CN108331677B - 一种焊接式整体锻钢活塞及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焊接式整体锻钢活塞及其制造工艺，包括锻造而成的活塞头部和活塞裙部，所述活塞头部和所述活塞裙部固定连接；所述活塞头部和所述活塞裙部之间形成封闭的冷却油腔，所述冷却油腔通过进油孔、出油孔与外部相通；所述活塞头部底端同心设置有环形内焊接肩A和外焊接肩A，所述活塞裙部顶端同心设置有分别与所述内焊接肩A和所述外焊接肩A匹配的环形内焊接肩B和外焊接肩B，所述内焊接肩A与所述内焊接肩B通过摩擦焊进行焊接，形成主焊缝；所述外焊接肩A与所述外焊接肩B通过熔焊进行焊接，形成辅助焊缝。本发明提供了一种结构合理、安全可靠、生产效率较高的焊接式整体锻钢活塞及其制造工艺。
Description
技术领域
本发明涉及活塞制造技术领域，更具体的说是涉及一种焊接式整体锻钢活塞及其制造工艺。
背景技术
活塞是汽车发动机的“心脏”，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。活塞的功用是承受气体压力，并通过活塞销轴传给连杆驱使曲轴旋转，活塞的失效会导致发动机失去动力，甚至导致整台发动机报废。
近十几年来，发动机设计、制造技术得以迅速提高，特别是柴油发动机都在向大功率、高负荷方向发展，强化程度不断提高，爆发力已经超过20MPa，同时排放要求越来越严格，铝材质已逐渐不能满足发动机高功率、高强度、的排放的要求。所以现在很多公司都在选用钢铁材料替代铝合金材料，特别是锻钢活塞材料的开发代表了当前活塞发展的方向。现在钢活塞主要有两种：一种是铰接摆体式，一种是整体锻钢的。铰接摆体式结构是活塞头部为锻钢，裙部为铝，分开加工后通过活塞销连接起来，这种活塞难以形成封闭的冷却油腔，活塞冷却效果差，同时因为需要更长的活塞销进行连接，总体重量也有所增加，现在在一些发达国家已经逐步淘汰。整体锻钢活塞一般是头部和裙部分别锻造经过粗加工后，通过某种方式组合形成一个整体。
中国专利CN 1610601A公开了一种制造锻钢活塞的方法，该方法是头部和裙部分别锻造，内冷油腔是在头部和裙部分别加工后通过摩擦焊接形成，头部和裙部两道端面焊缝一次焊接完成，焊接面积较大，受设备精度和能力的影响，大缸径活塞无法正常焊接。此外，大功率摩擦焊需要消耗很大的电量，浪费能源。
中国专利CN 102407431 B公开了一种带内冷油腔的热旋压制锻钢整体活塞制造工艺，该方法是整体毛坯加工出油道内侧部分和遮挡部位后，通过热旋压制对冷却油腔进行封闭。该工艺所需毛坯为一体结构，锻造工艺较复杂，由于活塞毛坯的壁厚较厚，热旋压制效率较低。在热旋压制过程中该发明提到需要旋压模，由于是封闭内冷油道，旋压模是如何工作及取出的未作说明，另外由于热旋压过程中的材料塑性变形，油道需要封闭或又很小的间隙，需要在加工油道遮挡部位加工精度较高。
因此，如何提供一种结构合理、安全可靠、生产效率较高的焊接式整体锻钢活塞及其制造工艺是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种焊接式整体锻钢活塞及其制造工艺，一方面，活塞头部及裙部毛坯采用分开锻造的方式，简化锻造工艺，并且对设备吨位的要求降低，从而减少设备成本的投入；另一方面，活塞头部及裙部的分开加工，还降低对设备、刀具的要求；同时，活塞头部和活塞裙部的两道焊缝只有内部一道焊缝用摩擦焊，降低对摩擦焊机功率的要求，从而使大缸径活塞能够使用较低功率的摩擦焊机焊接，降低了设备的投入，扩大了设备的使用范围；选用电子束焊接方式或氩弧焊焊接方式对活塞头部外围和活塞裙部外围进行焊接，形成辅助焊缝，增强焊接的可靠性。
