某型滑軌組件焊接工藝研究

北京航科發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)科技有限公司 馬曉鋒

某型高壓燃油泵是一種流量可變的直軸式軸向（傾斜柱塞）柱塞泵，用于發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口控制系統(tǒng)中，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)和噴口液壓作動(dòng)筒活塞上所需的力輸出適當(dāng)壓力和流量的燃油?；壗M件與滑軌體配合，用于調(diào)整斜盤(pán)角度。

滑軌組件正向承受17000N壓力，涂層粗糙度Ra=0.2μm，工作600h后，工作表面不能異常磨損；環(huán)境溫度：-40℃～+120℃（允許短時(shí)+200℃，1h內(nèi)持續(xù)工作時(shí)間不超過(guò)3min）；工作介質(zhì)：3#噴氣燃料（GB6537-2006）；工作高度：18000m。

傳統(tǒng)加工滑軌的工藝為：基體進(jìn)行磷化打底后噴涂石墨潤(rùn)滑涂層或者基體吹砂后噴涂自潤(rùn)滑涂層。由于工況比較惡劣，經(jīng)常會(huì)使涂層脫落，不耐摩擦，降低了滑軌及整個(gè)燃油泵的壽命。另外，該型滑軌組件承受的壓力較大，很難采用石墨、銅合金等傳統(tǒng)潤(rùn)滑材料制造。

本課題所提出的滑軌組件設(shè)計(jì)方案由5種材料通過(guò)焊接、電鍍、燒結(jié)和壓制等工藝以層片結(jié)構(gòu)復(fù)合在一起，鋼基體（18Cr2Ni4WA）起支撐、保證整體剛性的作用，表層（PTFE+MoS2）起耐磨潤(rùn)滑作用。本課題通過(guò)對(duì)樣件的分析測(cè)量，進(jìn)行焊接等工藝試驗(yàn)，確定各零件的加工工藝尺寸，并研究了滑軌組件的整體加工工藝，從而實(shí)現(xiàn)該類(lèi)零件的國(guó)產(chǎn)化[1-6]。

1 分析測(cè)量

結(jié)合樣件進(jìn)行分析討論，確定組件的基本結(jié)構(gòu)和尺寸、零件材料及標(biāo)準(zhǔn)。

產(chǎn)品樣件及依實(shí)際尺寸繪制的圖紙分別如圖1、2所示。

圖1 滑軌組件實(shí)物樣件Fig.1 Sample of slide rail sub-assembly

金相組織、各部分的材料及厚度見(jiàn)圖3。通過(guò)金相組織觀察及分析，該件是由5層不同組分的材料復(fù)合連接而成，各層間的連接方式分析見(jiàn)圖4。

如圖5所示，結(jié)構(gòu)鋼與10號(hào)碳鋼之間是通過(guò)焊接連接的，邊緣有明顯的焊縫及熱影響區(qū)。分析焊縫尺寸、結(jié)晶形態(tài)以及焊縫中化學(xué)成分的變化情況，結(jié)合金相組織特點(diǎn)及焊縫形貌，判斷采用的焊接工藝是電子束焊接。

圖2 滑軌組件繪制圖紙F(tuán)ig.2 Drawings for slide rail sub-assembly

圖3 金相組織及各部分的材料Fig.3 metallographic Microstructure and materials of each part

2 加工工藝分析及討論

2.1 初選方案

方案1： 18Cr2Ni4WA鋼基體→焊接10號(hào)碳鋼板→電鍍銅層→燒結(jié)銅層→涂覆自潤(rùn)滑涂層（嵌入銅層工藝）；

圖4 各層材料之間的連接Fig.4 Joints of each layer

圖5 18Cr2Ni4WA結(jié)構(gòu)鋼與10號(hào)碳鋼的連接Fig.5 Joint of structural steel 18Cr2Ni4WA and 10# carbon steel

方案2：（1）18Cr2Ni4WA 鋼基體成形→（2）復(fù)合成形件（自潤(rùn)滑軸承襯板）：10號(hào)碳鋼板→電鍍銅層→燒結(jié)銅層→涂覆自潤(rùn)滑涂層（嵌入銅層工藝）→（3）18Cr2Ni4WA鋼基體與復(fù)合成形件焊接。

2.2 方案討論及結(jié)果

方案1實(shí)施起來(lái)有以下困難：電鍍銅層時(shí)對(duì)焊接質(zhì)量有影響，燒結(jié)銅層的厚度不好保證，自潤(rùn)滑涂層嵌入燒結(jié)銅層內(nèi)十分困難。

方案2具有一定的可行性，先將預(yù)制好的自潤(rùn)滑軸承襯板加工成形，如圖6所示。自潤(rùn)滑軸承襯板由4層復(fù)合而成：電磁純鐵（鋼背）+0.01mm，電鍍銅層+0.15mm，球形銅粉燒結(jié)層，在燒結(jié)層內(nèi)部也嵌有自潤(rùn)滑涂料。電鍍銅層是為了提高燒結(jié)銅層與基體的結(jié)合力，一般控制在0.03mm以?xún)?nèi)時(shí)結(jié)合力較好；球形銅粉燒結(jié)層的厚度可以調(diào)整，工藝是比較成熟的。然后，將經(jīng)過(guò)加工成形的襯板與18Cr2Ni4WA鋼基體進(jìn)行焊接。

