一種電子束焊接鋁活塞的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及活塞制造技術(shù)領(lǐng)域，具體指一種電子束焊接鋁活塞的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，其性能質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性。隨 著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提高，高轉(zhuǎn)速、高爆壓對(duì)活塞強(qiáng)度、耐磨性、耐熱性、疲勞性能提出了更高的 要求。
[0003] 大功率高速柴油機(jī)采用整體鑄造鋁活塞，為了提高活塞的使用性能，兼顧活塞的 強(qiáng)度、重量、耐磨、承載、高溫性能和成本，通常在活塞的第一環(huán)槽部位鑲鑄高鎳鑄鐵鑲?cè)Γ?在頂部厚大部位采用冷卻油腔對(duì)活塞進(jìn)行冷卻。如授權(quán)公告號(hào)為CN100516491C的中國(guó)發(fā) 明專利《大功率柴油機(jī)活塞及其制備方法》（【申請(qǐng)?zhí)枴?00510096472. 2)所披露，其制備活 塞的具體步驟為：（1)熔配活塞鋁合金或者鋁基復(fù)合材料，精煉變質(zhì)處理后在760°C保溫30 分鐘，準(zhǔn)備澆注；(2)預(yù)熱金屬模具，將內(nèi)膜預(yù)熱溫度控制在300°C，外膜具預(yù)熱溫度控制 在250 °C ; (3)將鑄鐵鑲?cè)Ρ砻媲謇砀蓛簦跍囟葹?10~780 °C的鋁液浸滲5~40分鐘；
[4] 裝配金屬型模具，先將鑲?cè)ρb入內(nèi)膜，接著按活塞模具裝配圖裝配；（5)將預(yù)熱溫度為 300°C的內(nèi)冷油道芯放入鑄型中；(6)澆注，澆注溫度為760°C，5分鐘脫模。由于上述鑄造 方法是金屬型整體重力鑄造，在制造活塞的內(nèi)冷油腔時(shí)，易產(chǎn)生內(nèi)冷油腔不光滑、形狀不規(guī) 貝IJ、位置偏移、成品率不高等問題。
[0004] 也有采用擠壓鑄造成型活塞的，與上述重力鑄造相比，擠壓鑄造可以提高鑄件質(zhì) 量、減少?gòu)U品率。擠壓鑄造成型法是將處于液態(tài)或半固態(tài)的熔體在壓力作用下充滿鑄型、凝 固和結(jié)晶的鑄造工藝方法，其特點(diǎn)是在零件成型和凝固過程中，鑄型加壓部分或沖頭處于 可移動(dòng)狀態(tài)，使零件在壓力下結(jié)晶并產(chǎn)生一定的變形，獲得細(xì)小致密的組織和較高的力學(xué) 性能。擠壓鑄造方法制備內(nèi)冷油腔一般采用可溶鹽芯成型方法，為了克服普通可溶鹽芯不 能承受較高壓力的問題，在采用擠壓鑄造方法時(shí)，也可采用銅管復(fù)合型芯制造高強(qiáng)度復(fù)合 可溶鹽芯。但是，在制造內(nèi)冷油腔時(shí)，也容易導(dǎo)致內(nèi)冷油腔不光滑、形狀不規(guī)則、位置易偏移 且成品率不尚。
[0005] 上述鑄造方法一般是對(duì)活塞進(jìn)行整體鑄造，除上述鑄造方法外，根據(jù)活塞頭部和 裙部對(duì)性能要求不一樣的產(chǎn)品特點(diǎn)，也有采用其他方法先制備出活塞頭部和裙部，然后將 活塞頭部和裙部焊接在一起的方法。比較合適的焊接方法是電子束焊接，因?yàn)殡娮邮附?具有焊縫窄、焊縫深、能量集中的特點(diǎn)，但采用電子束焊接制備活塞存在著一些技術(shù)難題， 其中最主要的是電子束焊接易產(chǎn)生收弧氣孔，收弧氣孔留在活塞中會(huì)嚴(yán)重影響活塞的性 能。
[0006] 因此，對(duì)于目前鋁活塞的制造方法，有待于做進(jìn)一步改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，提供一種能有效去除收弧氣 孔、內(nèi)冷油道規(guī)則、成品率高、性能質(zhì)量好的電子束焊接鋁活塞的制造方法。
[0008] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種電子束焊接鋁活塞的制造方 法，其特征在于包括以下步驟：
[0009] (1)制造活塞頭部
[0010] 配制高硅鋁合金，并將配置好的高硅鋁合金放入熔化爐中進(jìn)行熔化，熔化后對(duì)高 硅鋁合金液進(jìn)行精煉、變質(zhì)、細(xì)化處理；
[0011] 采用擠壓鑄造工藝制造活塞頭部；
[0012] 對(duì)制備的活塞頭部進(jìn)行熱處理；
[0013] (2)制造活塞裙部
[0014] 采用4A11材料的擠壓棒材制造活塞裙部：先根據(jù)活塞裙部大小將4A11材料的擠 壓棒材截成圓坯料，然后將圓坯料在440°C~450°C保溫170min~180min ;
[0015] 采用模鍛成型工藝制造成型裙部：取料一模鍛一機(jī)械加工；
[0016] 在活塞內(nèi)腔留置用于容置收弧氣孔的工藝補(bǔ)貼部分；
[0017] (3)機(jī)械加工出內(nèi)冷油道
[0018] 在活塞頭部的焊接面內(nèi)根據(jù)實(shí)際圖紙加工出內(nèi)冷油道；
[0019] 在活塞裙部的焊接面處加工出與活塞頭部?jī)?nèi)冷油道相對(duì)應(yīng)的凸起環(huán)；
[0020] (4)電子束焊接
