專利名稱：修補鑄件的方法
技術領域：
本發明總的涉及修補鑄件，并且尤其涉及通過將熔化的填充材料澆在固體的原鑄件上對損壞的鑄件進行修補的工藝。
背景技術：
鑄造元件在其使用周期中常常需要進行修補。由于鑄造材料的物理特性，對鑄造元件很難修補，而且費時。修補鑄件通常包括通過機加工去除鑄件上損壞的部分，然后通過焊接修復損壞的區域。
易受損壞的元件的一個例子是內燃機的氣缸蓋。由于發動機反復加熱和冷卻，氣缸蓋經常在開口處產生出裂縫，例如在閥座、燃料噴射器孔和排氣口處。與氣缸蓋相關的另一個問題是變形。當氣缸蓋變形時，它的底面會變得不平并且無法完全密封。可以對一些變形的氣缸蓋進行研磨，直到它的燃燒室側的表面再次平整為止。然而，對表面進行研磨會使氣缸蓋的厚度變薄，使氣缸蓋在以后的操作中更易損壞。不能磨平的氣缸蓋通常就丟棄了。現有的工藝無法通過恢復表面層厚度來修補變形的氣缸蓋。
修補鑄件的一個例子在授權給通用汽車公司的美國專利4918805中有所討論。該專利描述了一種通過焊接修補內燃機的氣缸蓋的方法。用研磨或類似的機加工工藝將氣缸蓋的損壞部分去除。在去除被損壞的材料以后，用焊接工藝將它補上。使用這種或類似工藝的缺點在于即使是只修補一個裂縫也很費勞力。許多氣缸蓋有多個裂縫要修補。每個要修補的損壞部分都必須去除，整個氣缸蓋要預熱，然后再焊接。在焊接過程中，必須提高周邊區域的溫度并保持足夠高，以使本體和填充材料充分結合。在焊接以后，必須用機器將氣缸蓋加工到原始生產廠的技術規格。用焊接修補工藝，每個氣缸蓋可能需要數小時。
本申請公開旨在克服以上所述的一個或多個問題。
發明內容
本發明提供了一種修補鑄造元件的方法。準備好鑄造元件，并將它預熱到預定的溫度，并將一些的熔化的填充材料澆到鑄造元件上。
圖1示出了一個適合用本發明的方法修補的鑄造元件；圖2說明本發明的方法的流程圖；圖3是圖1所示鑄造元件沿線3-3截取的剖面圖；圖3a是圖3所示鑄造元件沿線3a截取的一部分的放大剖面圖；圖4是圖1所示鑄造元件沿線4-4截取的放大剖面圖。
具體實施例方式
首先參見圖2，它總的表示用于修補鑄造元件方法的一個實施例的流程圖。在第一個控制塊202中，清洗該元件并檢測損壞部分。然后通過研磨或機加工將元件的損壞部分去除。在第二個控制塊204中，在去除了損壞部分后，將該元件預熱到一預定的溫度。預熱溫度將取決于所要修補的元件的厚度和材料而有所不同。需要在不損壞元件的情況下將元件盡可能地預熱。取決于元件的不同，損壞的類型包括由過度加熱造成的應力的釋放和變形。在另一方面，不能將元件預熱到足夠高的溫度會造成在澆入填充材料時本體材料裂開。在一個實施例中，鑄鐵氣缸蓋的預熱溫度可以在950°F到2000°F的范圍內。已發現，對于某一特定的氣缸蓋，預熱溫度1100°F可減小應力和變形，從而減少了裂開的危險。在第三個控制塊206中，將一定量的填充材料熔化并澆入鑄造元件的損壞部分中。
參見圖1，示出了由鑄鐵制造的元件。在這個例子中，元件為氣缸蓋10。應該注意的是，本發明并不限于應用于氣缸蓋，本發明還可以用于任何其它的鑄造產品。本發明也可以用于其它的金屬，例如鋁的鑄造元件。對于其它金屬元件，可以通過試驗或計算機模擬來確定元件的預熱溫度。氣缸蓋包括底面或燃燒室側的表面12、多個側面14和頂面(未示出)。通常情況下，氣缸蓋的底面12用于固定在內燃機的氣缸座上。氣缸蓋10的底面12包括一個燃料噴射器開口16和兩個或更多閥門開口18。如圖所示，閥門開口18包括一對排氣閥開口22和一對進氣閥開口24。閥門開口18可以在燃料噴射器開口16的旁邊均勻地間隔分布。每個閥門開口18包括閥座26和閥導管28。在氣缸蓋10的里面形成有一通道，從每個閥門開口18各自延伸到排氣口32和進氣口34中的一個。進氣和排氣口32、34通常形成于氣缸蓋10的側壁14中的一個上。氣缸蓋10還包括多個用于容納螺栓(未示出)的孔36，用以將氣缸蓋10安裝到發動機座上。在內部，氣缸蓋包括多個液體通道(未示出)。該流體通道包括一個冷卻劑套和諸個潤滑油通道。冷卻劑套和潤滑劑通道以傳統方式運作而不再進一步作詳細討論。
