CN1796037A - 利用飞轮式摩擦焊接的大型引擎用经济型气门的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用飞轮式摩擦焊接的大型引擎用经济型气门的制造方法，该方法包括：定义摩擦焊接旋转速度(S1)为S1＝100611×(1/D)，通过摩擦焊接旋转速度转动旋转轴(14)产生旋转惯性力矩能量的阶段、定义摩擦焊接压力(P1)为P1＝{(P1i×A)/H}×θ，在摩擦焊接时间(T1)内，对设置在固定轴的部件施加摩擦焊接压力，在分别设置于旋转轴和固定轴的部件之间产生相互摩擦的摩擦焊接阶段、在压接时间(T2)内对设置于固定轴上的部件进一步施加定义为P2＝{(P2i×A)/H}×θ的压接压力(P2)，使旋转轴上设置的部件制动，同时固定轴上设置的部件和旋转轴上设置的部件相互压接的阶段。

Description

利用飞轮式摩擦焊接的大型引擎用经济型气门的制造方法
【技术领域】
本发明涉及内燃机，特别是大型船舶用二行程内燃机使用的气门的制造方法，具体地说涉及将镍(Ni)基超耐热合金制成的头部和镍铬(Ni-Cr)耐热钢制成的杆部组成的不同类型金属材料(母材)相互接触的状态下，对大型船舶用内燃机的气门加压，产生相对运动，利用旋转惯性力矩的能量，通过接触面产生的摩擦热加热焊接面，进行加压焊接的飞轮式摩擦焊接方法，特别是涉及利用能够应用于70mm以上的大口径镍(Ni)基超耐热合金和镍铬(Ni-Cr)耐热钢的飞轮式摩擦焊接的大型引擎用经济型气门的制造方法。
【背景技术】
通常，船舶柴油引擎的气门需要在高温下仍具有一定强度、耐腐蚀性以及耐磨性，以往使用的类型有：由尼孟合金(Nimonic)80A等昂贵的镍(Ni)基超耐热合金成型的一体型、在耐热钢制成的气门头部位置覆盖焊接钨铬钴合金(Stellite)的覆盖焊接型、在头部表面溅射超耐热合金——镍合金(Inconel 625)制造的表面处理型、分别利用不同材料制成气门的头部和杆部后通过多种焊接工艺进行焊接而成的组合型等。
近年来，随着船舶的高速化以及大型化，主要使用由尼孟合金(Nimonic)80A等昂贵的的超耐热合金制成的高品质一体型气门。
这种一体型气门，是对坯件进行自由锻造而得到的棒材进行对接焊而成型的部件或在棒材制造过程中对部分成型的部件的头部进行模锻，从而完成头部和杆部的一体制造，因此需要大型锻造设备，而且由于头部和杆部的连接部位的界面急剧减小，杆部的长度又比较长，为制造工程带来很多难题，特别是会损失昂贵的超耐热合金，因此制造费用比较高。
考虑气门的使用条件，由于高温的排出气体，头部会受到500～700℃的热影响，而杆部几乎不会受到热影响。因此，头部从材料特性上要求在高温的氧化条件下也能保持强度、耐腐蚀性以及耐磨性，而杆部要求具有对常温下由气门开闭时引起的滑动的耐磨性。根据头部和杆部的使用条件不同，选定符合其特性的材料，利用不同种类的金属材料发展了快速简便而且可信赖性高的焊接技术，代表技术有不熔解金属，而是利用摩擦面摩擦产生的摩擦热和高温产生的塑性变形的摩擦焊接方法。
上述摩擦焊接大体上可以分为制动式和飞轮式，对于飞轮式摩擦焊接，产生压接需要的旋转惯性力矩能量，然后通过材料之间的摩擦将旋转惯性力矩能量自然地转化为热能，同时通过压接最大限度地抑制材料的热传导，使热影响范围比较窄，从而维持材料特有的性质。此外，由于焊接变量少，所以作业过程简单，特别是与熔融焊接法不同，不需要焊接时使用的附属材料(焊条、焊料等)，从而不会产生有害的烟尘或火化，工作环境清洁，工作效率高，能够实现自动化，维持一定的品质，因此具有较高的可信赖性。
虽然具有这些优点，但是以往的摩擦焊接技术由于摩擦焊接设备型号不足，只能使用于汽车以及船舶用气门等40mm直径以下的小型部件的焊接。
【发明内容】