[0021] 采用真空脈沖電子束焊接工藝，對(duì)裝配好的活塞進(jìn)行環(huán)縫焊接：
[0022] 焊接前對(duì)待焊接部位進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為170~190°C，該溫度下保溫30~ 60min ；
[0023] 焊接后對(duì)焊接部位進(jìn)行冷卻熱處理，冷卻溫度為190~210°C，該溫度下保溫1~ 2h，然后隨爐冷卻；
[0024] (5)機(jī)械加工去除工藝補(bǔ)貼部分
[0025] 根據(jù)活塞內(nèi)腔的形狀，加工去除步驟（2)中裙部留置的工藝補(bǔ)貼部分；
[0026] (6)機(jī)械加工
[0027] 對(duì)焊接完成的活塞進(jìn)行機(jī)械加工和噴涂石墨處理，即得到成品活塞。
[0028] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟（1)中所述的高硅鋁合金材料按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)包括 以下組分：
[0029] Si 14 ~16% Mg 0.6-1.2% Cu 2.6 ~4.0% Ni 1.8 ~3.0% Fe 0· 1 ~0.3% Ti 0· 1 ~0.2%
[0030] 其它雜質(zhì)元素不超過0.5% ;其余為A1。
[0031] 在上述方案中，步驟（1)中所述高硅鋁合金液進(jìn)行精煉、變質(zhì)、細(xì)化處理的具體步 驟包括：
[0032] 1)控制高硅鋁合金液的溫度為780~800°C，向高硅鋁合金液中添加磷銅合金變 質(zhì)劑，使該磷銅合金變質(zhì)劑的質(zhì)量為高硅鋁合金液質(zhì)量的〇. 2~0. 4% ;
[0033] 2)控制高硅鋁合金液的溫度為740~760°C，向高硅鋁合金液中添加鋁鈦硼細(xì)化 劑，使該鋁鈦硼細(xì)化劑的質(zhì)量為高硅鋁合金液質(zhì)量的0. 1~0. 2% ;
[0034] 3)控制高硅鋁合金液的溫度為730~740°C，向高硅鋁合金液中添加 JA04C精煉 劑，使該JA04C精煉劑的質(zhì)量為高硅鋁合金液質(zhì)量的0. 3~0. 5% ;
[0035] 4)靜置15~30min后，將高硅鋁合金液的溫度控制在710~720°C。
[0036] 在上述優(yōu)選方案中，步驟（1)中采用擠壓鑄造工藝制造活塞頭部的具體步驟包 括：
[0037] 1)將氧化鋁陶瓷短纖維預(yù)制件固定在模具上，向模具型腔中澆入經(jīng)過精煉、變質(zhì)、 細(xì)化處理的高硅鋁合金液，控制高硅鋁合金液澆注溫度為710~720°C，擠壓鑄造壓強(qiáng)為 100 ~120MPa ;
[0038] 2)合模加壓并保壓90~120S，高硅鋁合金液在機(jī)械壓強(qiáng)作用下滲透到氧化鋁陶 瓷短纖維預(yù)制件的孔隙中，形成環(huán)槽復(fù)合材料增強(qiáng)區(qū)；
[0039] 3)高硅鋁合金液完全凝固后，形成活塞頭部。
[0040] 作為優(yōu)選，步驟（1)中活塞頭部的熱處理包括以下步驟：
[0041] 1)固溶處理：控制溫度為490~500°C，保溫5. 9~6. lh，在60~100°C水中進(jìn)行 淬火處理；
[0042] 2)時(shí)效處理：控制溫度為200~210°C，保溫7. 9~8. lh，出爐后空冷。
[0043] 優(yōu)選地，所述固溶處理完畢至開始時(shí)效處理的時(shí)間小于2h，活塞毛坯從鋁合金淬 火爐至水槽的轉(zhuǎn)移時(shí)間小于30s。
[0044] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0045] (1)將活塞頭部和裙部分開制造，頭部選用含硅量高的合金采用擠壓鑄造的方法， 環(huán)槽可采用復(fù)合材料強(qiáng)化，保證了活塞頭部的耐高溫耐磨性能；裙部選用綜合性能更高的 4A11變形鋁合金，采用鍛造成型的方法，使裙部的力學(xué)性能比鑄造整體成型方法大大提高， 同時(shí)提高了活塞的整體性能，以滿足高轉(zhuǎn)速、高爆壓對(duì)活塞的強(qiáng)度、耐磨性、耐熱性、疲勞性 能的要求，提高活塞的工作效率；
[0046] (2)內(nèi)冷油道采用機(jī)械加工成型方法，比鑄造成型方法制造的內(nèi)冷油道更光滑、形 狀更規(guī)則、位置更準(zhǔn)確，大大提高了產(chǎn)品的成品率，在一定程度上降低了生產(chǎn)成本；
[0047] (3)在活塞內(nèi)腔留有可去除電子束焊接收弧氣孔的工藝補(bǔ)貼部分，電子束焊接時(shí) 的收弧氣孔留在工藝補(bǔ)貼部分，在電子束焊接完成后機(jī)械加工去除工藝補(bǔ)貼部分，即去除 了收弧氣孔，不僅簡(jiǎn)化了焊接工藝，也避免了焊縫收弧氣孔等缺陷的存在，大大提高了焊縫 的質(zhì)量；
[0048] (4)活塞內(nèi)腔留有的工藝補(bǔ)貼，同時(shí)避免了電子束焊縫附近焊件厚薄不均的問題， 減少了由于焊接應(yīng)力產(chǎn)生的焊接裂紋，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率。
【附圖說明】
[0049] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中電子束焊接鋁