PL206686B1 - Sposób tworzenia ochronnej powłoki na części maszyny - Google Patents

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 206686 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 372559 (51) Int.Cl.

(22) Data zgłoszenia: 04.01.2003 B23K 9/04 (2006.01)

F02F 3/12 (2006.01) (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:

04.01.2003, PCT/EP03/000038 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

31.07.2003,WO03/062622 (54)

Sposób tworzenia ochronnej powłoki na części maszyny

(30) Pierwszeństwo: 22.01.2002, DE, 10202193.7	(73) Uprawniony z patentu: MAN B & W DIESEL A/S, Copenhagen, DK
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 25.07.2005 BUP 15/05	(72) Twórca(y) wynalazku: HARRO ANDREAS HOEG, Allerad, DK
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.09.2010 WUP 09/10	(74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Alicja Piotrowicz

PL 206 686 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób tworzenia ochronnej powłoki na części maszyny, zwłaszcza na główce tłoka lub na grzybku zaworu wydechowego dwusuwowego silnika wysokoprężnego, którą nakłada się przez napawanie na przeznaczoną do tego powierzchnię.

Znane są ze stanu techniki metody napawania warstw ochronnych na powierzchnie elementów.

W zgłoszeniu europejskim EP0599737 opisano sposób nakładania warstwy na przedmiot obrabiany za pomocą urządzenia do napawania. W rozwiązaniu tym na przedmiot obrabiany napawa się materiał za pomocą urządzenia do napawania, które przemieszcza się z prędkością 1,5 do 50 m/min. Powierzchnia przedmiotu obrabianego jest topiona na głębokości w przybliżeniu 0,5 mm, rozrost ziaren w stopionej strefie nie może przekroczyć 10%, bez chłodzenia przedmiotu podczas napawania.

Zgłoszenie amerykańskie US 5293026 ujawnia sposób nanoszenia materiału na część taką, jak na przykład poruszający się ruchem postępowo-zwrotnym popychacz silnika lotniczego, w którym odporny na zużycie materiał zawierający węgiel w postaci proszku jest nakładany na powierzchnię elementu w stanie stopionym, a przyrost temperatury jest odprowadzany z powierzchni w głąb elementu, aby umożliwić zastyganie.

Przy przeprowadzaniu sposobu napawania na przeznaczoną do tego powierzchnię występuje bardzo silne oddziaływanie cieplne na część pokrywaną powłoką ochronną. Istnieje zatem niebezpieczeństwo, że przekroczona zostanie dopuszczalna temperatura materiału wymienionej części. Niebezpieczeństwo to jest szczególnie duże wtedy, gdy powłoka ochronna ma stosunkowo dużą masę, co trzeba uwzględniać przy powłoce ochronnej części maszyny wymienionego wyżej rodzaju.

Przy wytwarzaniu powłoki ochronnej przez napawanie dotychczas trzeba było zatem wielokrotnie przerywać napawanie, aby pozostawić część do ochłodzenia. Jest to czasochłonne i nieekonomiczne. Ponadto przerwy w procesie napawania z pośrednim ochładzaniem mogą również mieć niekorzystny wpływ na osiąganą wytrzymałość powłoki ochronnej. Zwłaszcza stopy na bazie niklu są na to szczególnie wrażliwe. Ponadto przerwy w procesie napawania sprzyjają powstawaniu pewnej bezwładności cieplnej, co powoduje konieczność dodatkowej obróbki.

Zadaniem wynalazku jest zatem takie ulepszenie procesu rodzaju wymienionego we wstępie prostymi i tanimi środkami, aby możliwe było opłacalne i oszczędne przeprowadzanie tego procesu.

Zadanie to rozwiązano według wynalazku przez to, że część maszyny, na którą nakłada się ochronną powłokę, chłodzi się podczas napawania, przy czym chłodzenie przeprowadza się tak, że w fazie początkowej napawania ciepło przenoszone na część maszyny jest większe niż ciepło odprowadzane przez chłodziwo, a po tym czasie początkowym ciepło doprowadzane przez napawanie w przybliż eniu odpowiada ciepł u odprowadzanemu przez chł odziwo.

