CN104625659A - 一种电子束焊接铝活塞的制造方法 - Google Patents

一种电子束焊接铝活塞的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电子束焊接铝活塞的制造方法，该方法将活塞头部和裙部分开制造，并在活塞裙部留置了用于去除收弧气孔的工艺补贴部分，使焊接工艺得到简化；焊缝的收弧气孔等缺陷集中到工艺补贴部分内，使得焊缝的质量得到保证，同时，消除了现有技术中因焊缝处壁厚不均导致的热应力不同造成的裂纹缺陷；本发明的方法制造的活塞内冷油道光滑、形状规则、位置准确，提高了产品的成品率，在一定程度上降低了制造成本；另外，将活塞头部和裙部分开制造提高了活塞不同部位的性能，满足了高转速、高爆压发动机对活塞强度、耐磨性、耐热性、疲劳性能的要求，提高了活塞工作效率。

Description

一种电子束焊接铝活塞的制造方法
技术领域
本发明涉及活塞制造技术领域，具体指一种电子束焊接铝活塞的制造方法。
背景技术
活塞是发动机的重要部件之一，其性能质量直接影响发动机的性能和可靠性。随着发动机功率的提高，高转速、高爆压对活塞强度、耐磨性、耐热性、疲劳性能提出了更高的要求。
大功率高速柴油机采用整体铸造铝活塞，为了提高活塞的使用性能，兼顾活塞的强度、重量、耐磨、承载、高温性能和成本，通常在活塞的第一环槽部位镶铸高镍铸铁镶圈，在顶部厚大部位采用冷却油腔对活塞进行冷却。如授权公告号为CN100516491C的中国发明专利《大功率柴油机活塞及其制备方法》(申请号：200510096472.2)所披露，其制备活塞的具体步骤为：(1)熔配活塞铝合金或者铝基复合材料，精炼变质处理后在760℃保温30分钟，准备浇注；(2)预热金属模具，将内膜预热温度控制在300℃，外膜具预热温度控制在250℃；(3)将铸铁镶圈表面清理干净，在温度为710～780℃的铝液浸渗5～40分钟；(4)装配金属型模具，先将镶圈装入内膜，接着按活塞模具装配图装配；(5)将预热温度为300℃的内冷油道芯放入铸型中；(6)浇注，浇注温度为760℃，5分钟脱模。由于上述铸造方法是金属型整体重力铸造，在制造活塞的内冷油腔时，易产生内冷油腔不光滑、形状不规则、位置偏移、成品率不高等问题。
也有采用挤压铸造成型活塞的，与上述重力铸造相比，挤压铸造可以提高铸件质量、减少废品率。挤压铸造成型法是将处于液态或半固态的熔体在压力作用下充满铸型、凝固和结晶的铸造工艺方法，其特点是在零件成型和凝固过程中，铸型加压部分或冲头处于可移动状态，使零件在压力下结晶并产生一定的变形，获得细小致密的组织和较高的力学性能。挤压铸造方法制备内冷油腔一般采用可溶盐芯成型方法，为了克服普通可溶盐芯不能承受较高压力的问题，在采用挤压铸造方法时，也可采用铜管复合型芯制造高强度复合可溶盐芯。但是，在制造内冷油腔时，也容易导致内冷油腔不光滑、形状不规则、位置易偏移且成品率不高。
上述铸造方法一般是对活塞进行整体铸造，除上述铸造方法外，根据活塞头部和裙部对性能要求不一样的产品特点，也有采用其他方法先制备出活塞头部和裙部，然后将活塞头部和裙部焊接在一起的方法。比较合适的焊接方法是电子束焊接，因为电子束焊接具有焊缝窄、焊缝深、能量集中的特点，但采用电子束焊接制备活塞存在着一些技术难题，其中最主要的是电子束焊接易产生收弧气孔，收弧气孔留在活塞中会严重影响活塞的性能。
