一种锻钢活塞激光焊连接装置及工艺的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种锻钢活塞激光焊连接装置及工艺，应用于制造中、重型卡车柴油发动机活塞，针对锻钢活塞难以加工的部位通过激光焊连接而成，属于焊接和连接技术领域。

背景技术：
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柴油发动机是通过气缸和活塞的作用将内能转化为动能的装置。活塞是柴油发动机的重要部件之一。柴油发动机工作时，活塞高速往复运转，承受400-450℃高温和13-20mpa高压气体的冲刷，这就要求活塞必须具备耐高温、抗氧化、抗腐蚀、耐热冲击和耐磨损等性能，目前，中、重型卡车柴油发动机活塞采用锻钢材料制造。中、重型卡车柴油发动机活塞分为顶部和裙部两部分，体积大，结构复杂，采用锻钢难以一次加工成型，需要分多次工艺完成，对于难以加工的部位往往需要通过连接而成。制造活塞的锻钢材料多为42crmo和38mnvs6，根据据碳当量公式：ce(iiw)＝c+mn/6+(cr+mo+v)/5+(ni+cu)/15计算可知，42crmo和38mnvs6的碳当量分别为0.67-0.89％和0.59-0.71％。42crmo和38mnvs6属于中碳高强钢，焊接性较差。42crmo和38mnvs6锻钢材料的连接方法有栓接、铆接和摩擦焊等。栓接和铆接工艺安全可靠，不影响母材性能；但栓接和铆接制造的活塞存在成本高、制造工艺复杂和寿命较短等缺点。摩擦焊是利用焊件接触端面相对旋转运动中互相摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻的一种焊接方法。摩擦焊工艺技术成熟；但存在的问题是焊后接头中易出现淬硬组织，淬硬组织硬而脆，一旦形成极易导致接头开裂，活塞在高速往复运转中轻则造成断裂，重则引起发动机破坏。因此开发新的锻钢活塞的焊接方法成为企业急需解决的技术难题。

锻钢材料激光焊的研究近年来也引起了焊接工作者的关注，并申请了锻钢活塞激光焊连接技术方面的专利，例如：cn101265854和cn101468426。上述学者的研究主要集中在激光焊焊接工艺方面，对于涉及锻钢活塞激光焊接头开裂问题的研究却鲜见报道。激光焊能量密度高，直接焊接42crmo和38mnvs6锻钢活塞，焊后接头冷却速度更快，接头更易出现淬硬组织，导致接头开裂。焊接应用于制造锻钢活塞，关键技术就是减少接头中出现淬硬组织，降低接头裂纹倾向。尽管在焊接领域用于降低接头裂纹倾向的技术很多，例如：优化接头合金成分，控制接头金属中包括碳在内的对淬硬、冷裂纹及脆化等有影响的合金元素的含量；采取焊前预热和焊后缓冷控制接头冷却速度，改善接头微观组织和应力集中程度。但是，锻钢活塞的激光焊焊接，应用于制造中、重型卡车柴油发动机活塞，活塞体积大，结构复杂，壁厚通常大于5mm；现有用于降低接头裂纹倾向的技术从工艺上在锻钢活塞激光焊接过程中很难实现。至今为止，对于如何降低锻钢活塞激光焊接头裂纹倾向，保证锻钢活塞激光焊接头的焊接质量的研究尚未见详细报道。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种锻钢活塞激光焊连接装置及工艺，应用于制造中、重型卡车柴油发动机活塞，通过中频感应+激光焊复合热源和焊后缓冷工艺方法减少锻钢活塞焊接过程中生成淬硬组织，同时降低焊后接头残余应力，解决锻钢活塞激光焊焊后接头开裂的问题，保证锻钢活塞激光焊接头的焊接质量。

