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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流双金属气门连续驱动摩擦焊焊接工艺分析.精品文档.双金属气门连续驱动摩擦焊焊接工艺分析李金民周东:双金属气门连续驱动摩擦焊焊接工艺分析25双金属气门连续驱动摩擦焊焊接工艺分析Weldingprocessanalysisofbimetalvalvefrictionwielding李金民周东(石家庄金刚内燃机零部件集团有限公司)【摘要)对于双金属摩擦焊接气门,通过采取合理的摩擦焊接的工艺流程和合理摩擦焊接参数,使产品的质量最优,生产成本降到最低.(关键词】摩擦焊工艺流程热量计算焊接质量1前言随着内燃机的不断进步,双金属摩擦焊接气门的不断普及,摩擦焊
2、接的质量的要求也越来越高,选择合理的摩擦焊接的工艺流程和合理摩擦焊接参数就显得特别重要.合理的摩擦焊接的工艺流程可以减少原材料的消耗,减少热处理的成本;合理摩擦焊接参数可以提高焊接处的强度,甚至可以大于基体的强度,从而提高气门的可靠性.本文分析了焊接前热处理和焊接后热处理的工艺的利弊,连续驱动摩擦焊的产热原理和热量的计算.2双金属摩擦焊气门的工艺流程1,方案A_-J崭目棒料摩擦焊接热年t边一一一3,方案C瓣卜_.J察擦接热车飞边一消除应处理L校直3双金属摩擦焊气门的工艺方案分析上三方案,对于热处理来说,实质上是两种方案,工艺方案A是先焊接后热处理,而工艺方案B和C是头,杆分别进行热处理后再焊接
3、.现以4Cr5)Si2与5Cr21Mn9Ni4N焊接气门进行分析.1先焊接后热处理工艺方案此工艺方案的优点是节约能源,简化热处理工序.其难点在于恰当选择同时能保证不同材料使用性能的热处理工艺参数.因为5Cr21Mn9Ni4N固溶和时效温度比4Cr9Si2调质工艺中的淬火,回火温度高得多.所以,不能简单的选用5Cr21Mn9Ni4N或4Cr9Si2的热处理工艺参数.只能根据气门的使用要求,图纸的技术条件,同时兼顾头杆的性能来确定热处理工艺参数.实际上除了参照一些成熟的经验外,还应反复进行工艺性能试验,来选择合适的工艺参数.1,焊接后消除应力处理工艺焊接后的焊缝存在很大的应力,焊缝附近的4Cr9S
4、i2段是淬火马氏体组织,硬而脆,不利于以后的校直工序.所以必须在焊接后及时采取消除应力的热处理.这种热处理工艺参数的选择要考虑两个方面:一是消除焊接应力;二是使4Cr9Si2段焊缝及其影响区的淬火马氏体转变回火索氏体,降低该区域的硬度,便于校直.一般采用的消除应力处理的工艺为700保温90min空冷.2,最终热处理(1)淬火(固溶)温度的选择对于钢厂供应的5Cr21Mn9Ni4N钢是不完全固溶状态,所以淬火温度主要考虑4Cr9Si2的淬火温度.温度过高将使4Cr9Si2的晶粒度粗大,室温性能下降,且不利于以后的杆端高频淬火.因而把加热温度定为1050.由于两种材料的传热系数不同,为使淬火时加热