因此，对于目前铝活塞的制造方法，有待于做进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种能有效去除收弧气孔、内冷油道规则、成品率高、性能质量好的电子束焊接铝活塞的制造方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种电子束焊接铝活塞的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)制造活塞头部
配制高硅铝合金，并将配置好的高硅铝合金放入熔化炉中进行熔化，熔化后对高硅铝合金液进行精炼、变质、细化处理；
采用挤压铸造工艺制造活塞头部；
对制备的活塞头部进行热处理；
(2)制造活塞裙部
采用4A11材料的挤压棒材制造活塞裙部：先根据活塞裙部大小将4A11材料的挤压棒材截成圆坯料，然后将圆坯料在440℃～450℃保温170min～180min；
采用模锻成型工艺制造成型裙部：取料→模锻→机械加工；
在活塞内腔留置用于容置收弧气孔的工艺补贴部分；
(3)机械加工出内冷油道
在活塞头部的焊接面内根据实际图纸加工出内冷油道；
在活塞裙部的焊接面处加工出与活塞头部内冷油道相对应的凸起环；
(4)电子束焊接
采用真空脉冲电子束焊接工艺，对装配好的活塞进行环缝焊接：
焊接前对待焊接部位进行预热，预热温度为170～190℃，该温度下保温30～60min；
焊接后对焊接部位进行冷却热处理，冷却温度为190～210℃，该温度下保温1～2h，然后随炉冷却；
(5)机械加工去除工艺补贴部分
根据活塞内腔的形状，加工去除步骤(2)中裙部留置的工艺补贴部分；
(6)机械加工
对焊接完成的活塞进行机械加工和喷涂石墨处理，即得到成品活塞。
作为本发明的进一步改进，步骤(1)中所述的高硅铝合金材料按质量分数计包括以下组分：
其它杂质元素不超过0.5％；其余为Al。
在上述方案中，步骤(1)中所述高硅铝合金液进行精炼、变质、细化处理的具体步骤包括：
1)控制高硅铝合金液的温度为780～800℃，向高硅铝合金液中添加磷铜合金变质剂，使该磷铜合金变质剂的质量为高硅铝合金液质量的0.2～0.4％；
2)控制高硅铝合金液的温度为740～760℃，向高硅铝合金液中添加铝钛硼细化剂，使该铝钛硼细化剂的质量为高硅铝合金液质量的0.1～0.2％；
3)控制高硅铝合金液的温度为730～740℃，向高硅铝合金液中添加JA04C精炼剂，使该JA04C精炼剂的质量为高硅铝合金液质量的0.3～0.5％；
4)静置15～30min后，将高硅铝合金液的温度控制在710～720℃。
在上述优选方案中，步骤(1)中采用挤压铸造工艺制造活塞头部的具体步骤包括：
1)将氧化铝陶瓷短纤维预制件固定在模具上，向模具型腔中浇入经过精炼、变质、细化处理的高硅铝合金液，控制高硅铝合金液浇注温度为710～720℃，挤压铸造压强为100～120MPa；
2)合模加压并保压90～120S，高硅铝合金液在机械压强作用下渗透到氧化铝陶瓷短纤维预制件的孔隙中，形成环槽复合材料增强区；
3)高硅铝合金液完全凝固后，形成活塞头部。
作为优选，步骤(1)中活塞头部的热处理包括以下步骤：
1)固溶处理：控制温度为490～500℃，保温5.9～6.1h，在60～100℃水中进行淬火处理；
2)时效处理：控制温度为200～210℃，保温7.9～8.1h，出炉后空冷。
