雙金屬氣門(mén)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊焊接工藝分析

1、雙金屬氣門(mén)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊焊接工藝分析李金民周東:雙金屬氣門(mén)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊焊接工藝分析25雙金屬氣門(mén)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊焊接工藝分析Weldingprocessanalysisofbimetalvalvefrictionwielding李金民周東(石家莊金剛內(nèi)燃機(jī)零部件集團(tuán)有限公司)【摘要)對(duì)于雙金屬摩擦焊接氣門(mén),通過(guò)采取合理的摩擦焊接的工藝流程和合理摩擦焊接參數(shù),使產(chǎn)品的質(zhì)量最優(yōu),生產(chǎn)成本降到最低.(關(guān)鍵詞】摩擦焊工藝流程熱量計(jì)算焊接質(zhì)量1前言隨著內(nèi)燃機(jī)的不斷進(jìn)步,雙金屬摩擦焊接氣門(mén)的不斷普及,摩擦焊接的質(zhì)量的要求也越來(lái)越高,選擇合理的摩擦焊接的工藝流程和合理摩擦焊接參數(shù)就顯得特別重要.合理的摩擦焊

2、接的工藝流程可以減少原材料的消耗,減少熱處理的成本;合理摩擦焊接參數(shù)可以提高焊接處的強(qiáng)度,甚至可以大于基體的強(qiáng)度,從而提高氣門(mén)的可靠性.本文分析了焊接前熱處理和焊接后熱處理的工藝的利弊,連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊的產(chǎn)熱原理和熱量的計(jì)算.2雙金屬摩擦焊氣門(mén)的工藝流程1,方案A_-J嶄目棒料摩擦焊接熱年t邊一一一3,方案C瓣卜_.J察擦接熱車(chē)飛邊一消除應(yīng)處理L校直3雙金屬摩擦焊氣門(mén)的工藝方案分析上三方案,對(duì)于熱處理來(lái)說(shuō),實(shí)質(zhì)上是兩種方案,工藝方案A是先焊接后熱處理,而工藝方案B和C是頭,桿分別進(jìn)行熱處理后再焊接.現(xiàn)以4Cr5)Si2與5Cr21Mn9Ni4N焊接氣門(mén)進(jìn)行分析.1先焊接后熱處理工藝方案此工藝方案

3、的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約能源,簡(jiǎn)化熱處理工序.其難點(diǎn)在于恰當(dāng)選擇同時(shí)能保證不同材料使用性能的熱處理工藝參數(shù).因?yàn)?Cr21Mn9Ni4N固溶和時(shí)效溫度比4Cr9Si2調(diào)質(zhì)工藝中的淬火,回火溫度高得多.所以,不能簡(jiǎn)單的選用5Cr21Mn9Ni4N或4Cr9Si2的熱處理工藝參數(shù).只能根據(jù)氣門(mén)的使用要求,圖紙的技術(shù)條件,同時(shí)兼顧頭桿的性能來(lái)確定熱處理工藝參數(shù).實(shí)際上除了參照一些成熟的經(jīng)驗(yàn)外,還應(yīng)反復(fù)進(jìn)行工藝性能試驗(yàn),來(lái)選擇合適的工藝參數(shù).1,焊接后消除應(yīng)力處理工藝焊接后的焊縫存在很大的應(yīng)力,焊縫附近的4Cr9Si2段是淬火馬氏體組織,硬而脆,不利于以后的校直工序.所以必須在焊接后及時(shí)采取消除應(yīng)力的熱處理.這種

4、熱處理工藝參數(shù)的選擇要考慮兩個(gè)方面:一是消除焊接應(yīng)力;二是使4Cr9Si2段焊縫及其影響區(qū)的淬火馬氏體轉(zhuǎn)變回火索氏體,降低該區(qū)域的硬度,便于校直.一般采用的消除應(yīng)力處理的工藝為700保溫90min空冷.2,最終熱處理(1)淬火(固溶)溫度的選擇對(duì)于鋼廠供應(yīng)的5Cr21Mn9Ni4N鋼是不完全固溶狀態(tài),所以淬火溫度主要考慮4Cr9Si2的淬火溫度.溫度過(guò)高將使4Cr9Si2的晶粒度粗大,室溫性能下降,且不利于以后的桿端高頻淬火.因而把加熱溫度定為1050.由于兩種材料的傳熱系數(shù)不同,為使淬火時(shí)加熱均勻,一般在裝入淬火爐前,26內(nèi)燃機(jī)配件2009年第3期先在82013進(jìn)行預(yù)熱.(2)回火(時(shí)效)溫

