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摘要：随着内燃机容量增大，工作压力增加、工作环境温度的变化大，以及内燃机长时间连续工作，在负载状态下运行机体易产生疲劳，构件薄弱环节会产生焊接裂纹等焊接缺陷，严重时会影响到内燃机的安全运行。一旦返修，将消耗大量的人力和物力，因而内燃机及配件焊接质量的控制是一项长期而艰巨的工作。
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.
关键词：内燃机;焊接;质量;控制
Key words： internal combustion engine;welding;quality;control
中图分类号：P755.1 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0141-02
0 引言
内燃机由于功率大，广泛应用于船舶，机车等大型运输工具。其使用特点是：工作压力大、工作环境温度的变化大，以及内燃机长时间连续工作;传动轴承受扭矩力很大，易形成区域性的应力集中，一旦超过了使用极限，在焊接处极易形成焊缝处失效。因此，控制内燃机及配件的焊接质量极为重要。
1 满足现场的焊接工艺文件和焊工
内燃机及配件的焊接工艺文件应包括焊接工艺规程（WPS）、支撑焊接工艺规程的焊接工艺评定文件（PQR）。而焊接工艺评定应根据现场的母材以及厚度、接头的形式编制预制焊接工艺规程（PWPS），再由熟练焊工对试板进行焊接，焊接过程中每一道的焊接参数，电流、电压、焊接速度、层间温度等需要进行记录（注意：记录的数据是现场操作的实际值或实际平均值，是一个数值），以便计算焊接线能量。焊接试样按相关规范进行表面检测、内部质量检测和机械性能试样。检测的结果符合焊接规范后，依据焊接过程中记录的参数和检测的结果，编制焊接工艺规程（WPS），焊接工艺规程中的焊接参数，是根据焊接记录的参数，在焊接规范内的一个范围值。焊接工艺评定不是一劳永逸的，必须在规范允许的范围内使用（不同规范的允许的范围不一样），如果焊接时所用的重要参数或附加重要参数超过原有的范围，需要补做试验或者重新评定。同时，焊工焊接材料和能焊接的位置也应该满足现场焊接的要求，并且在有效期内。各种常用焊接方法、典型焊接结构，应制定相应的焊接工艺评定或焊接细则。
2 选择最佳的焊接接头型式
在内燃机机构设计过程中，要尽量少采用焊接结构，因为焊接过程中由于是不均匀加热，必然会导致焊接变形和焊接应力，对产品的精度和使用寿命会有影响。对一定要采用焊接件和维修时，尽量根据材料的厚度，选择焊接变形小的焊接方法;在厚板选择坡口时，在保证熔透的前提下，尽量采用对称坡口，同时尽量采用填充量少的U型坡口，最大程度的减少焊接应力和焊接变形。同时还应考虑操作者的难易程度，尽量在操作者最有利的位置焊接，能提高效率和保证焊接质量。
3 选择正确的焊接材料
3.1 焊接材料的作用
①保护作用：焊接过程中焊接冶金过程中产生的气体、熔渣或直接保护的保护气体，将高温金属与外界空气隔离，防止金属表面被氧化，从而对熔池起到保护作用。②冶金作用：焊接冶金过程中，焊接填充材料与熔融的金屬发生一系列的化学冶金反应，可以通过焊接冶金反应向焊缝中过渡有益的合金元素，另一方面可以通过脱硫、脱磷、脱氧等化学反应去除焊接母材中的氧、氮、硫、磷等杂质，使得所形成的焊缝化学成分均匀一致，改善焊缝的组织，提高焊缝金属的力学性能。③填充作用：焊接材料作为焊缝的填充材料，熔融的焊接材料填入焊缝坡口内，形成均匀一致的焊缝。④改善材料焊接工艺性能：焊接材料的性能一般由于母材，通过填入焊接材料，可以提高电弧的稳定性、减少焊接过程中的飞溅、改善材料的焊接成型，使原材料的焊接工艺性有所改善。
3.2 焊接材料选用的原则
