內(nèi)燃機(jī)及配件焊接質(zhì)量的控制

摘要：隨著內(nèi)燃機(jī)容量增大，工作壓力增加、工作環(huán)境溫度的變化大，以及內(nèi)燃機(jī)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，在負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行機(jī)體易產(chǎn)生疲勞，構(gòu)件薄弱環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生焊接裂紋等焊接缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到內(nèi)燃機(jī)的安全運(yùn)行。一旦返修，將消耗大量的人力和物力，因而內(nèi)燃機(jī)及配件焊接質(zhì)量的控制是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的工作。

Abstract： With the increase of internal combustion engine capacity， the increase of working pressure， the change of working environment temperature， and the internal combustion engine for a long time continuous work， the body fatigue under the load state， the weak link of the component will produce welding cracks and other welding defects， serious will affect the safe operation of internal combustion engine. Once the repair， will consume a lot of manpower and material resources， Therefore， it is a long-term and arduous work to control the welding quality of internal combustion engine and its accessories.

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);焊接;質(zhì)量;控制

Key words： internal combustion engine;welding;quality;control

中圖分類號(hào)：P755.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0141-02

0? 引言

內(nèi)燃機(jī)由于功率大，廣泛應(yīng)用于船舶，機(jī)車等大型運(yùn)輸工具。其使用特點(diǎn)是：工作壓力大、工作環(huán)境溫度的變化大，以及內(nèi)燃機(jī)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作;傳動(dòng)軸承受扭矩力很大，易形成區(qū)域性的應(yīng)力集中，一旦超過(guò)了使用極限，在焊接處極易形成焊縫處失效。因此，控制內(nèi)燃機(jī)及配件的焊接質(zhì)量極為重要。

1? 滿足現(xiàn)場(chǎng)的焊接工藝文件和焊工

內(nèi)燃機(jī)及配件的焊接工藝文件應(yīng)包括焊接工藝規(guī)程（WPS）、支撐焊接工藝規(guī)程的焊接工藝評(píng)定文件（PQR）。而焊接工藝評(píng)定應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的母材以及厚度、接頭的形式編制預(yù)制焊接工藝規(guī)程（PWPS），再由熟練焊工對(duì)試板進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程中每一道的焊接參數(shù)，電流、電壓、焊接速度、層間溫度等需要進(jìn)行記錄（注意：記錄的數(shù)據(jù)是現(xiàn)場(chǎng)操作的實(shí)際值或?qū)嶋H平均值，是一個(gè)數(shù)值），以便計(jì)算焊接線能量。焊接試樣按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行表面檢測(cè)、內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)和機(jī)械性能試樣。檢測(cè)的結(jié)果符合焊接規(guī)范后，依據(jù)焊接過(guò)程中記錄的參數(shù)和檢測(cè)的結(jié)果，編制焊接工藝規(guī)程（WPS），焊接工藝規(guī)程中的焊接參數(shù)，是根據(jù)焊接記錄的參數(shù)，在焊接規(guī)范內(nèi)的一個(gè)范圍值。焊接工藝評(píng)定不是一勞永逸的，必須在規(guī)范允許的范圍內(nèi)使用（不同規(guī)范的允許的范圍不一樣），如果焊接時(shí)所用的重要參數(shù)或附加重要參數(shù)超過(guò)原有的范圍，需要補(bǔ)做試驗(yàn)或者重新評(píng)定。同時(shí)，焊工焊接材料和能焊接的位置也應(yīng)該滿足現(xiàn)場(chǎng)焊接的要求，并且在有效期內(nèi)。各種常用焊接方法、典型焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)制定相應(yīng)的焊接工藝評(píng)定或焊接細(xì)則。