5、度的選擇按5Cr21Mn9Ni4N時(shí)效溫度,應(yīng)在75013最佳,但對(duì)于4Cr9Si2段,如果采用75013回火,其機(jī)械性能將下降很多.為不使4Cr9Si2的性能下降,采用65013回火.圓火后的冷卻,為防止4Cr9Si2的第二回火脆性,采用水冷.(3)對(duì)于先焊接后熱處理的較合適的工藝是:820E預(yù)熱15分鐘+105013保溫l0分鐘油淬+65013保溫90分鐘水冷.2先熱處理后焊接的工藝方案對(duì)于5Cr21Mn9NN和4Cr9Si2各自進(jìn)行最佳的熱處理,然后進(jìn)行焊接,焊接后進(jìn)行消除應(yīng)力處理.l,5Cr21Mn9Ni4N固溶一時(shí)效處理:試驗(yàn)得到適宜工藝參數(shù)115013119013固溶加熱保溫0.5

6、1小時(shí),水冷至室溫,7401378013時(shí)效1014小時(shí),時(shí)效后空冷.2,4Cr9Si2調(diào)質(zhì)處理:82013預(yù)熱14min+1050保溫10min油冷+650保溫90rain水冷.3,焊接后消除應(yīng)力處理:先熱處理后焊接,在焊縫區(qū)0.5mm左右范圍內(nèi)有明顯的熱影響區(qū).此區(qū)對(duì)5Cr21Mn9Ni4N沒(méi)有什么影響,只是晶粒度發(fā)生變形,而對(duì)于4Cr9Si2影響較大.由于摩擦焊接已達(dá)4Cr9Si2的淬火溫度,隨后空冷時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織,硬度達(dá)到HRC5659.因此焊接后必須進(jìn)行消除應(yīng)力處理.同時(shí)使熱影響區(qū)的4Cr9Si2部分的淬火馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w.消除應(yīng)力處理工藝參數(shù)650保溫90min水冷.

7、通過(guò)上述工藝方案分析可看出,為了達(dá)到同時(shí)發(fā)揮兩種材料的最佳性能值,各自先進(jìn)行熱處理再焊接的工藝方案比較合理,但有的鋼廠的5Cr21Mn9Ni4N已經(jīng)不完全固溶處理,性能已達(dá)到圖紙技術(shù)要求,那么先焊接后熱處理的工藝方案也是可行的.4雙金屬摩擦焊氣門(mén)的連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊工藝1,連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊原理焊前,待焊接的一對(duì)工件中,一件夾持于旋轉(zhuǎn)夾具,稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)工件,另一件夾持于移動(dòng)夾具,稱(chēng)為移動(dòng)工件.焊接時(shí),旋轉(zhuǎn)工件在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下開(kāi)始高速旋轉(zhuǎn),移動(dòng)工件在軸向力作用下逐步向旋轉(zhuǎn)工件靠攏,兩側(cè)工件接觸并壓緊后,摩擦界面上一些微凸體首先發(fā)生粘接與剪切,并產(chǎn)生摩擦熱.隨著實(shí)際接觸面積的不斷增大,摩擦扭矩迅速升高,摩擦界面處

8、溫度也隨之上升,摩擦界面逐漸被一層高溫粘塑性金屬所覆蓋.此時(shí),兩側(cè)工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)際上已發(fā)生在這層粘塑性金屬內(nèi)部,產(chǎn)熱機(jī)制已由初期的摩擦產(chǎn)熱轉(zhuǎn)變?yōu)檎乘苄越饘賹觾?nèi)的塑性變形產(chǎn)熱.在熱激活作用下,這層粘塑性金屬發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,使變形抗力降低,故摩擦扭矩升高到一定程度(前峰值扭矩)后逐漸降低.隨著摩擦熱量向兩側(cè)工件的傳導(dǎo),焊接面兩側(cè)溫度亦逐漸升高,在軸向壓力作用下,焊合區(qū)金屬發(fā)生徑向塑性流動(dòng),從而形成飛邊,軸向縮短量逐漸增大.隨摩擦?xí)r間延長(zhǎng),摩擦界面溫度與摩擦扭矩基本恒定,溫度分布區(qū)逐漸變寬,飛邊逐漸增大,此階段稱(chēng)之為準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段.在此階段,摩擦壓力與轉(zhuǎn)速保持恒定.當(dāng)摩擦焊接區(qū)的溫度分布,變形達(dá)到

9、一定程度后,開(kāi)始剎車(chē)制動(dòng)并使軸向力迅速升高到所設(shè)定的頂鍛壓力此時(shí)軸向縮短量急驟增大,并隨著界面溫度降低,摩擦壓力增大,摩擦扭矩出現(xiàn)第二個(gè)峰值,即后峰值扭矩.在頂鍛過(guò)程中及頂鍛后保壓過(guò)程中,焊合區(qū)金屬通過(guò)相互擴(kuò)散與再結(jié)晶,使兩側(cè)金屬牢固焊接在一起,從而完成整個(gè)焊接過(guò)程.在整個(gè)焊接過(guò)程中,摩擦界面溫度一般不會(huì)超過(guò)熔點(diǎn),故摩擦焊是固態(tài)焊接.2,連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊重要參數(shù):摩擦量F(加熱量規(guī)格)摩擦?xí)r間t1(時(shí)間規(guī)格)摩擦壓力P,焊接時(shí),在摩擦加熱過(guò)程中,軸向給的壓力;頂鍛壓力P2焊接時(shí),在頂鍛過(guò)程中,軸向給的壓力;剎車(chē)延時(shí)t2焊接時(shí),開(kāi)始頂鍛到開(kāi)始剎車(chē)的時(shí)間間隔;保壓時(shí)間t3焊接時(shí),頂鍛壓力保持的時(shí)間;