优选地，所述固溶处理完毕至开始时效处理的时间小于2h，活塞毛坯从铝合金淬火炉至水槽的转移时间小于30s。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)将活塞头部和裙部分开制造，头部选用含硅量高的合金采用挤压铸造的方法，环槽可采用复合材料强化，保证了活塞头部的耐高温耐磨性能；裙部选用综合性能更高的4A11变形铝合金，采用锻造成型的方法，使裙部的力学性能比铸造整体成型方法大大提高，同时提高了活塞的整体性能，以满足高转速、高爆压对活塞的强度、耐磨性、耐热性、疲劳性能的要求，提高活塞的工作效率；
(2)内冷油道采用机械加工成型方法，比铸造成型方法制造的内冷油道更光滑、形状更规则、位置更准确，大大提高了产品的成品率，在一定程度上降低了生产成本；
(3)在活塞内腔留有可去除电子束焊接收弧气孔的工艺补贴部分，电子束焊接时的收弧气孔留在工艺补贴部分，在电子束焊接完成后机械加工去除工艺补贴部分，即去除了收弧气孔，不仅简化了焊接工艺，也避免了焊缝收弧气孔等缺陷的存在，大大提高了焊缝的质量；
(4)活塞内腔留有的工艺补贴，同时避免了电子束焊缝附近焊件厚薄不均的问题，减少了由于焊接应力产生的焊接裂纹，提高了产品的质量和成品率。
附图说明
图1为本发明实施例中电子束焊接铝活塞的结构示意图；
图2为本发明实施例中电子束焊接铝活塞的毛坯结构示意图；
图3为本发明实施例中氧化铝陶瓷短纤维预制件的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例的电子束焊接铝活塞的制造方法包括以下步骤：
(1)制造活塞头部3
配制高硅铝合金，该高硅铝合金材料按质量分数计包括以下组分：
其它杂质元素不超过0.5％，其余为Al；
将配置好的高硅铝合金放入熔化炉中进行熔化，熔化后对高硅铝合金液进行精炼、变质、细化处理；高硅铝合金液进行精炼、变质、细化处理的具体步骤包括：
1)控制高硅铝合金液的温度为780℃，向高硅铝合金液中添加磷铜合金变质剂，使该磷铜合金变质剂的质量为高硅铝合金液质量的0.2％；
2)控制高硅铝合金液的温度为740℃，向高硅铝合金液中添加铝钛硼细化剂，使该铝钛硼细化剂的质量为高硅铝合金液质量的0.1％；
3)控制高硅铝合金液的温度为730℃，向高硅铝合金液中添加JA04C精炼剂，使该JA04C精炼剂的质量为高硅铝合金液质量的0.3％；
4)静置15min后，将高硅铝合金液的温度控制在710℃；
采用挤压铸造工艺制造活塞头部3，具体步骤包括：
1)将氧化铝陶瓷短纤维预制件1固定在模具上，向模具型腔中浇入经过精炼、变质、细化处理的高硅铝合金液，控制高硅铝合金液浇注温度为710℃，挤压铸造压强为100MPa；
2)合模加压并保压90S，高硅铝合金液在机械压强作用下渗透到氧化铝陶瓷短纤维预制件的孔隙中，形成环槽复合材料增强区2；
3)高硅铝合金液完全凝固后，形成活塞头部毛坯；
对制备的活塞头部毛坯进行热处理，具体包括以下步骤：
1)固溶处理：控制温度为490℃，保温5.9h，在60℃水中进行淬火处理；
2)时效处理：控制温度为200℃，保温7.9h，出炉后空冷；
在上述热处理过程中，活塞头部毛坯从淬火炉至水槽的转移时间小于30s，固溶处理完毕至开始时效处理的时间小于2h。
(2)制造活塞裙部4
采用4A11材料的挤压棒材制造活塞裙部4：先根据活塞裙部4大小将4A11材料的挤压棒材截成圆坯料，然后将圆坯料在440℃保温170min；
采用模锻成型工艺制造成型裙部：取料→模锻→机械加工；
在活塞内腔留置用于容置收弧气孔的工艺补贴部分5；
