液壓支架油缸內(nèi)孔堆焊不銹鋼的工藝實現(xiàn)及加工性能

張彬，楊帆，杜學(xué)蕓

1.山東能源重裝集團(tuán)再制造分公司 山東新泰 271200

2.山東能源重裝集團(tuán)大族再制造有限公司 山東新泰 271200

3.山東能源重型裝備制造集團(tuán)有限責(zé)任公司 山東泰安 271000

1 序言

油缸作為液壓支架中的主要支撐部件，在乳化液中與立柱配合完成液壓伸縮過程中，其內(nèi)壁在反復(fù)承壓與乳化液沖蝕環(huán)境中容易因腐蝕、磨損而發(fā)生失效。因此，采用先進(jìn)的表面處理工藝來強(qiáng)化油缸內(nèi)壁表面的耐蝕性和耐磨性，是提升液壓支架綜合性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1-6]。由于局限于內(nèi)孔的狹窄空間，所以處理過程質(zhì)量控制是一個難題。

近年來，針對油缸內(nèi)壁的強(qiáng)化，常見的有鍍銅、熔銅、堆焊碳素鋼及不銹鋼、激光熔覆等表面處理技術(shù)和方式，可在一定程度上提高油缸內(nèi)壁表面的耐磨性和耐蝕性。隨著實踐應(yīng)用的普及，各種加工方式均暴露了一定的技術(shù)弊端。因成形質(zhì)量穩(wěn)定、機(jī)加工性能優(yōu)越，所以熔銅技術(shù)應(yīng)用較為廣泛。但在成本方面，油缸內(nèi)孔熔銅目前所用原材料主要為錫青銅、鋁青銅、高錳鋁青銅等含銅材料，而近年來銅材的市場價格變動較大，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示全球范圍內(nèi)銅材料一直處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，而銅產(chǎn)量的增長率基本趨近于零，內(nèi)孔熔銅的原材料價格成為成本控制的凸顯問題；在性能方面，內(nèi)孔堆焊常用銅材的成形硬度偏低，在提高油缸內(nèi)壁的抗磨損方面表現(xiàn)一般，不能滿足客戶對油缸內(nèi)壁高耐磨性的需求。內(nèi)孔堆焊碳素鋼的處理方式在原材料方面具備成本優(yōu)勢，但是獲得的堆焊成形較差，且其耐蝕性達(dá)不到理想狀態(tài)。耐磨性與耐蝕性兼?zhèn)涞牟讳P鋼成為內(nèi)孔堆焊中的主力材料，但機(jī)加工實踐證明，不銹鋼不易被切削，且加工硬化效果顯著，尤其是內(nèi)孔空間狹窄的不銹鋼加工成為一項難題[7-10]。因此，開展液壓支架油缸內(nèi)孔堆焊不銹鋼工藝實現(xiàn)及機(jī)加工特性的研究與應(yīng)用，以替代傳統(tǒng)油缸內(nèi)孔熔銅技術(shù)，具有重大實際應(yīng)用價值。

2 試驗材料及方法

試驗用基材為27SiMn鋼液壓支架油缸，其化學(xué)成分見表1。熔覆材料為優(yōu)化成分的φ1.2mm、316L焊絲，化學(xué)成分見表2。

表1 27SiMn鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 316L焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

采用內(nèi)孔堆焊系統(tǒng)，對孔徑230mm的27SiMn鋼液壓支架油缸進(jìn)行內(nèi)孔堆焊，焊接電流為230～260A，電弧電壓為28～30V，堆焊時工件轉(zhuǎn)速為32～38r/min，搭接率為50%，離焦量為11～15mm。采用3種氣體保護(hù)方案，分別為純A r，（95%～98%）Ar+（2%～5%）CO2，（95%～98%）Ar+（2%～5%）O2。在沿垂直于掃描方向線上切取10mm×10mm×10mm試塊，經(jīng)鹽酸溶液腐蝕后，在Axio Lab.A 1金相顯微鏡下檢測熔覆深度、觀察熔覆層的顯微組織結(jié)構(gòu)、單道熔覆形態(tài)。采用HVS-1000A數(shù)顯顯微硬度計進(jìn)行硬度梯度檢測，采用便攜式里氏硬度計對整件堆焊內(nèi)孔機(jī)加工表面硬度進(jìn)行檢測。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 工藝試驗及顯微結(jié)構(gòu)

