汽車發動機缸體的焊補技術研究

包國連，丁 健

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧沈陽 110167）

0 引言

汽車發動機系統集合了汽車的燃料供給、冷卻、潤滑、點火、啟動等重要功能，是保障汽車正常行駛的關鍵系統，如圖1 所示。汽車發動機缸體是確保汽車發動機系統正常工作，進而確保汽車正常安全行駛的重要零部件[1]。但是，汽車發動機缸體的本體是灰鑄鐵材質，經過鑄造、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，但是力學性能比較差，由于在鑄造環節中可能存在材料比例差異或雜質問題導致缸體存在質量缺陷，不能完全滿足后續加工性能要求及使用性能要求，必須通過相應的焊補加工工藝進行彌補，以確保汽車發動機整體性能滿足要求[2]。遼寧某柴油機廠的汽車發動機生產線在進行汽車發動機生產前期準備時，發現物料庫周轉的缸體存在有裂紋缺陷問題，見圖2 所示。質檢部針對所有的缸體進行全面檢測，將存在裂紋缺陷的部分缸體進行標記存放。為了減少損失控制成本，總經理辦公會議要求對這部分缸體進行焊補處理，確保達到完全合格、零缺陷再使用的狀態。

圖1 汽車發動機系統結構功能圖

圖2 汽車發動機缸體裂紋圖

1 汽車發動機缸體的生產工藝

1.1 灰鑄鐵材料性能

灰鑄鐵因為其內部結構中碳是片狀石墨，在斷口處表現出來的顏色為灰色[3]。灰鑄鐵具有諸多優良的材料性能，如耐磨性、減震性、加工性等，但也存在不足，如強度低、塑性差、力學性能差[4]。因此，焊接過程中需要有效控制焊縫深寬比與碳分子結構形態，避免受焊接應力影響出現裂紋，導致焊接質量問題。

1.2 灰鑄鐵焊接工藝

為了保證灰鑄鐵焊接質量，焊接方法及焊接材料的選用都需要慎重，如常見的焊接方法有冷焊接、熱焊接、預熱焊接、不預熱焊接等焊接方法，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]。汽車發動機缸體在焊接過程中需要注意其結構局限性，如體積較大不便于焊接預熱[6]。因此，選用冷焊接相對比較更適用，不需要進行焊前預熱，還可以達到結構性能要求，同時具有成本較低、生產率較高等焊接特點，目前是缸體生產廠家優先選用的缸體焊接方法。但在實際缸體生產加工過程中，由于焊接人員經驗、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白口、裂紋等兩種焊接缺陷[7]。第一，白口缺陷，主要發生在缸體焊接工序，由于焊接過程中焊接速度過快、焊縫冷卻過快或焊條選用不當導致，一般表現為在焊縫與母材交界處露出明顯可區分的白口鑄鐵。白口鑄鐵屬于鑄鐵物質，具有硬度高、脆性強等特點，存在難以進行機械加工等問題。第二，裂紋缺陷，主要發生在缸體焊接冷卻之后，由于灰鑄鐵材質具有抗拉強度差、塑性差、脆性強、冷卻收縮率大等材料性能，在焊接后焊縫強度明顯高于母材，焊縫冷卻收縮牽制撕裂母材導致。

針對上述灰鑄鐵焊接缺陷及產生原因，焊接過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，仍可有效防止焊接裂紋擴大或加深。

（2）通過對焊接位置進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，焊接后逐漸冷卻，減緩焊接應力集中，如此可減少白口缺陷和焊接裂紋缺陷的出現。

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

表1 焊條參數表

1.3 缸體生產加工工藝

汽車發動機缸體屬于典型的箱體類結構件，具有壁厚不均、加工孔較多等結構特點，且加工工藝復雜，加工精度要求較高，在生產加工過程中具有較大的加工難度[8]。缸體在加工過程中，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，依次是準備模具、加料、熔煉、澆注、凝固、清理、檢驗等通用鑄造工藝流程，生產加工成本較低。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、砂眼等問題，這就對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，首先是對基準面進行粗銑加工，然后分別對其他圖紙要求加工的端面進行精銑削加工，最后確保整體加工完成狀態達到圖紙要求的尺寸和精度。

（3）鏜孔加工：汽車發動機缸體圖紙上標明了每個孔的位置和尺寸要求，工作人員需要按照圖紙要求先確定加工基準面，然后進行粗鏜孔加工，再進行精鏜孔加工，最后確保每個孔的加工完成狀態達到圖紙要求的尺寸和精度。

（4）熱處理：根據汽車發動機缸體的力學性能要求，避免在后續加工過程中出現裂紋、變形等問題，需要在缸體粗加工前進行熱處理，有效消除缸體殘余內應力，改善缸體銑削加工性能，滿足后續加工要求狀態。

2 汽車發動機缸體的焊補技術

2.1 焊接方法的選擇

目前，機械加工過程中比較常見的焊接焊補方法有電弧焊和氣保焊，電弧焊根據焊前工件是否進行預熱處理再具體細分為熱焊、半熱焊、冷焊三種，根據缸體的結構形態與力學性能要求，優先選用電弧焊冷焊法進行焊接焊補處理[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，根據焊后是否需要再進行機械加工進行相應的區別選用。根據缸體的抗拉強度要求和密封性要求，綜合考慮缸體的結構特點和材質性質，優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散性和熔合性，焊后的焊縫組織不會出現脆硬問題，具有很好的機械加工性[10]。

