30CrMnSi活塞堆焊銅作導(dǎo)向環(huán)的工藝探索

武麗明 薛永鋒 武向宇 賀勝通 程 良 王 勝 李 健 甄延波 李 玲

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30CrMnSi活塞堆焊銅作導(dǎo)向環(huán)的工藝探索

武麗明1薛永鋒2武向宇3賀勝通1程 良1王 勝1李 健1甄延波1李 玲1

（1. 長治清華機械廠，長治 046012；2.上海沿鋒汽車科技股份有限公司，上海 201204；3.山西汾西工程建設(shè)有限責任公司建安公司，介休 032000）

采用MIG堆焊方法在30CrMnSi活塞上堆焊銅合金來代替導(dǎo)向環(huán)，通過理論分析、接頭宏觀檢驗及油缸試驗等方法，得到了合理的工藝參數(shù)及工藝流程。采用該工藝參數(shù)及工藝流程，成功解決了堆焊銅導(dǎo)向環(huán)劃傷缸筒的問題，得到一種在特殊結(jié)構(gòu)活塞上功能相當于標準導(dǎo)向環(huán)的焊層。

30CrMnSi；油缸；導(dǎo)向環(huán)；堆焊；工藝參數(shù)

1 引言

導(dǎo)向環(huán)安裝在活塞上，高于活塞基體，具有精確導(dǎo)向的作用，同時可吸收活塞運動時產(chǎn)生的側(cè)向力，改善活塞與缸筒的同軸度，使間隙均勻，保護密封圈，增加密封圈壽命，減小泄漏。同時導(dǎo)向環(huán)有良好的支承力、耐磨性與減磨性，既減小活塞磨損，又避免缸筒劃傷，是活塞與活塞動密封裝置中不可缺少的零件。

某油缸由于功能與結(jié)構(gòu)需要，活塞寬度受限，無法滿足活塞上安裝標準件所需寬度尺寸，需要用活塞表面堆焊耐磨減磨材料替代標準導(dǎo)向環(huán)。

銅及銅合金有較高的強度、彈性、耐磨性，低硬度，在摩擦時會產(chǎn)生金屬流動，使摩擦面更平整，壓強變小。銅及銅合金有自潤滑特性，有異物侵入會鑲?cè)肫渲?。具有良好的減摩屬性，適合作為堆焊材料[1]。

銅與鋼的原子半徑、晶格類型、晶格常數(shù)及原子外層電子數(shù)目等都比較接近，且銅與鐵在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)下，雖為有限互溶，但是并不形成脆性金屬化合物。因此理論上，可以形成正常的焊接接頭[2]。但是，由于銅與鐵的熔點、導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)和力學性能等物理特性都有很大的不同，銅-鋼焊接時容易在接頭處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊接裂紋產(chǎn)生。

銅表面的裂紋與氣孔中會聚集鐵屑等異物，容易劃傷缸筒表面。結(jié)合面間有裂紋，會引起滲漏。因此選擇適合的焊接和熱處理工藝來探索銅在鋼上堆焊的可行性很有必要。

2 實驗內(nèi)容及方法

2.1 材料選擇

油缸活塞材料為30CrMnSi，主要化學成分見表1。

表1 30CrMnSi鋼的化學成分 %

30CrMnSi是一種高強度調(diào)質(zhì)鋼，淬透性高，熱處理后有較高的強度與足夠的韌性，用來制造軸、齒輪等重要用途的零件，同時具有較好焊接性能。

常用的具有耐磨減摩銅材料有錫青銅、鋁青銅和硅青銅三種。錫青銅液-固溫度范圍寬，偏析較嚴重，易生成粗大而脆弱的枝晶組織，使焊縫疏松，甚至構(gòu)成氣孔。此外，錫青銅高溫強度和塑性低，具有較大熱脆性，故焊接時易產(chǎn)生熱裂紋。鋁青銅的主要困難是鋁的氧化，生成致密而難熔的Al2O3[3]，不易形成組織均勻的焊縫。硅青銅是銅合金中最易焊接的一種，因?qū)嵯禂?shù)比其他銅合金低，焊前不需預(yù)熱，液態(tài)金屬流動性好，硅還具有良好的脫氧作用。因此選擇硅青銅作為堆焊材料，焊絲選用硅青銅焊絲SCu6560-GB9460，直徑1.2mm，具體化學成分見表2。

表2 硅青銅焊絲化學成分 %

2.2 工藝路線

活塞的調(diào)質(zhì)硬度為HB280～320, 回火溫度為550～600℃，硅青銅的焊接溫度低，基體不會因熱影響而軟化，所以活塞可以在調(diào)質(zhì)后焊接?；钊に嚵鞒淌饺鐖D1所示。

圖1 工藝實驗流程圖

2.3 焊接方法

本實驗所用焊接方法為MIG焊，MIG焊接電弧可見，便于觀察，可及時調(diào)整焊接參數(shù)；自動化焊接保證焊接質(zhì)量一致，沒有因人為因素產(chǎn)生的焊接質(zhì)量差異；電弧氣氛中的含氫量容易控制，可以減小氣孔與冷裂傾向；MIG焊熱量集中，熔池小，熱影響區(qū)窄，焊接變形小。采用MIG焊可有效控制焊接質(zhì)量，減少焊接缺陷。

