铝硅活塞摩擦焊接工艺初探

上述各种强化手段的综合运用往往要受工艺实现的可 行性制约 , 而不易在一个活塞结构上全部得以应用。如 能采用不同的制造工艺分别得到活塞的不同部分 , 再通 过一定的连接技术将其组成一个整体则可有效地解决 工艺实现的难题。 摩擦焊接是在外力作用下, 利用焊件接触面之间的相 对摩擦运动和塑性流动所产生的热量, 使接触面及其近区 金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形, 通过两 侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接的[ 1~ 3] 。本 课题对铝硅合金活塞摩擦焊接工艺进行了试验研究, 对铝 硅合金材料的摩擦焊接组织、 性能进行研究。
张屹林
等
焊接试验参数及接头抗拉强度
顶锻压力 / M Pa 系统压力 5. 0 6. 0 7. 2 6. 0 6. 0 5. 0 7. 2 7. 2 7. 2 工件压力 41. 7 50. 0 60. 0 50. 0 50. 0 41. 7 60. 0 60. 0 60. 0 内圈 抗拉强度 / M Pa 外圈 剖开检测焊合区外观 剖开检测焊合区外观 剖开检测焊合区外观 13. 8 33. 5 27. 4 199. 3 199. 0 203. 0 179. 0 159. 5 163. 9 207. 0 215. 1 209. 7
1. 2
焊接接头设计 活塞尺寸参 照 CA6DL 2 - 35 锻 钢活塞进 行了模拟
焊件设计 , 主要目的是设想在活塞头部通过摩擦焊接形 成适宜形状的内冷油道。活塞头部和裙部尺寸见图 2 和图 3。
通过对摩擦压力、 摩擦时间及顶锻压力 3 个主要工艺参 数分 3 组进行调整 , 其他参数则予以固化, 共安排进行 了 9 次试验, 工艺参数和试验结果见表 2 。 试验 1 至试验 3 分别将摩擦压力、 摩擦时间和顶锻 压力逐步提高 , 并最终达到 CA6DL 2 - 35 锻钢活塞摩擦 焊接工艺参数的 80% 左右。通过观察摩擦压下量、 主 电机电流变化情况及飞边形貌来初步判断摩擦焊接接 头的焊缝质量和焊接工艺参数的合理性。 试验 4 至试验 6 采用低摩擦压力和顶锻压力、 逐步
随着柴油机不断向高速、 高增压方向发展 , 对活塞 提出了极为苛刻的要求, 使得单一铝合金材质的活塞越 来越难以满足高性能柴油机可靠性的要求。为满足柴 油机高性能的要求, 各种强化活塞的手段被应用 , 以提 高活塞工作的可靠性, 如为提高铝活塞环槽的耐磨性 , 广泛采用奥氏体铸铁耐磨镶圈技术后, 环槽寿命可提高 3~ 10倍; 为保证活塞头部具有足够的强度和降低其热 负荷 , 在活塞头部采用内冷油道结构, 对活塞进行强制 冷却 , 降低了活塞本体的工作温度 , 保证了活塞及活塞 环的工作可靠性 ; 为提高活塞销孔承载能力, 避免疲劳 裂纹的产生, 增强活塞销座部位的强度, 采用锻铝制造 活塞 , 充分利用锻造材质抵抗塑性变形能力大 , 具有较 高的疲劳强度的特点; 为提高活塞顶部的耐热疲劳、 抗 热冲击能力, 在活塞的易损坏及工况恶劣区域如顶部燃 烧室周边及第一道环槽采用复合材料局部增强技术等。
1
1. 1
试验材料和方法
试验材料 铝硅活塞摩擦焊接使用模拟件进行试验 , 材料为自
收稿日期 : 2008 -10 -21; 修改稿收到日期 : 2009 - 01 -12 基金项目 : 山东省政府 泰山学者 建设工程资助项目 第一作者简介 : 张屹林 , 男 , 1972 年出生 , 高级工 程师 , 山 东滨州 渤海活 塞股 份有限 公司 技术 部 , 山 东省滨 州市 渤海 二十 一路 569 号 ( 256602) , 电话 : 0543- 3288926, E- m ail: z yl- zqh@ 126. com [ 3] 印飞 , 杨江波 , 王亦新, 等 . 铝硅合金中针状铁相 的断裂现象 [ J] . 特种铸造及有色合金 , 2000( 2) : 1 -2. [ 4] 林小征, 印飞 , 孙宝德. 铁对铝硅合金性能的影响及抵消其有害作 用的措施 [ J] . 铸造技术 , 1999( 5) : 29 -32. [ 5] [ 6] 潘复生, 张静 . 铝箔材料 [ M ] . 北京 : 化学工业出版社 , 2005. M U N SO N D. A clarifi cat ion of t h e phases occurri ng i n alu minum rich alu minum -iron -sili con al loys w it h part icul ar r ef erence t o t h e t ernary phase - A lFeSi [ J ] . Journ al of t he Inst it ut e of M et al s, 1967, 95: 217 - 219. [ 7] [ 8] 寇生中, 徐丽珠 , 马英杰 . 退火温度 对冷轧态 3003 铝合金 组织性 能的影响 [ J] . 热加工工艺 , 2008, 37( 4) : 55 -60. 何建军, 陈振华 , 严红革 , 等 . 不同 M n 含量的 A l M n 合金的研究 [ J] . 特种铸造及有色合金 , 2005, 25( 10) : 583 -586. [ 9] 中国铝业股份有 限公司 . 一种 分析铝合 金中金相 组织的 方法 : 中 国专利, CN 1912570A [ P] . 2007 -02 -14. [ 10] 陶杰 , 姚正军 , 薛烽 . 材料 科学基 础 [ M ] . 北京 : 化 学工业 出版 社 , 2006.