5、均匀,一般在装入淬火炉前,26内燃机配件2009年第3期先在82013进行预热.(2)回火(时效)温度的选择按5Cr21Mn9Ni4N时效温度,应在75013最佳,但对于4Cr9Si2段,如果采用75013回火,其机械性能将下降很多.为不使4Cr9Si2的性能下降,采用65013回火.圆火后的冷却,为防止4Cr9Si2的第二回火脆性,采用水冷.(3)对于先焊接后热处理的较合适的工艺是:820E预热15分钟+105013保温l0分钟油淬+65013保温90分钟水冷.2先热处理后焊接的工艺方案对于5Cr21Mn9NN和4Cr9Si2各自进行最佳的热处理,然后进行焊接,焊接后进行消除应力处理.l,5
6、Cr21Mn9Ni4N固溶一时效处理:试验得到适宜工艺参数115013119013固溶加热保温0.51小时,水冷至室温,7401378013时效1014小时,时效后空冷.2,4Cr9Si2调质处理:82013预热14min+1050保温10min油冷+650保温90rain水冷.3,焊接后消除应力处理:先热处理后焊接,在焊缝区0.5mm左右范围内有明显的热影响区.此区对5Cr21Mn9Ni4N没有什么影响,只是晶粒度发生变形,而对于4Cr9Si2影响较大.由于摩擦焊接已达4Cr9Si2的淬火温度,随后空冷时转变为马氏体组织,硬度达到HRC5659.因此焊接后必须进行消除应力处理.同时使热影响区
7、的4Cr9Si2部分的淬火马氏体组织转变为回火索氏体.消除应力处理工艺参数650保温90min水冷.通过上述工艺方案分析可看出,为了达到同时发挥两种材料的最佳性能值,各自先进行热处理再焊接的工艺方案比较合理,但有的钢厂的5Cr21Mn9Ni4N已经不完全固溶处理,性能已达到图纸技术要求,那么先焊接后热处理的工艺方案也是可行的.4双金属摩擦焊气门的连续驱动摩擦焊工艺1,连续驱动摩擦焊原理焊前,待焊接的一对工件中,一件夹持于旋转夹具,称为旋转工件,另一件夹持于移动夹具,称为移动工件.焊接时,旋转工件在电机驱动下开始高速旋转,移动工件在轴向力作用下逐步向旋转工件靠拢,两侧工件接触并压紧后,摩擦界面上
8、一些微凸体首先发生粘接与剪切,并产生摩擦热.随着实际接触面积的不断增大,摩擦扭矩迅速升高,摩擦界面处温度也随之上升,摩擦界面逐渐被一层高温粘塑性金属所覆盖.此时,两侧工件的相对运动实际上已发生在这层粘塑性金属内部,产热机制已由初期的摩擦产热转变为粘塑性金属层内的塑性变形产热.在热激活作用下,这层粘塑性金属发生动态再结晶,使变形抗力降低,故摩擦扭矩升高到一定程度(前峰值扭矩)后逐渐降低.随着摩擦热量向两侧工件的传导,焊接面两侧温度亦逐渐升高,在轴向压力作用下,焊合区金属发生径向塑性流动,从而形成飞边,轴向缩短量逐渐增大.随摩擦时间延长,摩擦界面温度与摩擦扭矩基本恒定,温度分布区逐渐变宽,飞边逐渐
9、增大,此阶段称之为准稳定摩擦阶段.在此阶段,摩擦压力与转速保持恒定.当摩擦焊接区的温度分布,变形达到一定程度后,开始刹车制动并使轴向力迅速升高到所设定的顶锻压力此时轴向缩短量急骤增大,并随着界面温度降低,摩擦压力增大,摩擦扭矩出现第二个峰值,即后峰值扭矩.在顶锻过程中及顶锻后保压过程中,焊合区金属通过相互扩散与再结晶,使两侧金属牢固焊接在一起,从而完成整个焊接过程.在整个焊接过程中,摩擦界面温度一般不会超过熔点,故摩擦焊是固态焊接.2,连续驱动摩擦焊重要参数:摩擦量F(加热量规格)摩擦时间t1(时间规格)摩擦压力P,焊接时,在摩擦加热过程中,轴向给的压力;顶锻压力P2焊接时,在顶锻过程中,轴向
