汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的焊補(bǔ)技術(shù)研究

包國(guó)連，丁 健

（沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110167）

0 引言

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集合了汽車(chē)的燃料供給、冷卻、潤(rùn)滑、點(diǎn)火、啟動(dòng)等重要功能，是保障汽車(chē)正常行駛的關(guān)鍵系統(tǒng)，如圖1 所示。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體是確保汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)正常工作，進(jìn)而確保汽車(chē)正常安全行駛的重要零部件[1]。但是，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的本體是灰鑄鐵材質(zhì)，經(jīng)過(guò)鑄造、銑削、鏜孔、熱處理等加工而成，具有很好的耐磨性能和防震性能，但是力學(xué)性能比較差，由于在鑄造環(huán)節(jié)中可能存在材料比例差異或雜質(zhì)問(wèn)題導(dǎo)致缸體存在質(zhì)量缺陷，不能完全滿(mǎn)足后續(xù)加工性能要求及使用性能要求，必須通過(guò)相應(yīng)的焊補(bǔ)加工工藝進(jìn)行彌補(bǔ)，以確保汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能滿(mǎn)足要求[2]。遼寧某柴油機(jī)廠的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線在進(jìn)行汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)前期準(zhǔn)備時(shí)，發(fā)現(xiàn)物料庫(kù)周轉(zhuǎn)的缸體存在有裂紋缺陷問(wèn)題，見(jiàn)圖2 所示。質(zhì)檢部針對(duì)所有的缸體進(jìn)行全面檢測(cè)，將存在裂紋缺陷的部分缸體進(jìn)行標(biāo)記存放。為了減少損失控制成本，總經(jīng)理辦公會(huì)議要求對(duì)這部分缸體進(jìn)行焊補(bǔ)處理，確保達(dá)到完全合格、零缺陷再使用的狀態(tài)。

圖1 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖

圖2 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體裂紋圖

1 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的生產(chǎn)工藝

1.1 灰鑄鐵材料性能

灰鑄鐵因?yàn)槠鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)中碳是片狀石墨，在斷口處表現(xiàn)出來(lái)的顏色為灰色[3]。灰鑄鐵具有諸多優(yōu)良的材料性能，如耐磨性、減震性、加工性等，但也存在不足，如強(qiáng)度低、塑性差、力學(xué)性能差[4]。因此，焊接過(guò)程中需要有效控制焊縫深寬比與碳分子結(jié)構(gòu)形態(tài)，避免受焊接應(yīng)力影響出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致焊接質(zhì)量問(wèn)題。

1.2 灰鑄鐵焊接工藝

為了保證灰鑄鐵焊接質(zhì)量，焊接方法及焊接材料的選用都需要慎重，如常見(jiàn)的焊接方法有冷焊接、熱焊接、預(yù)熱焊接、不預(yù)熱焊接等焊接方法，常用的焊接材料有鋼芯鑄鐵焊條、純鎳焊條、鎳鐵鑄鐵焊條等焊接材料[5]。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體在焊接過(guò)程中需要注意其結(jié)構(gòu)局限性，如體積較大不便于焊接預(yù)熱[6]。因此，選用冷焊接相對(duì)比較更適用，不需要進(jìn)行焊前預(yù)熱，還可以達(dá)到結(jié)構(gòu)性能要求，同時(shí)具有成本較低、生產(chǎn)率較高等焊接特點(diǎn)，目前是缸體生產(chǎn)廠家優(yōu)先選用的缸體焊接方法。但在實(shí)際缸體生產(chǎn)加工過(guò)程中，由于焊接人員經(jīng)驗(yàn)、操作手法、焊條使用、焊接速度、焊接電流等因素差異，缸體焊接仍可能出現(xiàn)白口、裂紋等兩種焊接缺陷[7]。第一，白口缺陷，主要發(fā)生在缸體焊接工序，由于焊接過(guò)程中焊接速度過(guò)快、焊縫冷卻過(guò)快或焊條選用不當(dāng)導(dǎo)致，一般表現(xiàn)為在焊縫與母材交界處露出明顯可區(qū)分的白口鑄鐵。白口鑄鐵屬于鑄鐵物質(zhì)，具有硬度高、脆性強(qiáng)等特點(diǎn)，存在難以進(jìn)行機(jī)械加工等問(wèn)題。第二，裂紋缺陷，主要發(fā)生在缸體焊接冷卻之后，由于灰鑄鐵材質(zhì)具有抗拉強(qiáng)度差、塑性差、脆性強(qiáng)、冷卻收縮率大等材料性能，在焊接后焊縫強(qiáng)度明顯高于母材，焊縫冷卻收縮牽制撕裂母材導(dǎo)致。