本发明为解决上述问题而提出，目的在于最大限度发挥飞轮式摩擦焊接方法的特性，消除以往摩擦焊接存在的问题，找出飞轮式摩擦焊接方法用于船舶的大型气门等焊接部的最佳条件，同时导出适用于70mm以上的大口径镍(Ni)基超耐热合金和镍铬(Ni-Cr)耐热钢焊接的飞轮式摩擦焊接工程，从而提供可信赖程度高的利用飞轮式摩擦焊接方法的大型引擎用经济型气门的制造方法。
为实现上述目的，本发明在飞轮的旋转轴和与旋转轴相隔一定距离的固定轴上分别设置了不同类型的金属材料，通过飞轮旋转时产生的摩擦焊接旋转速度来转动旋转轴，生成旋转惯性力矩能量，对固定轴施加摩擦焊接压力，移动部件，使其与设置在旋转轴上的部件接触，接触面上产生随相对运动引起的摩擦，将旋转惯性力矩能量自然地转换为热能，同时施加附加压力进行焊接，这种飞轮式摩擦焊接方法的特点包括：定义摩擦焊接旋转速度S1为S1＝100611×(1/D)，通过摩擦焊接旋转速度来转动旋转轴14，产生旋转惯性力矩能量的阶段；定义摩擦焊接压力P1为P1＝{(P1i×A)/H}×θ，在摩擦焊接时间T1内，对设置在固定轴上的部件施加摩擦焊接压力，在分别设置于旋转轴和固定轴的部件之间产生相互摩擦的阶段；在压接时间T2内对设置于固定轴上的部件进一步施加定义为P2＝{(P2i×A)/H}×θ的压接压力P2，使旋转轴上设置的部件制动，同时固定轴上设置的部件和旋转轴上设置的部件相互压接的阶段。
【附图说明】
图1是船舶用柴油引擎的燃烧室使用的大型气门的正面示意图。
图2是本发明涉及的飞轮式摩擦焊接方法的工程准备阶段的工程图。
图3是本发明涉及的飞轮式摩擦焊接方法的相对旋转阶段的工程图。
图4是本发明涉及的飞轮式摩擦焊接方法的旋转惯性力矩能量储存工程图。
图5是本发明涉及的飞轮式摩擦焊接方法的摩擦阶段的工程图。
图6是本发明涉及的飞轮式摩擦焊接方法的摩擦焊接阶段的工程图。
图7是本发明涉及的飞轮式摩擦焊接方法的压接阶段的工程图。
图8是本发明涉及的飞轮式摩擦焊接方法各阶段的相对旋转速度、压力变化、及长度减小量等随时间变化的示意图。
图9是本发明涉及的飞轮式摩擦焊接方法的焊接部直径和摩擦焊接压力以及压接压力的相互关系示意图。
图10是通过本发明涉及的飞轮式摩擦焊接方法制造的经济型气门的焊接部剖面结构示意图。
<附图符号说明>
10：飞轮式摩擦焊接设备       11：驱动电机
12：离合器                   13：飞轮
14：旋转轴                   15：固定轴
16：油压汽缸                 20：气门
21：杆部                     22：头部
30：焊接部
【具体实施方式】
下面联系附图，对本发明的结构以及作用进行详细说明。
图1是船舶用柴油引擎的燃烧室使用的大型气门的正面示意图，通过对镍(Ni)基超耐热合金材料进行模锻工艺加工制造头部22，对镍铬(Ni-Cr)耐热钢材料进行锻造加工制造杆部21，并进行摩擦焊接制造气门20。
图2、图3、图4、图5、图6、图7是飞轮式摩擦焊接方法的原理示意图，用于说明本发明第一实施方式涉及的经济型气门的制造方法。
如图2所示，用于焊接本发明涉及的气门20的头部22和杆部21的飞轮式摩擦焊接设备10由驱动电机11、与驱动电机11一侧结合的飞轮13、设置于飞轮13上的旋转轴14、设置于驱动电机11且控制飞轮13和驱动电机11之间动力传递的离合器12、与旋转轴14相隔一定距离的固定轴15所组成，固定轴15通过油压缸16移动。
在上述结构的飞轮式摩擦焊接设备10的旋转轴14上设置头部22，在固定轴15上设置杆部21，使其与头部22的中心轴线在水平方向一致，然后启动驱动电机11产生一定的摩擦焊接旋转速度，得到焊接能量以及焊接速度。头部22通过驱动电机11旋转，达到一定旋转速度，储存旋转惯性力矩能量后，从飞轮13上除去离合器12，继续转动飞轮13和旋转轴14，使头部22和杆部21相对旋转。
上述摩擦焊接旋转速度S1定义为S1＝100611×(1/D)。这里，
