專利名稱：碳鋼上堆焊硅銅合金的工藝及堆焊支撐環的活塞-缸單元的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種焊接工藝，特別涉及在碳鋼表面堆焊硅銅合金的工藝，以及堆焊支撐環的活塞-缸單元。
背景技術：
現代工業的發展對焊接構件的性能提出了更高和更嚴格的要求。如高溫強度、耐磨、耐腐蝕、低溫韌性等。在此前提下，任何單一材料都不可能完全滿足整體焊接構件的使用要求。異種材料熔合焊接成為解決該問題的突破方向。堆焊技術具有成本低、易操作等優點，在異種材料焊接領域有廣泛應用。眾所周知，異種材料性能具有較大差異，堆焊時易發生裂紋、氣孔等缺陷，焊縫組織成分不均勻，力學性能不好，疲勞強度、抗拉強度等都不夠優異。銅合金具有較為優良的化學、物理和綜合機械性能，但碳鋼與銅合金兩種材料的物理性質(如熔化溫度、熱導率、線膨脹系數、流動性等)有較大差異，在焊接過程中存在碳元素遷移過程，不僅焊接難度高，同時焊接時熱源形成溫度場易使得焊件產生不均勻的組織及殘留應力，焊后焊層金屬開裂傾向大。目前已有許多學者對此進行廣泛研究，如姜軍記、倪世豐等人發表的“ IOCrNi3M0Cu鋼的堆銅焊工藝” 一文，采用該工藝在IOCrNi3M0Cu鋼筒體上堆焊銅層，經檢測表面無裂紋氣孔等，著色探傷無5mm的條狀缺陷；南京理工大學游煥強發表的碩士學位論文“環形鋼基體TIG堆焊銅工藝研究”，該論文對采用TIG焊方法在環形鋼基體上堆焊純銅層的工藝進行研究，并要求銅-鋼界面結合強度超過堆焊銅層自身強度，并控制銅層泛鉛程度。消除焊件過渡區的殘余應力，提高過渡區的韌性、降低裂紋敏感性，提高基體與堆焊層金屬間的結合性能是堆焊過程中著重需要考慮的問題，而相同的堆焊工藝應用于不同異種材料不能夠達到理想的焊接效果。目前未見有關于在碳鋼表面堆焊硅銅合金的報道。
發明內容
本發明的目的之一在于提供一種在碳鋼表面堆焊硅銅合金的工藝，能夠實現在碳鋼表面堆焊硅銅合金，焊前和焊后均無需熱處理，焊接效率高，焊接過渡區不會產生應力集中過強的現象，過渡區的韌性高、裂紋敏感性低，基體與堆焊層金屬間的結合性能優異。本發明所述工藝是在氣體保護條件下進行多層堆焊，并以硅銅合金作為熔敷金屬，所述硅銅合金中含有2. 5-3. 1%重量的硅元素和不低于96%重量的銅元素，余量為雜質元素，所述雜質元素包括錫元素、鋁元素和鉛元素中的至少一種；硅可以防止鐵與氧化合， 并可在熔池中還原狗0;鋁元素不僅可少產生狗0，且易于使狗0還原，有效地抑制在熔池中產生的CO氣體的化學反應，提高抗CO氣孔的能力；另外，鋁還能和氮化合而起固氮作用， 故也能減少氮氣孔，控制鋁元素在熔敷金屬中的質量分數為0. 0015%-0. 01%，焊縫組織的硬度、屈服點和抗拉強度等特性均有提高。
焊接電流為200-280A，焊接時層間溫度保持在150_250°C ；電流過大，焊接時層間溫度相應升高，堆焊層粘度變差，流動性增強，導致在基體上成型差，泛鐵程度高，堆焊層飛濺大；電流過小，焊接時層間溫度相應降低，基體與堆焊層不易熔合，堆焊層易脫離基體。優選的，所述鋁元素在硅銅合金中的質量分數為0. 005%-0. 01%。優選的，焊接過程中保護氣的氣體流量為22-26L/min。氣體流量過大，增加焊接成本；氣體流量過小，起不到保護作用，焊接后堆焊層氣孔多；焊接時電弧電壓為20-26V ；電弧電壓過大，堆焊層粘度差，流動性強，在基體上成型差，堆焊層飛濺大；電弧電壓過小，基體與堆焊層不易熔合，堆焊層易脫離基體。