針對(duì)上述灰鑄鐵焊接缺陷及產(chǎn)生原因，焊接過(guò)程中可采用以下防止措施：

（1）在焊縫與母材交界處附近約6mm～8mm位置，鉆出一個(gè)孔徑約3mm～5mm，深度約3mm的止裂孔，如此雖不可避免焊接裂紋的出現(xiàn)，仍可有效防止焊接裂紋擴(kuò)大或加深。

（2）通過(guò)對(duì)焊接位置進(jìn)行提前加熱和保溫緩冷，確保母材在焊接前處于大約200℃狀態(tài)，焊接后逐漸冷卻，減緩焊接應(yīng)力集中，如此可減少白口缺陷和焊接裂紋缺陷的出現(xiàn)。

（3）通過(guò)選用焊接性能、塑性、韌性都比較好的焊材，如E5515 中碳鋼合金焊條相對(duì)就比較適合，但需要在焊接前對(duì)焊條進(jìn)行加熱烘干處理，烘干條件控制在溫度（380±20）℃，烘干時(shí)間（5±1）min。焊接過(guò)程中焊條直徑及相應(yīng)的焊接電流如表1 所示。

表1 焊條參數(shù)表

1.3 缸體生產(chǎn)加工工藝

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體屬于典型的箱體類(lèi)結(jié)構(gòu)件，具有壁厚不均、加工孔較多等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，且加工工藝復(fù)雜，加工精度要求較高，在生產(chǎn)加工過(guò)程中具有較大的加工難度[8]。缸體在加工過(guò)程中，主要的工序就是本體鑄造、端面銑削、鏜孔、熱處理等，具體如下：

（1）本體鑄造：鑄造工藝比較常規(guī)，依次是準(zhǔn)備模具、加料、熔煉、澆注、凝固、清理、檢驗(yàn)等通用鑄造工藝流程，生產(chǎn)加工成本較低。但是，缸體本體鑄造要求高，加工面尺寸形狀具有高精度要求，非加工面要求不存在裂紋、氣孔、砂眼等問(wèn)題，這就對(duì)缸體本體鑄造合格性提出了較高要求。

（2）端面銑削：缸體本體鑄造合格件下一步就是端面銑削工序，首先是對(duì)基準(zhǔn)面進(jìn)行粗銑加工，然后分別對(duì)其他圖紙要求加工的端面進(jìn)行精銑削加工，最后確保整體加工完成狀態(tài)達(dá)到圖紙要求的尺寸和精度。

（3）鏜孔加工：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體圖紙上標(biāo)明了每個(gè)孔的位置和尺寸要求，工作人員需要按照?qǐng)D紙要求先確定加工基準(zhǔn)面，然后進(jìn)行粗鏜孔加工，再進(jìn)行精鏜孔加工，最后確保每個(gè)孔的加工完成狀態(tài)達(dá)到圖紙要求的尺寸和精度。

（4）熱處理：根據(jù)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的力學(xué)性能要求，避免在后續(xù)加工過(guò)程中出現(xiàn)裂紋、變形等問(wèn)題，需要在缸體粗加工前進(jìn)行熱處理，有效消除缸體殘余內(nèi)應(yīng)力，改善缸體銑削加工性能，滿(mǎn)足后續(xù)加工要求狀態(tài)。

2 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的焊補(bǔ)技術(shù)

2.1 焊接方法的選擇

目前，機(jī)械加工過(guò)程中比較常見(jiàn)的焊接焊補(bǔ)方法有電弧焊和氣保焊，電弧焊根據(jù)焊前工件是否進(jìn)行預(yù)熱處理再具體細(xì)分為熱焊、半熱焊、冷焊三種，根據(jù)缸體的結(jié)構(gòu)形態(tài)與力學(xué)性能要求，優(yōu)先選用電弧焊冷焊法進(jìn)行焊接焊補(bǔ)處理[9]。