S1：摩擦焊接旋转速度(rpm)
D：焊接部直径(mm)。
通过上述摩擦焊接旋转速度S1的定义式，可求出焊接部直径D为115mm时，S1＝100611×(1/115)＝875(rpm)。
为得到与焊接部直径D对应的旋转惯性能量，利用摩擦焊接旋转速度S1的计算公式计算出摩擦焊接旋转速度，如表1所示。
                              表1
  焊接部直径(mm)   75   85   95   105   115   125
  摩擦焊接旋转速度(rpm)   1341   1184   1059   958   875   805
另一方面，将固定在固定轴15上的杆部21通过油压缸16的油压快速前进，与固定于旋转轴14的头部22接触，并施加摩擦焊接压力产生摩擦，使杆部21和头部22之间的焊接部30产生一定的压力(1030kgf/mm2)。即，在摩擦焊接时间内，在头部22和杆部21之间的焊接部30施加由母材焊接部面积算出的摩擦焊接压力。
摩擦焊接压力的计算式为：P1＝{(P1i×A)/H}×θ，其中，
P1：摩擦焊接压力(psi)
P1i：焊接部单位面积压力(kgf/mm2)
H：飞轮摩擦焊接设备的油压汽缸截面面积(mm2)
θ：1422.2(单位换算常数，kgf/mm2→psi)
A：焊接部截面面积(mm2)。
在头部22和杆部21施加摩擦焊接压力P1的摩擦焊接时间可以根据杆部21和头部22之间焊接部30的直径D，即不同种类金属材料之间焊接部30的直径利用公式算出，或通过反复实验得出摩擦焊接时间。
摩擦焊接时间的计算公式为：T1＝θ×G，G＝EXP(θ×D)，其中，
T1：摩擦焊接时间(sec)
α：摩擦焊接时间常数
β：摩擦焊接等级常数
D：焊接部直径(mm)
G：摩擦焊接时间等级。
上述摩擦焊接时间T1，随着杆部21和头部22之间焊接部30的直径D以EXP函数呈现相同的趋势，所以将相同的摩擦焊接时间归为相同等级，为方便起见，定为“摩擦焊接时间等级”，并用G表示。此外，α、β是根据直径求出最佳摩擦焊接时间所需的共同常数，由反复实验结果得出。
例如，焊接部直径D为115mm时，摩擦焊接时间T1为：G＝EXP(0.03×115)＝32，T1＝1.5×32＝48(sec)。
表2给出了根据焊接部不同直径通过实验确定的摩擦焊接时间T1。
                           表2
  焊接部直径(mm)   75   85   95   105   115   125
  等级(G)   9   13   17   23   32   43
  摩擦焊接时间T1(sec)   14   20   26   35   48   65
此外，摩擦焊接压力P1和摩擦焊接时间T1的计算公式是通过反复实验得到的，实验结果显示，摩擦焊接压力P1在杆部21和头部22之间的焊接部单位面积压力P1i为1030kgf/mm2时，是将旋转惯性力矩能量通过摩擦转化为热能的最佳条件。因此，杆部21和头部22之间的焊接部30直径D为115mm(焊接部面积A＝6362mm2)时，摩擦焊接压力P1可以通过下式计算：
P1＝{(1031×10387÷7541834}×1422.2＝2020(psi)
此外，在摩擦焊接阶段，头部22的前端和杆部21的前端之间的焊接部由于相对旋转将产生很强的摩擦热，产生的摩擦热使头部22和杆部21之间的焊接部30达到一定温度。加热到一定温度的焊接部30将具有小于摩擦焊接压力的流动应力从而发生形变，产生的这种形变就是焊缝隆起。
上述焊缝隆起能够除去头部22和杆部21之间摩擦面存在的杂质及氧化物等材料缺陷因素，将流入到母材的摩擦热的一部分向外放出，抑制母材的软化，凸出母材新的金属面，在新金属面之间形成很强的原子间结合。
