CN106438335A - 一种复合式空心柱塞结构及其电子束焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式空心柱塞结构，构成包括均由轴对称回转体构成的柱塞杆和柱塞套筒，柱塞杆的中心轴线上设有节流孔，柱塞杆包括底端、肩部、颈部和球头，底端至肩部的圆柱面上沿整个圆周设有凹槽A，所述柱塞套筒的内圆柱面设有凹槽B，柱塞杆和柱塞套筒在底端和肩部通过电子束焊接连接形成整体；电子束焊接方法，按下述步骤进行：①先根据图纸规格分别加工柱塞杆和柱塞套筒两部件；②将加工好的柱塞杆和柱塞套筒用汽油浸泡清洗干净，将柱塞杆插入套筒中，得到待焊组合件；③将待焊组合件装夹、装炉；④电子束焊接。本发明的机械加工方便，普通数控车床即可完成，且焊接牢固稳定。

Description

一种复合式空心柱塞结构及其电子束焊接方法

技术领域

本发明涉及一种液压柱塞泵的柱塞结构领域，特别是一种复合式空心柱塞结构及其电子束焊接方法。

背景技术

柱塞体是构成液压泵/马达的关键部件之一，其工况为：转动惯量大，与转子孔壁滑动摩擦频率高。减小其转动惯量，可以降低其与转子孔壁的相互作用，从而减小摩擦，增加泵/马达转子机构的使用寿命。

为了减低柱塞体的转动惯量，特将其设计为空心结构，降低其重量，从而达到降低其转动惯量的目的。柱塞体空心结构的设计，是机加两个部件通过电子束焊接的方法来实现的。

现有的空心结构柱塞体通常是在柱塞底端沿圆周方向加工一深环槽，再另加工一圆环，圆环与环槽对合焊接而成。对于较小柱塞体，深环槽在机械加工时难度较大，难以保证加工质量，且在较小的圆形面积内，形成两个焊接环面，焊接质量也难以保证。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种复合式空心柱塞结构及其电子束焊接方法。本发明的机械加工方便，普通数控车床即可完成，且焊接牢固稳定。

本发明的技术方案：一种复合式空心柱塞结构，其特征在于：包括均由轴对称回转体构成的柱塞杆和柱塞套筒，柱塞杆的中心轴线上设有节流孔，柱塞杆包括底端、肩部、颈部和球头，底端至肩部的圆柱面上沿整个圆周设有凹槽A，所述柱塞套筒的内圆柱面设有凹槽B，柱塞杆和柱塞套筒在底端和肩部通过电子束焊接连接形成整体。

前述的复合式空心柱塞结构中，所述底端焊接处的焊缝A与柱塞杆轴线平行，所述肩部焊接处的焊缝B与柱塞杆轴线形成夹角α。

前述的复合式空心柱塞结构中，所述夹角α≥20°。

前述的复合式空心柱塞结构中，所述柱塞杆和柱塞套筒的材料为25Cr3MoA。

前述的复合式空心柱塞结构的电子束焊接方法，按下述步骤进行：

先根据图纸规格分别加工柱塞杆和柱塞套筒两部件；

将加工好的柱塞杆和柱塞套筒用汽油浸泡清洗干净，将柱塞杆插入套筒中，得到待焊组合件；

将待焊组合件装夹、装炉；

电子束焊接：电子束焊机的焊接炉内真空度≤1.0X10^-3Pa。

前述的电子束焊接方法中，所述步骤③的装夹方式是将待焊组合件放入焊接炉膛中的旋转工装三爪卡盘中，柱塞杆顶端与三爪卡盘面贴合紧密，三爪卡盘置于水平安装平台上；

和/或，将待焊组合件放入焊接炉膛中的旋转工装三爪卡盘中，柱塞杆底端与三爪卡盘面贴合紧密，三爪卡盘置于水平安装平台上，通过角支架调整水平安装平台的倾斜角度与肩部焊缝角度一致，以保持肩部焊接处的焊缝垂直。

前述的电子束焊接方法中，所述步骤④中的电子束焊接过程按下述步骤进行：

4.1）编程：根据焊缝长度和待焊件材料写入相应的CNC数控焊接程序；

4.2）对焦：调整聚焦电流大小，使得电子束焦点在零件需焊合的位置表面，确保电子束焊接时的熔化区域包含需要焊接的部分；

4.3）运行焊接程序：对焦完成后，将调整的零件位置设置为焊接起点，及将坐标显示调零，运行焊接程序，对零件进行焊接。

前述的电子束焊接方法中，所述焊接程序分为三个阶段：点焊阶段、焊接阶段和修饰焊阶段。

与现有技术相比，本发明通过改变柱塞杆和柱塞套筒的装配结构，同时采用电子束焊接，从而减小其转动惯量，降低其与转子孔壁的相互作用，从而减小摩擦，增加泵/马达转子机构的使用寿命。本发明的机械加工方便，普通数控车床即可完成，且焊接牢固稳定。本发明还配合有特定的电子束焊接方法，进一步保证焊接质量。

