旋转摩擦焊在液压油缸活塞杆制造中的工艺应用研究[1]

旋转摩擦焊在液压油缸活塞杆制造中的
工艺应用研究[1]
摘要：我国的液压工业经过近50年的发展，液压行业已形成了门类比较齐全，有一定生产能力和技术水平的工业体系。

本文中主要就针对液压油缸活塞杆
焊接使用的高性能旋转摩擦焊工艺。

擦焊接是一种在固相中进行焊接的方法，其
中一个部件相对于配合部件移动并与配合部件压力接触，以在结合表面产生热量，在相对运动停止期间或之后通过施力完成焊接。

有几种形式的能量供应和各种形
式的相对运动。

摩擦加热的产生导致界面处的连接温度相对较低。

这在很大程度
上是摩擦焊接适用于其他难以焊接的材料和材料组合的原因。

焊接区域通常很窄，通常具有精细的微观结构。

其为对圆棒状母材进行旋转摩擦焊的工艺,通过该工
艺方法相比于其他焊接工艺方法,本研究的旋转摩擦焊工艺接头力学性能良好、
焊接效率高、并且该工艺稳定高效、在应用方面重复性、一致性生产提供高效率
精益生产。

关键词：摩擦焊设备说明；工艺评定以及验收要求；过程控制；
Research on the application of rotational friction welding in the manufacture of piston rod hydraulic cylinder
Bi Shu-ming
（Zhejiang huachang hydraulic machinery Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang 311305, China)
Abstract: After nearly 50 years of development, China's hydraulic industry has formed an industrial system with complete categories, certain production capacity and technical level. This paper mainly focuses on the high-performance rotational friction welding technology used for the welding of hydraulic cylinder piston rod. Friction
welding is a method for making welds in the solid phase in which one component is moved relative to and in pressure contact with the mating component to produce heat at the faying surfaces, the weld being completed by the application of a force during or after the cessation of relative motion. There are several forms of supplying energy and various forms of relative movements. The generation of friction heating results in a comparatively low joining temperature at the interface. This is largely the reason why friction welding is suitable for materials and material combinations hich are otherwise difficult to weld. The weld region is generally narrow and normally has a
refined microstructure. It is a process for rotational friction welding of round rod like base metal. Compared with other welding processes, the rotational friction welding process in this study has good mechanical properties, high welding efficiency, stable and efficient technology, and provides efficient and lean production with repeatability and consistency in application.
Key words：Description of friction welding equipment, Process qualification and acceptance requirements, Pprocess control.
0 引言
近年来，国家相继发布《液压气动密封行业“十四五”发展规划》、《智能制造发展规划》和《中国制造2025》，重点突出中国集中优势、提高产品质量、加快替代高端进口产品步伐和智能化进程。

其中《液压液力气动密封行业“十四五”发展规划纲要(征求意见稿)》明确指出：到十四五末，80%以上的高端液压气动密封元(器)件及系统实现自主保障，受制于人的局面明显缓解，装备工业领域急需的液压气动密封元(器)件及系统得到广泛的推广应用。

未来几年，随着国家经济发展，国家基建行业需求增加，在高端装备领域、
挖掘机以及轨道交通领域用的盾进机领域的扩展。

预计我国的液压油缸行业将进
一步发展，到2026年我国液压油缸行业市场规模将突破564亿元。

液压油缸活塞杆焊接制造是一门综合性技术。

在焊接施工中焊接缺陷会影响
焊接产品的质量、活塞杆焊接不良的甚至会造成液压油缸报废，本文针对活塞杆
摩擦焊工艺评定试验以及验收要求、工艺参数的设置及生产过程控制。

1 液压油缸产品概述
1.1 液压油缸简介及应用
液压缸是液压系统中的执行元件，它的职能是将液压能转换成机械能。

液压
缸的输入量是液体的流量和压力，输出量是直线速度和力。

液压缸的活塞能实现
往复直线运动，输出有限的直线位移。

液压油缸广泛应用于工程机械、机床设备、汽车制造、冶金矿山、航天航空等。

中国液压协会统计，工程机械是液压产品最大的下游应用行业，按金额估算，国内约有1/3的液压产品是用在工程机械上。

而工程机械中液压挖掘机又是使用
液压油缸最多和要求最高的产品。

1.2 液压油缸主要产品及分类
油缸按不同的使用压力可以分为低压、中高压和高压油缸。

对于机床类机械
一般采用低压油缸，其额定压力为2.5-6.5MPa；对于要求体积小、重量轻、载荷
大的建筑车辆和飞机用油缸多采用中高压油缸，额定压力为8-16MPa；对于工程
机械等，大多采用高压超高压油缸，额定压力通常会大于32MPa。

从所应用的产品特征区分，可分为行走机械和非行走机械。

其中工程机械、
大型基建设备、汽车、航空航天、船舶和海洋工程装备及港口机械属于行走机械，所配套的液压油缸要求具有高压、大流量、高频高载等特点及良好的缓冲性能及
密封性能，能适应复杂恶劣的工况，技术含量高，工艺复杂，制造难度高，目前
仍很大程度上依赖进口。

而机床、轻工机械、包装机械等属于非行走机械，其配
套液压油缸普遍具有压力低、流量小、运行频率低、载荷低等特点，目前中国液
压元件生产厂家众多，基本能满足非行走机械行业对液压油缸的需求。

2 摩擦焊设备说明
2.1摩擦焊设备基本信息：设备制造商Thompson汤普森、机器型号：M 125、可以焊接生产活塞杆直径：38-120mm、活塞杆长度：450-3000mm、最大顶锻功率：145吨
2.2 摩擦焊的焊接原理: 摩擦破坏了金属表面的氧化膜。