MIG焊具有較大的電弧功率，焊接前可不進行預(yù)熱，但需要控制焊接參數(shù)、焊后冷卻速度，以得到滿足使用質(zhì)量要求的焊縫[4]。焊機自帶旋轉(zhuǎn)工裝。將活塞裝卡于旋轉(zhuǎn)工裝上，堆焊時焊接參數(shù)可保持穩(wěn)定。

2.4 焊接參數(shù)

MIG焊機之前僅使用過一種直徑1.2mm的焊絲，因此活塞堆焊選用SCu6560—GB9460直徑1.2mm的硅青銅焊絲，此直徑焊絲找不到相關(guān)焊接參數(shù)資料，需要通過調(diào)整焊機參數(shù)進行試焊查看焊道成形情況，直到形成需要的焊接高度、工作面與層間結(jié)合質(zhì)量的熔敷層。焊接參數(shù)為110～120mA，電壓14～15V，焊機轉(zhuǎn)速550mm/min，氣體流量 13～15L/min，滑雪 4mm時，堆焊焊道成形均勻質(zhì)量好，焊高可達4mm。

進行粗加工時，發(fā)現(xiàn)焊層與基體結(jié)合不牢固，有脫皮剝離現(xiàn)象，重新投入試驗件。試驗情況見圖2。

圖2 剝離結(jié)合面情況

以上現(xiàn)象表明，焊接電流小，焊縫熔池小。重投試驗件，并加大電流電壓試堆。焊接參數(shù)：電流140～150mA，電壓14～15V，焊機轉(zhuǎn)速550mm/min，氣體流量14～16L/min，滑雪5mm時，符合焊接質(zhì)量要求。

2.5 試裝使用

根據(jù)設(shè)計尺寸要求將活塞加工成形后裝入油缸，按油缸試驗大綱進行試驗，試后拆檢查看油缸各零部件外表，每根缸筒與活塞劃傷嚴重，并不可修復(fù)，導(dǎo)致本批次缸筒與活塞全部作廢。劃傷情況見圖3。

圖3 產(chǎn)品表面劃傷與廢料圖

2.6 原因分析

復(fù)查零件尺寸、形狀、光潔度、缸筒硬度、配合間隙及油液的清潔度等使用與配合要素,均符合設(shè)計及相關(guān)標準要求。前面過程表明焊縫形狀、內(nèi)部氣孔等缺陷大小數(shù)量以及熔池深度不存在質(zhì)量問題，初步確定導(dǎo)致劃缸的主要因素應(yīng)為：活塞堆焊的質(zhì)量存在問題，即焊縫晶體組織等化學性能與使用表面局部或全部的硬度等物理性能不能滿足使用要求。

焊層機加后僅2mm，厚度薄，且熔敷在鋼基體圓周上，一般硬度計不支持這種情況下測量，也就是即使有讀數(shù)，所測數(shù)據(jù)不準確，同時沒有晶相檢測手段，因此要找到正確的焊接工藝與處理方法主要通過試驗、分析、總結(jié)。

決定焊縫質(zhì)量的要素有：焊縫形狀；焊縫中所含氣孔、白點、夾雜、裂紋的大小與數(shù)量；熔池深度；焊縫的晶體組織與力學性能共四類。焊縫的化學性能與物理性能主要由母材與填充材料的化學成份與質(zhì)量共同決定，其次為焊接區(qū)中的空氣、周圍介質(zhì)等外來因素對焊縫組織的影響。

母材選用GJB材料，焊材選用GB材料，按規(guī)定所有材料在經(jīng)審核的有資質(zhì)的固定生產(chǎn)廠購買，材料入廠后按規(guī)范每批次做相應(yīng)的復(fù)驗與理化分析，沒有不符合項。

焊前對母材進行清潔與烘干處理，保護氣體用純氬氣，這樣極大地控制了外界對焊接質(zhì)量的影響。通過有效控制焊材、母材與焊接過程質(zhì)量得出，影響劃缸的原因為焊接工藝本身。

焊接是將基材局部熔化，并用熔化焊材填充的過程。由于分子高溫運動與保護氣流的吹動，基體材料與焊絲材料混合，焊縫中就有兩種材料成份。銅焊接加熱溫度高、加熱時間與冷卻時間短，焊縫會產(chǎn)生晶粒粗大與淬硬傾向，兩種材料沒有時間充分混合，出現(xiàn)了局部純基材或焊材的不均勻情況，30CrMnSi淬火硬度高于HRC55[5]，局部硬度過高，造成拉缸。

特殊結(jié)構(gòu)活塞需要一定的強度，其基體不能用銅合金替代。缸筒屬于壓力容器，要求有一定的塑性，硬度不能太高。這樣解決油缸劃傷只能從降低焊縫中基材成份著手。

2.7 質(zhì)量組成

重投試件，按級選6組焊接參數(shù)，其中一組為未熔合焊縫參數(shù)，各投3件。焊后對工作面的化學成份分析。工藝參數(shù)與質(zhì)量情況見表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

