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摘 要：本文论述了内燃机16V280柴油机机体的焊修工艺和方法，详细介绍了球墨铸铁机体的焊接性、焊前准备情况、Ni基焊条和焊接参数的选择确定、焊接方法及焊后处理等要点，着重阐述了球墨铸铁机体焊修过程中对焊接应力的控制和焊接裂纹的防止措施。应用该技术焊修的16V280机体质量完全达到了产品设计技术要求，并满足用户使用需求。
关键词：16V280机体；球墨铸铁；Ni基焊条；焊修技术
中图分类号：TG455 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）11-0170-02
引 言
16V280柴油机是DF8B、DF11、DF11G等280系列内燃机车上的重要部件，机体又是柴油机的心脏，是由球墨铸铁铸造而成。机体具有体积大（最大外形尺寸3960mm×1500mm×1300mm）、内腔结构复杂、壁厚不均匀、尺寸精度和技术要求高等特点，机体材质为QT500-7，净重8.5T，铸造和机械加工难度都较大。
由于机体从铸造到机加工完成涉及的工序比较繁杂，质量影响因素特别多，所以在铸造过程中难免会产生各种缺陷，需进行焊补修复。铸铁件预热后采用氧气-乙炔气焊是保证焊补质量最有效的方法，但由于劳动强度大、生产成本高，且不能用于精加工后铸件的焊补修复；而采用手工电弧冷焊法具有设备简单、变形小、劳动强度小、生产效率高等优点，在铸铁件的焊补中应用广泛，尤其适用于机体机加工后的缺陷修复。现以一台机加工后铸造缺陷机体为例具体介绍一下机体的焊修工艺和方法。
1 缺陷情况
一台16V280机体在切削加工过程中发现核心部位主轴承孔存在氧化夹杂缺陷（见图1），缺陷面积约50mm×45mm，深约25mm，而且此缺陷正好位于主轴承孔中间油槽加工部位，缺陷深度及宽度均超过槽深及槽宽（槽深12.5mm、槽宽20mm、主轴承孔厚度45mm）。该机体除主轴承孔外全部已加工到位，为了控制变形量，只能采用手工电弧焊冷焊法修复。该缺陷修复的难点在于该部位油槽加工后无法进行二次修复，所以必须一次修复成功，否则将使该加工机体报废，造成二十万多元的直接损失。
2 焊修工艺分析
2.1 16V280机体的材料成分性能及焊接性
该机体采用球墨铸铁整体浇注而成，在熔炼过程中加入了镁等球化剂元素（见表1），石墨呈球状存在，大大降低了石墨割裂基体的作用。球墨铸铁具有较高的强度和韧性，并能通过热处理显著改善力学性能（见表2）。但球化剂的加入有阻碍铸铁石墨化和提高球墨铸铁淬透性的作用。焊接球墨铸铁时，焊缝及半熔合区更易形成白口组织，奥氏体更易转变成马氏体，裂纹倾向加大。
此外还由于該机体缺陷深度较大，在焊接过程中受热不均匀，冷却速度悬殊，厚度方向的焊接应力较大，与纵向和横向焊接应力叠加，使得裂纹倾向加大。
因此，该球墨铸铁机体的焊接性较差。针对该问题，焊修时不仅需要选择合理的焊接方法和合适的焊接材料，还需制定可靠合理的焊接工艺措施、操作方法。
2.2 缺陷部位焊修工艺分析
由于焊接处的刚度及焊缝体积与焊缝长度对焊接应力峰值大小有重要影响，刚度增大，焊缝体积增大，会增大收缩应力峰值，连续焊缝越长，收缩应力和体积应力就会累积叠加，促使应力峰值提高，从而使裂纹的形成倾向增加[1]。
根据焊缝热胀冷缩的原理和考虑收缩应力的变化确定合理的焊接顺序，焊接过程中应先保持焊缝对接的中间空隙，避免焊缝过于集中，使焊缝能有自由收缩的余地，释放一部分应力，从而能在很大程度上减小形成裂纹的风险。根据长期的焊修实践经验积累，采用以下焊接顺序方法（见图2），就能有效化解收缩应力和体积应力的集中累积，在焊接过程中大大降低裂纹的形成倾向。
2.3 焊接材料选择
根据冶金上Ni-Fe无限互溶的原理，也由于镍是较强的石墨化元素，有利于消除熔合区的白口，使焊缝有一定塑性，具有良好抗裂性和加工性能[2]，现采用美国泰克罗伊公司生产的ENi-1纯镍焊条。从表3、表4可看出，此焊条和传统的Z308相比较，C、S、P等有害元素更低，镍含量更高，抗裂性更佳，焊接时电弧燃烧稳定，飞溅很小，脱渣容易，焊缝成形美观，具有较好的力学性能及耐热耐腐蚀性。此外，因ENi-1是钛钙型药皮的碱性焊条，抗气孔性差，所以必须采用直流反接电源及防止产生气孔的工艺措施。