優選的，焊接速度為0. 1-0. 2m/min，焊接速度過快，晶粒小，容易產生焊接氣泡； 焊接速度過慢，晶粒粗大，生產率降低，同時焊接速度過快或過慢均易產生裂紋，本發明控制焊接速度，進一步保證焊縫組織均勻性，避免裂紋產生，提高熔敷金屬的力學強度及基體與堆焊層金屬間的結合性能；焊絲伸出長度不大于20mm，保證母材與熔敷金屬充分熔合， 焊縫組織均勻，力學性能優異，若焊絲伸出長度高于20mm，會導致焊接熔合性差，堆焊層易脫離基體，焊接后堆焊層氣孔多。本工藝能夠實現在碳鋼表面堆焊硅銅合金，能夠實現在碳鋼表面堆焊硅銅合金， 且焊縫成型美觀、組織均勻，焊接過渡區應力集中小，韌性好、裂紋敏感性低，基體與堆焊層金屬間的結合性能優異，經檢測焊縫接頭性能可達母材的60%。本工藝焊前無需預熱，焊接過渡區應力集中小，焊后無需后續處理就能夠滿足使用要求。另一方面，目前流體壓力執行機構(尤其是液壓機)的活塞缸活塞密封普遍采用酚醛夾布支承環+格萊圈，導向套密封采用酚醛夾布支承環+斯特封+軸用Tk形密封圈+防塵圈形式。在使用過程中由于環境比較惡劣，而且大部分機型的連接管路都是在現場裝配， 所以裝配過程中易產生焊渣、灰塵等雜質，產品質量較低，缸體質量受到嚴重的影響。現有技術關于活塞和/或活塞桿的支撐一般采用酚醛樹脂制作的導向環實現，由于導向環在加工中存在內外圓不同軸的問題，導致導向環與缸筒間隙不均勻，當間隙較小(小于0.06 mm 時)時磨損明顯，拉缸現象嚴重，缸筒內表面易產生拉傷，當間隙超出H9/f9時雜質容易進入活塞與缸體間的間隙和導向套與活塞桿間的間隙，導致活塞與缸體、導向套與活塞桿拉傷或卡滯，密封損壞。同時由于安裝誤差，設備使用頻率高，活塞缸在使用過程中偏載嚴重，磨損較大。因此，本發明的另一目的是提供一種活塞-缸單元，易于加工和裝配，使用過程中焊渣、灰塵不易進入缸體與活塞和活塞桿與導向套配合面內，裝配后密封性好，密封有效期長，同時耐磨性好，運行穩定，不易產生拉缸及卡滯現象，使磨損引起的變形顯著減少，在惡劣工況下部件也不易損壞，使用壽命顯著提高。本發明所述活塞-缸單元，包括缸體、內置于缸體中并可沿自身軸向往復運動的活塞，活塞外圓套有用于密封活塞外壁與缸體內壁之間間隙的活塞密封圈，活塞外圓表面沿自身周向設有用于安裝活塞支撐環的第一凹槽，第一凹槽內堆焊活塞支撐環，活塞支撐環與活塞同軸設置，活塞支撐環工作面與其對應的被支撐表面間隙配合；活塞支撐環由所述硅銅合金制成。本方案中，第一凹槽可以形成于活塞外圓表面，此時，缸體內圓表面為與其對應的被支撐表面，活塞支撐環工作面與其間隙配合。
活塞支撐環為硅銅合金并堆焊于第一凹槽內，該支撐環與本體形成一整體，硅銅合金材料耐磨，不易造成對缸筒的破壞，使缸體因磨損引起的變形大大減少，徹底解決外界環境對液壓系統部件的影響。另一方面，由于支撐環采用堆焊形式加工而成，支撐環與活塞的同軸度、缸筒的間隙均勻性均可通過焊接后精加工保證，間隙量顯著變小(可達到H9/f9 精度)，降低焊渣、灰塵等雜質通過進入油缸活塞與缸體相配合縫隙處的可能性，密封的有效期限延長；本方案所述的活塞可以是雙面排送介質的活塞，也可以是單面排送介質的柱塞，最佳的是雙面排送介質的活塞。優選的，所述第一凹槽為至少兩道，對活塞支撐及導向性更好。優選的，還包括與活塞同軸設置并固定連接的活塞桿，活塞桿外套有導向套，導向套外圓套有用于密封導向套外壁與缸體缸壁之間間隙的導向套密封圈，活塞桿外圓套有用于密封導向套內壁與活塞桿外壁之間間隙的活塞桿密封圈；