由于是設置用于內燃機(未示出)操作的，氣缸蓋10被組裝成具有可移動地置于閥門開口10處的一對排氣閥(未示出)和一對進氣閥(未示出)。在氣缸蓋10上還另外安裝有搖桿組件(未示出)。為了便于對氣缸蓋10的檢測和修補，可將進氣閥、排氣閥、搖桿和所有其它可移動的元件都從氣缸蓋10上拆卸下來。
工業應用現將參見圖3和3a來詳細地描述一種將熔化的填充材料澆鑄到固體本體材料上的方法。對鑄件(例如氣缸蓋10)進行損壞檢測。氣缸蓋10的裂開或其它損壞部分通過機加工去除，從而在底面12上形成諸個凹腔38。當凹腔38延伸到閥門開口18內時，可以將諸個塞子40(示于圖3a中)分別塞進相應的閥門開口18中。塞子40可防止填充材料進入氣缸蓋10原有的結構中。塞子可以由耐熱材料制成，例如可加工的石墨。在一個實施例中，塞子可以承受極端溫度而不變形，而且導熱。塞子40可以有各種不同的形狀和尺寸以填充塞住特定的形狀結構。例如，用于填充和保護閥門開口18的塞子被機加工成同它對應閥門尺寸和形狀基本上相等。
參見圖4，在被損壞的部分被去除后，在燃料噴射器開口16和閥門開口18之間形成凹腔38。塞子40可以設置成其尺寸同燃料噴射器開口16相配合。將塞子40推進開口16中，以防止填充材料通過或填充進燃料噴射器開口16。在底面12的燃料噴射器開口16周圍還可以放置擋板42。擋板42放置在底面12的方式可以是在將熔化的材料澆入凹腔38的地方設置以填充材料的冒口46。擋板42可以用同塞子40類似的可加工的石墨制成。冒口46可以提供過量的填充材料，以可用于在冷卻時的收縮。石墨擋板42可以通過將一塊可加工的石墨塊切割成所需要的厚度，并且在石墨塊上鉆出或機加工出一開口48，從而形成外圍邊界52。
如同第二控制塊204所要求的那樣，氣缸蓋10在一個烤箱中預熱到第一溫度。在一個實施例中，第一溫度的范圍是在950°F到2000°F的范圍內，更佳的是在1050°F到1150°F。將氣缸蓋(連同就位的石墨塞子和擋板)從預熱烤箱移到電加熱和絕熱箱54中(示于圖1和3中)。被加熱的箱子54可以包括使箱子54可以在車間內移動的多個輪子。箱子54還形成有開口56、底58和多個側面60。開口56包括用于將箱子關閉并保持里面溫度的多個可移開的蓋子(未示出)。被加熱的箱子54的內部溫度可以保持在第一溫度范圍內的一個溫度上，直到加入填充材料為止。
將一定量的填充材料(如鑄鐵)熔化而制備好。比如，將填充材料在一個坩堝中熔化并以可與本體材料充分結合的溫度保存在熔爐中。在氣缸蓋的情況下，該溫度可以在大約2725°F。填充材料可以是與氣缸蓋10或要修補的元件的材料類似的化學合成物。在一個實施例中，用一個具有玫瑰花蕾形的噴嘴的氣焊槍將要修補的區域局部加熱到第二預定溫度。
第二預定溫度也可以根據本體材料的類型、質量和壁厚以及填充材料的量來確定。第二預定溫度范圍的溫度要高到足夠使本體材料和填充材料結合，但也要低到足夠防止填充材料熔滲入本體材料中。該溫度范圍的下限可以通過模擬和/或試驗決定，并且可考慮到與諸如材料收縮、結合強度、微觀結構和應力等與本體和/或填充材料相關的因素。影響結合點的因素可以包括本體材料的類型和體積、填充材料的類型和體積、本體材料的化學成分。此外，第二預熱溫度可防止填充材料迅速冷卻，由此可保持所要求的機械特性。
在所要修補的表面應用了一定量的焊接熔劑(未示出)。該熔劑是用于在澆入了填充材料后從填充材料和鑄造元件中去除氧化物和其它污物的。典型的熔劑由以硼砂為基礎的材料制成。當凹腔38的溫度在溫度范圍內時，將熔化了的填充材料從熔爐中移出。可以將可能浮在熔化的填充材料表面的爐渣從熔化的填充材料中撇去。當填充材料基本上沒有爐渣時，將它澆入并填滿凹腔38。在一個實施例中，填充材料可以從損壞的區域溢出并升到底面12以上。通過將氣焊槍移到填充材料旁邊可以使凹腔中的填充材料的溫度在第二溫度上保持一段時間。例如，這段時間可以是三十秒到兩分鐘的范圍內。將氣焊槍移到填充材料旁邊可以將被包住的氣體和污物釋放出來并改善填充材料和初始鑄造元件之間的結合。