摩擦生热降低了金
属的强度，但提高了它的塑性。

摩擦表面金属产生了塑性变形与流动，防止了金
属的氧化，促进了焊接金属原子的互相扩散，形成了牢固的焊接接头。

相较传统
其他焊接方式的熔化焊最大的不同点在于整个焊接过程中，待焊金属获得能量升
高达到的温度并没有达到其熔点，即金属是在热塑性状态下实现的类锻态固相连接。

相对传统熔化焊，摩擦焊具有焊接接头质量高，能达到焊缝强度与基体材料
等强度，焊接效率高、质量稳定、一致性好，可实现异种材料焊接等。

旋转摩擦焊利用工件接触面互相摩擦产生热源，将工件接触端面加热至塑性
状态，然后在顶锻压力下进行焊接的一种方式，其工作原理，先将两杆头与活塞
杆对中固定在设备床身上，其中杆头首先高速旋转此时活塞杆被报木工装锁紧状
态下不动，然后移动活塞杆与旋转的杆头接触并施加一定压力。

当两个工件的接
触端因摩擦热而升温，使焊件表面处于塑性状态时，利用刹车装置使焊件停止旋转，同时加大压力对两焊件进行顶锻，产生一定的塑性变形，去压后焊件被焊接
起来此时产生飞边（卷边），然后车刀行走去除飞边（卷边）焊接过程结束。

3 摩擦焊工艺评定以及验收要求
3.1摩擦焊活塞杆焊接试验和验收要求：外观检验、宏观金相检验ISO17639
和PS-1542(E)，硬度试验按照PS-1542(E)，弯曲试验参照ISO15620，冲击试验
按照ISO9016确定。

焊接完成后放置24h等待其材料性质稳定后再做相关试验。

3.2 检验要求：外观检验焊后对杆件车削去除飞边后的外表面进行外观检验。

3.3弯曲试验： 24h后在杆件母材处分别切断（切断时注意距离，热影响区留一定测量距离），取下的焊接区材料再沿轴线对半切开，靠近截面边缘和轴线中心取两个弯曲试样（见图1），厚度10mm，宽度大于等于25mm，长度基于试验需要，弯曲角度大于90度，试样无断裂。

图1 取样示意图
3.4金相检验：沿轴线切开的截面和靠近边缘截面取两个宏观金相检验（见图1），没有欠回火马氏体、无明显缺陷裂纹、偏析等。

3.5硬度试验：沿轴线所取金相试样，再次抛光检测硬度HV10或HV1，距离
表面5mm和距离中心10mm两个位置，各自以焊缝中心分别向两侧方向测量各至
少15个点，以测量到未受热影响的母材区为止，点与点间隔0.5mm。

很少量的单点硬度最大不得大于450HV，曲线趋势最大硬度HV 380，单值最大HV430。

Ø <=60：硬度单值HV1/10最大值500。

Ø >60：硬度单值HV1/10最大值450。

3.6宏观金相：焊接HAZ区的总宽度满足表1的要求。

焊缝及HAZ区无裂纹
和其他熔合不良的缺陷。

表1
3.7 焊接试验详细内容（见表2）
表2
3.8 焊接工艺评定现场照片汇总记录（见表3）表3
4 生产过程中的控制
活塞杆摩擦焊进行批量生产焊接质量是非常稳定主要是两个方面的把控：
1，摩擦焊的设备
1)材料多种组合焊接：液压油缸活塞杆采用摩擦焊焊接方式可以多种材料组合的焊接，接头强度好很而且质量稳定。

批量生产重复性高确保了焊接工作的高重复精度步骤。

2)自动化程度高：生产过程出现中断导致机器自动停止焊接会有报警而且需要清除故障避免批量性报废。

3)焊后无需加工：采用柔性夹具去除焊接飞边和车削过程的高重复性，确保达到图纸工艺要求。

4)机器设备具有存储功能：焊接工艺保存方面在设置好的参数存储在机器的IT系统
5)中有备份参数。

6)设备保养规定：设置摩擦焊设备的每年保养项目，每天日常的保养维护项目来确保设备能够正常运行。

2，焊接作业指导书
在经过合格的焊接工艺评定WPQR后来制定焊接作业指导书WPS，现场操作人员必须严格按照相关工艺文件要求来执行。

3，焊后检验
焊后经过24h冷却后100%进行超声波UT与外观检验目视检查（不是抽检），活塞杆外表面不得有磕碰伤痕。

5 小结
本文重点介绍了液压油缸活塞杆焊摩擦焊接重要性和工艺评定试验以及验收
要求在今后批量生产质量稳定性起到指导资料。

有助于今后生精益高效生产。

优化调整焊接工艺、改善工序流程，提高生产
效率成本节约贡献一份力量。

参考文献（Reference）
[1] JB/T10205-2010液压缸技术条件.
[2] GB/T 15622-2005液压缸试验方法
[3] 浙江华昌液压公司“焊接工艺控制环节管理规定”
[4] 浙江华昌液压“液压油缸内部焊接规范标准”
[5] 浙江华昌液压机械有限公司（实验室相关焊接测试数据）
[6] DVS 2909-3-2016金属材料的摩擦焊接摩擦连接的金相特征和摩擦焊接
的质量保证
[7] ISO 15620-2000E焊接-金属材料的摩擦焊
作者简介：毕书明（1979-），男，本科，主任工程师，主要从事焊接工艺
评定、质量体系建设与卓越现场流程管理相关工作。

联系电话：188****9968E-mail:*******************.com。