3 焊修工艺
3.1 焊前准备
（1）用砂磨轮或金属磨轮将缺陷打磨消除并使露出金属本色，用丙酮将缺陷周围20mm范围内的油污杂质等清除干净。
（2）将缺陷加工成单边30～40°的坡口呈喇叭状（如图3），便于焊补及减少对机体母材的熔化量，最后进行着色探伤，确认无缺陷。
3.2 焊条参数、使用规范及焊机要求
焊条采用ENi-1纯镍焊条，焊条直径3.2mm，焊接电流80～120A，焊条烘烤规范：
300℃烘烤1h，150℃进行保温2h，并放入保温桶，做到随用随取。
焊机采用ZX7-500逆变直流焊机，并采用直流反接法。
3.3 焊接方法
3.3.1 焊前低温预热
焊前预热能均衡焊接区域的温度，有利于控制白口层，减少焊接热应力，进一步清理坡口内的油污及水分等杂质，可有效减小气孔产生，并对焊缝熔合大有好处。但预热温度不能过高，以防止机体的尺寸变形。具体方法用氧-乙炔火焰将缺陷及其两侧100mm区域均匀加热至80～200℃，但一定要注意预热温度上升要均匀，不能在某一点或某一区域增长太快。
3.3.2 焊接方法
打底焊接时，应采用合适的最小电流，因为铸铁中含Fe、Si、C，有害的S、P杂质高，焊接电流越大，与母材接触的第一、二层异质焊缝中熔入母材量越多，带入焊缝中的Fe、Si、C、S、P量随之上升，对镍基焊条来说，其中Si及S、P杂质提高，会明显增大发生热裂纹的敏感性。焊接电流较大，则焊接热输入增大，其结果使焊接接头拉应力增高，发生裂纹的敏感性增大，同时母材上处于半熔化区温度范围（1150～1250℃）的宽度增大，在电弧冷焊快速冷却条件下，半熔化区的白口区显著加宽。 3.3.3 操作要点
（1）采用较快的焊接速度及短弧焊接。在保证焊缝正常成形及与母材熔合良好的前提下，应采用较快的焊接速度，因为随着焊接速度加快，母材的熔深及熔宽下降，母材熔入焊缝量随之下降，焊接热输入也随之减少，其效果与降低焊接电流所得效果是相同性质的。焊接电弧越长，电压就越高，使母材熔化宽度增宽，母材熔化面积增加；电弧过长还会使空气中的氧、氮等有害气体侵入电弧区，引起飞溅产生气孔，使焊接接头力学性能降低，故应采用短弧焊接。
（2）采用短焊道、断续焊、分层分散焊接，一般每次所焊焊缝长度可取20～30mm为宜，每一段焊缝焊完应立即用手工锤敲击，力度适中，且要锤遍整个焊缝，能看到清晰锤印，使焊缝产生一定塑性变形，以抵消焊缝的一部分收缩量，达到松弛应力防止裂纹产生的作用。
（3）保证焊缝层间温度不超过50～60℃，以用手摸焊缝附近热影响区不烫手为准，为避免局部温度过高，可分区域分散焊接，即不连续在同一固定部位补焊，而在补焊区的另一侧焊接（如图2焊接顺序进行），以利于释放焊接应力，避免应力集中产生裂纹。
（4）堆焊過程中，每层焊完都应用低倍放大镜仔细检查焊缝，如发现气孔、裂纹等缺陷应及时清除干净，重新焊补，确保下一层无缺陷焊接。
（5）收弧时注意必须填满弧坑，防止形成粗大的等轴树枝结晶，形成弧坑裂纹。
（6）盖面焊时焊缝金属应稍高于工件表面不超过3mm，与母材之间平缓过渡，防止咬边在焊趾处产生应力集中。
（7）焊后立即将焊补区及周围用保温材料覆盖缓冷，以减少应力及改善切削加工性能。24h内不能打磨清理，以防产生裂纹。
（8）将焊缝打磨平滑光洁，先自检焊补质量，然后进行着色探伤检查。
4 焊修效果
该16V280机体通过上述工艺和方法焊修完成，经精加工并加工油槽后，用着色探伤复探无任何裂纹缺陷（见图4），焊修质量良好，达到了产品的设计技术要求。现经焊修的16V280机体均已装车使用，使用状态较好。
5 结 论
采用纯Ni焊条、小电流、短道焊、多层多道、分散焊接方法针对性强，所采取的工艺措施正确得当，焊修效果明显。经多年的实践证明，本焊接工艺技术合理，稳定可靠，是一种很有推广价值的操作方法。
参考文献
[1]陈祝年，编著.焊接工程师手册.机械工业出版社，2010，2.