本发明提供了一种焊接式整体锻钢活塞，包括锻造而成的活塞头部和活塞裙部，所述活塞头部和所述活塞裙部固定连接；所述活塞头部和所述活塞裙部之间形成封闭的冷却油腔，所述冷却油腔通过进油孔、出油孔与外部相通；所述活塞头部底端同心设置有环形内焊接肩A和外焊接肩A，所述活塞裙部顶端同心设置有分别与所述内焊接肩A和所述外焊接肩A匹配的环形内焊接肩B和外焊接肩B，所述内焊接肩A与所述内焊接肩B通过摩擦焊进行焊接，形成主焊缝；所述外焊接肩A与所述外焊接肩B通过熔焊进行焊接，形成辅助焊缝；
优选的，在上述一种焊接式整体锻钢活塞中，所述活塞头部和所述活塞裙部选用调质钢或非调质钢锻造，调质钢选用42CrMo，非调质钢选用38MnVS6。
优选的，在上述一种焊接式整体锻钢活塞中，所述活塞裙部于所述冷却油腔底部设置所述进油孔和所述出油孔，使所述冷却油腔内的冷却介质能够与发动机的循环冷却系统连通，从而对活塞进行更好的冷却。
优选的，在上述一种焊接式整体锻钢活塞中，所述主焊缝使用45吨摩擦焊机通过焊接形成，所述45吨摩擦焊机最大顶锻力390KN,最大焊接面积4100mm2，降低对摩擦焊机功率的要求，从而使大缸径活塞能够使用较低功率的摩擦焊机焊接，降低了设备的投入，扩大了设备的使用范围。
优选的，在上述一种焊接式整体锻钢活塞中，所述辅助焊缝包括顶面辅助焊缝和外圆辅助焊缝，所述顶面辅助焊缝主要用于加固活塞头部与活塞裙部的连接质量，所述外圆辅助焊缝起到支撑活塞环的作用。
优选的，在上述一种焊接式整体锻钢活塞中，所述顶面辅助焊缝采用真空电子束焊焊接而成，焊接速度为300mm/分钟，采用两遍焊接工艺，高压80KV，第一遍预热，焊接束流为15mA，第二遍根据焊接深度确定焊接束流，从而提高了焊接质量。
优选的，在上述一种焊接式整体锻钢活塞中，所述外圆辅助焊缝采用氩弧焊焊接而成，由于外圆处温度较低，外圆辅助焊缝只是起到支撑活塞环的作用，对焊缝要求较低，选用氩弧焊，减少设备投入，降低成本。
一种焊接式整体锻钢活塞制造工艺，包括以下步骤：
S1选材：根据工艺要求，选择直径符合要求的调制钢或非调制钢棒料，用锯床对棒料进行切割备料；
S2热加工：根据工艺要求，确定加热时间，用电磁感应炉将切割后的棒料加热至1120-1250℃；
S3锻造：采用400吨液压压力机粗锻加热后的棒料，墩粗，除棒料表面氧化皮，采用1000吨电动螺旋压力机对完成粗锻的活塞头部毛坯和活塞裙部毛坯进行精锻，根据工艺要求确定精锻次数及每次精锻使用压力的大小，得到活塞头部毛坯和活塞裙部毛坯；
S4:粗加工：在活塞头部毛坯中加工冷却油腔顶面、环形内焊接肩A和外焊接肩A，在活塞裙部毛坯中加工冷却油腔底面、环形内焊接肩B和外焊接肩B；得到活塞头部半成品和活塞裙部半成品；
