CN102284768A - 碳钢上堆焊硅铜合金的工艺及堆焊支撑环的活塞-缸单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在碳钢上堆焊硅铜合金的工艺，是在气体保护条件下进行多层堆焊，硅铜合金中含有硅元素、铜元素和杂质元素，杂质元素包括铝元素；本工艺能够降低焊接过渡区的应力集中降低裂纹敏感性，保证基体与堆焊层金属间的结合，保证堆焊层表面硬度HB80-110；本发明还提供了一种活塞-缸单元，包括缸体和活塞，活塞外圆表面沿周向设有第一凹槽，槽内堆焊活塞支撑环；该活塞-缸单元易于加工和装配，使用过程中焊渣、灰尘不易进入缸体与活塞和活塞杆与导向套配合面内，密封有效期长，耐磨性好，运行稳定，不易产生拉缸及卡滞现象，有效解决环境对流体压力执行机构使用寿命影响大的问题，特别适合在液体压力执行机构上应用。

Description

碳钢上堆焊硅铜合金的工艺及堆焊支撑环的活塞-缸单元

技术领域

本发明涉及一种焊接工艺，特别涉及在碳钢表面堆焊硅铜合金的工艺，以及堆焊支撑环的活塞-缸单元。

背景技术

现代工业的发展对焊接构件的性能提出了更高和更严格的要求。如高温强度、耐磨、耐腐蚀、低温韧性等。在此前提下，任何单一材料都不可能完全满足整体焊接构件的使用要求。异种材料熔合焊接成为解决该问题的突破方向。堆焊技术具有成本低、易操作等优点，在异种材料焊接领域有广泛应用。

众所周知，异种材料性能具有较大差异，堆焊时易发生裂纹、气孔等缺陷，焊缝组织成分不均匀，力学性能不好，疲劳强度、抗拉强度等都不够优异。

铜合金具有较为优良的化学、物理和综合机械性能，但碳钢与铜合金两种材料的物理性质（如熔化温度、热导率、线膨胀系数、流动性等）有较大差异，在焊接过程中存在碳元素迁移过程，不仅焊接难度高，同时焊接时热源形成温度场易使得焊件产生不均匀的组织及残留应力，焊后焊层金属开裂倾向大。目前已有许多学者对此进行广泛研究，如姜军记、倪世丰等人发表的“10CrNi₃MoCu钢的堆铜焊工艺”一文，采用该工艺在10CrNi₃MoCu钢筒体上堆焊铜层，经检测表面无裂纹气孔等，着色探伤无5mm的条状缺陷；南京理工大学游焕强发表的硕士学位论文“环形钢基体TIG堆焊铜工艺研究”，该论文对采用TIG焊方法在环形钢基体上堆焊纯铜层的工艺进行研究，并要求铜-钢界面结合强度超过堆焊铜层自身强度，并控制铜层泛铅程度。

消除焊件过渡区的残余应力，提高过渡区的韧性、降低裂纹敏感性，提高基体与堆焊层金属间的结合性能是堆焊过程中着重需要考虑的问题，而相同的堆焊工艺应用于不同异种材料不能够达到理想的焊接效果。

目前未见有关于在碳钢表面堆焊硅铜合金的报道。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种在碳钢表面堆焊硅铜合金的工艺，能够实现在碳钢表面堆焊硅铜合金，焊前和焊后均无需热处理，焊接效率高，焊接过渡区不会产生应力集中过强的现象，过渡区的韧性高、裂纹敏感性低，基体与堆焊层金属间的结合性能优异。

本发明所述工艺是在气体保护条件下进行多层堆焊，并以硅铜合金作为熔敷金属，所述硅铜合金中含有2.5-3.1%重量的硅元素和不低于96%重量的铜元素，余量为杂质元素，所述杂质元素包括锡元素、铝元素和铅元素中的至少一种；硅可以防止铁与氧化合，并可在熔池中还原FeO；铝元素不仅可少产生FeO，且易于使FeO还原，有效地抑制在熔池中产生的CO气体的化学反应，提高抗CO气孔的能力；另外，铝还能和氮化合而起固氮作用，故也能减少氮气孔，控制铝元素在熔敷金属中的质量分数为0.0015%-0.01%，焊缝组织的硬度、屈服点和抗拉强度等特性均有提高。