2.3 焊補準備

缸體焊補準備工作主要有九項，分別是清洗處理、記錄缺陷、鉆止裂孔、開坡口、加熱處理、焊條選用、焊接電流控制、焊接方法選用、其他相關配置。具體是：

（1）清洗處理：對缸體進行全面的清洗處理，將油污、銹跡等全部清洗干凈。

（2）記錄缺陷：對缸體進行全面檢查，記錄裂紋、砂眼、縮孔等缺陷的位置、尺寸、走向等基本信息，針對需要焊補加工缺陷位置進行標注。

（3）鉆止裂孔：在需要進行焊補處理的裂紋前方約6mm～8mm 位置畫點標記，再在標記處使用3.2mm 鉆頭進行鉆孔處理，鉆孔深約3mm 即可。鉆孔的主要目的就是為了防止裂紋繼續擴大或加深，稱為止裂孔。

（4）開坡口：使用角磨機或拋光機對裂紋處進行開坡口處理，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：使用氣焊火焰對坡口及附近區域進行加熱處理，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，焊接過程中優先選用小直徑焊條，具體為直徑2.5mm的純鎳鑄鐵焊條（EZNi），并且，將焊條放置于150℃烘干箱內進行烘干處理90min，隨后轉移到保溫箱內暫時存放，便于后續焊接焊補過程中隨用隨取。

（7）焊接電流控制：缸體焊補過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生夾渣、增大熔深、加厚熔合區白口層、產生新的裂紋等問題。因此，缸體焊補過程中，必須嚴格控制焊接電流，按小電流焊接進行操作。但焊接電流也不能太小，可能出現熔合不好、夾渣、焊縫脫離等問題。因此，缸體焊補過程中，焊接電流應該控制在80A～110A。

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

（9）相關配置：缸體裂紋焊補相應的焊接熔覆量不大，但是為了有效減小焊接應力，在焊補過程中對焊接速度、焊接電流等控制要求較高，也就是對焊接人員的焊接技術要求非常高，需要安排高水平焊工擔任；為了保證焊接質量，對缸體本體及焊接環境采取防風保溫措施，通過搭建圍擋防止出現直吹風，并準備一條厚棉被，在焊接焊補完成后將被子覆蓋在焊縫表面周圍，起到焊接溫度緩降，減小焊接應力的目的；準備一臺電弧焊整流器，選用型號為ZX-400 型，采用正接法。

2.4 焊補步驟

缸體焊補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始，向剛度小的一端進行焊接。

（2）分段焊接：焊接過程中采用斷續焊法，每次焊縫達到10mm 左右時暫停焊接，立即對焊縫進行焊縫冷卻和焊縫敲擊處理。

（3）焊縫冷卻：在焊接過程中，焊縫集中的熱量需要快速轉移，盡量少的傳遞到缸體本體，增加缸體焊接內應力。通過提前準備一條濕毛巾，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行，確保進一步去除焊接內應力。

（5）繼續焊接：等焊縫冷卻到約60℃左右時再繼續焊接，重復上述（2）、（3）、（4）步操作，繼續進行小段焊接、冷卻、敲擊，直至整條裂紋全部焊接焊補完成。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：裂紋焊接焊補完成后，需要對焊接表面的焊縫、焊渣等進行清理，可以借助使用手砂輪等工具進行徹底清根處理，如果再發現存在新增裂紋或遺漏的細小裂紋，則需要重復上述（2）、（3）、（4）、（5）步操作，確保缸體所有的裂紋都進行焊補完成。

2.5 焊補結果

通過缸體焊補，完成了全部具有裂紋缺陷缸體的檢查和焊補修復，并通過了合格性檢測，為汽車發動機生產節約了制造成本。

3 結論

首先通過對汽車發動機系統及缸體的功能分析，突出顯示了缸體在汽車安全正常行駛過程中的重要性，然后全面分析了缸體的生產加工工藝及本體材質與結構加工特性，最后重點研究總結了缸體焊補需要完成的九項準備工作和焊補六步驟。具體結論如下：

（1）汽車發動機系統是汽車正常行駛的關鍵系統，缸體是汽車發動機系統的重要零部件。因此，缸體質量必須嚴格把關，做到零缺陷才能進入下一道工序，流入下一條生產線。

（2）汽車發動機缸體的本體屬于灰鑄鐵材質，需要經過本體鑄造、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，但力學性能差，容易出現白口缺陷和裂紋缺陷，需要進行焊補處理。

（3）汽車發動機缸體的焊補，需要做好九項焊補準備工作，并分六步進行焊補操作完成。焊補九項準備工作具體是：清洗處理、記錄缺陷、鉆止裂孔、開坡口、加熱處理、焊條選用、焊接電流控制、焊接方法選用、其他相關配置。焊補六步驟具體是：確定焊接順序、分段焊接、焊縫冷卻、焊縫敲擊、繼續焊接、焊縫清理。