本发明的技术方案结合附图说明如下：

一种锻钢活塞激光焊连接装置，主要由激光器1、中频感应加热装置2、可调变速旋转装置3、活塞夹持装置4、底座5和支撑构件6组成，所述底座5用于焊接时工装精确定位，两个支撑构件6位于底座5上，内部装有小型电机、减速装置和气动装置；所述可调变速旋转装置3位于支撑构件6中，旋转速度即焊接速度范围为0-5m/min，通过电机和减速装置实现锻钢活塞匀速旋转；所述活塞夹持装置4位于可调变速旋转装置3上，夹持范围(φ)为100-150mm，通过气动驱动五个外露的夹钳固定锻钢活塞；所述中频感应加热装置2为独立结构，进行恒温加热，两个前伸的加热线圈加热锻钢活塞被焊两侧；所述激光器1为独立结构，功率为3-5kw，激光头正悬于被加工工件上方，可上下左右调节，用于锻钢活塞的焊接。

采用上述装置进行锻钢活塞激光焊连接工艺，包括以下步骤：

第一步，表面预处理：锻钢活塞表面采用机械方法进行处理；锻钢活塞放入丙酮溶液中进行超声波清洗去除油污；

第二步，装配：锻钢活塞精确定位后，启动活塞夹持装置4固定活塞，装置夹持范围(φ)为100-150mm；

第三步，预热：接通中频感应加热装置2电源，将锻钢活塞进行预热，中频感应加热装置进行恒温加热，预热温度为350-500℃，预热时间为1-3min；

第四步，焊接：关闭中频感应加热装置2电源，启动可调变速旋转装置3，旋转速度即焊接速度范围为0-5m/min，设定的焊接速度为0.5-0.9m/min，匀速旋转锻钢活塞；同时启动激光器1焊接锻钢活塞，激光器的功率为3-5kw。

第五步，随炉缓冷：将锻钢活塞放入350-400℃恒温保温炉中，关闭电源；锻钢活塞随炉冷却。

本发明技术方案中锻钢活塞在激光焊焊接工装中利用中频+激光焊复合热源进行预热和焊接，预热温度为350-500℃，预热时间为1-3min；焊后放置于保温炉中随炉冷却，炉温起始温度为350-400℃。本发明所述激光焊的锻钢活塞体积大，活塞壁较厚，制造材料属于中碳高强钢。通过对锻钢活塞进行焊前预热和焊后缓冷，减少激光焊接头中生成淬硬组织，降低焊后接头残余应力，避免接头中出现裂纹缺陷。

锻钢活塞的制造材料为42crmo或38mnvs6。根据碳当量公式：ce(iiw)＝c+mn/6+(cr+mo+v)/5+(ni+cu)/15计算可知，42crmo的碳当量为0.67-0.89％，38mnvs6的碳当量为0.59-0.71％。42crmo和38mnvs6的焊接性较差，焊后接头中易出现裂纹缺陷。激光焊焊接42crmo或38mnvs6锻钢活塞，当液态金属冷却到1450℃左右时，焊缝金属开始凝固，从液相中析出奥氏体相，随着温度的降低，奥氏体相的数量逐渐增加，直至全部转化为奥氏体。42crmo或38mnvs6锻钢活塞体积大，散热能力强，同时激光焊焊接能量密度更高，接头冷却速度更快，在未进行预热和缓冷的条件下，焊缝中更易生成马氏体淬硬组织；热影响区金属在加热过程中也会部分转变为奥氏体，冷却时同样生成马氏体。马氏体相硬度高，脆性大，在拉应力的作用下极易开裂形成裂纹。