然后，可以將鑄造元件冷卻。在一個實施例中，鑄造元件(或其一部分)可以用壓縮空氣局部冷卻。上面安裝有噴射器并且安裝在壓縮空氣源上的桿子(未示出)在上方環繞填充材料移動。在一個實施例中，為了得到所要求的機械特性(例如硬度和微觀結構)，要求用足夠的冷卻速率(取決于化學成分)來冷卻修補區域的整個體積，從而得到所要求的矩陣結構的微觀結構或轉化產品。例如，使用鑄鐵，并且根據受影響的材料的體積，可以期望在30到180秒的時間段內將修補區域的溫度降低到1100°F到1200°F的范圍內。在所有修補完成后，將氣缸蓋10緩慢冷卻，較佳地，為一個足夠低的速度冷卻，以防止元件的變形或開裂。然后，可以將氣缸蓋10機加工到原始的技術規格并重新組裝以備使用。
權利要求
1.一種修補鑄造元件(10)的方法，包括以下步驟準備所述鑄造元件(10)；將所述鑄造元件(10)預熱到第一預定溫度；和將一些填充材料加到所述鑄造元件(10)上。
2.如權利要求1所述的修補所述鑄造元件(10)的方法，其特征在于，還包括以下步驟在所述鑄造元件(10)的表面上使用熔劑。
3.如權利要求1所述的修補所述鑄造元件(10)的方法，其特征在于，所述第一預熱溫度在950°F到2000°F的范圍內。
4.如權利要求1所述的修補所述鑄造元件(10)的方法，其特征在于，還包括以下步驟將所述鑄造元件(10)的一部分加熱到第二預定溫度。
5.如權利要求4所述的修補所述鑄造元件(10)的方法，其特征在于，所述第二預熱溫度使所述鑄造元件(10)和所述填充材料之間結合。
6.如權利要求4所述的修補所述鑄造元件(10)的方法，其特征在于，所述第二預熱溫度在1650°F到1975°F的范圍內。
7.如權利要求4所述的修補所述鑄造元件(10)的方法，其特征在于，將所述部分加熱到第二預定溫度的所述步驟是用一氣焊槍來完成的。
8.如權利要求1所述的修補所述鑄造元件(10)的方法，其特征在于，還包括以下步驟將塞子(40)置于鑄造元件(10)的一個結構中，從而防止熔化的填充材料進入所述結構。
9.如權利要求1所述的修補所述鑄造元件(10)的方法，其特征在于，還包括以下步驟加快冷卻所述填充材料的速度。
10.如權利要求9所述的修補所述鑄造元件(10)的方法，其特征在于，加快冷卻所述填充材料的速度的所述步驟包括使用壓縮空氣。
11.如權利要求1所述的修補所述鑄造元件(10)的方法，其特征在于，所述鑄造元件(10)是金屬鑄造元件(10)。
12.如權利要求1所述的修補所述鑄造元件(10)的方法，其特征在于，還包括以下步驟用將元件(10)加工到生產廠的技術規格。
13.如權利要求1所述的修補所述鑄造元件(10)的方法，其特征在于，還包括以下步驟設置補縮冒口(46)以適應收縮。
14.如權利要求1所述的修補所述鑄造元件(10)的方法，其特征在于，所述鑄造元件(10)為鑄鐵元件(10)。
15.如權利要求1所述的修補所述鑄造元件(10)的方法，其特征在于，所述鑄造元件(10)是鋁質的。
全文摘要
本發明總的涉及一種用于修補鑄件(10)的方法，并且尤其涉及一種通過在原有鑄件的損壞部分上澆上熔化的填充材料從而修補鑄件(10)的方法。通過將元件預熱到第一預熱溫度來修補損壞的金屬元件(10)(例如內燃機的氣缸蓋)。然后，用氣焊槍將鑄件(10)的損壞區域加熱到更高的溫度，并將熔化的填充材料澆入鑄件(10)中。氣焊槍是用來將熔化的材料的溫度保持30秒到兩分鐘的。然后，用壓縮空氣將填充材料的溫度降低。
文檔編號B23K5/00GK1819892SQ200480011744
公開日2006年8月16日 申請日期2004年3月16日 優先權日2003年5月2日
發明者M·D·布里奇斯, L·丘卓, C·A·金尼, J·F·利昂托里斯, S·E·波斯特, R·E·夏普 申請人:卡特彼勒公司