Dzięki temu zapewniono, że powłoka ochronna lub w przypadku wielowarstwowej powłoki ochronnej każda warstwa może być napawana bez przerw. Uzyskano zatem opłacalne, oszczędzające czas przeprowadzanie procesu. Mimo tego temperaturę powlekanej części można utrzymywać poniżej krytycznej granicy, tak że nie jest uszkadzany materiał podłoża przyjmujący powłokę ochronną. Dzięki niskiej temperaturze materiału podłoża przy napawaniu zmniejsza się również ewentualna bezwładność cieplna. W znacznym stopniu unika się przez to trwałego odkształcenia materiału podłoża i powodowanych przez nie wewnętrznych naprężeń, co zapewnia trwałość całej części. Dzięki temu, że przeprowadzane podczas napawania chłodzenie powlekanej części maszyny korzystnie przeprowadza się tak, że ciepło doprowadzane do powlekanej części maszyny w przybliżeniu odpowiada ciepłu odprowadzanemu przez chłodziwo, po pewnym czasie początkowym ustala się stan równowagi. Dzięki temu zapewniono, że nawet przy stosunkowo długim, przekraczającym czas początkowy, trwaniu procesu napawania, to znaczy przy obróbce bardzo dużej części, od określonej temperatury nie występuje już godne wzmianki zwiększanie temperatury. Dzięki wynalazkowi całkowicie usunięto zatem wskazane we wstępie wady i trudności.

Korzystne wykonania i rozwinięcia podano w zastrzeżeniach zależnych.

Korzystnie, jako chłodziwo można stosować wodę. Medium to jest stosunkowo tanie i można je stosować przepływowo, tak że odpada koszt przetłaczania i oczyszczania.

Korzystnie, podczas napawania, do powierzchni części maszyny, na którą nakłada się ochronną powłokę, albo do przeciwległej powierzchni doprowadza się chłodziwo.

Korzystnie, część maszyny do napawania ochronnej powłoki umieszcza się tak, że od góry nakłada się ochronną powłokę, a od dołu się chłodzi. Zapewnia to samoczynne odpływanie chłodziwa do dołu.

PL 206 686 B1

Korzystnie, chłodziwo rozpyla się na przyporządkowaną powierzchnię. Zapewnia to dobre rozprowadzenie chłodziwa w przypadku nieregularnego kształtu geometrycznego części

Korzystnie, chłodziwo rozpyla się na przyporządkowaną powierzchnię za pomocą co najmniej jednej wyposażonej w rozpylające dysze natryskowej rury dołączonej do źródła chłodziwa.

Korzystnie, chłodziwo wtryskuje się w przestrzeń objętą obwodową ścianką. Zapewnia się przez to, że chłodziwo nie może stykać się z napawanym materiałem.

Korzystnie, chłodziwo przy główce tłoka wtryskuje się w przestrzeń ograniczoną przez płaszcz tłoka lub koncentryczny z nim wsporczy kołnierz.

Korzystnie, przy wydechowym zaworze w celu utworzenia obwodowo zamkniętej przestrzeni, do której doprowadza się chłodziwo, na obwodzie grzybka zaworu umieszcza się obwodowy płaszcz.

Chłodziwo odprowadza się od dołu. Przestrzeń jest odsysana.

Korzystnie, przy części maszyny, posiadającej ściankę, na którą ma być nakładana ochronna powłoka, za pomocą wewnętrznego układu chłodzenia, utworzonego przez co najmniej jeden chłodzący kanał doprowadza się podczas napawania chłodziwo.

Korzystnie, część maszyny podczas napawania obraca się.

Dalsze korzystne wykonania i rozwinięcia wynalazku wynikają z poniższego opisu rysunku.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym:

fig. 1 - schematycznie pierwszy przykład zastosowania na podstawie zaworu wydechowego dwusuwowego silnika wysokoprężnego, a fig. 2 - schematycznie drugi przykład zastosowania na podstawie główki tłoka dwusuwowego silnika wysokoprężnego.

Główną dziedziną zastosowania wynalazku są wytwarzane z napawaną warstwą ochronną części maszyn, takich jak dwusuwowe silniki wysokoprężne, przy czym napawana warstwa ochronna ma stosunkowo dużą masę co najmniej 10 kg, co jest regułą w przypadku warstwy ochronnej zaworu wydechowego lub główki tłoka dwusuwowego silnika wysokoprężnego.