2.2 焊接材料的選擇

電弧焊冷焊法常用的焊條有鋼芯鑄鐵焊條（EZCQ）、純鎳鑄鐵焊條（EZNi）、鎳鐵鑄鐵焊條（EZNiFe）等，根據(jù)焊后是否需要再進(jìn)行機(jī)械加工進(jìn)行相應(yīng)的區(qū)別選用。根據(jù)缸體的抗拉強(qiáng)度要求和密封性要求，綜合考慮缸體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材質(zhì)性質(zhì)，優(yōu)先選用純鎳鑄鐵焊條（EZNi），這種焊條的焊芯成分中含鎳比例較高，鎳原子與鐵原子、碳原子之間具有很好的擴(kuò)散性和熔合性，焊后的焊縫組織不會(huì)出現(xiàn)脆硬問(wèn)題，具有很好的機(jī)械加工性[10]。

2.3 焊補(bǔ)準(zhǔn)備

缸體焊補(bǔ)準(zhǔn)備工作主要有九項(xiàng)，分別是清洗處理、記錄缺陷、鉆止裂孔、開(kāi)坡口、加熱處理、焊條選用、焊接電流控制、焊接方法選用、其他相關(guān)配置。具體是：

（1）清洗處理：對(duì)缸體進(jìn)行全面的清洗處理，將油污、銹跡等全部清洗干凈。

（2）記錄缺陷：對(duì)缸體進(jìn)行全面檢查，記錄裂紋、砂眼、縮孔等缺陷的位置、尺寸、走向等基本信息，針對(duì)需要焊補(bǔ)加工缺陷位置進(jìn)行標(biāo)注。

（3）鉆止裂孔：在需要進(jìn)行焊補(bǔ)處理的裂紋前方約6mm～8mm 位置畫(huà)點(diǎn)標(biāo)記，再在標(biāo)記處使用3.2mm 鉆頭進(jìn)行鉆孔處理，鉆孔深約3mm 即可。鉆孔的主要目的就是為了防止裂紋繼續(xù)擴(kuò)大或加深，稱(chēng)為止裂孔。

（4）開(kāi)坡口：使用角磨機(jī)或拋光機(jī)對(duì)裂紋處進(jìn)行開(kāi)坡口處理，坡口形式為V 型，角度為約60°～80°角，深度為約等于裂紋深度，坡口面要求為平整面。

（5）加熱處理：使用氣焊火焰對(duì)坡口及附近區(qū)域進(jìn)行加熱處理，溫度控制在150～200℃，主要目的是徹底清除裂紋附近的油漬、水漬等可能影響焊接的污漬。

（6）焊條選用：為了減少焊縫熱量集中，焊接過(guò)程中優(yōu)先選用小直徑焊條，具體為直徑2.5mm的純鎳鑄鐵焊條（EZNi），并且，將焊條放置于150℃烘干箱內(nèi)進(jìn)行烘干處理90min，隨后轉(zhuǎn)移到保溫箱內(nèi)暫時(shí)存放，便于后續(xù)焊接焊補(bǔ)過(guò)程中隨用隨取。

（7）焊接電流控制：缸體焊補(bǔ)過(guò)程中切忌使用大電流焊接，大電流焊接可能存在焊條藥皮脫落產(chǎn)生夾渣、增大熔深、加厚熔合區(qū)白口層、產(chǎn)生新的裂紋等問(wèn)題。因此，缸體焊補(bǔ)過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制焊接電流，按小電流焊接進(jìn)行操作。但焊接電流也不能太小，可能出現(xiàn)熔合不好、夾渣、焊縫脫離等問(wèn)題。因此，缸體焊補(bǔ)過(guò)程中，焊接電流應(yīng)該控制在80A～110A。

（8）焊接方法選用：焊接過(guò)程中，為了縮短焊接高溫停留時(shí)間，盡量少的增加缸體熱量，避免焊接內(nèi)應(yīng)力急劇增加，焊接人員需要采用短弧快速焊法。并且，在焊接過(guò)程中，避免擺動(dòng)焊條影響焊縫熔深，熔入碳、硫、磷等雜質(zhì)。

（9）相關(guān)配置：缸體裂紋焊補(bǔ)相應(yīng)的焊接熔覆量不大，但是為了有效減小焊接應(yīng)力，在焊補(bǔ)過(guò)程中對(duì)焊接速度、焊接電流等控制要求較高，也就是對(duì)焊接人員的焊接技術(shù)要求非常高，需要安排高水平焊工擔(dān)任；為了保證焊接質(zhì)量，對(duì)缸體本體及焊接環(huán)境采取防風(fēng)保溫措施，通過(guò)搭建圍擋防止出現(xiàn)直吹風(fēng)，并準(zhǔn)備一條厚棉被，在焊接焊補(bǔ)完成后將被子覆蓋在焊縫表面周?chē)?，起到焊接溫度緩降，減小焊接應(yīng)力的目的；準(zhǔn)備一臺(tái)電弧焊整流器，選用型號(hào)為ZX-400 型，采用正接法。

