CN102019500B - 大功率柴油机铝合金活塞电子束焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及大功率柴油机铝合金活塞电子束焊接方法，其特征在于步骤为：活塞的清洗、装配，使装配间隙在0-0.03mm；对装配好的活塞进行焊前预热处理；将预热处理后的活塞送入真空室进行脉冲电子束焊接，其中真空度高于5×10-4mba，设备选用150kV高压电子束焊设备或60kV高压电子束焊设备；根据焊接熔深的大小，采取相应的电子束焊接工艺参数；焊接后采用修饰焊对焊缝进行修饰；最后进行热处理。它大大提高了铝合金活塞焊接中的电子束穿透能力，减少了焊接热输入，获得了大深宽比(可达40∶1)焊缝，有效解决了铝合金活塞焊接中铸铁镶环剥落、内冷油道焊接坍塌等问题，焊缝气孔率小于1％。，工艺简单、成品率高。
Description
技术领域
本发明涉及焊接领域，具体地说是一种铝硅合金活塞电子束焊接工艺，它适用于各种类型大功率柴油机铝合金活塞的焊接。
背景技术
活塞是内燃机上最关键的运动部件，在高温高压下承受反复交变载荷的作用，被称为内燃机的心脏。目前高功率、高速、低散热、低油耗及轻量化成为发动机的发展方向，随着发动机功率的不断提高，对活塞材料的性能提出更高要求。由于铝合金具有密度小、比强度高、导热性能好等一系列优点，被广泛用于活塞制造材料。一般来说，铸造铝合金具有良好的耐热性能，锻造铝合金塑性变形能力大，且具有较高的疲劳强度和脆性断裂强度。而对于大功率柴油机活塞来说不仅要求活塞顶的耐热性能好，而且在温度较低的销孔部位要求强度高，因此大功率柴油机活塞普遍采用由铸造活塞顶与锻造活塞体焊接而成的组合式活塞。为了提高活塞的耐磨性和耐高温性能，活塞顶采用了“高镍奥氏体铸铁镶圈”和“可溶盐芯铸造内冷油腔”等技术，为活塞的焊接带来了一系列技术难题。首先为了提高铸造铝合金强度性能，通常采取淬火-时效处理，在此状态下，铸造铝合金塑性较差，延伸率小于1％，焊接时在其热影响区极易产生平行于焊道的焊接裂纹，同时由于铸造铝合金内部气孔、疏松缺陷较多，焊接时容易产生大量的气孔缺陷；其次，由于铝合金与高镍铸铁热膨胀系数相差悬殊，焊接时活塞顶内的高镍铸铁镶环容易产生与铝基体剥离的现象；第三，活塞顶内的内冷油腔距离焊缝截面仅有5mm左右，焊接时若焊缝过宽会导致油道坍塌。基于活塞的材料特性及其结构特点，采用常规焊接方法根本无法实现活塞的焊接，而只能采用能量密度大，穿透能力强、焊缝深宽比大、焊接热影响区小的电子束焊接方法。采用直流连续束流电子束焊接，焊缝深度比仅能达到25∶1，并且焊接时气孔率高达4％-8％，不能达到理想的要求，因此，迫切需要研发一种新的焊接方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、焊接质量好的大功率柴油机铝合金活塞电子束焊接方法，通过采用脉冲束流电子束焊接的方式，解决活塞焊接中的焊缝开裂、气孔缺陷超标、铸铁镶环剥落及焊道坍塌等问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种大功率柴油机铝合金活塞电子束焊接方法，其特征在于采用脉冲电子束焊接方式进行，步骤为：
1)活塞的清洗、装配，使装配间隙在0-0.03mm；
2)对装配好的活塞进行焊前预热处理；
3)将预热处理后的活塞送入真空室进行脉冲电子束焊接，其中真空度高于5×10-4mba，设备选用150kV高压电子束焊设备或60kV高压电子束焊设备；根据焊接熔深的大小，采取相应的电子束焊接工艺参数；
4)焊接后采用修饰焊对焊缝进行修饰；
5)最后进行热处理。
作为改进，所述电子束焊接工艺参数具体为：
1)选用150kV高压电子束焊设备进行焊接时，工作电压138-150kV；焊接速度为0.8-1.5m/min；焊接熔深为15-30mm时，焊接束流为20-35mA；焊接熔深为30-50mm时，焊接束流为30-50mA；脉冲频率为200Hz-600Hz；脉冲调制占空比为30％-50％，基值电流0；
2)选用60kV中压电子束焊设备进行焊接时，工作电压55-60kV；焊接速度为0.2-0.5m/min；焊接熔深为15-20mm时，焊接束流为20-35mA；焊接熔深为20-30mm时，焊接束流为30-50mA；焊接熔深30-50mm时；焊接束流45-70mA；脉冲频率为100Hz-300Hz；脉冲调制占空比为40％-60％，基值电流0；
3)焊接熔深在0-20mm时，选用表面焦点；焊接熔深大于20mm时，选用根部焦点。
作为改进，所述焊前预热处理采用热处理炉预热或电子束焊预热，采用热处理炉预热时，装炉温度150℃-200℃，保温0.5-1h；采用电子束焊预热焊道时，其工艺参数为加速电压138kV-150kV，焦点位置：表面焦点，焊接速度2-3m/min，焊接束流：20-30mA，脉冲占空比30％-50％，脉冲频率：100Hz-200Hz；或加速电压55-60kV，焦点位置：表面焦点，焊接速度：1-1.5m/min；焊接束流：15-20mA；脉冲占空比40％-60％，脉冲频 率100Hz-200Hz。
优选，所述修饰焊的工艺参数为：加速电压138kV-150kV，焊接束流20-30mA；焊接速度：2-3m/min；焦点位置：表面焦点；或加速电压55-60kV，焊接速度：1-1.5m/min；焊接束流：15-25mA，焦点位置：表面焦点。