摩擦时间 t / s 9 10 12 20 25 35 6 8 10
( a) 试验 1
( b) 试验 3
图4
摩擦焊接宏观形貌 图5 弱规范摩擦焊接过程
7 倍左右。当外圈进入稳定摩擦阶段时, 内圈表面加热 仍不完全 , 没有形成高温粘塑性的金属层, 接头表面温 度达不到整体焊合的程度 ; 随压力的增加, 当内圈表面 温度升高 , 出现宏观塑性变形时 , 外圈则已发生过热而 导致低熔点共晶体发生熔化, 顶锻刹车瞬间从接头表面 被挤出甩脱。 试验 4 至试验 6 采用了弱规范的焊接工艺, 试验中 可看到, 随着摩擦时间的延长 , 焊接接头先外圈后内圈 依次进入准稳定摩擦阶段 , 表征摩擦扭矩的主电机电流 在顶锻前出现了两个峰值 , 见图 5 。这是因为弱规范摩 擦加热功率低, 内外圈加热功率差距大, 外圈较早进入 准稳定摩擦阶段所致。同时 , 铝合金导热快、 蓄热能力 低, 焊接面温升慢, 内外圈温度更容易产生差异。接头 处金属发生粘着、 剪切和转移 , 继而真实接触面积增大 , 伴随着加热功率达到峰值 , 强度和韧性不断下降 , 塑性 显著提高 , 进入稳定摩擦的过程出现了时间差 , 致使摩 擦阶段出现了两个周期。采用弱规范焊接的摩擦压下 量很小, 顶锻压下量也非常小。另外, 从拉伸试样的断 口形貌来看, 内圈断面有明显未焊透的圈纹痕迹 , 仅有 部分接触面表面粗糙, 可看到 摩擦过程留下的搅拌痕 迹, 因而未形成整体的焊合。拉伸时未熔合部位相当于 一个裂纹源, 缺陷极易扩展进而造成整个接头的断裂。 试验 7 至试验 9 采用了强规范的焊接工艺, 并且将 外圈在轴向加工掉 1 mm , 让内 圈先进入摩擦, 同时在 外圈两侧各增加 1. 5 45 倒角 , 以减少外圈接头的接 触面积, 降低外圈接头的加热功率 , 见图 6 。
图2
活塞头部模拟焊件
延长摩擦时间的焊接工艺参数进行焊接, 接头拉伸试件 均断裂于焊缝处, 并且内圈强度很低, 外圈强度较高, 基 本接近于母材的强度。 试验 7 至试验 9 采用较高的摩擦压力和顶锻压力 并保持不变, 逐步延长摩擦时间的焊接工艺参数进行焊 接, 接头拉伸试件均断裂于母材 , 表明接头性能已经达 到了母材性能。 2. 2 接头宏观分析 试验 1 和试验 3 的 接头宏观形貌 见图 4。由图 4 中可以看出, 当采用较小压力时, 摩擦缩短量很小 , 顶锻
( 编辑: 栗万仲 )
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特种铸造及有色合金 行研发的高强、 耐磨铝硅合金 BH 135, 试验材料状态为 铸态 , 金相显微组织存在一定的不均匀性和差异 , 其成 分见表 1。
表 1 BH135 材料化学成分
wB Si Cu Mg
0. 8~ 1. 5
2009 年第 29 卷第 7 期 力、 主电机电流 ( 扭矩) 、 主轴转速、 摩擦时间、 摩擦压下 量( 滑台位移) 、 油温等参数进行检测 , 对摩擦焊接过程 施力系统轴向压力进行闭环控制。 首先确定一个试验的工艺范围 , 经查询 Al 的摩擦 焊接工艺参数可以参照钢的摩擦焊接工艺参数的 50 % 来实施, 将曾经焊接较为成功的 CA6DL 2 - 35 锻钢活塞 摩擦焊接工艺与 Al 模拟试焊件进行对比 , 选择摩擦压 力、 摩擦时间及顶锻压力 3 个主要参数进行试验和优化 工艺参数 , 来寻求获得高性能接头的最佳方案。 1. 4 焊后热处理 焊后立即进行退火处理 , 以消除焊接残余应力。退 火工艺: 230 保温 7 h, 随炉冷至 100 后空冷。试件 经上述处理后 , 部分沿轴向剖开进行宏观形貌分析 , 然 后经研磨、 腐蚀后观察接头金相组织 , 其余用线切割取 出试棒并精加工拉伸试样后测试接头的结合强度。