焊接电流为200-280A，焊接时层间温度保持在150-250℃；电流过大，焊接时层间温度相应升高，堆焊层粘度变差，流动性增强，导致在基体上成型差，泛铁程度高，堆焊层飞溅大；电流过小，焊接时层间温度相应降低，基体与堆焊层不易熔合，堆焊层易脱离基体。

优选的，所述铝元素在硅铜合金中的质量分数为0.005%-0.01%。

优选的，焊接过程中保护气的气体流量为22-26L/min。气体流量过大，增加焊接成本；气体流量过小，起不到保护作用，焊接后堆焊层气孔多；焊接时电弧电压为20-26V；电弧电压过大，堆焊层粘度差，流动性强，在基体上成型差，堆焊层飞溅大；电弧电压过小，基体与堆焊层不易熔合，堆焊层易脱离基体。

优选的，焊接速度为0.1-0.2m/min，焊接速度过快，晶粒小，容易产生焊接气泡；焊接速度过慢，晶粒粗大，生产率降低，同时焊接速度过快或过慢均易产生裂纹，本发明控制焊接速度，进一步保证焊缝组织均匀性，避免裂纹产生，提高熔敷金属的力学强度及基体与堆焊层金属间的结合性能；焊丝伸出长度不大于20mm，保证母材与熔敷金属充分熔合，焊缝组织均匀，力学性能优异，若焊丝伸出长度高于20mm，会导致焊接熔合性差，堆焊层易脱离基体，焊接后堆焊层气孔多。

本工艺能够实现在碳钢表面堆焊硅铜合金，能够实现在碳钢表面堆焊硅铜合金，且焊缝成型美观、组织均匀，焊接过渡区应力集中小，韧性好、裂纹敏感性低，基体与堆焊层金属间的结合性能优异，经检测焊缝接头性能可达母材的60%。本工艺焊前无需预热，焊接过渡区应力集中小，焊后无需后续处理就能够满足使用要求。

另一方面，目前流体压力执行机构（尤其是液压机）的活塞缸活塞密封普遍采用酚醛夹布支承环+格莱圈，导向套密封采用酚醛夹布支承环+斯特封+轴用YX形密封圈+防尘圈形式。在使用过程中由于环境比较恶劣，而且大部分机型的连接管路都是在现场装配，所以装配过程中易产生焊渣、灰尘等杂质，产品质量较低，缸体质量受到严重的影响。现有技术关于活塞和/或活塞杆的支撑一般采用酚醛树脂制作的导向环实现，由于导向环在加工中存在内外圆不同轴的问题，导致导向环与缸筒间隙不均匀，当间隙较小（小于0.06 mm时）时磨损明显，拉缸现象严重，缸筒内表面易产生拉伤，当间隙超出H9/f9时杂质容易进入活塞与缸体间的间隙和导向套与活塞杆间的间隙，导致活塞与缸体、导向套与活塞杆拉伤或卡滞，密封损坏。同时由于安装误差，设备使用频率高，活塞缸在使用过程中偏载严重，磨损较大。

因此，本发明的另一目的是提供一种活塞-缸单元，易于加工和装配，使用过程中焊渣、灰尘不易进入缸体与活塞和活塞杆与导向套配合面内，装配后密封性好，密封有效期长，同时耐磨性好，运行稳定，不易产生拉缸及卡滞现象，使磨损引起的变形显著减少，在恶劣工况下部件也不易损坏，使用寿命显著提高。

本发明所述活塞-缸单元，包括缸体、内置于缸体中并可沿自身轴向往复运动的活塞，活塞外圆套有用于密封活塞外壁与缸体内壁之间间隙的活塞密封圈，活塞外圆表面沿自身周向设有用于安装活塞支撑环的第一凹槽，第一凹槽内堆焊活塞支撑环，活塞支撑环与活塞同轴设置，活塞支撑环工作面与其对应的被支撑表面间隙配合；活塞支撑环由所述硅铜合金制成。