最后，所述热处理的温度为190-210℃，保温1.5-2.5h。
与现有技术相比，本发明的优点在于：采用脉冲电子束焊接工艺，与直流连续束流电子束焊接相比，具有更强的穿透能力，大大提高了铝合金活塞焊接中的电子束穿透能力，获得更大的焊缝深宽比，可达40∶1大大减少了焊接热输入，减小了热影响区面积，有效解决了铝合金活塞焊接中铸铁镶环剥落、内冷油道焊接坍塌等问题，焊缝气孔率小于1％；同时通过焊前预热和焊后热处理等工艺措施解决了活塞顶开裂的技术难题。本焊接方法工艺简单、成品率高，焊接的活塞焊缝具有外观成形好，焊接质量一致性好，工艺再现性好的特点，本发明适用于各种类型大功率柴油机铝合金活塞的焊接。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例针对直径Ф150铝合金活塞，焊接熔深40-45mm，采用150kV高压数控真空电子束焊机，其主要焊接工艺参数如下：加速电压138kV，真空度4×10-4mbar；(1)预热焊道：焊接束流20mA，焊接速度3.0m/min，焦点位置：表面焦点；脉冲频率：100Hz；脉冲调制：占空比40％，基值电流0；(2)工作焊道：焊接束流39mA，焊接速度0.8m/min；焦点位置：根部焦点；脉冲调制：占空比40％，基值电流0，脉冲频率：500Hz；(3)修饰焊道：焊接束流20mA(连续束流)；焊接速度：3.0m/min；焦点位置：表面焦点。(4)焊后热处理：180℃，保温2h。
实施例2：
本实施例针对直径Φ110铝合金活塞，焊接熔深20mm，采用60kV高压数控真空电子束焊机，其主要焊接工艺参数如下：加速电压60kV，真空度5×10-4mbar，焦点位置：表面焦点；(1)预热焊道：焊接束流15mA，焊接速度1.5m/min；脉冲频率100Hz；脉冲调制：占空比55％，基值电流0；(2)工作焊道：焊接束流30mA，焊接速度0.5m/min； 脉冲频率100Hz；脉冲调制：占空比55％，基值电流0；(3)修饰焊道：焊接束流15mA(连续束流)；焊接速度：1.0m/min；焦点位置：表面焦点；(4)焊后热处理：加热180℃，保温2h。
与采用直流连续束流电子束焊接相比较，采用直流连续束流电子束焊接的焊缝深度比仅能达到25∶1，并且焊接时气孔率高达4％-8％，而本发明的脉冲束流电子束焊接焊缝深度能达到40∶1，并且焊接时气孔率下降到1％以下。有效解决了活塞焊接中的焊缝开裂、气孔缺陷超标、铸铁镶环剥落及焊道坍塌等问题。
Claims (5)
1.一种大功率柴油机铝合金活塞电子束焊接方法，其特征在于采用脉冲电子束焊接方式进行，步骤为：
1)活塞的清洗、装配，使装配间隙在0-0.03mm；
2)对装配好的活塞进行焊前预热处理；
3)将预热处理后的活塞送入真空室进行脉冲电子束焊接，其中真空度高于5×10-4mba，设备选用150kV高压电子束焊设备或60kV高压电子束焊设备；根据焊接熔深的大小，采取相应的电子束焊接工艺参数；
4)焊接后采用修饰焊对焊缝进行修饰；
5)最后进行热处理。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于所述电子束焊接工艺参数具体为：
1)选用150kV高压电子束焊设备进行焊接时，工作电压138-150kV；焊接速度为0.8-1.5m/min；焊接熔深为15-30mm时，焊接束流为20-35mA；焊接熔深为30-50mm时，焊接束流为30-50mA；脉冲频率为200Hz-600Hz；脉冲调制占空比为30％-50％，基值电流0；
2)选用60kV高压电子束焊设备进行焊接时，工作电压55-60kV；焊接速度为0.2-0.5m/min；焊接熔深为15-20mm时，焊接束流为20-35mA；焊接熔深为20-30mm时，焊接束流为30-50mA；焊接熔深30-50mm时；焊接束流45-70mA；脉冲频率为100Hz-300Hz；脉冲调制占空比为40％-60％，基值电流0；
3)焊接熔深在0-20mm时，选用表面焦点；焊接熔深大于20mm时，选用根部焦点。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于所述焊前预热处理采用热处理炉预热或电子束焊预热，采用热处理炉预热时，装炉温度150℃-200℃，保温0.5-1h；采用电子束焊预热焊道时，其工艺参数为加速电压138kV-150kV，焦点位置：表面焦点，焊接速度2-3m/min，焊接束流：20-30mA，脉冲占空比30％-50％，脉冲频率：100Hz-200Hz；或加速电压55-60kV，焦点位置：表面焦点，焊接速度：1-1.5m/min；焊接束流：15-20mA；脉冲占空比40％-60％，脉冲频率100Hz-200Hz。
4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于所述修饰焊的工艺参数为：加速 电压138kV-150kV，焊接束流20-30mA；焊接速度：2-3m/min；焦点位置：表面焦点；或加速电压55-60kV，焊接速度：1-1.5m/min；焊接束流：15-25mA，焦点位置：表面焦点。
5.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于所述热处理的温度为175-185℃，保温1.5-2.5h。
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