導向套內圓表面沿周向設有用于安裝活塞桿支撐環的第二凹槽，第二凹槽內堆焊活塞桿支撐環，活塞桿支撐環與活塞桿同軸設置，活塞桿外圓表面為與活塞桿支撐環工作面對應的被支撐表面，活塞桿支撐環工作面與所述被支撐表面間隙配合；活塞桿支撐環由所述硅銅合金制成。該結構可進一步避免焊渣、灰塵等雜質通過進入油缸活塞與缸體、導向套與活塞桿之間間隙處，并對活塞桿進行支撐和導向，更好提高裝置使用壽命。優選的，所述第二凹槽為至少兩道并分設于導向套的兩端部，進一步改善對活塞桿的支撐及導向效果。優選的，活塞支撐環在第一凹槽內的堆焊采用所述焊接工藝實現，焊縫部位的力學性能更加優異。優選的，活塞桿支撐環在第二凹槽的堆焊采用所述焊接工藝實現，焊縫部位的力學性能更加優異。本發明效果在于
1、焊渣、灰塵等雜質通過進入油缸活塞與缸體、導向套與活塞桿相配合間隙處的可能性大大降低。2、缸體及活塞因磨損引起的變形大大減少，活塞-缸單元的正常使用壽命提高 3-5 倍。3、密封有效期限增加1. 5-2倍。本發明機構的活塞-缸單元易于加工和裝配，能夠有效解決環境對流體壓力執行機構使用壽命影響大的技術問題，特別適合在液體壓力執行機構(液壓機)上應用。
圖1為本發明活塞-缸單元的結構示意圖； 圖2為圖1中A部的方大圖3為圖1中B部的放大圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明。實施一焊接設備氣體保護焊機
焊絲材料(即熔敷金屬)為硅銅合金，直徑Φ 1.6 mm。工件材料碳鋼45
工件(即活塞)尺寸Φ 400mmX250mm
本實施例的活塞-缸單元，包括缸體、內置于缸體中并可沿自身軸向往復運動的活塞 2，缸體1包括缸筒11、缸底12和缸蓋13，活塞2外圓套有用于密封活塞外壁與缸筒內壁之間間隙的活塞密封圈3，活塞外圓表面沿周向切出用于安裝活塞支撐環的第一凹槽，第一凹槽槽寬25mm、深4mm，本實施例中，第一凹槽為兩道。在槽內無油脂、水份銹蝕的情況下，采用惰性氣體保護金屬極電弧焊(MIG)在第一凹槽內堆焊活塞支撐環4，支撐環以焊絲(即所述硅銅合金)為材料，堆焊前測得其成分如下硅元素質量分數為2. 6%、鋁元素質量分數為0. 01%、其它雜質元素(包括錫元素、錳元素、鉛元素和鋅元素)總質量分數為0. 92%，余量為銅元素。堆焊一層，層間溫度220°C(即碳鋼與堆焊層之間的溫度)。堆焊時焊接電流沈0八、 電弧電壓MV，焊接速度0. 13m/min,氬氣流量23L/min，焊絲伸出長度20mm。堆焊前不預熱， 堆焊硅青銅后不進行退火處理及去應力處理。焊接完成并待零件冷卻后對零件精車，此時，缸體內圓表面為與活塞支撐環4對應的被支撐表面，活塞支撐環工作面與其對應的被支撐表面間隙配合；活塞支撐環與活塞同軸設置；測得第一凹槽堆焊層表面硬度為HB100，無氣孔、無雜質；堆焊層抗拉強度ο b為 380MPa,銅-鋼界面的抗剪強度為觀0 MPa0本實施例的活塞-缸單元還包括與活塞同軸設置并固定連接的活塞桿5，活塞桿5 外圓套有導向套6，導向套6外圓套有用于密封導向套外壁與缸筒內壁之間間隙的導向套密封圈61，活塞桿5外圓套有用于密封導向套內壁與活塞桿外壁之間間隙的活塞桿密封圈 51 ；導向套內圓表面沿周向切出用于安裝活塞桿支撐環的第二凹槽，第二凹槽寬25mm、深 4mm，本實施例中，第二凹槽為兩道并分設于導向套的兩端部。