①对于一般的结构钢焊接，采用与母材等抗拉强度等级相匹配原则。但强度等级较高，结构较复杂，易产生淬硬组织的高强钢或者高合金钢，采用多层多道焊打底焊时，允许采用比母材抗拉强度低5%～10%的焊接材料进行焊接，但焊接接头整体强度仍应不低于母材抗拉强度的最小值。对于特殊环境使用的材料，如低温韧性，除满足焊缝的抗拉强度外，还应满足低温冲击韧性。对于结构拘束度较大的焊件或承受疲劳载荷的焊接结构，根部打底焊道可选用含硫量、含磷量、含碳量较低焊接材料，填充层和盖面层应选用塑性较好、强度相当的碱性焊条而不应该选用酸性焊条。②对于高温环境使用的耐热钢材料的焊接，除了采用强度等级等强匹配外，还应重点考虑高温环境下的力学性能，同时考虑高温抗氧化性和高温强度，高温条件下的抗腐蚀性，以及在高温下长期运行下，焊缝组织及热影响区的稳定性，因此应尽可能化学成分和强度等级都一致的焊接材料。③对于异种材料的焊接，应尽考虑其焊缝组织、接头成分以及母材线膨胀系数、导热系数的差异，焊接过程中合金元素会从高的地方向低的区域移动，造成合金元素的稀释、碳迁移，同时由于在焊接过程的不均匀受热、易形成较大的焊接变形和焊接应力，易形成焊接的薄弱区域，容易形成焊接构件的失效。因而，碳钢和不锈钢的焊接，一般采用铬、镍含量更高一点的奥氏体不锈钢焊条，对于铬钼耐热钢焊接和不锈钢的焊接，宜采用含镍量较高的焊丝或焊条。 4 预热、后热及焊后热处理
4.1 预热的作用及措施
对于母材含碳量过高，合金元素含量高，板厚超过30mm，焊接环境温度低于0℃，结构刚性较大等，焊前应采用预热的方法，减少焊缝和环境的温度差，减缓焊缝的冷却速度，防止产生焊接裂纹。预热还可以排除焊接区的水分和湿气，排除了水分也就排除了产生氢气的根源。
预热最好炉中加热后保温，也可以采用履带式加热和烘枪加热的方法，履带式加热的温度上升较慢，烘枪加热的特点速度快，但温度差异较大。局部加热的方法一般在焊接坡口两侧各75～100mm范围内，加热并保温一段时间，应保持一个均热区域。温度测量的点应取在热区域的边缘。对于对接接头每侧加热宽度不得小于板厚的3～5倍，且不小于100mm。不同厚度钢材需要预热的条件见表1。
4.2 后热的作用及措施
后热是将焊件保温缓冷，可以减缓焊缝和热影响区的冷却速度，起到与预热相同的作用。在后热中主要是消氢处理：即焊后立即将工件加热到250～350℃范围，保温2～6小时，后空冷。后热主要是加速焊缝金属中氢的逸出，大大降低焊缝和热影响区中的含氢量，从而减少氢脆、氢气孔和冷裂纹的产生。
4.3 焊后热处理的作用及措施
母材金属碳当量大于0.60%，合金含量高，处在低温下工作环境下的压力容器及其它低温焊接结构，特别是温度低于脆性转变温度的压力容器;承受交变载荷的重要构件，容易产生延迟裂纹倾向较大的合金钢和高碳钢，焊后需要焊后热处理，其方法是将焊件整体或局部加热保温，然后炉冷或空冷的一种处理方法。焊后热处理的作用，软化焊接区域的淬硬部位，降低焊接接头的残余应力，改善焊缝和热影响的组织和性能，提高焊接区的塑性和韧性，稳定焊接结构的尺寸。
焊后热处理主要有：整体焊后热处理和局部热处理。整体加热处理：将焊件置于热处理炉中整体加热处理， 然后保温，使构件整体加热。焊件进行进炉和出炉时的温度应控制在300℃以下，其加热和冷却速度与板厚有关。对于厚壁容器，加热和冷却速度为50～150℃/h，整体热处理时炉内各区域的最大温差不得超过50℃。如果构件太大需分成二次或多次处理时，重叠的部分应在1.5m以上。而对于尺寸较长不便整体处理，但形状比较规则的简单筒形容器、管件，可以进行局部处理。局部处理，应保证焊缝两侧有足够的加热宽度，一般为3倍的板厚，3倍的板厚小于100mm的取100mm。
5 装配与焊接
