基于液压缸活塞表面堆焊铜合金工艺

基于液压缸活塞表面堆焊铜合金工艺

摘要：在带滴液缸的工程机械中，为了减少往复直线运动过程中的活冷量和全压缸内表面因干燥的相对滑动面摩擦而产生的活冷，提高全压缸的使用寿命，特别是在高速、重载和连续运行条件下，可以在活塞表面焊接一定高度的铜合金，以提高活塞工作表面的滑动性能。这样可以减少磨损。通过理论分析，研究了常用干焊铜合金的性能特点，以及通过选择合适的堆焊材料、焊接方法和焊接工艺，在45#钢活塞表面堆焊铜合金，从而获得一定的强度，同时也具有良好的滑动财产，以满足特定工况的设计要求。

关键词：液压缸；活塞铜合金；表面包层；工艺参数

液压缸是液压传动系统的执行部件，活塞在液压系统压力的作用下沿液压缸内壁面作往复直线运动。为了承受一定的工作压力和冲程末端的冲击力。活塞本身必须具有一定的强度，但由于活塞在往复直线运-动的过程中会与液压缸壁面发生相对滑动摩擦，这就要求活塞在其自身硬度不能太大的同时具有良好的滑动性能的工作面。否则，活塞在往复直线运动中会对液压缸内表面造成损坏，降低液压缸的使用寿命，甚至导致功能失效。特别是在高速、重载和连续工作中，钢活塞在很大程度上决定了液压缸的工作性能和使用寿命。为了使钢制活塞具有一定的基体强度，同时其工作面具有良好的滑动性能，可以在钢制活塞表面焊接一定高度的铜合金。

1理论分析

由于铜和钢的原子半径、晶格类型、晶格常数和原子外层的电子数量相对接近，在液态下可以无限嵌入，在固态下虽然有限嵌入，但不会形成脆性金属化合物，因此，铜合金具有良好的弹性、耐腐蚀性，导热性和耐磨性，铜合金由于其组织和性能优势，适用于堆焊材料。

由于铜合金材料成本高，不能常用，而45#钢材料成本相对较低，因此可以作为铜合金的替代材料，用于制造液压缸活塞基板，然后在活塞基板表面堆焊一定高度的铜合金。这种方法广泛应用于高速重载液压缸，既保证了活塞本身的强度，又使活塞工作面具有良好的滑动财产，既有铜和钢的物理化学财产，又具有成本优势。

堆焊常用的铜合金有锡青铜、铝青铜和硅青铜，其主要性能特点如下。

（1）锡青铜是以锡为主要合金元素的铜基合金，具有良好的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性，收缩系数小，无磁性，易于切割和加工，对过热和气体不敏感。锡青铜在液态合金中具有较大的凝固范围和严重的树枝状偏析

在液态合金中，锡成分容易产生坚硬和脆性的氧化物，导致焊缝中出现熔渣和气孔等缺陷：此外，锡青铜强度低

此外，锡青铜在高温下强度和脆性较低，并且具有较大的热脆性，这使得焊接时容易产生热裂纹。

（2）铝青铜是一种以铝为主要合金元素的铜基合金。

它具有很高的耐磨性，其强度和耐高温氧化性优于锡青铜。铝青铜在焊接中的作用温度高，容易形成硬度高的铝成分的氧化物，导致焊缝容易产生熔渣、气孔等缺陷；此外，铝青铜具有热脆性，焊接热影响区容易产生裂纹，厚工件堆焊前预热，多层堆焊层之间必须彻底清除熔渣。

（3）硅青铜是一种以硅为主要合金元素的铜基合金，具有较高的强度和较好的耐磨性，机械财产优于锡青铜，导热性优于其他铜合金，结晶温度范围小，液态金属流动性好，硅组分也具有良好的脱氧效果，焊接前不需预热，易于焊接，焊接性能和切割性能良好。