S5焊接：使用摩擦焊机对精锻后的活塞头部半成品和活塞裙部半成品进行摩擦焊接，内焊接肩A与内焊接肩B使用45吨摩擦焊机焊接形成主焊缝，所述45吨摩擦焊机最大顶锻力390KN,最大焊接面积4100mm2；外焊接肩A与外焊接肩B通过熔焊进行焊接，形成辅助焊缝；辅助焊缝包括顶面辅助焊缝和外圆辅助焊缝；其中顶面辅助焊缝采用真空电子束焊焊接而成，焊接速度为300mm/分钟，采用两遍焊接工艺，高压80KV，第一遍预热，焊接束流为15mA，第二遍根据焊接深度确定焊接束流；外圆辅助焊缝采用氩弧焊焊接而成。
S6后期加工：对焊接后的活塞进行热处理、精加工、表面处理最终得到活塞成品。
优选的，在上述的一种焊接式整体锻钢活塞制造工艺中，所述热处理过程中，对于采用调质钢锻造的活塞，先加热到845-855℃，然后保温2-3小时后出炉后油冷，回火温度为590-620℃，保温3-4小时，最后出炉空冷；对于采用非调质钢锻造的活塞，只做退火处理，以便去除应力。
优选的，在上述的一种焊接式整体锻钢活塞制造工艺中，所述精加工：将经过热处理的活塞加工出活塞的环槽、销孔、外圆型面；所述表面处理：将精加工后的活塞表面进行磷化和石墨化处理。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种焊接式整体锻钢活塞及其制造工艺，首先，活塞头部及裙部毛坯采用分开锻造的方式进行加工，简化锻造工艺，并且降低了对设备吨位的要求，从而减少设备成本的投入；
其次，活塞头部及裙部的分开加工，还降低对设备、刀具的要求，使加工过程简单合理；活塞头部和活塞裙部的两道焊缝只有内部一道焊缝用摩擦焊，降低对摩擦焊机功率的要求，从而使大缸径活塞能够使用较低功率的摩擦焊机焊接，降低了设备的投入，扩大了焊接设备的使用范围；
最后，选用电子束焊接方式和氩弧焊焊接方式对活塞头部外围和活塞裙部外围进行焊接，形成辅助焊缝，增强焊接的可靠性；活塞裙部于冷却油腔底部设置进油孔和出油孔，使冷却油腔内的冷却介质能够与发动机的循环冷却系统连通，从而对活塞进行更好的冷却。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为焊接式整体锻钢活塞的正面剖视图；
图2为焊接式整体锻钢活塞的侧面剖视图；
图3为焊接式整体锻钢活塞的仰视图；
图4为焊接式整体锻钢活塞的立体图；
图5为焊接式整体锻钢活塞的制造工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种焊接式整体锻钢活塞及其制造工艺，一方面，活塞头部及裙部毛坯采用分开锻造的方式，简化锻造工艺，并且对设备吨位的要求降低，从而减少设备成本的投入；另一方面，活塞头部及裙部的分开加工，还降低对设备、刀具的要求；同时，活塞头部和活塞裙部的两道焊缝只有内部一道焊缝用摩擦焊，降低对摩擦焊机功率的要求，从而使大缸径活塞能够使用较低功率的摩擦焊机焊接，降低了设备的投入，扩大了设备的使用范围；选用电子束焊接方式或氩弧焊焊接方式对活塞头部外围和活塞裙部外围进行焊接，形成辅助焊缝，增强焊接的可靠性。
结合附图1-4，本发明公开了一种焊接式整体锻钢活塞，包括锻造而成的活塞头部1和活塞裙部2，活塞头部1和活塞裙部2固定连接；活塞头部1和活塞裙部2之间形成封闭的冷却油腔3，冷却油腔3通过进油孔4、出油孔5与外部相通；活塞头部1底端同心设置有环形内焊接肩A6和外焊接肩A7，活塞裙部2顶端同心设置有分别与内焊接肩A6和外焊接肩A7匹配的环形内焊接肩B8和外焊接肩B9，内焊接肩A6与内焊接肩B8通过摩擦焊进行焊接，形成主焊缝10；外焊接肩A7与外焊接肩B9通过熔焊进行焊接，形成辅助焊缝；