选材过程中，尽量选用硫、磷含量较低的母材和和焊材，这样会改善钢材的力学性能以及提高抗裂纹的能力。应尽量选用构件下料过程中，尽量采用激光切割的方法，下料尺寸精度高，装配时尺寸要控制。若采用其他方法下料，装配过程中不能强制装配，这样焊后会产生较大的应力。焊件的装配和定位焊，应采用和正常焊接一样焊接工艺和焊接材料。焊接筒状、集箱等重要部位时，应考虑合理焊接工艺参数、焊接线能量、合理装配和焊接顺序对构件的焊接应力和焊接变形的控制是至关重要的。环境温度低于0℃，或者板厚大于30mm时，要采用预热的措施;引弧和熄弧尽量采用引弧板和熄弧板，不允许在构件表面引弧，如产生熄弧弧坑，应将其补焊后再磨平，并对补焊或磨平部位进行探伤检查。对于重要的承压设备，如液压管道、承压容器等，选用组合的焊接方法，采用内部充氩气，氩弧焊打底单面焊双面成型的方法，手工焊填充盖面的方法，这样既能保证内部焊接质量，又能提高焊接效率。在超临界、超超临界锅炉中，集箱如采用马氏体耐热钢10Cr9Mo1VNbN、10Cr9WMoVNbBN等材料时，焊接接头热影响区容易蠕变裂纹，要严格焊接线能量以及控制层间温度，对上述材料所有接头，为了达到完全相变获得马氏体组织，焊后应冷却到100℃以下保温0.5～1h，随后可进行焊后热处理。
焊接构件如有缺陷，应在焊接热处理前进行返修。返修前，通过焊接探伤确定缺陷的位置和大小，返修前缺陷应彻底清除原有的缺陷，保持修补处圆滑过渡，并分析产生缺陷的原因，制定可行的返修方案。当返修的焊件刚性很大，且返修量较大时，应适当提高预热的温度，必要时采用后热措施，防止产生过大的焊接应力和焊接裂纹。焊缝返修完成后，应按焊缝原有的焊接质量标准进行检查，必要时，可适当补充检查项目，确保返修质量万无一失。
本文通过对内燃机及配件焊接母材的焊接性能、焊接材料的选择、焊接工艺性的正确选用，选择合理焊接方法，严格控制焊接工艺参数和线能量，采用预热、后热和焊后热处理的措施，保证焊接构件的外观质量，嚴格控制焊缝内部的组织和性能，能够满足了内燃机及配件的使用要求和运行安全要求。
参考文献：
[1]沈根平.焊接基本技能实训[M].北京：高等教育出版社，2016.
[2]王健安.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，1989.
[3]李亚江.焊接组织性能与质量控制[M].北京：化学工业出版社工业装备与信息工程出版中心，2005.
[4]周振丰，张文钺.焊接冶金与金属焊接性[M].北京：机械工业出版社，1989.
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.
关键词：内燃机;焊接;质量;控制
Key words： internal combustion engine;welding;quality;control
中图分类号：P755.1 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0141-02
0 引言
内燃机由于功率大，广泛应用于船舶，机车等大型运输工具。其使用特点是：工作压力大、工作环境温度的变化大，以及内燃机长时间连续工作;传动轴承受扭矩力很大，易形成区域性的应力集中，一旦超过了使用极限，在焊接处极易形成焊缝处失效。因此，控制内燃机及配件的焊接质量极为重要。
1 满足现场的焊接工艺文件和焊工
内燃机及配件的焊接工艺文件应包括焊接工艺规程（WPS）、支撑焊接工艺规程的焊接工艺评定文件（PQR）。而焊接工艺评定应根据现场的母材以及厚度、接头的形式编制预制焊接工艺规程（PWPS），再由熟练焊工对试板进行焊接，焊接过程中每一道的焊接参数，电流、电压、焊接速度、层间温度等需要进行记录（注意：记录的数据是现场操作的实际值或实际平均值，是一个数值），以便计算焊接线能量。焊接试样按相关规范进行表面检测、内部质量检测和机械性能试样。检测的结果符合焊接规范后，依据焊接过程中记录的参数和检测的结果，编制焊接工艺规程（WPS），焊接工艺规程中的焊接参数，是根据焊接记录的参数，在焊接规范内的一个范围值。焊接工艺评定不是一劳永逸的，必须在规范允许的范围内使用（不同规范的允许的范围不一样），如果焊接时所用的重要参数或附加重要参数超过原有的范围，需要补做试验或者重新评定。同时，焊工焊接材料和能焊接的位置也应该满足现场焊接的要求，并且在有效期内。各种常用焊接方法、典型焊接结构，应制定相应的焊接工艺评定或焊接细则。
