CN102978366A

CN102978366A - 一种45号钢活塞杆连续摩擦焊接头热处理工艺

Info

Publication number: CN102978366A
Application number: CN2012105575364A
Authority: CN
Inventors: 刘龙飞; 颜建辉; 郭源君; 卢立伟
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2013-03-20

Abstract

本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种45号钢活塞杆连续摩擦焊接头热处理工艺。本发明的热处理过程主要是：首先进行热处理预热，预热温度为550℃，介质为空气，保温时间为5分钟；然后以20℃/min的速度加热到870℃，保温时间是0min；随即淬火，淬火介质为水；550℃以下出炉空冷；空冷至室温后进行回火，回火温度为520℃，回火保温时间为140min；回火保温后出炉空冷至室温。经本发明热处理工艺处理后的活塞杆接头断裂强度比一般调质处理后的断裂强度提高14.5%，断面收缩率、伸长率、冲击韧性不降低。

Description

一种45号钢活塞杆连续摩擦焊接头热处理工艺

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种45号钢活塞杆连续摩擦焊接头热处理工艺。

背景技术

摩擦焊是利用焊接对象之间的相互摩擦产生的热量来实现材料的可靠连接，属于特种焊的一种。摩擦界面及其附近的材料在压力的作用下摩擦生热，温度快速升高并达到热塑性状态，之后施加另一个比摩擦压力更大的顶锻压力，使界面氧化膜破碎，高温塑性材料发生塑性变形与流动，再加上摩擦界面两端的同种或者异种元素相互扩散及再结晶冶金反应而形成可靠接头。

摩擦焊的方法很多，一般根据焊件的相对运动和工艺特点进行分类。其中连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊、线性摩擦焊和搅拌摩擦焊几种在生产实践中相对来说应用的比较广泛。摩擦焊可以焊接的对象几乎涉及到所有的工程机械，如活塞杆、液压缸、汽车阀门、整体叶盘、石油钻杆和发动机转子等。如在一些发达国家，惯性摩擦焊已成功焊接了航空发动机粉末冶金涡轮盘与轴，线性摩擦焊已成功被应用到高推重比航空发动机整体叶盘的关键制造，搅拌摩擦焊已用于制造飞机机舱等大型铝合金构件。因此发展前景相当被看好，越来越多的科学家正投入相当多的精力从事有关方面的研究和开发。

摩擦焊具有如下的特点：

（l）焊接质量好：通常情况下，不需要填充材料，工件没有到达熔点不发生熔化，焊合区材料经过顶锻压力的锻造作用，不会产生传统焊接技术所无法避免的焊接缺陷；而且，轴向压力可以产生某些力学冶金效应，这些都有利于获得焊接抗拉强度与母材相当甚至超过母材强度。

（2）生产效率高：一般在不到一分钟甚至只有几秒钟的时间内就能完毕。

（3）广泛的工艺适应性：不但可以进行同种材料的焊接，还可以进行常温、高温下，机械性能、物理性能差异很大的铝—铜、铝—钢、钢—不锈钢等之间的焊接。

（4）焊接过程的可靠性好：摩擦焊接易于实现焊接工艺参数的自动监控，减少人为因素的干涉，提高焊接过程的控制精度和可靠性，保证接头质量的一致性和稳定性。

（5）成本低，节能：与传统的焊接方法相比，可以节约80%~90%左右的电能，仅此一项就能带来巨大的经济收益。此外，工件焊前不需单独进行额外的加工清理，有些情况下甚至不用去除焊接飞边，因此摩擦焊接可以降低三分之一的成本。

（6）加工精度较高：在确保摩擦焊机具有足够的刚度、焊件的装配、定位精确无误以及焊接参数被严格控制的条件下，就会得到加工精度较高的焊件，一般情况下，焊件长度偏差在正负0.2mm以下，偏心度可小于0.2mm。

（7）绿色安全：操作简单快捷、场地卫生，不会产生火花、飞溅、烟雾、辐射、高频等对环境和人身有严重影响的污染源，是一种安全绿色的生产工艺。

我们国家早在1957年就通过封闭加压原理试验把摩擦焊技术成功的应用到了铝——铜的焊接中。经过六十多年的投入和发展，摩擦焊接凭借其优异、绿色、精准、高效、节能等优势，得到了各个高新技术领域以及产业部门的广泛应用。

然而，就我国目前的摩擦焊水平而言，与国外先进水平存在一定差距是个不争的事实。面对国内市场日益扩大的需求与落后的摩擦焊水平的矛盾，为缩短同国外同类先进产品的差距，应加强同其它相关学科的结合，使各学科领域全面协调的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对采用连续摩擦焊焊接的45号钢活塞杆焊接接头进行强韧化处理的新型热处理工艺。