本发明的有益效果是：

1.锻钢活塞体积大，为保证焊缝焊透，激光器功率较高；通过采用中频感应+激光焊复合热源在保证焊缝焊透的前提下，可以降低激光器的输出能量，减少设备投入；

2.通过对锻钢活塞进行焊前预热和焊后缓冷，降低了接头裂纹倾向。同普通激光焊接头相比，复合热源激光焊接头塑性显著提高，参阅图2。

附图说明

图1是激光焊焊接工装；

图2是激光焊与复合热源激光焊接头应力－应变曲线。

1.激光器2.中频感应加热装置3.可调变速旋转装置4.活塞夹持装置5.底座6.支撑构件

具体实施方式

通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。

一种锻钢活塞激光焊连接装置及工艺，包括如下步骤：

a.将锻钢活塞表面进行预处理；

b.锻钢活塞精确定位后，启动活塞夹持装置固定活塞4，装置夹持范围(φ)为100-150mm；

c.接通中频感应加热装置2电源，将锻钢活塞进行预热，中频感应加热装置可恒温加热，预热温度为350-500℃，预热时间为1-3min。预热温度过高，锻钢活塞母材发生软化；预热温度过低，焊后接头易出现裂纹缺陷。预热时间过长，锻钢活塞表面氧化严重；预热时间过短，活塞表面和内部受热不均匀；

d.关闭中频感应加热装置2电源，启动可调变速旋转装置3，旋转速度(焊接速度)范围为0-5m/min，设定的焊接速度为0.5-0.9m/min，匀速旋转锻钢活塞；同时启动激光器1焊接锻钢活塞，激光器的功率为3-5kw；

e.将激光焊锻钢活塞放置于350-400℃恒温加热的保温炉中，关闭电源，随炉冷却。

表1给出的本发明对42crmo+42crmo试件激光焊的实施例，所有实施例均采用上述的42crmo材料、工艺步骤和参数得到的。试件尺寸规格为φ110x5x55mm，焊接形式为对接，焊接方法为复合热源激光焊。力学性能试验按国家标准gb/t2651-2008执行。

具体工艺步骤如下：

第一步，42crmo锻钢活塞表面预处理：

42crmo锻钢活塞表面采用机械方法进行处理；42crmo锻钢活塞放入丙酮溶液中进行超声波清洗去除油污。

第二步，42crmo锻钢活塞装配：

42crmo锻钢活塞精确定位后，启动活塞夹持装置4固定活塞，装置夹持范围(φ)为100-150mm。

第三步，42crmo锻钢活塞预热

接通中频感应加热装置2电源，将42crmo锻钢活塞进行预热，中频感应加热装置可恒温加热，预热温度为350-500℃，预热时间为1-3min。预热温度过高，锻钢活塞母材发生软化；预热温度过低，焊后接头易出现裂纹缺陷。预热时间过长，锻钢活塞表面氧化严重；预热时间过短，活塞表面和内部受热不均匀。

第四步，42crmo锻钢活塞焊接：

关闭中频感应加热装置2电源，启动可调变速旋转装置3，旋转速度(焊接速度)范围为0-5m/min，设定的焊接速度为0.5-0.9m/min，匀速旋转42crmo锻钢活塞；同时启动激光器1焊接42crmo锻钢活塞，激光器的功率为3-5kw；

第五步，随炉缓冷：

将42crmo锻钢活塞放入350-400℃恒温保温炉中，关闭电源；42crmo锻钢活塞随炉冷却。

本发明的一种锻钢活塞的激光焊连接装置及工艺，达到的技术指标：(1)锻钢活塞激光焊接头中无裂纹缺陷；(2)激光焊接头室温抗拉强度达到1000-1100mpa，伸长率达到11.5-13.0％。

下述所有实施例均采用中频感应+激光焊复合热源和焊后缓冷工艺。将42crmo锻钢活塞放入激光焊焊接工装中利用中频感应装置进行预热，预热温度为350-500℃，保温时间为1-3min。旋转42crmo锻钢活塞；采用激光焊进行焊接，焊接速度为0.5-0.9m/min。焊后将42crmo锻钢活塞放入350-400℃恒温保温炉中，关闭电源；42crmo锻钢活塞随炉冷却。实施例见下表1：

表1激光焊工艺及接头力学性能