2? 選擇最佳的焊接接頭型式

在內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要盡量少采用焊接結(jié)構(gòu)，因?yàn)楹附舆^(guò)程中由于是不均勻加熱，必然會(huì)導(dǎo)致焊接變形和焊接應(yīng)力，對(duì)產(chǎn)品的精度和使用壽命會(huì)有影響。對(duì)一定要采用焊接件和維修時(shí)，盡量根據(jù)材料的厚度，選擇焊接變形小的焊接方法;在厚板選擇坡口時(shí)，在保證熔透的前提下，盡量采用對(duì)稱坡口，同時(shí)盡量采用填充量少的U型坡口，最大程度的減少焊接應(yīng)力和焊接變形。同時(shí)還應(yīng)考慮操作者的難易程度，盡量在操作者最有利的位置焊接，能提高效率和保證焊接質(zhì)量。

3? 選擇正確的焊接材料

3.1 焊接材料的作用

①保護(hù)作用：焊接過(guò)程中焊接冶金過(guò)程中產(chǎn)生的氣體、熔渣或直接保護(hù)的保護(hù)氣體，將高溫金屬與外界空氣隔離，防止金屬表面被氧化，從而對(duì)熔池起到保護(hù)作用。②冶金作用：焊接冶金過(guò)程中，焊接填充材料與熔融的金屬發(fā)生一系列的化學(xué)冶金反應(yīng)，可以通過(guò)焊接冶金反應(yīng)向焊縫中過(guò)渡有益的合金元素，另一方面可以通過(guò)脫硫、脫磷、脫氧等化學(xué)反應(yīng)去除焊接母材中的氧、氮、硫、磷等雜質(zhì)，使得所形成的焊縫化學(xué)成分均勻一致，改善焊縫的組織，提高焊縫金屬的力學(xué)性能。③填充作用：焊接材料作為焊縫的填充材料，熔融的焊接材料填入焊縫坡口內(nèi)，形成均勻一致的焊縫。④改善材料焊接工藝性能：焊接材料的性能一般由于母材，通過(guò)填入焊接材料，可以提高電弧的穩(wěn)定性、減少焊接過(guò)程中的飛濺、改善材料的焊接成型，使原材料的焊接工藝性有所改善。

3.2 焊接材料選用的原則

①對(duì)于一般的結(jié)構(gòu)鋼焊接，采用與母材等抗拉強(qiáng)度等級(jí)相匹配原則。但強(qiáng)度等級(jí)較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，易產(chǎn)生淬硬組織的高強(qiáng)鋼或者高合金鋼，采用多層多道焊打底焊時(shí)，允許采用比母材抗拉強(qiáng)度低5%～10%的焊接材料進(jìn)行焊接，但焊接接頭整體強(qiáng)度仍應(yīng)不低于母材抗拉強(qiáng)度的最小值。對(duì)于特殊環(huán)境使用的材料，如低溫韌性，除滿足焊縫的抗拉強(qiáng)度外，還應(yīng)滿足低溫沖擊韌性。對(duì)于結(jié)構(gòu)拘束度較大的焊件或承受疲勞載荷的焊接結(jié)構(gòu)，根部打底焊道可選用含硫量、含磷量、含碳量較低焊接材料，填充層和蓋面層應(yīng)選用塑性較好、強(qiáng)度相當(dāng)?shù)膲A性焊條而不應(yīng)該選用酸性焊條。②對(duì)于高溫環(huán)境使用的耐熱鋼材料的焊接，除了采用強(qiáng)度等級(jí)等強(qiáng)匹配外，還應(yīng)重點(diǎn)考慮高溫環(huán)境下的力學(xué)性能，同時(shí)考慮高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度，高溫條件下的抗腐蝕性，以及在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行下，焊縫組織及熱影響區(qū)的穩(wěn)定性，因此應(yīng)盡可能化學(xué)成分和強(qiáng)度等級(jí)都一致的焊接材料。③對(duì)于異種材料的焊接，應(yīng)盡考慮其焊縫組織、接頭成分以及母材線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)的差異，焊接過(guò)程中合金元素會(huì)從高的地方向低的區(qū)域移動(dòng)，造成合金元素的稀釋、碳遷移，同時(shí)由于在焊接過(guò)程的不均勻受熱、易形成較大的焊接變形和焊接應(yīng)力，易形成焊接的薄弱區(qū)域，容易形成焊接構(gòu)件的失效。因而，碳鋼和不銹鋼的焊接，一般采用鉻、鎳含量更高一點(diǎn)的奧氏體不銹鋼焊條，對(duì)于鉻鉬耐熱鋼焊接和不銹鋼的焊接，宜采用含鎳量較高的焊絲或焊條。