(3)机械加工出内冷油道
在活塞头部3的焊接面内根据实际图纸加工出内冷油道6；
在活塞裙部4的焊接面处加工出与活塞头部3的内冷油道6相对应的凸起环7，该凸起环7的存在一方面便于焊接时将活塞头部3与活塞裙部4进行定位，另一方面也可以提高内冷油道的焊接质量；
(4)电子束焊接
采用真空脉冲电子束焊接工艺，对装配好的活塞进行环缝焊接，形成电子束焊缝8：
焊接前对待焊接部位进行预热，预热温度为170℃，该温度下保温30min，该预热处理可以降低焊接热应力；
焊接后对焊接部位进行冷却热处理，冷却温度为190℃，该温度下保温1h，然后随炉冷却，该冷却热处理可以消除内应力，防止焊接裂纹的产生；
(5)机械加工去除工艺补贴部分
根据活塞内腔的形状，加工去除步骤(2)中活塞裙部4留置的工艺补贴部分5；
(6)机械加工
对焊接完成的活塞进行机械加工和喷涂石墨处理，即得到成品活塞。
实施例2：
本实施例的电子束焊接铝活塞的制造方法包括以下步骤：
(1)制造活塞头部3
配制高硅铝合金，该高硅铝合金材料按质量分数计包括以下组分：
其它杂质元素不超过0.5％，其余为Al；
将配置好的高硅铝合金放入熔化炉中进行熔化，熔化后对高硅铝合金液进行精炼、变质、细化处理；高硅铝合金液进行精炼、变质、细化处理的具体步骤包括：
1)控制高硅铝合金液的温度为790℃，向高硅铝合金液中添加磷铜合金变质剂，使该磷铜合金变质剂的质量为高硅铝合金液质量的0.3％；
2)控制高硅铝合金液的温度为750℃，向高硅铝合金液中添加铝钛硼细化剂，使该铝钛硼细化剂的质量为高硅铝合金液质量的0.15％；
3)控制高硅铝合金液的温度为735℃，向高硅铝合金液中添加JA04C精炼剂，使该JA04C精炼剂的质量为高硅铝合金液质量的0.4％；
4)静置20min后，将高硅铝合金液的温度控制在715℃；
采用挤压铸造工艺制造活塞头部3，具体步骤包括：
1)将氧化铝陶瓷短纤维预制件1固定在模具上，向模具型腔中浇入经过精炼、变质、细化处理的高硅铝合金液，控制高硅铝合金液浇注温度为715℃，挤压铸造压强为110MPa；
2)合模加压并保压100S，高硅铝合金液在机械压强作用下渗透到氧化铝陶瓷短纤维预制件的孔隙中，形成环槽复合材料增强区2；
3)高硅铝合金液完全凝固后，形成活塞头部毛坯；
对制备的活塞头部毛坯进行热处理，具体包括以下步骤：
1)固溶处理：控制温度为495℃，保温6h，在80℃水中进行淬火处理；
2)时效处理：控制温度为205℃，保温8h，出炉后空冷；
在上述热处理过程中，活塞头部毛坯从淬火炉至水槽的转移时间小于30s，固溶处理完毕至开始时效处理的时间小于2h。
(2)制造活塞裙部4
采用4A11材料的挤压棒材制造活塞裙部4：先根据活塞裙部4大小将4A11材料的挤压棒材截成圆坯料，然后将圆坯料在445℃保温180min；
采用模锻成型工艺制造成型裙部：取料→模锻→机械加工；
在活塞内腔留置用于容置收弧气孔的工艺补贴部分5；
(3)机械加工出内冷油道
在活塞头部3的焊接面内根据实际图纸加工出内冷油道6；
在活塞裙部4的焊接面处加工出与活塞头部3的内冷油道6相对应的凸起环7，该凸起环7的存在一方面便于焊接时将活塞头部3与活塞裙部4进行定位，另一方面也可以提高内冷油道的焊接质量；
(4)电子束焊接
采用真空脉冲电子束焊接工艺，对装配好的活塞进行环缝焊接，形成电子束焊缝8：
焊接前对待焊接部位进行预热，预热温度为180℃，该温度下保温45min，该预热处理可以降低焊接热应力；
