球墨鑄鐵柴油機機體焊修技術的應用

陳杰 楊一

摘 要：本文論述了內燃機16V280柴油機機體的焊修工藝和方法，詳細介紹了球墨鑄鐵機體的焊接性、焊前準備情況、Ni基焊條和焊接參數的選擇確定、焊接方法及焊后處理等要點，著重闡述了球墨鑄鐵機體焊修過程中對焊接應力的控制和焊接裂紋的防止措施。應用該技術焊修的16V280機體質量完全達到了產品設計技術要求，并滿足用戶使用需求。

關鍵詞：16V280機體；球墨鑄鐵；Ni基焊條；焊修技術

中圖分類號：TG455 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）11-0170-02

引 言

16V280柴油機是DF8B、DF11、DF11G等280系列內燃機車上的重要部件，機體又是柴油機的心臟，是由球墨鑄鐵鑄造而成。機體具有體積大（最大外形尺寸3960mm×1500mm×1300mm）、內腔結構復雜、壁厚不均勻、尺寸精度和技術要求高等特點，機體材質為QT500-7，凈重8.5T，鑄造和機械加工難度都較大。

由于機體從鑄造到機加工完成涉及的工序比較繁雜，質量影響因素特別多，所以在鑄造過程中難免會產生各種缺陷，需進行焊補修復。鑄鐵件預熱后采用氧氣-乙炔氣焊是保證焊補質量最有效的方法，但由于勞動強度大、生產成本高，且不能用于精加工后鑄件的焊補修復；而采用手工電弧冷焊法具有設備簡單、變形小、勞動強度小、生產效率高等優點，在鑄鐵件的焊補中應用廣泛，尤其適用于機體機加工后的缺陷修復。現以一臺機加工后鑄造缺陷機體為例具體介紹一下機體的焊修工藝和方法。

1 缺陷情況

一臺16V280機體在切削加工過程中發現核心部位主軸承孔存在氧化夾雜缺陷（見圖1），缺陷面積約50mm×45mm，深約25mm，而且此缺陷正好位于主軸承孔中間油槽加工部位，缺陷深度及寬度均超過槽深及槽寬（槽深12.5mm、槽寬20mm、主軸承孔厚度45mm）。該機體除主軸承孔外全部已加工到位，為了控制變形量，只能采用手工電弧焊冷焊法修復。該缺陷修復的難點在于該部位油槽加工后無法進行二次修復，所以必須一次修復成功，否則將使該加工機體報廢，造成二十萬多元的直接損失。

2 焊修工藝分析

2.1 16V280機體的材料成分性能及焊接性

該機體采用球墨鑄鐵整體澆注而成，在熔煉過程中加入了鎂等球化劑元素（見表1），石墨呈球狀存在，大大降低了石墨割裂基體的作用。球墨鑄鐵具有較高的強度和韌性，并能通過熱處理顯著改善力學性能（見表2）。但球化劑的加入有阻礙鑄鐵石墨化和提高球墨鑄鐵淬透性的作用。焊接球墨鑄鐵時，焊縫及半熔合區更易形成白口組織，奧氏體更易轉變成馬氏體，裂紋傾向加大。

此外還由于該機體缺陷深度較大，在焊接過程中受熱不均勻，冷卻速度懸殊，厚度方向的焊接應力較大，與縱向和橫向焊接應力疊加，使得裂紋傾向加大。

因此，該球墨鑄鐵機體的焊接性較差。針對該問題，焊修時不僅需要選擇合理的焊接方法和合適的焊接材料，還需制定可靠合理的焊接工藝措施、操作方法。

2.2 缺陷部位焊修工藝分析

由于焊接處的剛度及焊縫體積與焊縫長度對焊接應力峰值大小有重要影響，剛度增大，焊縫體積增大，會增大收縮應力峰值，連續焊縫越長，收縮應力和體積應力就會累積疊加，促使應力峰值提高，從而使裂紋的形成傾向增加[1]。

根據焊縫熱脹冷縮的原理和考慮收縮應力的變化確定合理的焊接順序，焊接過程中應先保持焊縫對接的中間空隙，避免焊縫過于集中，使焊縫能有自由收縮的余地，釋放一部分應力，從而能在很大程度上減小形成裂紋的風險。根據長期的焊修實踐經驗積累，采用以下焊接順序方法（見圖2），就能有效化解收縮應力和體積應力的集中累積，在焊接過程中大大降低裂紋的形成傾向。

2.3 焊接材料選擇

根據冶金上Ni-Fe無限互溶的原理，也由于鎳是較強的石墨化元素，有利于消除熔合區的白口，使焊縫有一定塑性，具有良好抗裂性和加工性能[2]，現采用美國泰克羅伊公司生產的ENi-1純鎳焊條。從表3、表4可看出，此焊條和傳統的Z308相比較，C、S、P等有害元素更低，鎳含量更高，抗裂性更佳，焊接時電弧燃燒穩定，飛濺很小，脫渣容易，焊縫成形美觀，具有較好的力學性能及耐熱耐腐蝕性。此外，因ENi-1是鈦鈣型藥皮的堿性焊條，抗氣孔性差，所以必須采用直流反接電源及防止產生氣孔的工藝措施。