进行的, 焊机主轴转速为 980 r / min, 最大顶锻力为 800 kN, 主电动机功率为 75 kW 。焊机配有摩擦焊接过程 计算机测控系统, 可对摩擦焊 接过程施力系统轴向压
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铝硅活塞摩擦焊接工艺初探
表2
试验序号 试验 1 试验 2 试验 3 试验 4 试验 5 试验 6 试验 7 试验 8 试验 9 摩擦压力 / M Pa 系统压力 2. 5 3. 0 3. 5 2. 5 2. 0 1. 6 4. 0 4. 0 4. 0 工件压力 20. 8 25. 0 29. 2 20. 8 16. 7 13. 3 33. 3 33. 3 33. 3
4
结论
Al M n 系变形铝合金中, Fe 、 Si 质量比显著影响合 2. 0 时, 第二相化合物
金的显微组织: w ( F e) / w ( Si)
基本均为 - A l12 ( Fe, M n) 3 Si 相 , w ( F e) / w ( Si) > 2. 5 时 针状的 - Al85 ( M n, F e) 14 Si 相大量生成。冷却速度增大 时, 大量的合金元素固溶在基体之中, 易形成片状和骨 骼状 的 - A l12 ( F e, Mn ) 3 Si 相, 不 易 形 成 针 状 的 - Al85 ( M n, Fe) 14 Si 相。
图3
活塞裙部模拟焊件
1. 3
摩擦焊接试验方案的确定 摩擦焊接试验是在 C800 型连续驱动摩擦焊机上
压下量也非常小, 焊接飞边刚刚形成; 采用较大压力时 , 摩擦缩短量达到 1 mm 左右时, 顶锻压下量较大, 并且 在外圈焊缝处发生了熔化, 顶锻瞬间发生了金属飞溅现 象, 内圈则形成良好的飞边。由于 摩擦加热功率在 转 速、 压力和摩擦因数一定的情况下与工件半径的三次方 成正比[ 4] , 经计算 , 外圈加热功率接近内圈加热功率的
%
Ni
1. 5~ 2. 5
Mn
0. 1~ 0. 3
Ti
0. 2
Fe
0. 8
Zn
0. 1
Al
余量
11. 5~ 12. 0 3. 0~ 4. 0
BH 135 材料焊前经过 T 6 处理后的组织见图 1。
图1
BH 135 材料 T 6 处理后的金相组织
2Βιβλιοθήκη Baidu
2. 1
试验结果与分析
焊接接头力学性能 试验的目的是使焊缝获得良好的力学性能, 试验中
接接头。采用较高摩擦压力和顶锻压力及较短的摩擦时间 , 可获得良好的焊接接头 , 此时活塞 内冷油道 的内圈和外 圈焊接 接头的强度均达到了母材强度要求。 关键词 摩擦焊接 ; 铝硅合金 ; 抗拉强度 中图分类号 T G456. 9; T G 146. 2+ 1 DOI: 10. 3870/ tzzz. 2009. 07. 026 文献标志码 A 文章编号 1001- 2249( 2009) 07- 0665- 04
参
[ 1]
考
文
献
傅高升 , 康积行 . 工业纯铝中铁 和硅的作 用分析与 初探 [ J ] . 特种 铸造及有色合金 , 1999( S1) : 29 -32.
[ 2]
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轻有色合金
特种铸造及有色合金
2009 年第 29 卷第 7 期
铝硅活塞摩擦焊接工艺初探
张屹林
1
高占雨
1
张国华
1
刘相法
2
( 1. 山东滨州渤海活塞股份有限公司; 2. 山东大学液态结构及其遗传性教育部重点实验室 )
摘 要 对铝硅合金活塞的摩擦焊接工艺进行了初步试验研 究。结果表 明 , 铸 造铝硅 合金采 用摩擦 焊接方 法可以形 成焊