[2]张兆智，等编著.高抗热裂纹性能纯镍型的铸铁焊条.吉林工业大学，1994，2.
收稿日期：2018-3-15
关键词：16V280机体；球墨铸铁；Ni基焊条；焊修技术
中图分类号：TG455 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）11-0170-02
引 言
16V280柴油机是DF8B、DF11、DF11G等280系列内燃机车上的重要部件，机体又是柴油机的心脏，是由球墨铸铁铸造而成。机体具有体积大（最大外形尺寸3960mm×1500mm×1300mm）、内腔结构复杂、壁厚不均匀、尺寸精度和技术要求高等特点，机体材质为QT500-7，净重8.5T，铸造和机械加工难度都较大。
由于机体从铸造到机加工完成涉及的工序比较繁杂，质量影响因素特别多，所以在铸造过程中难免会产生各种缺陷，需进行焊补修复。铸铁件预热后采用氧气-乙炔气焊是保证焊补质量最有效的方法，但由于劳动强度大、生产成本高，且不能用于精加工后铸件的焊补修复；而采用手工电弧冷焊法具有设备简单、变形小、劳动强度小、生产效率高等优点，在铸铁件的焊补中应用广泛，尤其适用于机体机加工后的缺陷修复。现以一台机加工后铸造缺陷机体为例具体介绍一下机体的焊修工艺和方法。
1 缺陷情况
一台16V280机体在切削加工过程中发现核心部位主轴承孔存在氧化夹杂缺陷（见图1），缺陷面积约50mm×45mm，深约25mm，而且此缺陷正好位于主轴承孔中间油槽加工部位，缺陷深度及宽度均超过槽深及槽宽（槽深12.5mm、槽宽20mm、主轴承孔厚度45mm）。该机体除主轴承孔外全部已加工到位，为了控制变形量，只能采用手工电弧焊冷焊法修复。该缺陷修复的难点在于该部位油槽加工后无法进行二次修复，所以必须一次修复成功，否则将使该加工机体报废，造成二十万多元的直接损失。
2 焊修工艺分析
2.1 16V280机体的材料成分性能及焊接性
该机体采用球墨铸铁整体浇注而成，在熔炼过程中加入了镁等球化剂元素（见表1），石墨呈球状存在，大大降低了石墨割裂基体的作用。球墨铸铁具有较高的强度和韧性，并能通过热处理显著改善力学性能（见表2）。但球化剂的加入有阻碍铸铁石墨化和提高球墨铸铁淬透性的作用。焊接球墨铸铁时，焊缝及半熔合区更易形成白口组织，奥氏体更易转变成马氏体，裂纹倾向加大。
此外还由于該机体缺陷深度较大，在焊接过程中受热不均匀，冷却速度悬殊，厚度方向的焊接应力较大，与纵向和横向焊接应力叠加，使得裂纹倾向加大。
因此，该球墨铸铁机体的焊接性较差。针对该问题，焊修时不仅需要选择合理的焊接方法和合适的焊接材料，还需制定可靠合理的焊接工艺措施、操作方法。
2.2 缺陷部位焊修工艺分析
由于焊接处的刚度及焊缝体积与焊缝长度对焊接应力峰值大小有重要影响，刚度增大，焊缝体积增大，会增大收缩应力峰值，连续焊缝越长，收缩应力和体积应力就会累积叠加，促使应力峰值提高，从而使裂纹的形成倾向增加[1]。
根据焊缝热胀冷缩的原理和考虑收缩应力的变化确定合理的焊接顺序，焊接过程中应先保持焊缝对接的中间空隙，避免焊缝过于集中，使焊缝能有自由收缩的余地，释放一部分应力，从而能在很大程度上减小形成裂纹的风险。根据长期的焊修实践经验积累，采用以下焊接顺序方法（见图2），就能有效化解收缩应力和体积应力的集中累积，在焊接过程中大大降低裂纹的形成倾向。
2.3 焊接材料选择
根据冶金上Ni-Fe无限互溶的原理，也由于镍是较强的石墨化元素，有利于消除熔合区的白口，使焊缝有一定塑性，具有良好抗裂性和加工性能[2]，现采用美国泰克罗伊公司生产的ENi-1纯镍焊条。从表3、表4可看出，此焊条和传统的Z308相比较，C、S、P等有害元素更低，镍含量更高，抗裂性更佳，焊接时电弧燃烧稳定，飞溅很小，脱渣容易，焊缝成形美观，具有较好的力学性能及耐热耐腐蚀性。此外，因ENi-1是钛钙型药皮的碱性焊条，抗气孔性差，所以必须采用直流反接电源及防止产生气孔的工艺措施。
3 焊修工艺
