丁 健，包国连
（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁沈阳 110167）
汽车发动机系统集合了汽车的燃料供给、冷却、润滑、点火、启动等重要功能，是保障汽车正常行驶的关键系统。发动机曲轴属于旋转结构件（见图1 所示），加工质量随着汽车生产加工技术的不断提升而逐渐优化完善，但加工难度较大，质量把握难度较大，对汽车发动机系统正常工作的稳定性、高效性、持久性都具有重要影响，对汽车安全行驶具有重要影响[1]。因此，汽车发动机生产加工企业必须确保安装使用的曲轴质量合格，汽车发动机检修时也必须全面检测并确保曲轴性能正常。
图1 曲轴结构图
某物流公司对所有物流车辆进行年度检修，发现重型卡车的发动机曲轴主轴颈皆存在一定的裂纹和磨损问题，如果不及时进行修复处理将给车辆行驶埋下严重的安全隐患。因此，必须进行彻底的检查检测和焊接修复，才能放心投入正常驾驶运营。
汽车是一个复杂系统的综合体，由多个系统构件共同组成，如发动机系统、电子系统、底盘承载架构等，整车零部件累计达数以万计，共同维持着整个车辆的行驶安全性[2]。其中，发动机系统是汽车行驶的核心系统，通过曲轴等关键零部件的协同作用，为汽车行驶提供前进动力[3]。大致可分为四个作用环节循环进行，分别是进气环节、压缩环节、发动机作业环节、排气环节[4]。
（1）进气环节：活塞处于最顶部位置，曲轴连带活塞移动，系统开始进气，随着活塞移动，气缸容积增加，气体进入气缸，气缸压强增加；
活塞逐渐移动到最底部，逐渐完成系统进气，气缸内的气体温度逐渐升高。
（2）压缩环节：曲轴连带活塞自下而上移动，同时闭合进出气口，导致气缸容积下降，逐渐压缩气体。
（3）发动机作业环节：火花塞移动作业，将压缩气体进行混合，形成可燃气体组分，随即进行点燃，气缸压强下降，活塞受压强变化影响自上而下移动。
（4）排气环节：首先曲轴带动连杆，同时打开排气口，活塞自下而上移动，排出气缸内燃烧废气。然后，再回到进气环节，四个作用环节循环进行。
2.1 汽车发动机曲轴装置
曲轴是汽车发动机系统的重要组成零部件，曲轴构件包含多个曲拐结构，每个曲拐结构由两个曲柄、两个曲轴颈、一个连杆共同组成。主要工作原理是通过活塞、连杆等零部件共同作用，循环进行进气、压缩气体、点燃、排气四个环节，将气体能量转换为旋转力矩，然后通过离合器、旋转飞轮、传动装置等给汽车行驶提供动力来源[5]。
综合考虑曲轴在汽车安全行驶过程中的重要性，以及在发动机系统运行过程中曲轴的工作原理与不可避免的磨损状态，要求曲轴生产加工必须高度重视其结构性能稳定性、材质耐磨性、以及出产检验合格性。
2.2 曲轴加工特点
汽车发动机系统曲轴生产加工过程中具有三个主要特点，分别如下：
（1）加工技术要求高。曲轴作为汽车发动机系统的关键零部件，在实际的曲轴生产加工过程中，需要严格按照图纸要求的加工尺寸及工序流程进行操作和完成，并严格执行较高的质量检测标准，确保生产加工完成的曲轴都能够完全满足性能要求和使用需求。曲轴不同于普通常规零部件，一般具有多个加工面，每个加工面具有多个加工尺寸、加工形状、加工工序顺序、加工参数等[6]。因此，为了确保曲轴在使用过程中性能稳定，保证汽车行驶安全，在曲轴加工过程中必须做到严格按工序顺序进行，尤其是精加工、粗加工顺序不能串，全面保证曲轴的加工精确性和性能可靠性。