10、给的压力;刹车延时t2焊接时,开始顶锻到开始刹车的时间间隔;保压时间t3焊接时,顶锻压力保持的时间;3,气门的材料多是奥氏体和马氏体材料,两者属于变形抗力较大的高强材料,在焊接时宜采用先顶锻后刹车的工艺.4,气门摩擦焊接时的热量计算:在焊接的过程中,产生热量的主要是周向摩擦力,其次是轴向的压力(摩擦压力P,);但前者远大于后者,摩擦力的大小主要取决于轴向压力.,=S=2pPlr=fLL=刑f注:厂摩擦力;W,摩擦力做的功;cc,角速度;李金民周东:双金属气门连续驱动摩擦焊焊接工艺分析27由得2lnPlwR.t一=2,删=由得出摩擦力的功率Pr:2/rP1wR3轴向摩擦压力P1的功率P轴=P1V
11、台;台工作台速度由得出加热总功率P总=(Ps+P轴)=17(十2P.V台)叩效率由知在孙一定的前提下,P总主要和Pl,R,y台有关;由材料的所需能量公式Q=CMT整;C材料的比热,M质量,T差温度的差值;在摩擦焊接的过程中,单位时间内的所需的能量为:Q=(C马氏体p马氏体cIV马氏体+c奥氏体p奥氏体dV奥氏体)T差(C马氏体p马氏体V马氏体+C奥氏体P奥氏体V臭氏体)(V马氏体+V奥氏体=V台(在摩擦焊的过程中,材料半径R一定,通过调节摩擦压力Pl和工作台速度V台使在摩擦时间tl内与平衡是摩擦焊参数调节的关键.5,刹车延时t2一般在0.1S0.25S之间,直径大的刹车延时也就相应的长;保压时
12、间b越长越好,一般在2S5S,直径大的保压时间也就相应的长.5摩擦焊接质量的检测1,通过抗拉强度试验,通过强度值来反映焊接质量,如果参数调节到最佳,可以实现不从焊缝处断裂;2,通过100%超声波探伤来检验焊接处的缺陷;3,通过100%旋转弯曲试验来检验焊接处的质量.工件在旋转过程中,在垂直工件的方向上,一定的位置上,施加一定的力使工件发生弯曲,通过弯曲来检测焊接处的质量.6摩擦焊接处的微观组织的变化通过连续驱动摩擦焊接的原理可知,工件经过摩擦过程后,在顶锻过程及顶锻后保压过程中,焊合区金属通过相互扩散与再结晶,使两侧金属牢固焊接在一起,从而完成整个焊接过程.焊合区金属通过相互扩散与再结晶,晶粒
13、度发生明显变化,通过金相图片可以看出焊缝处晶粒度明显偏细(见图1).豳17结论1,不同摩擦焊接的工艺流程,摩擦焊接的参数不同;采取什么样的工艺流程要根据图纸的要求和原材料的状态而定.2,通过计算和试验选择合理的摩擦焊接参数对焊接的质量有至关重要.参考文献1王中平,张立军,周正航,陈永平.摩擦焊接工艺及设备的技术提升.(上接第20页)3)气门软氮化的弯曲和变形,除了同热处理后的组织与性能,存在校直应力有关外,更应关注机械加工应力的影响,假如经过氮化前去应力退火后,杆部直线度,盘锥面或底面跳动等变形较小,则证明气门的车削或磨削工艺参数是合理的,反之则证明其工艺参数是需要调整的.气门软氮化后出现弯曲或变形则应重点分析整个软氮化工艺与操作的正确性.4)对于需要抛丸的软氮化气门,应进行其变形量(直线度)与盘锥面跳动的检查,同时应确保气门整体的清洁,检验手段是采用湿布进行气门表面的擦拭,重点在锁夹槽,烟槽等凹部区域,如果有黑灰,则表明抛丸频率低或时间短.5)光饰或抛丸后的煮油可以用防锈水代替,这样可避免油脏吸附磨削砂粒,杂物或粉尘等,有助于提高气门的清洁度,同时也可减少清洗工序,是有比较明显效果的.