双金属气门连续驱动摩擦焊焊接工艺分析

1、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

2、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

3、再焊接 .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

4、.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 4Cr9Si2 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 .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

5、 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

6、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,5Cr21Mn9Ni4N 固溶一时效处理 :试验得到 适宜工艺参数 115013 119013 固溶加热保温 0.5 1小时,水冷至室温 ,74013 78013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

7、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

8、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 .

9、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

10、 ,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 给的压力 ;

11、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 =2,删= 由得出摩擦力的功率 Pr:

12、2/rP1wR3 轴向摩擦压力 P1的功率 P 轴=P1V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

13、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

14、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