另一方面，摩擦焊接阶段中在一定的摩擦焊接时间T1内，头部22前端和杆部21前端之间焊接部30因摩擦而受热变形，但是固定头部22的旋转轴14的旋转速度将逐渐减少。此时，对固定轴15施加较高的压接压力，使加热变形的焊接部产生形成最佳焊接所需的压力(1547kgf/mm2)，并制动头部22，同时扩大焊接部30的形变，进行压接。
即，在根据头部22前端和杆部21前端之间的焊接部30直径算出或通过反复实验得到的压接时间内，施加根据焊接部30的截面面积A算出的压接压力，完成头部22和杆部21的摩擦焊接。
计算压接压力P2的公式为：P2＝{(P2i×A)/H}×θ，这里，
P2：压接压力(psi)
P2i：焊接部单位面积压力(kgf/mm2)
H：飞轮式摩擦焊接设备的油压汽缸的截面面积(mm2)
δ：1422.2(单位换算常数，kgf/mm2→psi)
A：焊接部截面面积(mm2)。
另外压接时间T2的计算公式为：T2＝γ×G′，G′＝EXP(δ×D)，其中，
T2：压接时间(sec)
γ：压接时间常数
δ：压接时间等级常数
D：焊接部直径(mm)
G′：压接时间等级。
如计算G’的公式所示，压接时间T2随着焊接部直径以EXP(D)的形式呈现相同的趋势，因此可以将相同的压接时间T2归为相同等级，为方便起见，定义为“压接时间等级”，并用G’表示。此外，γ、δ是根据母材摩擦面直径计算最佳压接时间T2所需的共同常数，由反复实验结果得出。
例如，焊接部直径D为115mm时，压接时间T2为：G′＝EXP(0.017×115)＝7，T1＝3×7＝21(sec)。
表3给出了根据焊接部不同直径，由实验得出的压接时间T2。
                            表3
  焊接部直径(mm)   75   85   95   105   115   125
  等级(G’)   4   4   5   6   7   8
  压接时间T2(sec)   12   12   15   18   21   24
压接压力P2和压接时间T2的计算公式是通过反复实验得到的，根据实验结果，压接压力P2在单位面积压力为1757kgf/mm2时出现了最佳摩擦焊接结果。因此，焊接部30直径D为115mm(焊接部面积A＝10387mm2)时，压接压力P2可以通过下式计算：
P2＝{(1547×10387)÷7541834}×1422.2＝3030(psi)
另一方面，图8是本发明涉及的飞轮式摩擦焊接方法各阶段的相对旋转速度、压力变化、及长度减小量等随时间变化的示意图，图9是本发明涉及的飞轮式摩擦焊接方法的焊接部直径和摩擦焊接压力以及压接压力的相互关系示意图。在飞轮式摩擦焊接过程中，头部22的旋转速度在储存旋转惯性力矩能量的相对旋转阶段达到最高速度，此后在每个阶段逐渐减小，最后在压接阶段停止。
此外，施加于焊接部30的压力在摩擦焊接阶段和压接阶段2个阶段内，呈跳跃式增加，而摩擦焊接压力P1和压接压力P2则随着焊接部30直径的增加呈线性增加。
以本发明各阶段提示的最佳制造条件进行飞轮式摩擦焊接，如图10所示，焊接部将形成良好的截面，并得到如表4所示的结果。
                            表4
  项目  实验结果  规格
  非破坏性实验   穿透  焊接部表面无缺陷  无龟裂
  超声波探伤实验  无界面缺陷  无界面缺陷
破坏性实验   破断实验  焊接率100％  焊接率98％以上
拉伸实验  拉伸强度700Mpa以上SNCrW破断(不允许界面破断)  拉伸强度＞700MpaSNCrW破断(不允许界面破断)
硬度实验  Nimonic80A   SNCrW  Nimonic80A   SNCrW
 ＞HV350   ＞HV220  ＞HV350   HV190~240
  细微组织  无界面缺陷  无界面缺陷
如上所述，本发明涉及利用摩擦焊接阶段的摩擦焊接压力和压接阶段的压接压力的允许误差为±10％且各阶段加压时间的允许误差为±10％的摩擦焊接方法的、能够对直径70mm以上的大口径镍(Ni)基超耐热合金和镍铬(Ni-Cr)耐热钢进行焊接的摩擦压接方法。