4? 預(yù)熱、后熱及焊后熱處理

4.1 預(yù)熱的作用及措施

對(duì)于母材含碳量過(guò)高，合金元素含量高，板厚超過(guò)30mm，焊接環(huán)境溫度低于0℃，結(jié)構(gòu)剛性較大等，焊前應(yīng)采用預(yù)熱的方法，減少焊縫和環(huán)境的溫度差，減緩焊縫的冷卻速度，防止產(chǎn)生焊接裂紋。預(yù)熱還可以排除焊接區(qū)的水分和濕氣，排除了水分也就排除了產(chǎn)生氫氣的根源。

預(yù)熱最好爐中加熱后保溫，也可以采用履帶式加熱和烘槍加熱的方法，履帶式加熱的溫度上升較慢，烘槍加熱的特點(diǎn)速度快，但溫度差異較大。局部加熱的方法一般在焊接坡口兩側(cè)各75～100mm范圍內(nèi)，加熱并保溫一段時(shí)間，應(yīng)保持一個(gè)均熱區(qū)域。溫度測(cè)量的點(diǎn)應(yīng)取在熱區(qū)域的邊緣。對(duì)于對(duì)接接頭每側(cè)加熱寬度不得小于板厚的3～5倍，且不小于100mm。不同厚度鋼材需要預(yù)熱的條件見(jiàn)表1。

4.2 后熱的作用及措施

后熱是將焊件保溫緩冷，可以減緩焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度，起到與預(yù)熱相同的作用。在后熱中主要是消氫處理：即焊后立即將工件加熱到250～350℃范圍，保溫2～6小時(shí)，后空冷。后熱主要是加速焊縫金屬中氫的逸出，大大降低焊縫和熱影響區(qū)中的含氫量，從而減少氫脆、氫氣孔和冷裂紋的產(chǎn)生。

4.3 焊后熱處理的作用及措施

母材金屬碳當(dāng)量大于0.60%，合金含量高，處在低溫下工作環(huán)境下的壓力容器及其它低溫焊接結(jié)構(gòu)，特別是溫度低于脆性轉(zhuǎn)變溫度的壓力容器;承受交變載荷的重要構(gòu)件，容易產(chǎn)生延遲裂紋傾向較大的合金鋼和高碳鋼，焊后需要焊后熱處理，其方法是將焊件整體或局部加熱保溫，然后爐冷或空冷的一種處理方法。焊后熱處理的作用，軟化焊接區(qū)域的淬硬部位，降低焊接接頭的殘余應(yīng)力，改善焊縫和熱影響的組織和性能，提高焊接區(qū)的塑性和韌性，穩(wěn)定焊接結(jié)構(gòu)的尺寸。

焊后熱處理主要有：整體焊后熱處理和局部熱處理。整體加熱處理：將焊件置于熱處理爐中整體加熱處理， 然后保溫，使構(gòu)件整體加熱。焊件進(jìn)行進(jìn)爐和出爐時(shí)的溫度應(yīng)控制在300℃以下，其加熱和冷卻速度與板厚有關(guān)。對(duì)于厚壁容器，加熱和冷卻速度為50～150℃/h，整體熱處理時(shí)爐內(nèi)各區(qū)域的最大溫差不得超過(guò)50℃。如果構(gòu)件太大需分成二次或多次處理時(shí)，重疊的部分應(yīng)在1.5m以上。而對(duì)于尺寸較長(zhǎng)不便整體處理，但形狀比較規(guī)則的簡(jiǎn)單筒形容器、管件，可以進(jìn)行局部處理。局部處理，應(yīng)保證焊縫兩側(cè)有足夠的加熱寬度，一般為3倍的板厚，3倍的板厚小于100mm的取100mm。