本方案中，第一凹槽可以形成于活塞外圆表面，此时，缸体内圆表面为与其对应的被支撑表面，活塞支撑环工作面与其间隙配合。

活塞支撑环为硅铜合金并堆焊于第一凹槽内，该支撑环与本体形成一整体，硅铜合金材料耐磨，不易造成对缸筒的破坏，使缸体因磨损引起的变形大大减少，彻底解决外界环境对液压系统部件的影响。另一方面，由于支撑环采用堆焊形式加工而成，支撑环与活塞的同轴度、缸筒的间隙均匀性均可通过焊接后精加工保证，间隙量显著变小（可达到H9/f9精度），降低焊渣、灰尘等杂质通过进入油缸活塞与缸体相配合缝隙处的可能性，密封的有效期限延长；本方案所述的活塞可以是双面排送介质的活塞，也可以是单面排送介质的柱塞，最佳的是双面排送介质的活塞。

优选的，所述第一凹槽为至少两道，对活塞支撑及导向性更好。

优选的，还包括与活塞同轴设置并固定连接的活塞杆，活塞杆外套有导向套，导向套外圆套有用于密封导向套外壁与缸体缸壁之间间隙的导向套密封圈，活塞杆外圆套有用于密封导向套内壁与活塞杆外壁之间间隙的活塞杆密封圈；

导向套内圆表面沿周向设有用于安装活塞杆支撑环的第二凹槽，第二凹槽内堆焊活塞杆支撑环，活塞杆支撑环与活塞杆同轴设置，活塞杆外圆表面为与活塞杆支撑环工作面对应的被支撑表面，活塞杆支撑环工作面与所述被支撑表面间隙配合；活塞杆支撑环由所述硅铜合金制成。该结构可进一步避免焊渣、灰尘等杂质通过进入油缸活塞与缸体、导向套与活塞杆之间间隙处，并对活塞杆进行支撑和导向，更好提高装置使用寿命。

优选的，所述第二凹槽为至少两道并分设于导向套的两端部，进一步改善对活塞杆的支撑及导向效果。

优选的，活塞支撑环在第一凹槽内的堆焊采用所述焊接工艺实现，焊缝部位的力学性能更加优异。

优选的，活塞杆支撑环在第二凹槽的堆焊采用所述焊接工艺实现，焊缝部位的力学性能更加优异。

本发明效果在于：

1、焊渣、灰尘等杂质通过进入油缸活塞与缸体、导向套与活塞杆相配合间隙处的可能性大大降低。

2、缸体及活塞因磨损引起的变形大大减少，活塞-缸单元的正常使用寿命提高3-5倍。

3、密封有效期限增加1.5-2倍。

本发明机构的活塞-缸单元易于加工和装配，能够有效解决环境对流体压力执行机构使用寿命影响大的技术问题，特别适合在液体压力执行机构（液压机）上应用。

附图说明

图1为本发明活塞-缸单元的结构示意图；

图2为图1中A部的方大图；

图3为图1中B部的放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施一：

焊接设备：气体保护焊机

焊丝材料（即熔敷金属）为硅铜合金，直径：φ1.6 mm。

工件材料：碳钢45

工件（即活塞）尺寸：φ400mmX250mm

本实施例的活塞-缸单元，包括缸体、内置于缸体中并可沿自身轴向往复运动的活塞2，缸体1包括缸筒11、缸底12和缸盖13，活塞2外圆套有用于密封活塞外壁与缸筒内壁之间间隙的活塞密封圈3，活塞外圆表面沿周向切出用于安装活塞支撑环的第一凹槽，第一凹槽槽宽25mm、深4mm，本实施例中，第一凹槽为两道。