2 选择最佳的焊接接头型式
在内燃机机构设计过程中，要尽量少采用焊接结构，因为焊接过程中由于是不均匀加热，必然会导致焊接变形和焊接应力，对产品的精度和使用寿命会有影响。对一定要采用焊接件和维修时，尽量根据材料的厚度，选择焊接变形小的焊接方法;在厚板选择坡口时，在保证熔透的前提下，尽量采用对称坡口，同时尽量采用填充量少的U型坡口，最大程度的减少焊接应力和焊接变形。同时还应考虑操作者的难易程度，尽量在操作者最有利的位置焊接，能提高效率和保证焊接质量。
3 选择正确的焊接材料
3.1 焊接材料的作用
①保护作用：焊接过程中焊接冶金过程中产生的气体、熔渣或直接保护的保护气体，将高温金属与外界空气隔离，防止金属表面被氧化，从而对熔池起到保护作用。②冶金作用：焊接冶金过程中，焊接填充材料与熔融的金屬发生一系列的化学冶金反应，可以通过焊接冶金反应向焊缝中过渡有益的合金元素，另一方面可以通过脱硫、脱磷、脱氧等化学反应去除焊接母材中的氧、氮、硫、磷等杂质，使得所形成的焊缝化学成分均匀一致，改善焊缝的组织，提高焊缝金属的力学性能。③填充作用：焊接材料作为焊缝的填充材料，熔融的焊接材料填入焊缝坡口内，形成均匀一致的焊缝。④改善材料焊接工艺性能：焊接材料的性能一般由于母材，通过填入焊接材料，可以提高电弧的稳定性、减少焊接过程中的飞溅、改善材料的焊接成型，使原材料的焊接工艺性有所改善。
3.2 焊接材料选用的原则
①对于一般的结构钢焊接，采用与母材等抗拉强度等级相匹配原则。但强度等级较高，结构较复杂，易产生淬硬组织的高强钢或者高合金钢，采用多层多道焊打底焊时，允许采用比母材抗拉强度低5%～10%的焊接材料进行焊接，但焊接接头整体强度仍应不低于母材抗拉强度的最小值。对于特殊环境使用的材料，如低温韧性，除满足焊缝的抗拉强度外，还应满足低温冲击韧性。对于结构拘束度较大的焊件或承受疲劳载荷的焊接结构，根部打底焊道可选用含硫量、含磷量、含碳量较低焊接材料，填充层和盖面层应选用塑性较好、强度相当的碱性焊条而不应该选用酸性焊条。②对于高温环境使用的耐热钢材料的焊接，除了采用强度等级等强匹配外，还应重点考虑高温环境下的力学性能，同时考虑高温抗氧化性和高温强度，高温条件下的抗腐蚀性，以及在高温下长期运行下，焊缝组织及热影响区的稳定性，因此应尽可能化学成分和强度等级都一致的焊接材料。③对于异种材料的焊接，应尽考虑其焊缝组织、接头成分以及母材线膨胀系数、导热系数的差异，焊接过程中合金元素会从高的地方向低的区域移动，造成合金元素的稀释、碳迁移，同时由于在焊接过程的不均匀受热、易形成较大的焊接变形和焊接应力，易形成焊接的薄弱区域，容易形成焊接构件的失效。因而，碳钢和不锈钢的焊接，一般采用铬、镍含量更高一点的奥氏体不锈钢焊条，对于铬钼耐热钢焊接和不锈钢的焊接，宜采用含镍量较高的焊丝或焊条。 4 预热、后热及焊后热处理
4.1 预热的作用及措施
对于母材含碳量过高，合金元素含量高，板厚超过30mm，焊接环境温度低于0℃，结构刚性较大等，焊前应采用预热的方法，减少焊缝和环境的温度差，减缓焊缝的冷却速度，防止产生焊接裂纹。预热还可以排除焊接区的水分和湿气，排除了水分也就排除了产生氢气的根源。
预热最好炉中加热后保温，也可以采用履带式加热和烘枪加热的方法，履带式加热的温度上升较慢，烘枪加热的特点速度快，但温度差异较大。局部加热的方法一般在焊接坡口两侧各75～100mm范围内，加热并保温一段时间，应保持一个均热区域。温度测量的点应取在热区域的边缘。对于对接接头每侧加热宽度不得小于板厚的3～5倍，且不小于100mm。不同厚度钢材需要预热的条件见表1。
4.2 后热的作用及措施