本发明使零件加工更为方便，特别是小尺寸零件的机械加工，零件加工效率也得到极大提高，可普通数控机床批量生产，还有焊缝分别在底部和肩部使得电子束焊接质量容易得到保证，从而提高了摩擦副使用寿命。

附图说明

图1是本发明复合式空心柱塞结构剖面示意图；

图2是本发明空心柱塞柱塞杆结构尺寸图；

图3是本发明空心柱塞柱塞套筒结构尺寸图；

图4是本发明柱塞底端焊接装夹示意图；

图5是本发明柱塞肩部焊接装夹示意图；

图6是本发明焊后空心柱塞体底端焊缝A的显微图片；

图7是本发明焊后空心柱塞体肩部焊缝B的显微图片。

附图中的标记为：1-柱塞杆，2-柱塞套筒，3-底端，4-肩部，5-颈部，6-球头，7-节流孔，8-焊缝A，9-焊缝B，10-凹槽A，11-凹槽B。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。一种复合式空心柱塞结构，构成如图1所示，包括均由轴对称回转体构成的柱塞杆1和柱塞套筒2，柱塞杆1的中心轴线上设有节流孔7，柱塞杆1包括底端3、肩部4、颈部5和球头6，底端3至肩部4的圆柱面上沿整个圆周设有凹槽A10，所述柱塞套筒2的内圆柱面设有凹槽B11，柱塞杆1和柱塞套筒2在底端3和肩部4通过电子束焊接连接形成整体。

所述底端3焊接处的焊缝A8与柱塞杆1轴线平行，所述肩部4焊接处的焊缝B9与柱塞杆轴线形成夹角α。所述夹角α≥20°。就是说，柱塞杆装入柱塞套筒时形成两个结合焊面，一个为圆柱面结合，另一个为圆锥面结合。设置α角度的主要目的一是在几何关系方面避开球头的位置，二是确保焊接时的熔化区域仅包含需要焊接的部分，而不能涉及柱塞杆体。

所述柱塞杆1和柱塞套筒2的材料为25Cr3MoA。

所述的柱塞杆1的尺寸可以如图2所示，所述的柱塞套筒2的尺寸可以如图3所示.

根据所述的复合式空心柱塞结构的电子束焊接方法，按下述步骤进行：

先根据图纸规格分别加工柱塞杆和柱塞套筒两部件；

将加工好的柱塞杆和柱塞套筒用汽油浸泡清洗干净，将柱塞杆插入套筒中，得到待焊组合件；

将待焊组合件装夹、装炉；

电子束焊接：电子束焊机的焊接炉内真空度≤1.0X10^-3Pa。

所述步骤③的装夹方式包括底端焊接夹装方式和肩部焊接夹装方式；底端焊接夹装方式如图4所示，是将待焊组合件放入焊接炉膛中的旋转工装三爪卡盘中，柱塞杆顶端与三爪卡盘面贴合紧密，三爪卡盘置于水平安装平台上；肩部焊接夹装方式如图5所示，将待焊组合件放入焊接炉膛中的旋转工装三爪卡盘中，柱塞杆底端与三爪卡盘面贴合紧密，三爪卡盘置于水平安装平台上，通过角支架调整水平安装平台的倾斜角度与肩部焊缝角度一致，以保持肩部焊接处的焊缝垂直。

所述步骤④中的电子束焊接过程按下述步骤进行：

4.1编程：根据焊缝长度和待焊件材料写入相应的CNC数控焊接程序；

4.2对焦：调整聚焦电流大小，使得电子束焦点在零件需焊合的位置表面，确保电子束焊接时的熔化区域包含需要焊接的部分；

4.3运行焊接程序：对焦完成后，将调整的零件位置设置为焊接起点，及将坐标显示调零，运行焊接程序，对零件进行焊接。

所述焊接程序分为三个阶段：点焊阶段、焊接阶段和修饰焊阶段。

本发明的电子束焊接方法具体可如下步骤实施：

步骤1：先根据图纸规格分别加工柱塞杆和柱塞套筒两部件。

步骤2：将加工好的部件用汽油浸泡清洗干净，再按照图1所示结构进行装配，即，将柱塞杆插入套筒中，得到待焊组合件；按照图2、图3所示尺寸和25Cr3MoA材料加工的柱塞杆和柱塞套筒，焊合部位的装配错位量不得超过0.1mm。

步骤3：装夹、装炉：将步骤2装配好的待焊组合件放入电子束焊机炉体内的旋转工装三爪卡盘中，使柱塞端面与三爪卡盘面贴合紧密，由此来确保焊接位置的精度。如图3、图4所示，焊接柱塞杆与柱塞套筒的圆锥面时，通过角支架来实现焊接位置的垂直，角支架的倾斜角度与柱塞杆和柱塞套筒的结合锥面角度相同。