焊接后对焊接部位进行冷却热处理，冷却温度为200℃，该温度下保温2h，然后随炉冷却，该冷却热处理可以消除内应力，防止焊接裂纹的产生；
(5)机械加工去除工艺补贴部分
根据活塞内腔的形状，加工去除步骤(2)中活塞裙部4留置的工艺补贴部分5；
(6)机械加工
对焊接完成的活塞进行机械加工和喷涂石墨处理，即得到成品活塞。
实施例3：
本实施例的电子束焊接铝活塞的制造方法包括以下步骤：
(1)制造活塞头部3
配制高硅铝合金，该高硅铝合金材料按质量分数计包括以下组分：
其它杂质元素不超过0.5％，其余为Al；
将配置好的高硅铝合金放入熔化炉中进行熔化，熔化后对高硅铝合金液进行精炼、变质、细化处理；高硅铝合金液进行精炼、变质、细化处理的具体步骤包括：
1)控制高硅铝合金液的温度为800℃，向高硅铝合金液中添加磷铜合金变质剂，使该磷铜合金变质剂的质量为高硅铝合金液质量的0.4％；
2)控制高硅铝合金液的温度为760℃，向高硅铝合金液中添加铝钛硼细化剂，使该铝钛硼细化剂的质量为高硅铝合金液质量的0.2％；
3)控制高硅铝合金液的温度为740℃，向高硅铝合金液中添加JA04C精炼剂，使该JA04C精炼剂的质量为高硅铝合金液质量的0.5％；
4)静置30min后，将高硅铝合金液的温度控制在720℃；
采用挤压铸造工艺制造活塞头部3，具体步骤包括：
1)将氧化铝陶瓷短纤维预制件1固定在模具上，向模具型腔中浇入经过精炼、变质、细化处理的高硅铝合金液，控制高硅铝合金液浇注温度为720℃，挤压铸造压强为120MPa；
2)合模加压并保压120S，高硅铝合金液在机械压强作用下渗透到氧化铝陶瓷短纤维预制件的孔隙中，形成环槽复合材料增强区2；
3)高硅铝合金液完全凝固后，形成活塞头部毛坯；
对制备的活塞头部毛坯进行热处理，具体包括以下步骤：
1)固溶处理：控制温度为500℃，保温6.1h，在100℃水中进行淬火处理；
2)时效处理：控制温度为210℃，保温8.1h，出炉后空冷；
在上述热处理过程中，活塞头部毛坯从淬火炉至水槽的转移时间小于30s，固溶处理完毕至开始时效处理的时间小于2h。
(2)制造活塞裙部4
采用4A11材料的挤压棒材制造活塞裙部4：先根据活塞裙部4大小将4A11材料的挤压棒材截成圆坯料，然后将圆坯料在450℃保温190min；
采用模锻成型工艺制造成型裙部：取料→模锻→机械加工；
在活塞内腔留置用于容置收弧气孔的工艺补贴部分5；
(3)机械加工出内冷油道
在活塞头部3的焊接面内根据实际图纸加工出内冷油道6；
在活塞裙部4的焊接面处加工出与活塞头部3的内冷油道6相对应的凸起环7，该凸起环7的存在一方面便于焊接时将活塞头部3与活塞裙部4进行定位，另一方面也可以提高内冷油道的焊接质量；
(4)电子束焊接
采用真空脉冲电子束焊接工艺，对装配好的活塞进行环缝焊接，形成电子束焊缝8：
焊接前对待焊接部位进行预热，预热温度为190℃，该温度下保温60min，该预热处理可以降低焊接热应力；
焊接后对焊接部位进行冷却热处理，冷却温度为210℃，该温度下保温1.5h，然后随炉冷却，该冷却热处理可以消除内应力，防止焊接裂纹的产生；
(5)机械加工去除工艺补贴部分
根据活塞内腔的形状，加工去除步骤(2)中活塞裙部4留置的工艺补贴部分5；
(6)机械加工
对焊接完成的活塞进行机械加工和喷涂石墨处理，即得到成品活塞。

Claims (6)

1.一种电子束焊接铝活塞的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)制造活塞头部