3.1 焊前准备
（1）用砂磨轮或金属磨轮将缺陷打磨消除并使露出金属本色，用丙酮将缺陷周围20mm范围内的油污杂质等清除干净。
（2）将缺陷加工成单边30～40°的坡口呈喇叭状（如图3），便于焊补及减少对机体母材的熔化量，最后进行着色探伤，确认无缺陷。
3.2 焊条参数、使用规范及焊机要求
焊条采用ENi-1纯镍焊条，焊条直径3.2mm，焊接电流80～120A，焊条烘烤规范：
300℃烘烤1h，150℃进行保温2h，并放入保温桶，做到随用随取。
焊机采用ZX7-500逆变直流焊机，并采用直流反接法。
3.3 焊接方法
3.3.1 焊前低温预热
焊前预热能均衡焊接区域的温度，有利于控制白口层，减少焊接热应力，进一步清理坡口内的油污及水分等杂质，可有效减小气孔产生，并对焊缝熔合大有好处。但预热温度不能过高，以防止机体的尺寸变形。具体方法用氧-乙炔火焰将缺陷及其两侧100mm区域均匀加热至80～200℃，但一定要注意预热温度上升要均匀，不能在某一点或某一区域增长太快。
3.3.2 焊接方法
打底焊接时，应采用合适的最小电流，因为铸铁中含Fe、Si、C，有害的S、P杂质高，焊接电流越大，与母材接触的第一、二层异质焊缝中熔入母材量越多，带入焊缝中的Fe、Si、C、S、P量随之上升，对镍基焊条来说，其中Si及S、P杂质提高，会明显增大发生热裂纹的敏感性。焊接电流较大，则焊接热输入增大，其结果使焊接接头拉应力增高，发生裂纹的敏感性增大，同时母材上处于半熔化区温度范围（1150～1250℃）的宽度增大，在电弧冷焊快速冷却条件下，半熔化区的白口区显著加宽。 3.3.3 操作要点
（1）采用较快的焊接速度及短弧焊接。在保证焊缝正常成形及与母材熔合良好的前提下，应采用较快的焊接速度，因为随着焊接速度加快，母材的熔深及熔宽下降，母材熔入焊缝量随之下降，焊接热输入也随之减少，其效果与降低焊接电流所得效果是相同性质的。焊接电弧越长，电压就越高，使母材熔化宽度增宽，母材熔化面积增加；电弧过长还会使空气中的氧、氮等有害气体侵入电弧区，引起飞溅产生气孔，使焊接接头力学性能降低，故应采用短弧焊接。
（2）采用短焊道、断续焊、分层分散焊接，一般每次所焊焊缝长度可取20～30mm为宜，每一段焊缝焊完应立即用手工锤敲击，力度适中，且要锤遍整个焊缝，能看到清晰锤印，使焊缝产生一定塑性变形，以抵消焊缝的一部分收缩量，达到松弛应力防止裂纹产生的作用。
（3）保证焊缝层间温度不超过50～60℃，以用手摸焊缝附近热影响区不烫手为准，为避免局部温度过高，可分区域分散焊接，即不连续在同一固定部位补焊，而在补焊区的另一侧焊接（如图2焊接顺序进行），以利于释放焊接应力，避免应力集中产生裂纹。
（4）堆焊過程中，每层焊完都应用低倍放大镜仔细检查焊缝，如发现气孔、裂纹等缺陷应及时清除干净，重新焊补，确保下一层无缺陷焊接。
（5）收弧时注意必须填满弧坑，防止形成粗大的等轴树枝结晶，形成弧坑裂纹。
（6）盖面焊时焊缝金属应稍高于工件表面不超过3mm，与母材之间平缓过渡，防止咬边在焊趾处产生应力集中。
（7）焊后立即将焊补区及周围用保温材料覆盖缓冷，以减少应力及改善切削加工性能。24h内不能打磨清理，以防产生裂纹。
（8）将焊缝打磨平滑光洁，先自检焊补质量，然后进行着色探伤检查。
4 焊修效果
该16V280机体通过上述工艺和方法焊修完成，经精加工并加工油槽后，用着色探伤复探无任何裂纹缺陷（见图4），焊修质量良好，达到了产品的设计技术要求。现经焊修的16V280机体均已装车使用，使用状态较好。
5 结 论
采用纯Ni焊条、小电流、短道焊、多层多道、分散焊接方法针对性强，所采取的工艺措施正确得当，焊修效果明显。经多年的实践证明，本焊接工艺技术合理，稳定可靠，是一种很有推广价值的操作方法。
参考文献
[1]陈祝年，编著.焊接工程师手册.机械工业出版社，2010，2.
[2]张兆智，等编著.高抗热裂纹性能纯镍型的铸铁焊条.吉林工业大学，1994，2.
收稿日期：2018-3-15