在槽内无油脂、水份锈蚀的情况下，采用惰性气体保护金属极电弧焊（MIG）在第一凹槽内堆焊活塞支撑环4，支撑环以焊丝（即所述硅铜合金）为材料，堆焊前测得其成分如下：硅元素质量分数为2.6%、铝元素质量分数为0.01%、其它杂质元素(包括锡元素、锰元素、铅元素和锌元素)总质量分数为0.92%，余量为铜元素。

堆焊一层，层间温度220℃（即碳钢与堆焊层之间的温度）。堆焊时：焊接电流260A、电弧电压24V，焊接速度0.13m/min，氩气流量23L/min，焊丝伸出长度20mm。堆焊前不预热，堆焊硅青铜后不进行退火处理及去应力处理。

焊接完成并待零件冷却后对零件精车，此时，缸体内圆表面为与活塞支撑环4对应的被支撑表面，活塞支撑环工作面与其对应的被支撑表面间隙配合；活塞支撑环与活塞同轴设置；测得第一凹槽堆焊层表面硬度为HB100，无气孔、无杂质；堆焊层抗拉强度σ_b为380MPa,铜-钢界面的抗剪强度为280 MPa。

本实施例的活塞-缸单元还包括与活塞同轴设置并固定连接的活塞杆5，活塞杆5外圆套有导向套6，导向套6外圆套有用于密封导向套外壁与缸筒内壁之间间隙的导向套密封圈61，活塞杆5外圆套有用于密封导向套内壁与活塞杆外壁之间间隙的活塞杆密封圈51；导向套内圆表面沿周向切出用于安装活塞杆支撑环的第二凹槽，第二凹槽宽25mm、深4mm，本实施例中，第二凹槽为两道并分设于导向套的两端部。

在槽内无油脂、水份锈蚀的情况下，采用惰性气体保护金属极电弧焊（MIG）在第二凹槽内堆焊活塞杆支撑环7，支撑环以焊丝（即硅铜合金）为原料，堆焊前，测得其成分如下：硅元素质量分数为3%、铝元素质量分数为0.006%、其它杂质元素(包括锡元素、锰元素、铅元素、锌元素)总质量分数为0.91%，余量为铜元素。

堆焊一层，层间温度为210℃（即指碳钢与堆焊层之间的温度）堆焊电流250A，电弧电压26V，焊接速度0.18m/min，氩气流量25L/min，焊丝伸出长度18mm。工件堆焊前不需预热，堆焊硅青铜后不进行退火处理及去应力处理。

堆焊完成后，测得堆焊层表面硬度测量为HB110，无气孔、无杂质，堆焊层抗拉强度σ_b为390MPa,铜-钢界面的抗剪强度为290 MPa。待工件冷却后进行精车，此时活塞杆外圆表面为与活塞杆支撑环4对应的被支撑表面，活塞杆支撑环工作面与被支撑表面间隙配合；活塞杆支撑环7与活塞杆同轴设置，活塞杆支撑环由铜制成，进一步改善对活塞杆的支撑及导向效果。

活塞-缸单元性能检测：

检测方式，通过对2组缸径为400mm，杆径为380mm的用于油压机油缸各2支进行试验，第一组，活塞、导向套支承部位采用酚醛夹布支承环，第二组油缸的活塞、导向套支承部位采用堆焊硅青铜合金形式，操作同实施例1，试验结果对比如下：

第一组油缸每天工作20小时，连续工作15天后。撤开油缸检查：一支油缸活塞、导向套支承环1/3部分有明显擦痕、用外径千分尺检测后知，支承环磨损0.1mm,密封件摩损0.1mm，观察支承环表面，约1/3圆周磨损严重。另一支油缸缸筒内壁有划痕5道，深约0.1-0.4mm不等，密封件表面有划痕6条，分别约为0.1-0.5mm不等。

第二组油缸每天工作20小时，连续工作15天后。撤开油缸检查：两支油缸缸体内壁均完好、密封件也完好。

实施二：

焊接设备：气体保护焊机

焊丝材料：硅铜合金，直径：φ1.6 mm。

工件材料：碳钢45

工件尺寸：φ195mmX260mm

在工件外表堆焊二层。

堆焊第一层的参数如下：

熔敷金属成分：硅元素质量分数为2.8%、铝元素质量分数为0.007%、其它杂质元素(包括锡元素、锰元素、铅元素、锌元素)总质量分数为0.93%，余量为铜元素。层间温度（即碳钢与堆焊层之间的温度）为190℃，电流200A，电压20V，焊接速度0.16m/min，氩气流量26L/min，焊丝伸出长度18mm。