步骤4：电子束焊接：始终控制炉内真空度≤1.0X10^-3Pa，并按照以下过程进行电子束焊接：

4.1）常规编程：根据焊缝长度和待焊件材料写入适宜的CNC数控焊接程序；

4.2）常规对焦：调整聚焦电流大小，使得电子束焦点在零件需焊合的位置表面，确保电子束焊接时的熔化区域包含需要焊接的部分；

4.3）运行焊接程序：对焦完成后，将调整的零件位置设置为焊接起点，及将坐标显示调零，运行焊接程序（焊接程序由CNC写入），对零件进行焊接。该程序实际包括三个阶段：

4.3.1）点焊：

柱塞杆底端：灯丝电流3.8A；加速电压60Kv；点焊束流3mA，点焊数量环缝均布三点，点焊范围15°；焊速75°每秒。

柱塞杆肩部：灯丝电流3.8A；加速电压60Kv；点焊束流3mA，点焊数量环缝均布三点，点焊范围15°；焊速75°每秒。

4.3.2）焊接：

柱塞杆底端：灯丝电流4.0A；加速电压60Kv；焊接束流18mA；焊速175°每秒；聚焦偏移量-29mA。

柱塞杆肩部：灯丝电流4.1A；加速电压60Kv；焊接束流23mA；焊速135°每秒；聚焦偏移量-35mA。

4.3.3）修饰焊：

柱塞杆底端：灯丝电流3.8A；加速电压60Kv；焊接束流8mA；焊速100°每秒；聚焦偏移量-20mA。

柱塞杆肩部：灯丝电流3.8A；加速电压60Kv；焊接束流8mA；焊速100°每秒；聚焦偏移量-25mA。

柱塞杆底端焊接好后，零件取出，对柱塞杆肩部进行焊接，重复4.1）和4.2）的对焦和运行焊接程序。

取出焊件，完成焊接。

从图6和图7的焊接接头显微图片中，能够定性看出本发明焊后接头连续致密，实现了杆与套筒两部件的焊接。

Claims (8)

1.一种复合式空心柱塞结构，其特征在于：包括均由轴对称回转体构成的柱塞杆（1）和柱塞套筒（2），柱塞杆（1）的中心轴线上设有节流孔（7），柱塞杆（1）包括底端（3）、肩部（4）、颈部（5）和球头（6），底端（3）至肩部（4）的圆柱面上沿整个圆周设有凹槽A（10），所述柱塞套筒（2）的内圆柱面设有凹槽B（11），柱塞杆（1）和柱塞套筒（2）在底端（3）和肩部（4）通过电子束焊接连接形成整体。

2.根据权利要求1所述的复合式空心柱塞结构，其特征在于：所述底端（3）焊接处的焊缝A（8）与柱塞杆（1）轴线平行，所述肩部（4）焊接处的焊缝B（9）与柱塞杆轴线形成夹角α。

3.根据权利要求2所述的复合式空心柱塞结构，其特征在于：所述夹角α≥20°。

4.根据权利要求1所述的复合式空心柱塞结构，其特征在于：所述柱塞杆（1）和柱塞套筒（2）的材料为25Cr3MoA。

5.根据权利要求1-4任一项所述的复合式空心柱塞结构的电子束焊接方法，其特征在于，按下述步骤进行：

先根据图纸规格分别加工柱塞杆和柱塞套筒两部件；

将加工好的柱塞杆和柱塞套筒用汽油浸泡清洗干净，将柱塞杆插入套筒中，得到待焊组合件；

将待焊组合件装夹、装炉；

电子束焊接：电子束焊机的焊接炉内真空度≤1.0X10^-3 Pa。

6.根据权利要求5所述的电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤③的装夹方式是将待焊组合件放入焊接炉膛中的旋转工装三爪卡盘中，柱塞杆顶端与三爪卡盘面贴合紧密，三爪卡盘置于水平安装平台上；

和/或，将待焊组合件放入焊接炉膛中的旋转工装三爪卡盘中，柱塞杆底端与三爪卡盘面贴合紧密，三爪卡盘置于水平安装平台上，通过角支架调整水平安装平台的倾斜角度与肩部焊缝角度一致，以保持肩部焊接处的焊缝垂直。

7.根据权利要求5所述的电子束焊接方法，其特征在于：所述步骤④中的电子束焊接过程按下述步骤进行：

4.1）编程：根据焊缝长度和待焊件材料写入相应的CNC数控焊接程序；

4.2）对焦：调整聚焦电流大小，使得电子束焦点在零件需焊合的位置表面，确保电子束焊接时的熔化区域包含需要焊接的部分；

4.3）运行焊接程序：对焦完成后，将调整的零件位置设置为焊接起点，及将坐标显示调零，运行焊接程序，对零件进行焊接。

8.根据权利要求6所述的电子束焊接方法，其特征在于：所述焊接程序分为三个阶段：点焊阶段、焊接阶段和修饰焊阶段。