Na fig. 1 przedstawiono wydechowy zawór 1 dwusuwowego silnika wysokoprężnego. Może przy tym chodzić przykładowo o zawór wydechowy nadający się do otworu o średnicy 80 cm. Po dolnej stronie 2 swego grzybka 3, zwróconej podczas działania do komory spalania, ma on ochronną warstwę 4, która nałożona jest przez napawanie za pomocą spawalniczego urządzenia 5. W przypadku spawalniczego urządzenia 5 może chodzić o urządzenie do spawania w osłonie gazowej (GMAW), albo o urządzenie do spawania elektrożużlowego (ESW).

Urządzeniu spawalniczemu 5 przyporządkowane jest mocujące urządzenie 6, w którym wydechowy zawór 1 jest zamocowany swym trzonem. Spawalnicze urządzenie 5 usytuowane jest powyżej mocującego urządzenia 6. Wydechowy zawór 1 jest zamocowany w mocującym urządzeniu 6 tak, że zwrócona podczas pracy do dołu dolna strona 2 zaworowego grzybka 3 jest skierowana do góry. Spawalnicze urządzenie 5 i wydechowy zawór 1 są tak ruchome względem siebie, że cała powierzchnia dolnej strony 2 może być pokryta ochronną warstwą 4.

W przedstawionym przykładzie mocujące urządzenie 6, jak to zaznaczono strzałką, jest obrotowe wokół pionowej osi a. Przy odpowiednim napędzie mocującego urządzenia 6, inaczej mówiąc, również zawór wydechowy zamocowany w mocującym urządzeniu 6 obraca się wokół swej osi pionowej. Spawalnicze urządzenie 5, jak to zaznaczono strzałką, jest ruchome tam i z powrotem poprzecznie do osi a. Na skutek tego ruchu spawalniczego urządzenia 5 tam i z powrotem przy wirującym wydechowym zaworze 1 cała powierzchnia dolnej strony 2 zaworowego grzybka 3 jest powlekana. Oczywiście, byłoby to również możliwe przy innym układzie kinematycznym, przykładowo przy sztywno umieszczonym wydechowym zaworze 1 i spiralnie ruchomym spawalniczym urządzeniu 5.

Względny ruch pomiędzy spawalniczym urządzeniem 5 a wydechowym zaworem 1 przebiega tak, że warstwa ochronna 4 zostaje napawana z żądaną grubością. W przedstawionym przykładzie należy przewidzieć prędkość pokrywania 11 kg/h. Przy całkowitej masie pełnej ochronnej warstwy 4, wynoszącej 11 kg, proces napawania trwa zatem około 1 h. Aby pomimo tego uniknąć nadmiernego nagrzania zaworu wydechowego podczas operacji napawania, jest on chłodzony w trakcie operacji napawania. Chłodzenie przeprowadzane jest korzystnie w takim stopniu, że po pewnym czasie początkowym ciepło przenoszone przez operację napawania na wydechowy zawór 1 jest całkowicie lub w znacznym stopniu odprowadzane przez zastosowane chłodziwo.

W minionym czasie początkowym, to znaczy w początkowej fazie procesu napawania, ciepło przenoszone przez proces napawania na obrabianą część maszyny, tu w postaci wylotowego zaworu 1, jest z reguły jeszcze większe niż ciepło odprowadzane przez chłodziwo, tak że w tym czasie po4

PL 206 686 B1 czątkowym dochodzi do pewnego nagrzania obrabianej części maszyny. Ze wzrostem temperatury polepsza się jednak również przenoszenie ciepła, tak że po pewnym czasie dochodzi do wymienionego wyżej stanu równowagi pomiędzy ciepłem doprowadzanym a ciepłem odprowadzanym i przez co do mniejszego dalszego nagrzewania części maszyny. Chłodzenie jest korzystnie takie, że wymieniony stan równowagi osiąga się przy optymalnej temperaturze obróbki. W przypadkach przedstawionego tu rodzaju temperatura ta wynosi 200°C. Chłodzenie przebiega zatem tak, że część maszyny podczas operacji napawania od temperatury 200°C nie jest już nagrzewana.

