。3、优级扣合法（又称加强（块）扣合法）(2)工艺：加强块使载荷分布到更多的面积和更远离裂纹的地方。加强块的形状各异、有矩形、十字形、X形等，依机件和裂纹情况选用，具体来讲可根据零件材料性质、载荷性质和大小，以及扣何处形状等因素进行选用。加强块样式如图所示，其中a)为修复钢件便于张紧的加强件；b)为用于承受冲击载荷的加强件，在靠近裂纹处不加缀缝栓固定，以保持一定的弹性；c)为X型加强件，其有利于扣合时拉紧裂纹；d)为十字形加强件，它用于承受多方面载荷。加强块与空穴槽的结合线配缀缝栓，加强块厚度一般不大于机件厚度的1/3，其长边应垂直于裂缝放置。3、优级扣合法（又称加强（块）扣合法）(3)应用：加强扣合法主要用于承受高载荷、壁厚超过45mm的机件，如水压机横梁、轧钢机轧辊支架等。3、优级扣合法（又称加强（块）扣合法）(1)技术原理：热扣合法是利用金属材料的热胀冷缩的特性修复零件裂纹或断裂的方法。它将一定形状的扣合键加热至一定温度后嵌入零件损坏处预先加工好的相对应的凹槽中，当扣合键冷却收缩后，将零件裂纹拉紧而成一体，从而将破裂的机件重新密合。扣合键的形状、尺寸，依零件裂纹部位的形状和安装的可能性设计成不同的形式，例如利用圆环形键扣合在轮毂上，来修复轮毂的强度；利用工字形键嵌入基体槽内，把基体上的裂纹扣紧等。4、热扣合法(1)技术原理：热扣合法是利用金属材料的热胀冷缩的特性修复零件裂纹或断裂的方法。它将一定形状的扣合键加热至一定温度后嵌入零件损坏处预先加工好的相对应的凹槽中，当扣合键冷却收缩后，将零件裂纹拉紧而成一体，从而将破裂的机件重新密合。扣合键的形状、尺寸，依零件裂纹部位的形状和安装的可能性设计成不同的形式，例如利用圆环形键扣合在轮毂上，来修复轮毂的强度；利用工字形键嵌入基体槽内，把基体上的裂纹扣紧等。4、热扣合法另外，需注意保证扣合件产生的压应力减去工作时零件承受的载荷后，还应有足够的剩余压应力来扣紧零件的损坏部位。因此，对扣合件配合面的过盈量和加热温度必须经力学计算确定。另一方面，对两配合面必须精加工，以保证尺寸和形位精度。4、热扣合法(2)应用：相比其它扣合法更为简便和实用，多用于修复大型飞轮、齿轮或皮带轮，和重型设备机身的裂纹及折断面。4、热扣合法五、金属扣合工艺（1）、将存在裂纹、破损、孔洞等缺陷的机件从机器上解体。其中，裂纹在修理前，最好在裂纹两端打上止裂孔，并用柱销涂敷密封液，填塞紧密。（2）、将破损成多个碎片的机件收集齐全。（3）对有孔洞缺陷的机件，应准备材质相同（或相近）的金属件，或重新铸造材质相同（或相近）的铸件毛坯作为镶块。

1、解体和准备（1）、用专用容器盛装破损的机件，针对机件的材质确定使用不同的清洗剂，对机件彻底清洗。（2）、用清水冲洗，再用压缩空气吹干或自然凉干。

2、清洗（1）、疑似裂纹或其形状位置不明显，应经探伤检查确定。（2）、进行必要的材质化验，以便于波浪键及镶块材质的选择。（3）、必要的强度试验。

3、理化试验（1）、对破裂成多块的机件进行拼装使之复位，可配合使用合适的金属粘接剂。（2）、对破损机件进行夹持、定位和紧固。4、拼装、复位和紧固（1）、利用车、铣、刨、插、镗、钻、磨等机加工或适当的钳工方法将机件的缺陷孔洞进行切削、修整，使之具有较规则的几何形状。（2）、根据机件材质选择镶块或重新铸造镶块毛坯件。（3）、按过渡配合要求，将选择的镶块或铸造毛坯件，依修整后机件上孔洞尺寸形状进行切削加工，保证配合表面达到过渡配合要求的精度。（4）、借助专用工装将镶块镶配到机件上，若机件有耐压、受力等特殊要求，则镶块与机件的配合应具备一定的过盈量或互为锥度配合、阶梯配合，并辅以密封胶。5、镶块的镶配（1）、沿裂痕或镶配边界确定欲镶波浪键的位置。（2）、在各位置点沿裂痕或镶配边界的法线方向固定波浪键底孔模板。（3）、用高压风钻或电动钻通过底孔模板套打底孔，或在机件两侧均打出底孔。（4）、用专用高频振动切割机切去各孔间连筋。（5）、将波浪键打入底孔，必要时涂密封胶。若机件较厚，可在两侧均镶配波浪键，且各侧可镶１～３层。6、镶配波浪键（1）、在相邻两波浪键之间，沿裂痕或镶配边界确定骑缝螺钉底孔位置，使埋置后的骑缝螺钉两两相切。（2）打骑缝螺钉底孔，控制深度（近似波浪键底孔深度）。（3）底孔攻丝。（4）骑缝螺钉涂密封胶后拧入螺孔，剔除外露部分。