在槽內無油脂、水份銹蝕的情況下，采用惰性氣體保護金屬極電弧焊(MIG)在第二凹槽內堆焊活塞桿支撐環7，支撐環以焊絲(即硅銅合金)為原料，堆焊前，測得其成分如下 硅元素質量分數為3%、鋁元素質量分數為0. 006%、其它雜質元素(包括錫元素、錳元素、鉛元素、鋅元素)總質量分數為0.91%，余量為銅元素。堆焊一層，層間溫度為210°C (即指碳鋼與堆焊層之間的溫度)堆焊電流250A，電弧電壓^V，焊接速度0. 18m/min，氬氣流量25L/min，焊絲伸出長度18mm。工件堆焊前不需預熱，堆焊硅青銅后不進行退火處理及去應力處理。堆焊完成后，測得堆焊層表面硬度測量為HB110，無氣孔、無雜質，堆焊層抗拉強度 013為39010^，銅-鋼界面的抗剪強度為四0 MPa0待工件冷卻后進行精車，此時活塞桿外圓表面為與活塞桿支撐環4對應的被支撐表面，活塞桿支撐環工作面與被支撐表面間隙配合；活塞桿支撐環7與活塞桿同軸設置，活塞桿支撐環由銅制成，進一步改善對活塞桿的支撐及導向效果。活塞-缸單元性能檢測
檢測方式，通過對2組缸徑為400mm，桿徑為380mm的用于油壓機油缸各2支進行試驗， 第一組，活塞、導向套支承部位采用酚醛夾布支承環，第二組油缸的活塞、導向套支承部位采用堆焊硅青銅合金形式，操作同實施例1，試驗結果對比如下
第一組油缸每天工作20小時，連續工作15天后。撤開油缸檢查一支油缸活塞、導向套支承環1/3部分有明顯擦痕、用外徑千分尺檢測后知，支承環磨損0. Imm,密封件摩損0. 1mm，觀察支承環表面，約1/3圓周磨損嚴重。另一支油缸缸筒內壁有劃痕5道，深約 0. 1-0. 4mm不等，密封件表面有劃痕6條，分別約為0. 1-0. 5mm不等。第二組油缸每天工作20小時，連續工作15天后。撤開油缸檢查兩支油缸缸體內壁均完好、密封件也完好。實施二
焊接設備氣體保護焊機焊絲材料硅銅合金，直徑Φ 1. 6 mm。工件材料碳鋼45 工件尺寸Φ 195mmX260mm 在工件外表堆焊二層。堆焊第一層的參數如下
熔敷金屬成分硅元素質量分數為2. 8%、鋁元素質量分數為0. 007%、其它雜質元素(包括錫元素、錳元素、鉛元素、鋅元素)總質量分數為0. 93%，余量為銅元素。層間溫度(即碳鋼與堆焊層之間的溫度)為190°C，電流200A，電壓20V，焊接速度0. 16m/min，氬氣流量^L/ min，焊絲伸出長度18mm。堆焊第二層的參數如下
熔敷金屬成分硅元素質量分數為2. 8%、鋁元素質量分數為0. 007%、其它雜質元素(包括錫元素、錳元素、鉛元素、鋅元素)總質量分數為0. 93%，余量為銅元素。層間溫度(即第一層堆焊層與第二層堆焊層之間的溫度)為150°C，電流200A，電壓20V，焊接速度0. 16m/min, 氬氣流量沈17!^11，焊絲伸出長度18mm。工件堆焊前不需預熱，堆焊硅青銅后不進行退火處理及去應力處理。堆焊完成后，測得第二層堆焊層的表面硬度測量為HB100，無氣孔、無雜質，第二層堆焊層抗拉強度σ b為380ΜΡ ，銅-鋼界面的抗剪強度為觀0 MPa0說明，本實施例所述第一層是指沿活塞缸徑向由內向外起的第一層，所述第二層是指沿活塞缸徑向由內向外起的第二層。最后需要說明，以上實施例僅用于說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明的技術方案進行了詳細說明，本領域技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的保護范圍當中。