本发明目的是通过如下的方法来实现的，本发明的45号钢活塞杆连续摩擦焊接头热处理工艺，包括如下顺序的步骤：

（1）将经过连续摩擦焊所形成的45号钢活塞杆焊接头进行热处理预热，预热温度为550℃，介质为空气，保温时间为5分钟；

（2）将预热后的处理件再以20℃/min的速度加热到870℃，保温时间为0 min；随即淬火，淬火介质为水；温度达到550℃以下空冷至室温；

（3）再将处理件回火，回火温度为520℃，回火保温时间为140min；

（4）回火保温后，将处理件出炉空冷至室温。

本发明的研究对象是液压缸的活塞杆，其横截面为大尺寸圆环形状，而且活塞杆内外径差值较大，不属于薄壁类工件，刚性好，容易装夹和固定，因此摩擦焊中最适合的焊接方法是连续驱动摩擦焊。为了提高焊缝的强韧性，焊后热处理工艺逐步由回火工艺向调质工艺发展。根据经济要求和大量实践，首先确定焊后热处理采用调质工艺。调质是淬火加高温回火的双重热处理，可以使钢的性能，得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。

经本发明热处理工艺处理后的活塞杆接头断裂强度比一般调质处理后的断裂强度提高14.5%，断面收缩率、伸长率、冲击韧性不降低。

附图说明

图1是本发明实施例中，经过热处理后的连续摩擦焊焊接的45号钢活塞杆接头照片。

图2是本发明实施例中，经过热处理后的连续摩擦焊焊接的45号钢活塞杆接头断面的金相组织图片。

图3是本发明实施例中，经过热处理后的连续摩擦焊焊接的45号钢活塞杆接头拉伸断口形貌图片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

45号钢活塞杆接头的连续摩擦焊焊接及热处理过程如下：

首先，正火状态45号钢原材料进厂，检验其化学成份后，下料、粗加工；活塞杆焊接头的几何尺寸为外径64mm、内径32mm，然后，采用连续摩擦焊焊接工艺进行焊接，焊接规范参数为：第一摩擦压力为4.1MPa，第一摩擦时间为20s，第二摩擦压力为7.6MPa，第二摩擦时间为19s，焊机主轴转速580r/min，顶锻压力为14.3MPa，顶锻保压时间为16s；再进行热处理：热处理预热温度为550℃，介质为空气，保温时间为5分钟；然后以20℃/min的速度加热到870℃，保温时间是0 min；随即淬火，淬火介质为水；550℃以下出炉空冷；空冷至室温后进行回火，回火温度为520℃，回火保温时间为140min；回火保温后出炉空冷至室温。图1所示为经过热处理后的连续摩擦焊焊接的45号钢活塞杆接头照片。

焊接接头的取样及测试如下：

以焊接界面为中心截取两侧长各为100mm的试棒，车掉飞边，外圆车为φ64mm，粗糙度Ra达1.6，用PXUT-28超声波探伤仪探伤，然后将试棒分别加工成拉伸，弯曲和冲击试样。拉伸试样中心位置在摩擦焊接界面上，尺寸为140mm，标距长度为80mm，截面积为78.5mm²；冲击试样尺寸为10mm*10mm*55mm，并带有2mm深的“U”型缺口试样，“U”型缺口朝向母材外表面，开在与轴体纤维方向垂直的焊接截面处；弯曲试样尺寸为200mm*20mm*10mm，弯曲试样中心位置在摩擦界面上；拉伸试验、弯曲试验在WDW-100D试验机上进行，冲击试验在JB-300冲击试验机上进行。各种机械性能测试结果见表一：

表一

材料	s_b/MPa	s_s/MPa	s_bb/MPa	ψ/%	d/%	A_u
							45钢	855	640	1540	32.76	15.400	46

其中：s_b为抗拉强度，s_s为屈服点，s_bb为抗弯强度，ψ为断面收缩率，d为断后伸长率，A_u-为冲击韧性。

焊接接头的断面取样及金相组织观察拍摄如下：

截取试样断裂部位附近的材料进行金相组织观察分析。通过切样、镶嵌、研磨、抛光、腐蚀（先用酒精擦拭，再用4%的硝酸酒精溶液腐蚀，待抛光面腐蚀好后，用清水冲洗，电吹风吹干，腐蚀完毕）等各步骤制备了金相试样，采用光学显微镜进行了观察拍摄，其金相组织图片见图2，组织组成物主要是马氏体及少量的铁素体。

焊接接头的拉伸断口微观形貌观察如下：

采用扫描电镜对焊件试样的拉伸断口进行了微观形貌观察，从宏观和微观两个角度分析断裂性质（塑性或脆性断裂）；其断口形貌图片见图3，断口处大部分是许多大小各异的圆形和部分椭圆形的韧窝，而且部分大韧窝之间布满了小韧窝，属于断裂中的塑性断裂。

Claims

1.一种45号钢活塞杆连续摩擦焊接头热处理工艺，其特征在于包括如下顺序的步骤：

（4）回火保温后，将处理件出炉空冷至室温。