（2）加工精度要求高。汽车发动机曲轴在旋转运行过程中，与主轴颈在同一径向连接的连杆轴颈之间必须存在图纸要求的偏心距，以确保整体系统运行性能[7]。因此，在曲轴生产加工过程中，需通过优化夹具设计、刀具应用等方式，有效降低曲轴工件加工误差，保证曲轴加工精度，进一步保证整个发动机系统的功能稳定性。
（3）加工刚性要求高。汽车发动机曲轴在运行过程中需要连接多种功能结构件，于是在设计时曲轴径向尺寸比较长，在生产加工时刚性要求难以把握，容易出现刚性不达标的问题[8]。因此，曲轴生产加工过程中，加工人员需要重视曲轴刚性要求，确保在粗加工、精加工过程中的夹具、刀具、进刀量等严格按照加工工艺要求执行。
3.1 焊接修复方法的选择
发动机曲轴常见的修复方法有刷镀和喷涂两种。第一种是针对磨损面积很小、很浅的情况，通过刷镀完成修复；
第二种是针对磨损面积较大、很浅的情况，通过喷涂完成修复[9]。这两种修复方法都有明显的局限性，即是磨损很浅，要求深度≤1mm，如果深度大了仍选用这两种方法进行修复，就极有可能出现修复涂层脱落的情况，起不到修复的效果[10]。因此，针对磨损量≥1mm 的情况，上述两种修复方法均不可用，需要研究使用其他更加适合的修复方法。
针对磨损量较大的曲轴损伤修复，需要考虑修复层与曲轴基体的结合强度，以及修复过程中所用装备与材料的取用方便性等因素，综合分析后发现电弧冷焊接修复比较适合，理由分别有：（1）电弧焊接为冶金结合，通过电弧焊接修复可以实现结合强度高，不至于出现修复层脱落问题；
（2）电弧焊接修复对基体磨损的磨损量、磨损面积、磨损深度没有限制，甚至普通裂纹也可以通过电弧焊接修复，修复适用范围更广；
（3）电弧焊接所用焊接设备简单，属于生产车间常用设备；
（4）电弧焊接修复所用的焊材为与曲轴同类铸件缺陷补焊使用，便于从生产车间取用；
（5）热焊工艺比冷焊工艺稍微复杂，且可能因内应力出现变形，优先选用冷焊接修复；
（6）冷焊一般常用的焊条有镍基异质焊条和球墨铸铁同质焊条，由于镍基异质焊条在铸件补焊过程中，可能再次出现白口缺陷，于是需要在焊接修复过程中优先选用球墨铸铁同质焊条。
综上所述，针对曲轴修复优先选用电弧冷焊接修复方法，并且优先使用球墨铸铁同质焊条。
3.2 球墨铸铁同质焊条的性质
焊条的化学成分、形状、药皮配方等直接影响着焊接效果，通过理论分析与实践验证，针对曲轴修复优先选用的球墨铸铁同质焊条相关性质，下面分两条进行简述。
（1）焊芯化学成分。焊芯选用强石墨化焊芯，具体成分如表1 所示。
表1 焊芯化学成分表 w/%
（2）焊条药皮配方。药皮选用低氢型药皮，具体配方如表2 所示。
表2 药皮配方质量分数 w/%
（3）焊条保存环境。焊条需要保持在350℃烘干箱内进行恒温烘干处理2h，然后放入60℃恒温保温桶内保存，在焊接使用时随用随取。
3.3 焊接修复工艺关键措施
针对曲轴的磨损与缺陷具体情况，制定四条修复工艺措施，具体如下。
（1）如果磨损较深或有裂纹，则先在裂纹两端钻止裂孔，并沿裂纹开V 形坡口；
如果磨损较浅则可以忽略。
（2）焊接之前，先通过氧乙炔火焰对待焊区域及周边区域进行预热处理，温度控制在300℃左右即可。
（3）焊接过程中，首先使用氩弧焊打底，然后再使用电弧焊进行填充、堆焊、盖面，针对裂纹较长或磨损区域较大的情况，需要使用短弧、短段的断续分段焊法。
（4）焊接完成后，立即使用小锤敲击焊缝，按照快速敲击，力量先重后轻的方式进行，紧接着就使用氧乙炔火焰对焊缝及周边区域进行保温缓降温处理，温度控制在200℃左右即可。