7、埋置骑缝螺钉(缀缝栓)（1）、对有压力要求的机件进行耐压试验。（2）、对有强度要求的机件进行强度试验。（3）其他相关试验。

9、性能试验（1）、剔除波浪键或骑缝螺钉多余部分。（2）、机加工或钳工切削，使机件达到所要求的表面粗糙度。（3）、表面处理，如涂防锈油、刷漆等。

8、整形六、模拟实训—铸铁零件的修理故障现象：铸铁闸阀闸板出现裂纹缺陷解决方案：采用金属扣合法修复1、波形键的设计和制造波形键，又称波浪键（英文MetalockingKey），在中文里因其形似波浪而意译为“波浪键”，它是金属扣合工艺技术的核心。从结构上看，波浪键这种凹凸起伏的波浪形结构，象链子一样可使裂纹（或配合面）两侧的金属被紧紧地锁固在一起。从受力情况看，波浪键在金属扣合工件中承受二维或三维综合机械作用力，如拉伸力、挤压力、剪切力等。

补充知识（1）波形键尺寸的确定波形键形状如图所示，主要尺寸有凸缘直径d、颈部宽度b、间距l、厚度t。通常以颈部宽度尺寸b作为基本尺寸，一般取b＝3mm～6mm，其它尺寸依下列经验公式计算：凸缘直径:d＝(1.2～1.6)b凸缘间距:l＝(2.0～2.2)b波浪键厚度:t＝(0.9～1.1)b由于波形键的凸缘数决定键的承载能力，故应根据零件的受力情况来确定凸缘数，一般取奇数5、7、9个，因为将当中一个凸缘设在裂纹上较好。凸缘数越多，波形糟各凹处断面上的应力越小，并使最大应力远离裂纹。但凸缘数过多，使镶嵌波浪键工作量增加，难度加大。在位置允许的情况下，尽可能选用7或9个凸缘的波浪键。（2）波形键的材料波形键在扣合前除应具有足够的强度和韧性之外，其材料还应经热处理后可变软，以便适合铆击，产生塑性变形从而铆紧；在扣合后要求冷作硬化倾向大，且不发脆，其抗拉强度应有较大的提高；对于修复受热机件所用波形键的材料，其膨胀系数要略低于或等于机件的膨胀系数。一般选用奥氏体镍铬不锈钢，如0Crl8Ni9、1Crl8Ni9、1Crl8Ni9Ti等，冷变形后强度可提高50％；也可选用普通低碳钢10、15、20钢等，冷变形后强度可提高10％～20％。高温零件可选用含镍量高并与零件材料膨胀系数相近的高温镍基合金，如Ni36、Ni42等，此种材料膨胀系数与铸铁相近，或选用10、15、20低碳钢等。（3）波形键的制造波形键制造最好采用模具在油压机上冷挤压成型，在配合机械加工上、下表面，和修整凸缘圆弧，最后需热处理。2、波形槽的设计和加工（1）、波形槽尺寸的确定波形槽的形状与尺寸与波形键一致，二者最大配合间隙不超过0.1mm～0.2mm，槽深T依零件壁厚H而定，一般T＝(0.7～0.8)H，并依槽深放入一层或两层波浪键。零件裂纹上波形槽间距W可依经验法或计算公式确定。1）对承受载荷不大的普通铸铁零件，波形槽间距可为宽度b的5～6倍，即W＝(5～6)b。2）对承受较大载荷的高强度铸铁件，可采用同一截面上波形键和机件原有承载能力相等的条件计算波形槽间距W，即:式中：σp为波形键材料经铆击后的抗拉强度；σg为机件的抗拉强度；H为机件厚度。（2）、波形槽的布置对于修复承受载荷不大的普通铸铁机件时，为了使最大应力分布在最大范围内，改善零件受力状况，在布置个数较多的波形槽时，可采用一长一短或错落有致的排列方式，并且中间凸缘应安装在裂纹线上。对于修复承受弯曲载荷的普通铸铁机件时，因机件的外层承受最大拉应力，往里则逐渐减少，故将波形槽设计成阶梯式。这样，能避免或减小机件内壁强度因开槽而受到削弱的影响。（3）、波形槽的加工小型机件波形槽可在钻床或铣床等设备上加工成型，加工速度快，精度也较高。大型机件因拆卸和搬运不便，其波形槽可采用钻模、手电钻等简便工具，现场加工。对于曲面机件，则需制成与该曲面相吻合的钻模。大型机件波形槽手工加工的工艺过程如下:1）、采取措施先将机件的裂纹牢固地复位。裂纹两端需钻止裂孔。2）、根据修复设计的方案,划出各波形槽的位置线。3）、借助专用钻模加工波形槽各凸缘孔及凸缘间孔，锪（huo，1声）孔至深度T；4）、修整宽度b和两平面，保证波形键和波形槽的配合间隙3、波形键的扣合和铆击（，亦即波形键装配）（1）装配前，波