配制高硅铝合金，并将配置好的高硅铝合金放入熔化炉中进行熔化，熔化后对高硅铝合金液进行精炼、变质、细化处理；
采用挤压铸造工艺制造活塞头部；
对制备的活塞头部进行热处理；
(2)制造活塞裙部
采用4A11材料的挤压棒材制造活塞裙部：先根据活塞裙部大小将4A11材料的挤压棒材截成圆坯料，然后将圆坯料在440℃～450℃保温170min～180min；
采用模锻成型工艺制造成型裙部：取料→模锻→机械加工；
在活塞内腔留置用于容置收弧气孔的工艺补贴部分；
(3)机械加工出内冷油道
在活塞头部的焊接面内根据实际图纸加工出内冷油道；
在活塞裙部的焊接面处加工出与活塞头部内冷油道相对应的凸起环；
(4)电子束焊接
采用真空脉冲电子束焊接工艺，对装配好的活塞进行环缝焊接：
焊接前对待焊接部位进行预热，预热温度为170～190℃，该温度下保温30～60min；
焊接后对焊接部位进行冷却热处理，冷却温度为190～210℃，该温度下保温1～2h，然后随炉冷却；
(5)机械加工去除工艺补贴部分
根据活塞内腔的形状，加工去除步骤(2)中裙部留置的工艺补贴部分；
(6)机械加工
对焊接完成的活塞进行机械加工和喷涂石墨处理，即得到成品活塞。
2.根据权利要求1所述的电子束焊接铝活塞的制造方法，其特征在于：步骤(1)中所述的高硅铝合金材料按质量分数计包括以下组分：
其它杂质元素不超过0.5％，其余为Al。
3.根据权利要求1或2所述的电子束焊接铝活塞的制造方法，其特征在于：步骤(1)中所述高硅铝合金液进行精炼、变质、细化处理的具体步骤包括：
1)控制高硅铝合金液的温度为780～800℃，向高硅铝合金液中添加磷铜合金变质剂，使该磷铜合金变质剂的质量为高硅铝合金液质量的0.2～0.4％；
2)控制高硅铝合金液的温度为740～760℃，向高硅铝合金液中添加铝钛硼细化剂，使该铝钛硼细化剂的质量为高硅铝合金液质量的0.1～0.2％；
3)控制高硅铝合金液的温度为730～740℃，向高硅铝合金液中添加JA04C精炼剂，使该JA04C精炼剂的质量为高硅铝合金液质量的0.3～0.5％；
4)静置15～30min后，将高硅铝合金液的温度控制在710～720℃。
4.根据权利要求3所述的电子束焊接铝活塞的制造方法，其特征在于：步骤(1)中采用挤压铸造工艺制造活塞头部的具体步骤包括：
1)将氧化铝陶瓷短纤维预制件固定在模具上，向模具型腔中浇入经过精炼、变质、细化处理的高硅铝合金液，控制高硅铝合金液浇注温度为710～720℃，挤压铸造压强为100～120MPa；
2)合模加压并保压90～120S，高硅铝合金液在机械压强作用下渗透到氧化铝陶瓷短纤维预制件的孔隙中，形成环槽复合材料增强区；
3)高硅铝合金液完全凝固后，形成活塞头部。
5.根据权利要求3所述的电子束焊接铝活塞的制造方法，其特征在于：步骤(1)中活塞头部的热处理包括以下步骤：
1)固溶处理：控制温度为490～500℃，保温5.9～6.1h，在60～100℃水中进行淬火处理；
2)时效处理：控制温度为200～210℃，保温7.9～8.1h,出炉后空冷。
6.根据权利要求5所述的电子束焊接铝活塞的制造方法，其特征在于：所述固溶处理完毕至开始时效处理的时间小于2h，活塞毛坯从铝合金淬火炉至水槽的转移时间小于30s。
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