后热是将焊件保温缓冷，可以减缓焊缝和热影响区的冷却速度，起到与预热相同的作用。在后热中主要是消氢处理：即焊后立即将工件加热到250～350℃范围，保温2～6小时，后空冷。后热主要是加速焊缝金属中氢的逸出，大大降低焊缝和热影响区中的含氢量，从而减少氢脆、氢气孔和冷裂纹的产生。
4.3 焊后热处理的作用及措施
母材金属碳当量大于0.60%，合金含量高，处在低温下工作环境下的压力容器及其它低温焊接结构，特别是温度低于脆性转变温度的压力容器;承受交变载荷的重要构件，容易产生延迟裂纹倾向较大的合金钢和高碳钢，焊后需要焊后热处理，其方法是将焊件整体或局部加热保温，然后炉冷或空冷的一种处理方法。焊后热处理的作用，软化焊接区域的淬硬部位，降低焊接接头的残余应力，改善焊缝和热影响的组织和性能，提高焊接区的塑性和韧性，稳定焊接结构的尺寸。
焊后热处理主要有：整体焊后热处理和局部热处理。整体加热处理：将焊件置于热处理炉中整体加热处理， 然后保温，使构件整体加热。焊件进行进炉和出炉时的温度应控制在300℃以下，其加热和冷却速度与板厚有关。对于厚壁容器，加热和冷却速度为50～150℃/h，整体热处理时炉内各区域的最大温差不得超过50℃。如果构件太大需分成二次或多次处理时，重叠的部分应在1.5m以上。而对于尺寸较长不便整体处理，但形状比较规则的简单筒形容器、管件，可以进行局部处理。局部处理，应保证焊缝两侧有足够的加热宽度，一般为3倍的板厚，3倍的板厚小于100mm的取100mm。
5 装配与焊接
选材过程中，尽量选用硫、磷含量较低的母材和和焊材，这样会改善钢材的力学性能以及提高抗裂纹的能力。应尽量选用构件下料过程中，尽量采用激光切割的方法，下料尺寸精度高，装配时尺寸要控制。若采用其他方法下料，装配过程中不能强制装配，这样焊后会产生较大的应力。焊件的装配和定位焊，应采用和正常焊接一样焊接工艺和焊接材料。焊接筒状、集箱等重要部位时，应考虑合理焊接工艺参数、焊接线能量、合理装配和焊接顺序对构件的焊接应力和焊接变形的控制是至关重要的。环境温度低于0℃，或者板厚大于30mm时，要采用预热的措施;引弧和熄弧尽量采用引弧板和熄弧板，不允许在构件表面引弧，如产生熄弧弧坑，应将其补焊后再磨平，并对补焊或磨平部位进行探伤检查。对于重要的承压设备，如液压管道、承压容器等，选用组合的焊接方法，采用内部充氩气，氩弧焊打底单面焊双面成型的方法，手工焊填充盖面的方法，这样既能保证内部焊接质量，又能提高焊接效率。在超临界、超超临界锅炉中，集箱如采用马氏体耐热钢10Cr9Mo1VNbN、10Cr9WMoVNbBN等材料时，焊接接头热影响区容易蠕变裂纹，要严格焊接线能量以及控制层间温度，对上述材料所有接头，为了达到完全相变获得马氏体组织，焊后应冷却到100℃以下保温0.5～1h，随后可进行焊后热处理。
焊接构件如有缺陷，应在焊接热处理前进行返修。返修前，通过焊接探伤确定缺陷的位置和大小，返修前缺陷应彻底清除原有的缺陷，保持修补处圆滑过渡，并分析产生缺陷的原因，制定可行的返修方案。当返修的焊件刚性很大，且返修量较大时，应适当提高预热的温度，必要时采用后热措施，防止产生过大的焊接应力和焊接裂纹。焊缝返修完成后，应按焊缝原有的焊接质量标准进行检查，必要时，可适当补充检查项目，确保返修质量万无一失。
本文通过对内燃机及配件焊接母材的焊接性能、焊接材料的选择、焊接工艺性的正确选用，选择合理焊接方法，严格控制焊接工艺参数和线能量，采用预热、后热和焊后热处理的措施，保证焊接构件的外观质量，嚴格控制焊缝内部的组织和性能，能够满足了内燃机及配件的使用要求和运行安全要求。
参考文献：
[1]沈根平.焊接基本技能实训[M].北京：高等教育出版社，2016.
[2]王健安.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，1989.
[3]李亚江.焊接组织性能与质量控制[M].北京：化学工业出版社工业装备与信息工程出版中心，2005.
[4]周振丰，张文钺.焊接冶金与金属焊接性[M].北京：机械工业出版社，1989.