2.4 焊補(bǔ)步驟

缸體焊補(bǔ)工作主要分為以下六步：

（1）確定焊接順序：為了防止裂紋延伸和加深，在焊接過(guò)程中需要明確每一道裂紋的焊接方向和焊接順序，具體原則為焊接方向從裂紋剛度大的一端開(kāi)始，向剛度小的一端進(jìn)行焊接。

（2）分段焊接：焊接過(guò)程中采用斷續(xù)焊法，每次焊縫達(dá)到10mm 左右時(shí)暫停焊接，立即對(duì)焊縫進(jìn)行焊縫冷卻和焊縫敲擊處理。

（3）焊縫冷卻：在焊接過(guò)程中，焊縫集中的熱量需要快速轉(zhuǎn)移，盡量少的傳遞到缸體本體，增加缸體焊接內(nèi)應(yīng)力。通過(guò)提前準(zhǔn)備一條濕毛巾，在每一段焊縫完成后，立即使用濕毛巾覆蓋已經(jīng)完成的焊縫，將焊縫熱量吸收處理。

（4）焊縫敲擊：在每一段焊縫冷卻完成后，使用小錘敲擊焊縫，按照快速敲擊，力量先重后輕的方式進(jìn)行，確保進(jìn)一步去除焊接內(nèi)應(yīng)力。

（5）繼續(xù)焊接：等焊縫冷卻到約60℃左右時(shí)再繼續(xù)焊接，重復(fù)上述（2）、（3）、（4）步操作，繼續(xù)進(jìn)行小段焊接、冷卻、敲擊，直至整條裂紋全部焊接焊補(bǔ)完成。這樣可以減小缸體表面溫差，減少缸體焊接面的焊接應(yīng)力，最大限度的保持缸體加工性能。

（6）焊縫清理：裂紋焊接焊補(bǔ)完成后，需要對(duì)焊接表面的焊縫、焊渣等進(jìn)行清理，可以借助使用手砂輪等工具進(jìn)行徹底清根處理，如果再發(fā)現(xiàn)存在新增裂紋或遺漏的細(xì)小裂紋，則需要重復(fù)上述（2）、（3）、（4）、（5）步操作，確保缸體所有的裂紋都進(jìn)行焊補(bǔ)完成。

2.5 焊補(bǔ)結(jié)果

通過(guò)缸體焊補(bǔ)，完成了全部具有裂紋缺陷缸體的檢查和焊補(bǔ)修復(fù)，并通過(guò)了合格性檢測(cè)，為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)節(jié)約了制造成本。

3 結(jié)論

首先通過(guò)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及缸體的功能分析，突出顯示了缸體在汽車(chē)安全正常行駛過(guò)程中的重要性，然后全面分析了缸體的生產(chǎn)加工工藝及本體材質(zhì)與結(jié)構(gòu)加工特性，最后重點(diǎn)研究總結(jié)了缸體焊補(bǔ)需要完成的九項(xiàng)準(zhǔn)備工作和焊補(bǔ)六步驟。具體結(jié)論如下：

（1）汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是汽車(chē)正常行駛的關(guān)鍵系統(tǒng)，缸體是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的重要零部件。因此，缸體質(zhì)量必須嚴(yán)格把關(guān)，做到零缺陷才能進(jìn)入下一道工序，流入下一條生產(chǎn)線。

（2）汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的本體屬于灰鑄鐵材質(zhì)，需要經(jīng)過(guò)本體鑄造、端面銑削、鏜孔、熱處理等工序加工而成，整體具有很好的耐磨性和減震性，但力學(xué)性能差，容易出現(xiàn)白口缺陷和裂紋缺陷，需要進(jìn)行焊補(bǔ)處理。

（3）汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的焊補(bǔ)，需要做好九項(xiàng)焊補(bǔ)準(zhǔn)備工作，并分六步進(jìn)行焊補(bǔ)操作完成。焊補(bǔ)九項(xiàng)準(zhǔn)備工作具體是：清洗處理、記錄缺陷、鉆止裂孔、開(kāi)坡口、加熱處理、焊條選用、焊接電流控制、焊接方法選用、其他相關(guān)配置。焊補(bǔ)六步驟具體是：確定焊接順序、分段焊接、焊縫冷卻、焊縫敲擊、繼續(xù)焊接、焊縫清理。