总之，优先推荐硅青铜作为45#钢活塞基底表面覆盖铜合金材料。

2试验材料和方法

2.1覆层试样

如图1所示，在45#钢活塞基体堆焊前需要按照工艺要求堆焊铜合金，第一种车削加工方法，需要将堆焊铜合金工作面加工成两个堆焊区，每个堆焊区的每一侧加工成5mm高的边缘，堆焊区域的表面粗糙度应满足Ra≤3.2，堆焊区域每侧的底部应加工R2或R3过渡圆形倒角，以防止在后续堆焊底部形成应力集中，从而出现焊接裂纹。

2.2表面处理方法

MIG焊接通常使用熔化的电极，加上惰性气体（Ar或He）作为电弧介质，以保护熔化的金属滴、熔池和高温金属的焊接区域。一种电弧焊接方法，其焊接特性如下。

（1）焊接电弧可见，焊接参数可以及时调整，电弧中的氢含量易于控制，可以减少气孔和冷裂倾向。

（2）电弧功率大，焊前无需预热，只需控制焊接参数和焊后冷却速度，即可达到一定的焊接要求。

（3）焊接热集中，熔池小，热影响区窄，焊接变形小，能有效保证焊接质量。

（4）焊接过程中几乎没有氧化烧伤，焊接操作过程相对简单有效。

由于其MIG焊接具有上述焊接优点，所以在堆焊试验中采用MIG焊接。

由于现有的焊接研究已经发表在论文中，信息无法直接使用45#钢活塞表面焊接铜合金的焊接参数，因此，需要进行工艺评定，通过试验选择不同的焊接参数进行验证，焊接后检查成型质量的外观，并检测焊缝的质量，直到性能指标满足预期要求，以确定最佳工艺参数。在堆焊试验中，选用直径1.2毫米的硅青铜焊丝，焊接参数如表1所示。

2.3堆焊工艺

由于45#钢和铜合金的理化财产相差较大，焊缝容易出现气孔、微裂纹等焊接缺陷，焊接工艺要求较高，因此，在堆焊过程中应严格控制堆焊质量防止开裂、气孔和与基材熔合等不良现象，并确保

堆焊的整个过程分为以下6个步骤。

（1）表面清洁：由于惰性气体不会与任何材料发生化学反应，因此焊丝和活塞基材表面的油、湿气和铁锈等缺陷更为敏感，因此，焊丝和活塞必须堆放在焊接区域之前以及吸附层和氧化膜表面周围进行彻底清洁，如有必要，可以先用砂纸打磨，然后用丙酮擦拭，否则容易产生焊接缺陷。

（2）工件加载：堆焊前选择合适的加载工装，将工件水平固定在旋转轴底座上，确保工件在旋转过程中的稳定性，避免偏差对堆焊的影响。

（3）电弧焊：在焊接区域的左侧位置开始电弧焊，焊接方向从左到右，电弧必须确保焊接层与活塞基体融合良好。

（4）速度控制：在堆焊过程中，焊接速度要保持均匀，同时要注意控制火焰角度，防止熔池中的金属向下流动，在焊枪横向摆动时，要控制其在堆焊区域

两侧的停留时间，以确保堆焊的高度和宽度均匀。

（5）连续堆焊：在连续堆焊过程中，应尽量保持堆焊过程不间断，整体堆焊高度为4~5mm，以保证车削后的堆焊加工余量。

（6）焊后冷却：为了防止堆焊后出现裂纹或铜合金和基体剥离，堆焊后必须缓慢冷却工件，可以在工件表面裹上一层石棉布，以降低工件的冷却速度。

3结论

通过以上45#钢活塞基体堆焊工艺，得出以下结论。

（1）堆焊后得到成形美观、均匀致密的堆焊层，堆焊层经车削加工后通过UT和PT探伤，铜合金与45#钢活塞基体融合良好，无裂纹、气孔、熔渣等焊接缺陷，达到了理想的堆焊效果。

（2）对于高速、重载、连续工作的液压缸活塞，其表面的铜合金堆焊不仅保证了活塞本身的强度，而且获得了具有良好滑动性能的工作面，满足了设计在特定工况下的预期使用要求。