圖6 自潤(rùn)滑軸承襯板的金相組織Fig.6 metallographic Microstructure for self-lubricating bearing lining plate

通過(guò)上述分析討論，認(rèn)為方案2具備可行性，即采取預(yù)制完成的自潤(rùn)滑軸承襯板與鋼件焊接的工藝。

但是，如果選擇方案2，隨即產(chǎn)生以下關(guān)鍵問(wèn)題：自潤(rùn)滑軸承涂層的耐火溫度為300℃，焊接熔池溫度超過(guò)1300℃，如何控制受熱區(qū)域？在保證焊接質(zhì)量的前提下，如何保證自潤(rùn)滑涂層不會(huì)失效？為此，焊接工藝參數(shù)的選擇、焊接工裝夾具的設(shè)計(jì)及焊接缺陷的控制手段是本課題主要的研究?jī)?nèi)容。

3 加工工藝的確定

3.1 零件焊接區(qū)域工藝尺寸的確定

零件焊接區(qū)域包括襯板和滑軌，工藝尺寸需確定焊接區(qū)域厚度、倒角形式及尺寸。

襯板焊接區(qū)域和滑軌體焊接區(qū)域均采用相同的加工工藝：相關(guān)區(qū)域加工成頂角，頂角分別為45°和60°，端邊厚度分別為0.4mm和0.5mm，部分試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)見(jiàn)圖7和圖8。圖7（b）為加工完成的襯板實(shí)物，圖8（b）為加工完成的滑軌體實(shí)物。

將上述襯板和滑軌體經(jīng)過(guò)交叉組合焊接試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)將襯板焊接區(qū)域加工為頂角45°、 端邊厚度0.4mm，同時(shí)將滑軌體焊接區(qū)域加工為頂角60°、厚度0.5mm，可滿(mǎn)足滑軌組件焊接工藝尺寸要求。焊接試件如圖9所示。

3.2 自潤(rùn)滑軸承襯板的加工成形

圖7 襯板焊接試驗(yàn)件設(shè)計(jì)及實(shí)物圖Fig.7 Drawing and physical pictures of welded testing piece for lining plate

將預(yù)制完成的自潤(rùn)滑軸承襯板（平板），經(jīng)過(guò)磨削去除襯板背面的電鍍銅層，沖壓成形后待與鋼基體進(jìn)行焊接。

圖8 滑軌體焊接試驗(yàn)件設(shè)計(jì)及實(shí)物圖Fig.8 Drawing and physical pictures of welded testing piece for slide railbody

圖9 焊接試件Fig.9 welded testing pieces

3.3 焊接工裝夾具的設(shè)計(jì)

自潤(rùn)滑襯板涂層的耐火溫度為300℃，焊接熔池溫度超過(guò)1300℃，如何控制受熱區(qū)域，使焊接過(guò)程中輸入的熱量迅速地傳遞出去，成為了焊接工裝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。焊接工裝設(shè)計(jì)如圖10所示，焊接過(guò)程中熱量輸出如圖11所示。

焊接過(guò)程中，由焊接夾具及緊貼自潤(rùn)滑襯板的紫銅將產(chǎn)生的熱量迅速沿著預(yù)計(jì)的散熱方向傳導(dǎo)出去，保證自潤(rùn)滑襯板涂層不會(huì)受到高溫而失效。

同時(shí)，依據(jù)滑軌組件的設(shè)計(jì)圖，其向心角為67°，通過(guò)工裝約束，可實(shí)現(xiàn)4件滑軌組件組合一次焊接，然后進(jìn)行切割加工。

3.4 焊接變形的控制

自潤(rùn)滑襯板受熱恢復(fù)形變以及焊接各階段由熱脹冷縮造成的內(nèi)應(yīng)力的復(fù)雜變化是焊接變形的原因。

為了控制焊接中的變形，通過(guò)對(duì)零件的結(jié)構(gòu)、焊縫的分布及加工工序的分析，結(jié)合焊接結(jié)構(gòu)理論及大量的試驗(yàn)，采取了以下措施。

圖10 焊接工裝設(shè)計(jì)Fig.10 Fixture design for welding

圖11 焊接過(guò)程中熱量輸出Fig.11 Thermo-outflow of welding practice

（1）嚴(yán)格按照GJB 1718電子束焊接中有關(guān)裝配的要求執(zhí)行，控制配合間隙≤0.1mm，錯(cuò)位量≤0.1mm；

（2） 正式焊接前需要點(diǎn)焊定位和小電流彌縫焊，采用8點(diǎn)對(duì)稱(chēng)點(diǎn)焊定位，使用1/2焊接電流彌縫焊；

（3） 工裝采用楔形塊預(yù)夾緊散熱。

3.5 焊接工藝的確定

3.5.1 該類(lèi)零件焊接的難點(diǎn)