堆焊第二层的参数如下：

熔敷金属成分：硅元素质量分数为2.8%、铝元素质量分数为0.007%、其它杂质元素(包括锡元素、锰元素、铅元素、锌元素)总质量分数为0.93%，余量为铜元素。层间温度（即第一层堆焊层与第二层堆焊层之间的温度）为150℃，电流200A，电压20V，焊接速度0.16m/min，氩气流量26L/min，焊丝伸出长度18mm。工件堆焊前不需预热，堆焊硅青铜后不进行退火处理及去应力处理。

堆焊完成后，测得第二层堆焊层的表面硬度测量为HB100，无气孔、无杂质，第二层堆焊层抗拉强度σ_b为380MPa,铜-钢界面的抗剪强度为280 MPa。

说明，本实施例所述第一层是指沿活塞缸径向由内向外起的第一层，所述第二层是指沿活塞缸径向由内向外起的第二层。

最后需要说明，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。 

Claims (10)

1.在碳钢上堆焊硅铜合金的工艺，是在气体保护条件下以电弧作为热源进行多层堆焊，其特征在于：所述硅铜合金中含有2.5-3.1%重量的硅元素和不低于96%重量的铜元素，余量为杂质元素，所述杂质元素包括铝元素，铝元素在硅铜合金中的质量分数为0.0015%-0.01%；

焊接电流为200-280A，焊接时层间温度保持在150-250℃。 

2.根据权利要求1所述的在碳钢上堆焊硅铜合金的工艺，其特征在于：所述铝元素在硅铜合金中的质量分数为0.005%-0.01%。

3.根据权利要求1或2所述的在碳钢上堆焊硅铜合金的工艺，其特征在于：焊接过程中保护气的气体流量为22-26L/min，焊接时电弧电压为22-26V。

4.根据权利要求3所述的在碳钢上堆焊硅铜合金的工艺，其特征在于：焊接速度为0.1-0.2m/min，焊丝伸出长度不大于20mm。

5.焊接支撑环的活塞-缸单元，包括缸体、内置于缸体中并可沿自身轴向往复运动的活塞，活塞外圆套有用于封闭活塞外壁与缸体内壁之间间隙的活塞密封圈，其特征在于：活塞外圆表面沿周向设有第一凹槽，第一凹槽内堆焊活塞支撑环，活塞支撑环与活塞同轴设置，活塞支撑环工作面与其对应的被支撑表面间隙配合；活塞支撑环由所述硅铜合金制成。

6.根据权利要求5所述的活塞-缸单元，其特征在于：所述第一凹槽为至少两道。

7.根据权利要求5或6所述的活塞-缸单元，其特征在于：还包括与活塞同轴设置并固定连接的活塞杆，活塞杆外套有导向套，导向套外圆套有用于封闭导向套外壁与缸体内壁之间间隙的导向套密封圈，活塞杆外圆套有用于封闭导向套内壁与活塞杆外壁之间间隙的活塞杆密封圈；

导向套内圆表面沿周向设有第二凹槽，第二凹槽内堆焊活塞杆支撑环，活塞杆支撑环与活塞杆同轴设置，活塞杆支撑环工作面与其对应的被支撑表面间隙配合；活塞杆支撑环由所述硅铜合金制成。

8.根据权利要求7所述的活塞-缸单元，其特征在于：所述第二凹槽为至少两道并分设于导向套的两端部。

9.据权利要求8所述的活塞-缸单元，其特征在于：活塞支撑环在第一凹槽的堆焊采用所述焊接工艺实现。

10.根据权利要求9所述的活塞-缸单元，其特征在于：活塞杆支撑环在第二凹槽的堆焊采用所述焊接工艺实现。

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