表3中最后一列為各焊接參數(shù)接頭中的鐵含量，結(jié)果表明隨著焊接電流的增大，F(xiàn)e的擴散越嚴重。原因為：電流增大，焊接熔池大，焊接冷卻時間長，F(xiàn)e的擴散時間隨之增加；焊接電流大，焊接熱輸入大，接頭的溫度高，從而增加了原子間的擴散系數(shù)。

圖4 試驗件焊接成形分析

宏觀上看，第4組參數(shù)3個試件質(zhì)量穩(wěn)定一致，沒發(fā)現(xiàn)任何缺陷，比其它參數(shù)質(zhì)量高。試驗情況見圖4。

2.8 局部試驗

將不同焊接參數(shù)的試驗件編號，選取硬度無差別缸筒，加工各組焊件和缸筒，做磨擦試驗。

為排除磨擦力度和次數(shù)等因素對拉溝程度產(chǎn)生的影響，將試件分三組系列，每一組由同一人按相同次數(shù)進行試驗。結(jié)果表明：表3中第5項參數(shù)三件拉溝比較嚴重，第6項幾乎沒有。試驗情況見圖5。

圖5 局部磨擦試驗

4 工藝改進

將基體直徑變小，增大焊層厚度，拉開基體擴散距離，減小基材在焊縫中的含量。

鋼的熔點為1515℃，銅的熔點為1083℃，所以銅與銅的焊接溫度低，可以用小電流。

用表3第4組參數(shù)焊接第一層后去掉外部氧化皮，用第6組參數(shù)焊第二層，機加到使用尺寸。成份分析表明，工作面無基體材料。改進后的工藝流程見圖6。

圖6 改進后的工藝實驗流程圖

5 工藝改進后試驗

工藝改進后進行局部試驗、整缸試驗、可靠性試驗與實戰(zhàn)試用。試驗后情況見圖7。

可以看出，產(chǎn)品摩擦表面光滑、磨損均勻，無劃傷與拉溝現(xiàn)象。活塞表面附著物為無絲狀、顆粒狀固體的油脂狀細沫,油濾濾網(wǎng)上也沒有金屬屑與橡膠屑等雜物。檢查產(chǎn)品活塞直徑，與裝配前一致。組裝后按產(chǎn)品試驗大綱重新試驗，產(chǎn)品各項指標全部滿足大綱要求。

將工藝改進后的油缸交付部隊進行聯(lián)調(diào)與靶試，三年多來油缸性能良好，無任何異?，F(xiàn)象，裝備能夠順利完成各項工作任務(wù)。

6 結(jié)束語

隨著焊接電流的增大，堆焊層表面的含F(xiàn)e量逐漸增大，劃缸情況越明顯；當鋼銅焊接電流為180～190mA、電壓為18～19V、焊接速度為630mm/min、氣體流量為16～18L/min，銅焊接電流110～120mA、電壓為11～12V、焊接速度為700mm/min、氣體流量為13～15L/min時，焊接質(zhì)量好，可以保證高度等焊接要求；30CrMnSi活塞上堆焊兩層硅青銅代替導(dǎo)向環(huán)，采用本文章的焊接參數(shù)及工藝路線初步可行。

1 張寶昌. 有色金屬及其熱處理[M]．西安：西北工業(yè)大學出版社，1993：100～160

2 禹業(yè)曉，李玉龍，徐健寧．Q235鋼板表面TIG法熔覆銅接頭的組織和力學性能[J]．航空材料學報，2014，34(1)：62～67

3 潘育誠. 鑄鋼件基體上鋁青銅的堆焊[J]．科技信息，2007(23)：30～35

4 李亞江，王娟，劉鵬．異種難焊材料的焊接及應(yīng)用[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2004：176

5 徐天祥，樊新民．熱處理實用技術(shù)手冊[M]．南京：江蘇科學技術(shù)出版社，2001：50～100

Preliminary Discussion of Surfacing Copper Alloy onto 30CrMnSi Piston

Wu Liming1Xue Yongfeng2Wu Xiangyu3He Shengtong1Chen Liang1Wang Sheng1Li Jian1Zhen Yanbo1Li Ling1

(1. Changzhi Qinghua Machinery Factory, Changzhi 046012；2. Shanghai Yanfeng Auto Co.,Ltd, Shanghai 201204；3. Shanxi Fenxi Engineering Construction Jianan Company, Jiexiu 032000)

The guide ring is replaced with the copper alloy welded on the piston by the MIG surfacing method. The reasonable technological parameter and technological process are obtained through the theoretical analysis, the macroscopic examination of joint and the test of oil cylinder. Using the method, the problem that cylinder barrel is scratched by the guide ring of welding copper is resolved. A welding layer is acquired which amounts to the normal ring on the function of the special structure joint.

30CrMnSi；oil cylinder；guide ring；build-up welding；technological parameter

武麗明（1967-），高級工程師，工程機械專業(yè)；研究方向：特種油缸技術(shù)。

2017-03-02