10、3,氣門(mén)的材料多是奧氏體和馬氏體材料,兩者屬于變形抗力較大的高強(qiáng)材料,在焊接時(shí)宜采用先頂鍛后剎車(chē)的工藝.4,氣門(mén)摩擦焊接時(shí)的熱量計(jì)算:在焊接的過(guò)程中,產(chǎn)生熱量的主要是周向摩擦力,其次是軸向的壓力(摩擦壓力P,);但前者遠(yuǎn)大于后者,摩擦力的大小主要取決于軸向壓力.,=S=2pPlr=fLL=刑f注:廠摩擦力;W,摩擦力做的功;cc,角速度;李金民周東:雙金屬氣門(mén)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊焊接工藝分析27由得2lnPlwR.t一=2,刪=由得出摩擦力的功率Pr:2/rP1wR3軸向摩擦壓力P1的功率P軸=P1V臺(tái);臺(tái)工作臺(tái)速度由得出加熱總功率P總=(Ps+P軸)=17(十2P.V臺(tái))叩效率由知在孫一定的前提下

11、,P總主要和Pl,R,y臺(tái)有關(guān);由材料的所需能量公式Q=CMT整;C材料的比熱,M質(zhì)量,T差溫度的差值;在摩擦焊接的過(guò)程中,單位時(shí)間內(nèi)的所需的能量為:Q=(C馬氏體p馬氏體cIV馬氏體+c奧氏體p奧氏體dV奧氏體)=T差(C馬氏體p馬氏體V馬氏體+C奧氏體P奧氏體V臭氏體)(V馬氏體+V奧氏體=V臺(tái)(在摩擦焊的過(guò)程中,材料半徑R一定,通過(guò)調(diào)節(jié)摩擦壓力Pl和工作臺(tái)速度V臺(tái)使在摩擦?xí)r間tl內(nèi)與平衡是摩擦焊參數(shù)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵.5,剎車(chē)延時(shí)t2一般在0.1S0.25S之間,直徑大的剎車(chē)延時(shí)也就相應(yīng)的長(zhǎng);保壓時(shí)間b越長(zhǎng)越好,一般在2S5S,直徑大的保壓時(shí)間也就相應(yīng)的長(zhǎng).5摩擦焊接質(zhì)量的檢測(cè)1,通過(guò)抗拉強(qiáng)度試

12、驗(yàn),通過(guò)強(qiáng)度值來(lái)反映焊接質(zhì)量,如果參數(shù)調(diào)節(jié)到最佳,可以實(shí)現(xiàn)不從焊縫處斷裂;2,通過(guò)100%超聲波探傷來(lái)檢驗(yàn)焊接處的缺陷;3,通過(guò)100%旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)焊接處的質(zhì)量.工件在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,在垂直工件的方向上,一定的位置上,施加一定的力使工件發(fā)生彎曲,通過(guò)彎曲來(lái)檢測(cè)焊接處的質(zhì)量.6摩擦焊接處的微觀組織的變化通過(guò)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接的原理可知,工件經(jīng)過(guò)摩擦過(guò)程后,在頂鍛過(guò)程及頂鍛后保壓過(guò)程中,焊合區(qū)金屬通過(guò)相互擴(kuò)散與再結(jié)晶,使兩側(cè)金屬牢固焊接在一起,從而完成整個(gè)焊接過(guò)程.焊合區(qū)金屬通過(guò)相互擴(kuò)散與再結(jié)晶,晶粒度發(fā)生明顯變化,通過(guò)金相圖片可以看出焊縫處晶粒度明顯偏細(xì)(見(jiàn)圖1).豳17結(jié)論1,不同摩擦焊接的工藝流程,摩擦焊接的參數(shù)不同;采取什么樣的工藝流程要根據(jù)圖紙的要求和原材料的狀態(tài)而定.2,通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)選擇合理的摩擦焊接參數(shù)對(duì)焊接的質(zhì)量有至關(guān)重要.參考文獻(xiàn)1王中平,張立軍,周正航,陳永平.摩擦焊接工藝及設(shè)備的技術(shù)提升.(上接第20頁(yè))3)氣門(mén)軟氮化的彎曲和變形,除了同熱處理后的組織與性能,存在校直應(yīng)力有關(guān)外,更應(yīng)關(guān)注機(jī)械加工應(yīng)力的影響,假如經(jīng)過(guò)氮化前去應(yīng)力退火后,桿部直線度,盤(pán)錐面或底面跳動(dòng)等變形較小,則證明氣門(mén)的車(chē)削或磨削工藝參數(shù)是合理的,反之則證明其工藝參數(shù)是需要調(diào)整的.氣門(mén)軟氮化后出現(xiàn)彎