該類(lèi)零件是某型燃油柱塞泵上的耐磨損、耐疲勞的關(guān)鍵件，焊接總厚度為0.9mm，必須采用精密控制的焊接工藝，自潤(rùn)滑襯板涂層的耐火溫度為300℃，采用電子束焊接主要注意以下幾點(diǎn)。

（1）參數(shù)控制：在保證熔深及接頭強(qiáng)度前提下采用盡可能小的焊接規(guī)范；

（2）工藝控制：注意焊接區(qū)潔凈度，保證焊縫一次成形，不得連續(xù)補(bǔ)焊；

（3）工裝夾具：工裝與待焊零件貼合緊密，保證良好散熱效果；

（4）零件狀態(tài)：機(jī)加工后零件的貼合間隙滿(mǎn)足焊接需求。

3.5.2 焊接接頭的清潔

焊縫清潔對(duì)保證焊縫質(zhì)量很重要，自潤(rùn)滑軸承襯板制作時(shí)應(yīng)確保沒(méi)有表層（PTFE+MoS2）材料及銅元素進(jìn)入對(duì)焊界面，否則焊接時(shí)會(huì)造成焊接飛濺，嚴(yán)重影響焊縫成形。

焊接前用丙酮或乙醇擦洗焊接接頭表面，去除待焊件表面的油脂污物。

3.5.3 焊接參數(shù)的選定

焊接之前，根據(jù)焊接材料的種類(lèi)、焊接厚度和零件的設(shè)計(jì)要求來(lái)選擇合適的焊接工藝參數(shù)。

加速電壓：本課題所使用的THDW-15電子束焊機(jī)的最高加速電壓為120 kV，焊接總厚度為0.9mm（厚度為0.4mm的電磁純鐵+厚度為0.5mm的18Cr2Ni4WA結(jié)構(gòu)鋼），選用加速電壓為60 kV。

聚焦電流：焊接總厚度為0.9mm（同上），雖然理論上采用聚焦、表面聚焦和下聚焦都可以，但考慮到焊縫尺寸及力學(xué)性能，減少零件變形，應(yīng)在380 ～390 mA之間進(jìn)行選擇。

焊接束流：結(jié)合焊接材料的種類(lèi)，在保證焊縫力學(xué)性能的前提下，確保自潤(rùn)滑襯板涂層不會(huì)因焊接受熱失效，焊接束流選擇在10mA以下。

焊接速度：結(jié)合焊縫長(zhǎng)度、工裝的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及其他工藝參數(shù)對(duì)焊縫組織的影響，在250～1100 mm/s之間進(jìn)行選擇[7]。

表1為部分試驗(yàn)的焊接工藝參數(shù)，其所對(duì)應(yīng)的焊縫金相組織如圖12所示，可以看出圖12（d）為最理想狀態(tài)，其與樣件焊縫的金相組織對(duì)比見(jiàn)圖13。

圖12 焊縫組織Fig.12 Welding seam Microstructure

從圖13可以看出，試件與樣件的金相組織十分相似，其焊縫、熔合區(qū)、過(guò)熱粗晶區(qū)、相變重結(jié)晶區(qū)、不完全潔凈區(qū)、時(shí)效脆化區(qū)及未受影響區(qū)基本一致。

圖13 試驗(yàn)件與樣件焊縫金相對(duì)比Fig.13 metallographic comparison of test piece With Sample piece

表1 試驗(yàn)工藝參數(shù)（部分）

4 實(shí)際零件的焊接

通過(guò)上述工藝方案的實(shí)施，滑軌組件實(shí)際焊接零件的局部及整體焊接后的產(chǎn)品見(jiàn)圖14和15。

圖16為加工完成的零件，可見(jiàn)自潤(rùn)滑涂層未出現(xiàn)受熱失效，焊縫成型良好，外觀圓整、平滑、連續(xù)。

圖14 零件局部Fig.14 Local view of part

圖15 進(jìn)行整體焊接后的產(chǎn)品Fig.15 Product after overall welding and assembly

圖16 加工完成的零件Fig.16 Parts after processing

5 結(jié)論

（1）通過(guò)工藝試驗(yàn)研究，采用電子束焊接可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)鋼基體與厚度為1.5mm的自潤(rùn)滑襯板的焊接連接。

（2）自潤(rùn)滑襯板加工出三角倒角形式，頂角為45°，端邊厚度為0.4mm；滑軌基體加工出三角倒角形式，頂角為60°，厚度為0.5mm，可滿(mǎn)足滑軌組件焊接工藝尺寸要求。

（3）實(shí)施電子束焊接，焊接束流:4.5mA；焊接速度:400mm/s；聚焦電流:383.3mA；加速電壓:60kV。

（4）通過(guò)設(shè)計(jì)焊接工裝、抗變形措施以及精確的焊接工藝參數(shù)控制，可實(shí)現(xiàn)焊縫成形良好，防止自潤(rùn)滑涂層受熱失效的目標(biāo)。

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