5? 裝配與焊接

選材過(guò)程中，盡量選用硫、磷含量較低的母材和和焊材，這樣會(huì)改善鋼材的力學(xué)性能以及提高抗裂紋的能力。應(yīng)盡量選用構(gòu)件下料過(guò)程中，盡量采用激光切割的方法，下料尺寸精度高，裝配時(shí)尺寸要控制。若采用其他方法下料，裝配過(guò)程中不能強(qiáng)制裝配，這樣焊后會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力。焊件的裝配和定位焊，應(yīng)采用和正常焊接一樣焊接工藝和焊接材料。焊接筒狀、集箱等重要部位時(shí)，應(yīng)考慮合理焊接工藝參數(shù)、焊接線能量、合理裝配和焊接順序?qū)?gòu)件的焊接應(yīng)力和焊接變形的控制是至關(guān)重要的。環(huán)境溫度低于0℃，或者板厚大于30mm時(shí)，要采用預(yù)熱的措施;引弧和熄弧盡量采用引弧板和熄弧板，不允許在構(gòu)件表面引弧，如產(chǎn)生熄弧弧坑，應(yīng)將其補(bǔ)焊后再磨平，并對(duì)補(bǔ)焊或磨平部位進(jìn)行探傷檢查。對(duì)于重要的承壓設(shè)備，如液壓管道、承壓容器等，選用組合的焊接方法，采用內(nèi)部充氬氣，氬弧焊打底單面焊雙面成型的方法，手工焊填充蓋面的方法，這樣既能保證內(nèi)部焊接質(zhì)量，又能提高焊接效率。在超臨界、超超臨界鍋爐中，集箱如采用馬氏體耐熱鋼10Cr9Mo1VNbN、10Cr9WMoVNbBN等材料時(shí)，焊接接頭熱影響區(qū)容易蠕變裂紋，要嚴(yán)格焊接線能量以及控制層間溫度，對(duì)上述材料所有接頭，為了達(dá)到完全相變獲得馬氏體組織，焊后應(yīng)冷卻到100℃以下保溫0.5～1h，隨后可進(jìn)行焊后熱處理。

焊接構(gòu)件如有缺陷，應(yīng)在焊接熱處理前進(jìn)行返修。返修前，通過(guò)焊接探傷確定缺陷的位置和大小，返修前缺陷應(yīng)徹底清除原有的缺陷，保持修補(bǔ)處圓滑過(guò)渡，并分析產(chǎn)生缺陷的原因，制定可行的返修方案。當(dāng)返修的焊件剛性很大，且返修量較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高預(yù)熱的溫度，必要時(shí)采用后熱措施，防止產(chǎn)生過(guò)大的焊接應(yīng)力和焊接裂紋。焊縫返修完成后，應(yīng)按焊縫原有的焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查，必要時(shí)，可適當(dāng)補(bǔ)充檢查項(xiàng)目，確保返修質(zhì)量萬(wàn)無(wú)一失。

本文通過(guò)對(duì)內(nèi)燃機(jī)及配件焊接母材的焊接性能、焊接材料的選擇、焊接工藝性的正確選用，選擇合理焊接方法，嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)和線能量，采用預(yù)熱、后熱和焊后熱處理的措施，保證焊接構(gòu)件的外觀質(zhì)量，嚴(yán)格控制焊縫內(nèi)部的組織和性能，能夠滿足了內(nèi)燃機(jī)及配件的使用要求和運(yùn)行安全要求。

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