W przedstawionym przykładzie w celu zrealizowania żądanego chłodzenia powierzchnia 7 zaworowego grzybka 3 zwrócona podczas procesu napawania do dołu, to znaczy powierzchnia przeciwległa wobec powierzchni, na którą nakładana jest ochronna powłoka 4, otrzymuje chłodziwo. Jako chłodziwo korzystnie stosuje się wodę, którą natryskuje się na chłodzoną powierzchnię 7. W tym celu zastosowano otaczającą szyjkę wylotowego zaworu 1, pierścieniową rurę 8, koncentryczną względem osi, która to rura w obszarze zwróconym do chłodzonej powierzchni 7 ma skierowane na powierzchnię 7 dysze 9, które mogą być po prostu wykonane jako otwory. Pierścieniowa rura 8 jest za pomocą zasilającego przewodu 10 połączona ze źródłem chłodziwa, tu przykładowo z siecią wodociągową. Dysze 9 są usytuowane tak, że chłodziwo jest doprowadzane równomiernie do chłodzonej powierzchni 7. Pierścieniowa rura 8, otaczająca z odstępem szyjkę zaworu, może być umieszczona nieruchomo.

Aby chłodziwo lub powstająca ewentualnie para chłodziwa nie stykała się podczas operacji napawania z ochronną okładziną 4, na obwodzie zaworowego grzybka 3 umieszczony jest wystający do dołu ochronny kołnierz 11. Może przy tym chodzić po prostu o obwodowy płaszcz blaszany. Ochronny kołnierz 11 wraz z zaworowym grzybkiem 3 ogranicza zamkniętą obwodowo i od góry, a otwartą tylko od dołu przestrzeń 12, w którą może wchodzić chłodziwo, ale nie może wnikać w obszar powierzchni wyposażonej w ochronną okładzinę 4. Chłodziwo może łatwo odpływać przez skierowany do dołu otwór przestrzeni 2. Oczywiście, akceptowalne byłoby także zamknięcie przestrzeni 12 również od dołu i wyposażenie jej w odchodzący od spodu przewód odpływowy. Odpływające chłodziwo można łatwo doprowadzać do systemu kanalizacyjnego. Korzystnie wymieniona zamknięta przestrzeń 12 może być również dołączona do urządzenia odsysającego parę. Potrzebne wyrównanie ciśnienia uzyskuje się przy tym z reguły poprzez istniejące nieszczelności, tak że można zrezygnować z dodatkowego doprowadzania powietrza.

Przeprowadzenie sposobu według przykładu przedstawionego na fig. 2 odpowiada zasadniczo przykładowi przedstawionemu na fig. 1. W dalszym opisie fig. 2 takie same części mają w związku z tym takie same oznaczenia.

W przykładzie przedstawionym na fig. 2 główka 13 tłoka wysokoprężnego silnika dwusuwowego ma na górnej stronie 14 swego denka 15 ochronną powłokę 4, którą nakłada się przez napawanie za pomocą urządzenia 5. Główka 13 tłoka jest dolną stroną czołową swego płaszcza 16 umieszczona na obrotowym stole 17. Stół ten może być wyposażony w odpowiednie urządzenia mocujące. Nad obrotowym stołem 17 usytuowane jest urządzenie 5 do napawania, które jest ruchome tam i z powrotem.

Do dolnej strony denka 15 tłoka, posiadającej ochronną powłokę 4, podczas napawania doprowadzane jest chłodziwo. W tym celu zastosowano koncentryczną względem osi tłoka pierścieniową rurę 8, która ma dysze 9 i poprzez zasilający przewód 10 jest połączona ze źródłem chłodziwa, korzystnie tu również ze źródłem wody chłodzącej w postaci sieci wodociągowej.