为了进一步优化上述技术方案，活塞头部1和活塞裙部2选用调质钢或非调质钢锻造，调质钢选用42CrMo，非调质钢选用38MnVS6。
为了进一步优化上述技术方案，活塞裙部2于冷却油腔3底部设置进油孔4和出油孔5，使冷却油腔3内的冷却介质能够与发动机的循环冷却系统连通，从而对活塞进行更好的冷却。
为了进一步优化上述技术方案，主焊缝10使用45吨摩擦焊机焊接形成，45吨摩擦焊机最大顶锻力390KN,最大焊接面积4100mm2，降低对摩擦焊机功率的要求，从而使大缸径活塞能够使用较低功率的摩擦焊机焊接，降低了设备的投入，扩大了设备的使用范围。
为了进一步优化上述技术方案，辅助焊缝包括顶面辅助焊缝11和外圆辅助焊缝12，顶面辅助焊缝11主要用于加固活塞头部1与活塞裙部2的连接质量，外圆辅助焊缝12起到支撑活塞环的作用。
为了进一步优化上述技术方案，顶面辅助焊缝11采用真空电子束焊焊接而成，焊接速度为300mm/分钟，采用两遍焊接工艺，高压80KV，第一遍预热，焊接束流为15mA，第二遍根据焊接深度确定焊接束流，从而提高了焊接质量。
为了进一步优化上述技术方案，外圆辅助焊缝12采用氩弧焊焊接而成，由于外圆处温度较低，外圆辅助焊缝12只是起到支撑活塞环的作用，对焊缝要求较低，选用氩弧焊，减少设备投入，降低成本。
结合附图5，本发明公开了一种焊接式整体锻钢活塞制造工艺，包括以下步骤：
S1选材：根据工艺要求，选择直径符合要求的调制钢或非调制钢棒料，用锯床对棒料进行切割备料，调质钢选用42CrMo，非调质钢选用38MnVS6；
S2热加工：根据工艺要求，确定加热时间，用电磁感应炉将切割后的棒料加热至1120-1250℃；
S3锻造：采用400吨液压压力机粗锻加热后的棒料，墩粗，除棒料表面氧化皮，采用1000吨电动螺旋压力机对完成粗锻的活塞头部毛坯和活塞裙部毛坯进行精锻，根据工艺要求确定精锻次数及每次精锻使用压力的大小，得到活塞头部毛坯和活塞裙部毛坯；
S4:粗加工：在活塞头部毛坯中加工冷却油腔顶面、环形内焊接肩A和外焊接肩A，在活塞裙部毛坯中加工冷却油腔底面、环形内焊接肩B和外焊接肩B；得到活塞头部半成品和活塞裙部半成品；
S5焊接：使用摩擦焊机对精锻后的活塞头部半成品和活塞裙部半成品进行摩擦焊接，内焊接肩A与内焊接肩B使用45吨摩擦焊机焊接形成主焊缝，45吨摩擦焊机最大顶锻力390KN,最大焊接面积4100mm2；外焊接肩A与外焊接肩B通过熔焊进行焊接，形成辅助焊缝；辅助焊缝包括顶面辅助焊缝和外圆辅助焊缝；其中顶面辅助焊缝采用真空电子束焊焊接而成，焊接速度为300mm/分钟，采用两遍焊接工艺，高压80KV，第一遍预热，焊接束流为15mA，第二遍根据焊接深度确定焊接束流；外圆辅助焊缝采用氩弧焊焊接而成。
S6后期加工：对焊接后的活塞进行热处理、精加工、表面处理最终得到活塞成品。
为了进一步优化上述技术方案，热处理过程中，对于采用调质钢锻造的活塞，先加热到845-855℃，然后保温2-3小时后出炉后油冷，回火温度为590-620℃，保温3-4小时，最后出炉空冷；对于采用非调质钢锻造的活塞，只做退火处理，以便去除应力。