本发明不限于上述特定的代表性实施方式，在不脱离权利要求范围要求的本发明宗旨的条件下，具有发明所属相关技术领域背景知识的人员，可以进行多种变形，这些变形也应属于本发明权利要求范围。
【发明效果】
通过上述结构和作用，本发明的预期效果有：能够适用于船舶用柴油引擎的气门等70mm以上直径的大型不同金属材料，即镍(Ni)基超耐热合金和镍铬(Ni-Cr)耐热钢的焊接，从而能够减少昂贵的超耐热合金的消耗量，而且不会发生制造大型气门所需铸型等昂贵的设备投资以及制造工程上的问题，同时属于环保型工程，不仅焊接部的机械性能优良，而且容易管理工程变量，能够实现自动化，以同一规格生产高品质产品，是一种非常有用的发明。

Claims (4)

1、一种利用飞轮式摩擦焊接方法的大型引擎用经济型气门的制造方法，其特征是，所述方法是在飞轮的旋转轴和与所述旋转轴相隔一定距离的固定轴上分别设置不同类型的金属材料，通过飞轮旋转时产生的摩擦焊接旋转速度来转动旋转轴，生成旋转惯性力矩能量，对所述固定轴施加摩擦焊接压力，移动部件，使其与设置在旋转轴上的部件接触，接触面上产生随相对运动引起的摩擦，将旋转惯性力矩能量自然地转换为热能，同时施加附加压力进行焊接的飞轮式摩擦焊接方法；所述方法包括：定义所述摩擦焊接旋转速度(S1)为S1＝100611×(1/D)，通过所述摩擦焊接旋转速度来转动旋转轴(14)产生旋转惯性力矩能量的阶段、定义所述摩擦焊接压力(P1)为P1＝{(P1i×A)/H}×θ，在摩擦焊接时间(T1)内，对设置在固定轴上的部件施加所述摩擦焊接压力，在分别设置于旋转轴和固定轴的部件之间产生相互摩擦的摩擦焊接阶段、在压接接时间(T2)内对设置于所述固定轴的部件进一步施加定义为P2＝{(P2i×A)/H}×θ的压接压力(P2)，使所述旋转轴上设置的部件制动，同时固定轴上设置的部件和旋转轴上设置的部件相互压接的压接阶段，
这里，
S1：摩擦焊接旋转速度(rpm)
D：焊接部直径(mm)
P1：摩擦焊接压力(psi)
P2：压接压力(psi)
P0：焊接部单位面积压力(kgf/mm2)
H：飞轮式摩擦焊接设备的油压汽缸截面面积(mm2)
θ：1422.2(单位换算常数，kgf/mm2→psi)
A：焊接部截面面积(mm2)
T1：摩擦焊接时间(sec)
T2：压接时间(sec)。
2、如权利要求1所述的利用飞轮式摩擦焊接方法的大型引擎用经济型气门的制造方法，其特征是，在所述摩擦焊接阶段对设置在固定轴上的部件施加的摩擦焊接时间T1＝α×G，G＝EXP(β×D)，
这里，
T1：摩擦焊接时间(sec)
α：摩擦焊接时间常数
β：摩擦焊接时间等级常数
D：焊接部直径(mm)
G：摩擦焊接时间等级。
3、如权利要求1所述的利用飞轮式摩擦焊接方法的大型引擎用经济型气门的制造方法，其特征是，在所述压接阶段对设置在固定轴上的部件施加的压接时间T2＝γ×G′，G′＝EXP(δ×D)，
这里，
T2：压接时间(sec)
γ：压接时间常数
δ：压接时间等级常数
G′：压接时间等级
D：焊接部直径(mm)。
4、如权利要求1至3中任意一项所述的利用飞轮式摩擦焊接方法的大型引擎用经济型气门的制造方法，其中利用在摩擦焊接阶段的摩擦焊接压力和压接阶段的压接压力的允许误差为±10％且各阶段加压时间的允许误差为±10％的摩擦焊接方法，能够对直径70mm以上的大口径镍(Ni)基超耐热合金和镍铬(Ni-Cr)耐热钢进行焊接。
CNA2005101240997A 2004-12-27 2005-11-28 利用飞轮式摩擦焊接的大型引擎用经济型气门的制造方法 Pending CN1796037A (zh)

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