W przypadku główki 13 tłoka przedstawionego rodzaju dzięki łączącemu się z denkiem 15 tłoka płaszczowi 16 tłoka lub koncentrycznego względem niego wsporczego kołnierza 18 automatycznie powstaje przestrzeń 12a ograniczona obwodowo przez obwodową ściankę w postaci tłokowego płaszcza 16 lub wsporczego kołnierza 18 oraz w przedstawionym przykładzie od góry przez denko 15 tłoka, a więc powlekany element, w którą to przestrzeń można wprowadzać rozpylone chłodziwo bez możliwości dochodzenia tego chłodziwa do obszaru górnej strony 14. W przedstawionym przykładzie pierścieniowa rura 8 usytuowana jest wewnątrz przestrzeni objętej obwodowo przez wsporczy kołnierz 18. Stół 17 jest korzystnie wyposażony w otwór 19 do przeprowadzania zasilającego przewodu 10. W przedstawionym przykładzie ten otwór 19 służy równocześnie jako otwór do odprowadzania chłodziwa. Akceptowalne byłoby również odsysanie pary z przestrzeni 12a.

Główka 13 tłoka jest tu w obwodowym obszarze denka 15 tłoka wyposażona w obwodowy chłodzący kanał 20, który jest połączony z nieprzedstawionym bliżej przewodem doprowadzającym i odprowadzającym. W celu uzyskania dodatkowego chłodzenia chłodziwo może być również doprowadzane do chłodzącego kanału 20. W przypadku obrotowego stołu 17 byłoby przy tym korzystne zastosowanie obrotowego przepustu przyporządkowanego przewodowi doprowadzającemu i przewoPL 206 686 B1 dowi odprowadzającemu. W przypadku nieruchomego stołu można zrezygnować z obrotowych przepustów, co upraszcza zasilanie kanału 20.

Powyżej objaśniono wprawdzie kilka korzystnych przykładów zastosowania wynalazku, które jednak nie powinny stanowić ograniczenia. Sposób według wynalazku można oczywiście stosować również w połączeniu z innymi częściami maszyn, przykładowo tulejami cylindrów lub pokrywami cylindrów dwusuwowych silników wysokoprężnych.

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób tworzenia ochronnej powłoki na części maszyny, zwłaszcza na główce tłoka lub na grzybku zaworu wydechowego dwusuwowego silnika wysokoprężnego, o masie co najmniej 10 kg, przez napawanie na przyporządkowaną powierzchnię, znamienny tym, że część maszyny, na którą nakłada się ochronną powłokę (4), chłodzi się podczas napawania, przy czym chłodzenie przeprowadza się tak, że w fazie początkowej napawania ciepło przenoszone na część maszyny jest większe niż ciepło odprowadzane przez chłodziwo, a po tym czasie początkowym ciepło doprowadzane przez napawanie w przybliżeniu odpowiada ciepłu odprowadzanemu przez chłodziwo.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako chłodziwo stosuje się wodę.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że do części maszyny podczas napawania do powierzchni (2) lub (14), na którą nakłada się ochronną powłokę (4), albo do przeciwległej powierzchni doprowadza się chłodziwo.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że część maszyny do napawania ochronnej powłoki (4) umieszcza się tak, że od góry nakłada się ochronną powłokę (4), a od dołu chłodzi się.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że chłodziwo rozpyla się na przyporządkowaną powierzchnię.
6. 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że chłodziwo rozpyla się na przyporządkowaną powierzchnię za pomocą co najmniej jednej wyposażonej w rozpylające dysze (9) natryskowej rury (8) dołączonej do źródła chłodziwa.
7. 7. Sposób według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że chłodziwo wtryskuje się w przestrzeń (12) albo (12a) objętą obwodową ścianką (11) lub (16, 18).
8. 8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że chłodziwo przy główce (13) tłoka wtryskuje się w przestrzeń (12a) ograniczoną przez płaszcz (16) tłoka lub koncentryczny z nim wsporczy kołnierz (18).
9. 9. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że przy wydechowym zaworze (1) w celu utworzenia obwodowo zamkniętej przestrzeni (12), do której doprowadza się chłodziwo, na obwodzie grzybka (3) zaworu umieszcza się obwodowy płaszcz (11).
10. 10. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że chłodziwo odprowadza się od dołu.
11. 11. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że przestrzeń (12) lub (12a) jest odsysana.
12. 12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przy części maszyny, posiadającej ściankę, na którą ma być nakładana ochronna powłoka (4), za pomocą wewnętrznego układu chłodzenia, utworzonego przez co najmniej jeden chłodzący kanał (20) doprowadza się podczas napawania chłodziwo.
13. 13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że część maszyny podczas napawania obraca się.