为了进一步优化上述技术方案，精加工：将经过热处理的活塞加工出活塞的环槽、销孔、外圆型面；所述表面处理：将精加工后的活塞表面进行磷化和石墨化处理。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种焊接式整体锻钢活塞，包括锻造而成的活塞头部和活塞裙部，所述活塞头部和所述活塞裙部固定连接；所述活塞头部和所述活塞裙部之间形成封闭的冷却油腔，所述冷却油腔通过进油孔、出油孔与外部相通；其特征在于，所述活塞头部底端同心设置有环形内焊接肩A和外焊接肩A，所述活塞裙部顶端同心设置有分别与所述内焊接肩A和所述外焊接肩A匹配的环形内焊接肩B和外焊接肩B，所述内焊接肩A与所述内焊接肩B通过摩擦焊进行焊接，形成主焊缝；所述外焊接肩A与所述外焊接肩B通过熔焊进行焊接，形成辅助焊缝；所述辅助焊缝包括顶面辅助焊缝和外圆辅助焊缝；所述顶面辅助焊缝采用真空电子束焊焊接而成，焊接速度为300mm/分钟，采用两遍焊接工艺，高压80KV，第一遍预热，焊接束流为15mA，第二遍根据焊接深度确定焊接束流；所述外圆辅助焊缝采用氩弧焊焊接而成；
所述活塞裙部于所述冷却油腔底部设置所述进油孔和所述出油孔。
2.根据权利要求1所述的一种焊接式整体锻钢活塞，其特征在于，所述活塞头部和所述活塞裙部选用调质钢或非调质钢锻造，调质钢选用42CrMo，非调质钢选用38MnVS6。
3.一种焊接式整体锻钢活塞制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1选材：根据工艺要求，选择直径符合要求的调制钢或非调制钢棒料，用锯床对棒料进行切割备料；
S2热加工：根据工艺要求，确定加热时间，用电磁感应炉将切割后的棒料加热至1120-1250℃；
S3锻造：采用400吨液压压力机粗锻加热后的棒料，墩粗，除棒料表面氧化皮，采用1000吨电动螺旋压力机对完成粗锻的活塞头部毛坯和活塞裙部毛坯进行精锻，根据工艺要求确定精锻次数及每次精锻使用压力的大小，得到活塞头部毛坯和活塞裙部毛坯；
S4:粗加工：在活塞头部毛坯中加工冷却油腔顶面、环形内焊接肩A和外焊接肩A，在活塞裙部毛坯中加工冷却油腔底面、环形内焊接肩B和外焊接肩B；得到活塞头部半成品和活塞裙部半成品；
S5焊接：使用摩擦焊机对精锻后的活塞头部半成品和活塞裙部半成品进行摩擦焊接，内焊接肩A与内焊接肩B使用45吨摩擦焊机焊接形成主焊缝，所述45吨摩擦焊机最大顶锻力390KN,最大焊接面积4100mm2；外焊接肩A与外焊接肩B通过熔焊进行焊接，形成辅助焊缝；辅助焊缝包括顶面辅助焊缝和外圆辅助焊缝；其中顶面辅助焊缝采用真空电子束焊焊接而成，焊接速度为300mm/分钟，采用两遍焊接工艺，高压80KV，第一遍预热，焊接束流为15mA，第二遍根据焊接深度确定焊接束流；外圆辅助焊缝采用氩弧焊焊接而成；
S6后期加工：对焊接后的活塞进行热处理、精加工、表面处理最终得到活塞成品。
4.根据权利要求3所述的一种焊接式整体锻钢活塞制造工艺，其特征在于，所述热处理过程中，对于采用调质钢锻造的活塞，先加热到845-855℃，然后保温2-3小时后出炉后油冷，回火温度为590-620℃，保温3-4小时，最后出炉空冷；对于采用非调质钢锻造的活塞，只做退火处理，去除应力。
5.根据权利要求3所述的一种焊接式整体锻钢活塞制造工艺，其特征在于，所述精加工：将经过热处理的活塞加工出活塞的环槽、销孔、外圆型面；所述表面处理：将精加工后的活塞表面进行磷化和石墨化处理。
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