4.1 焊接修复前五项准备工作
（1）使用汽油将曲轴整体清洗干净，并检查检测存在裂纹或磨损等缺陷的位置，对这些位置进行彻底清洗，并将需要焊接修复区域的氧化层等杂质进行打磨处理，然后再进行彻底清理清洗，然后做标记。
（2）针对裂纹缺陷，需在裂纹两端径向外约10mm 位置钻止裂孔，要求止裂孔的方向为轴心方向，并使用角磨机沿裂纹方向在裂纹侧壁打磨约60°角的V 形坡口。
（3）针对无需焊接修复的区域，使用石棉进行包裹处理，确保曲轴表面在焊接过程中不被焊接熔渣损伤，产生新的缺陷影响曲轴正常性能参数。
（4）使用氧乙炔火焰对待焊区域及周边区域进行预热处理，温度控制在300℃左右。
（5）将计划使用焊条数量120%的焊条保持在350℃烘干箱内进行恒温烘干处理2h，然后全部放入60℃恒温保温桶内保存，确保在焊接过程中有充足数量的保温焊条可供使用。
4.2 焊接修复过程六项重点工作
（1）使用工艺要求的焊条，采用氩弧焊方式，对待焊区域进行打底焊接，采用直流反接形式，电流设置为160A。
（2）焊接修复填充焊采用直流反接形式，电流设置为100A。针对长度超过15mm 的较长型裂纹使用断续分段焊法，每段长度约10～15mm，并针对每一小段焊接完成后立即使用小锤敲击焊缝，按照快速敲击、先重后轻的方式进行，紧接着就使用氧乙炔火焰对焊缝及周边区域进行焊后热处理，并使用石棉覆盖处理，通过对焊道进行保温缓降温处理，确保焊缝及周边区域温度控制在200℃左右。
（3）然后，对焊缝进行彻底的清渣处理，再使用十倍放大镜检查，如果有裂纹需要立即铲除重新焊接修复，直至确认完整无裂纹。
（4）最后，再以同样的方式继续下一段焊接修复填充焊，并且确保下一段焊道在接头处完全覆盖上一段焊道。
（5）焊接修复整条裂纹的填充焊完成后，改为盖面焊，采用直流反接形式，电流设置为130A。
（6）曲轴整体上被标记的所有缺陷均完成焊接修复后，在石棉保温缓降温的情况逐渐恢复到室温状态，再根据曲轴图纸要求及加工工艺要求进行曲轴生产加工过程中的机械加工，最后确保曲轴的整体形状、尺寸、性能等完全达到合格曲轴要求。
本文首先通过对汽车发动机曲轴的功能重要性与结构特殊性，以及汽车发动机曲轴工作原理进行分析，突出了曲轴在汽车安全行驶过程中的关键性与重要性；
然后简要概述了汽车发动机曲轴的装置结构及加工特点；
紧接着分焊接修复方法的选择、球墨铸铁同质焊条的性质、焊接修复工艺措施三个方面分析了曲轴焊接修复工艺设计；
最后分曲轴焊接修复前准备和焊接修复过程两个方面，详细介绍了曲轴焊接修复过程。具体结论如下：
（1）发动机曲轴对汽车发动机系统正常工作的稳定性、高效性、持久性都具有重要影响，对汽车安全行驶具有重要影响。
（2）汽车发动机曲轴的工作原理可分为四个循环作用环节，分别是进气环节、压缩环节、发动机作业环节、排气环节。
（3）汽车发动机曲轴包含多个曲拐结构，生产加工过程中具有三个主要特点，分别是加工技术要求高、加工精度要求高、加工刚性要求高。
（4）汽车发动机曲轴焊接修复优先选用电弧冷焊接修复方法，并且优先使用球墨铸铁同质焊条，文中具体介绍了焊条焊芯化学成分、药皮配方等数据，以及需要严格参照执行的焊接修复工艺关键措施。
（5）详细介绍了曲轴实际焊接修复过程，具体包括焊接修复前五项准备工作，以及焊接修复过程六项重点工作，共同确保了曲轴的完全修复。
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