權利要求
1.在碳鋼上堆焊硅銅合金的工藝，是在氣體保護條件下以電弧作為熱源進行多層堆焊，其特征在于所述硅銅合金中含有2. 5-3. 1%重量的硅元素和不低于96%重量的銅元素，余量為雜質元素，所述雜質元素包括鋁元素，鋁元素在硅銅合金中的質量分數為 0.0015%-0. 01% ；焊接電流為200-280A，焊接時層間溫度保持在150-250°C。
2.根據權利要求1所述的在碳鋼上堆焊硅銅合金的工藝，其特征在于所述鋁元素在硅銅合金中的質量分數為0. 005%-0. 01%。
3.根據權利要求1或2所述的在碳鋼上堆焊硅銅合金的工藝，其特征在于焊接過程中保護氣的氣體流量為22-26L/min，焊接時電弧電壓為22-26V。
4.根據權利要求3所述的在碳鋼上堆焊硅銅合金的工藝，其特征在于焊接速度為 0. 1-0. 2m/min，焊絲伸出長度不大于20mm。
5.焊接支撐環的活塞-缸單元，包括缸體、內置于缸體中并可沿自身軸向往復運動的活塞，活塞外圓套有用于封閉活塞外壁與缸體內壁之間間隙的活塞密封圈，其特征在于活塞外圓表面沿周向設有第一凹槽，第一凹槽內堆焊活塞支撐環，活塞支撐環與活塞同軸設置，活塞支撐環工作面與其對應的被支撐表面間隙配合；活塞支撐環由所述硅銅合金制成。
6.根據權利要求5所述的活塞-缸單元，其特征在于所述第一凹槽為至少兩道。
7.根據權利要求5或6所述的活塞-缸單元，其特征在于還包括與活塞同軸設置并固定連接的活塞桿，活塞桿外套有導向套，導向套外圓套有用于封閉導向套外壁與缸體內壁之間間隙的導向套密封圈，活塞桿外圓套有用于封閉導向套內壁與活塞桿外壁之間間隙的活塞桿密封圈；導向套內圓表面沿周向設有第二凹槽，第二凹槽內堆焊活塞桿支撐環，活塞桿支撐環與活塞桿同軸設置，活塞桿支撐環工作面與其對應的被支撐表面間隙配合；活塞桿支撐環由所述硅銅合金制成。
8.根據權利要求7所述的活塞-缸單元，其特征在于所述第二凹槽為至少兩道并分設于導向套的兩端部。
9.據權利要求8所述的活塞-缸單元，其特征在于活塞支撐環在第一凹槽的堆焊采用所述焊接工藝實現。
10.根據權利要求9所述的活塞-缸單元，其特征在于活塞桿支撐環在第二凹槽的堆焊采用所述焊接工藝實現。
全文摘要
本發明公開了一種在碳鋼上堆焊硅銅合金的工藝，是在氣體保護條件下進行多層堆焊，硅銅合金中含有硅元素、銅元素和雜質元素，雜質元素包括鋁元素；本工藝能夠降低焊接過渡區的應力集中降低裂紋敏感性，保證基體與堆焊層金屬間的結合，保證堆焊層表面硬度HB80-110；本發明還提供了一種活塞-缸單元，包括缸體和活塞，活塞外圓表面沿周向設有第一凹槽，槽內堆焊活塞支撐環；該活塞-缸單元易于加工和裝配，使用過程中焊渣、灰塵不易進入缸體與活塞和活塞桿與導向套配合面內，密封有效期長，耐磨性好，運行穩定，不易產生拉缸及卡滯現象，有效解決環境對流體壓力執行機構使用壽命影響大的問題，特別適合在液體壓力執行機構上應用。
文檔編號F16J9/26GK102284768SQ20111018967
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月7日 優先權日2011年7月7日
發明者任小鴻, 劉榮, 梁德明, 陳麗, 齊江 申請人:瀘州華西機械有限責任公司