3 焊修工藝

3.1 焊前準備

（1）用砂磨輪或金屬磨輪將缺陷打磨消除并使露出金屬本色，用丙酮將缺陷周圍20mm范圍內的油污雜質等清除干凈。

（2）將缺陷加工成單邊30～40°的坡口呈喇叭狀（如圖3），便于焊補及減少對機體母材的熔化量，最后進行著色探傷，確認無缺陷。

3.2 焊條參數、使用規范及焊機要求

焊條采用ENi-1純鎳焊條，焊條直徑3.2mm，焊接電流80～120A，焊條烘烤規范：

300℃烘烤1h，150℃進行保溫2h，并放入保溫桶，做到隨用隨取。

焊機采用ZX7-500逆變直流焊機，并采用直流反接法。

3.3 焊接方法

3.3.1 焊前低溫預熱

焊前預熱能均衡焊接區域的溫度，有利于控制白口層，減少焊接熱應力，進一步清理坡口內的油污及水分等雜質，可有效減小氣孔產生，并對焊縫熔合大有好處。但預熱溫度不能過高，以防止機體的尺寸變形。具體方法用氧-乙炔火焰將缺陷及其兩側100mm區域均勻加熱至80～200℃，但一定要注意預熱溫度上升要均勻，不能在某一點或某一區域增長太快。

3.3.2 焊接方法

打底焊接時，應采用合適的最小電流，因為鑄鐵中含Fe、Si、C，有害的S、P雜質高，焊接電流越大，與母材接觸的第一、二層異質焊縫中熔入母材量越多，帶入焊縫中的Fe、Si、C、S、P量隨之上升，對鎳基焊條來說，其中Si及S、P雜質提高，會明顯增大發生熱裂紋的敏感性。焊接電流較大，則焊接熱輸入增大，其結果使焊接接頭拉應力增高，發生裂紋的敏感性增大，同時母材上處于半熔化區溫度范圍（1150～1250℃）的寬度增大，在電弧冷焊快速冷卻條件下，半熔化區的白口區顯著加寬。

3.3.3 操作要點

（1）采用較快的焊接速度及短弧焊接。在保證焊縫正常成形及與母材熔合良好的前提下，應采用較快的焊接速度，因為隨著焊接速度加快，母材的熔深及熔寬下降，母材熔入焊縫量隨之下降，焊接熱輸入也隨之減少，其效果與降低焊接電流所得效果是相同性質的。焊接電弧越長，電壓就越高，使母材熔化寬度增寬，母材熔化面積增加；電弧過長還會使空氣中的氧、氮等有害氣體侵入電弧區，引起飛濺產生氣孔，使焊接接頭力學性能降低，故應采用短弧焊接。

（2）采用短焊道、斷續焊、分層分散焊接，一般每次所焊焊縫長度可取20～30mm為宜，每一段焊縫焊完應立即用手工錘敲擊，力度適中，且要錘遍整個焊縫，能看到清晰錘印，使焊縫產生一定塑性變形，以抵消焊縫的一部分收縮量，達到松弛應力防止裂紋產生的作用。

（3）保證焊縫層間溫度不超過50～60℃，以用手摸焊縫附近熱影響區不燙手為準，為避免局部溫度過高，可分區域分散焊接，即不連續在同一固定部位補焊，而在補焊區的另一側焊接（如圖2焊接順序進行），以利于釋放焊接應力，避免應力集中產生裂紋。

（4）堆焊過程中，每層焊完都應用低倍放大鏡仔細檢查焊縫，如發現氣孔、裂紋等缺陷應及時清除干凈，重新焊補，確保下一層無缺陷焊接。

（5）收弧時注意必須填滿弧坑，防止形成粗大的等軸樹枝結晶，形成弧坑裂紋。

（6）蓋面焊時焊縫金屬應稍高于工件表面不超過3mm，與母材之間平緩過渡，防止咬邊在焊趾處產生應力集中。

（7）焊后立即將焊補區及周圍用保溫材料覆蓋緩冷，以減少應力及改善切削加工性能。24h內不能打磨清理，以防產生裂紋。

（8）將焊縫打磨平滑光潔，先自檢焊補質量，然后進行著色探傷檢查。

4 焊修效果

該16V280機體通過上述工藝和方法焊修完成，經精加工并加工油槽后，用著色探傷復探無任何裂紋缺陷（見圖4），焊修質量良好，達到了產品的設計技術要求。現經焊修的16V280機體均已裝車使用，使用狀態較好。

5 結 論

采用純Ni焊條、小電流、短道焊、多層多道、分散焊接方法針對性強，所采取的工藝措施正確得當，焊修效果明顯。經多年的實踐證明，本焊接工藝技術合理，穩定可靠，是一種很有推廣價值的操作方法。

參考文獻

[1]陳祝年，編著.焊接工程師手冊.機械工業出版社，2010，2.

[2]張兆智，等編著.高抗熱裂紋性能純鎳型的鑄鐵焊條.吉林工業大學，1994，2.

收稿日期：2018-3-15