保護(hù)氣體可在堆焊的電弧周圍形成保護(hù)，避免有害氣體對熔池的影響，并為電弧穩(wěn)定燃燒提供條件。以宏觀成形為唯一評判標(biāo)準(zhǔn)，在3種保護(hù)氣體方案下調(diào)整焊接電流、電弧電壓、電弧長度、焊絲干伸長等關(guān)鍵焊接參數(shù)，以實現(xiàn)電流穩(wěn)定、飛濺少的堆焊過程，獲得成形表面平整、缺陷少的液壓支架油缸內(nèi)孔堆焊表面。最終經(jīng)篩選而獲得的焊接參數(shù)見表3。由表3可知，在不同保護(hù)氣體氛圍下，以成形質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)篩選的工藝參數(shù)存在較大差異。采用純Ar保護(hù)時堆焊電流不穩(wěn)定，波動范圍較大，上下偏差達(dá)到30A，堆焊聲音時有低沉，宏觀成形表面色澤較淺、均勻且較為平整，氧化皮及渣瘤較少，因而飛濺較少，但出現(xiàn)了肉眼可見的大型氣孔、表面球化等缺陷（見圖1中方框1區(qū)域）。采用Ar+CO2保護(hù)時，所用工藝參數(shù)與純Ar保護(hù)一樣，但其堆焊過程中的電流較穩(wěn)定，波動最大范圍＜10A，成形表面平整、色澤較暗（見圖1中方框3區(qū)域）；采用Ar+O2保護(hù)飛濺較少，成形表面較平整且暗，焊接電流穩(wěn)定，波動最大范圍＜10A，原始成形表面無肉眼可見缺陷（見圖1中方框2區(qū)域）。

圖1 3種保護(hù)氣體下的宏觀成形

表3 3種氣體保護(hù)方案的焊接參數(shù)及堆焊效果

在調(diào)試焊接參數(shù)過程中，先確定焊接電流大小，然后將與該焊接電流匹配的電弧電壓調(diào)整至合適值，進(jìn)而控制單道焊縫寬度和高度，通過焊接電流與電弧電壓的匹配獲得合適的成形寬高比，將寬高比控制在4～6。而焊接電流大小決定堆焊熔深及稀釋率，觀察3種保護(hù)氣體用的不同焊接參數(shù)，焊接電流較大的2#試樣熔深呈現(xiàn)為較深的鋸牙狀，而1#和3#試樣的熔深稍顯平整，如圖2所示。由圖2可知，1#試樣的熔深形態(tài)整體缺陷較多，熔池邊緣不圓滑，區(qū)域內(nèi)可見夾渣掉落后的不規(guī)則坑點；2#試樣的組織結(jié)構(gòu)為長條狀枝晶，因散熱機(jī)制導(dǎo)致的晶粒取向明顯且規(guī)整，組織均勻性好，缺陷少；3#試樣的熔深形態(tài)、枝晶形態(tài)較2#試樣細(xì)小，但因組織均勻性較差，腐蝕過程中的電化學(xué)反應(yīng)不均勻，導(dǎo)致組織內(nèi)出現(xiàn)顯色差異。經(jīng)過單道成形峰的寬高比測算發(fā)現(xiàn)，2#試樣所用參數(shù)獲得的寬高比最小，其稀釋率也最大，因此需要通過進(jìn)一步調(diào)整焊接電流大小及電弧電壓匹配來控制稀釋率的大小，以提升工藝穩(wěn)定性。但綜合來講，所用混合氣體保護(hù)下的不銹鋼焊絲內(nèi)孔堆焊不銹鋼工藝穩(wěn)定性更高，成形缺陷數(shù)量更少。

圖2 不同工藝下的熔深形態(tài)及組織結(jié)構(gòu)

以3#試樣為例，不銹鋼組織結(jié)構(gòu)為發(fā)達(dá)的枝晶，以鐵素體作為骨架。熔深方向樹枝骨架較細(xì)

窄、晶粒長且粗大，局部區(qū)域的枝晶間出現(xiàn)了部分二次枝晶，明顯減小了晶粒尺寸，使得組織結(jié)構(gòu)更為細(xì)小致密；不同部位的鐵素體分布形態(tài)與散熱機(jī)制有很大關(guān)系，在熔深處的散熱面積因基體的傳熱機(jī)制而出現(xiàn)垂直于熔池邊線的枝晶形態(tài)，并向內(nèi)交織延伸。同樣地，在近表面處出現(xiàn)了垂直于表面的枝晶形態(tài)。經(jīng)過機(jī)加工時的近表面處，晶界在擠壓下遭到破壞，整體晶粒形態(tài)出現(xiàn)了“鐓粗”現(xiàn)象，樹枝骨架更為粗大，二次枝晶數(shù)量更多，且晶界內(nèi)顯示出較為清晰的變形形態(tài)，顯著減小了晶粒尺寸，提升了組織致密性。

3.2 硬度及機(jī)加工性能分析

對2#、3#試樣剖面進(jìn)行硬度檢測，由表層至基體的顯微硬度梯度如圖3所示。由圖3可知，由表至里硬度平均值約為380HV，硬度梯度較平緩。由于硬化層范圍較小，圖3b所示第一個硬度檢測點（427.5HV）處于硬化區(qū)域，硬度曲線凸起，顯著高出平均值，圖3a的檢測點則未取到機(jī)加工硬化層區(qū)域。

圖3 由表層至基體的顯微硬度梯度

不銹鋼的可加工性相對較差，由于其在切削熱的影響下仍然具備穩(wěn)定的高溫強(qiáng)度及硬度，不易切離且會加劇刀具磨損，而且奧氏體不銹鋼在加工過程中會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，硬度進(jìn)一步提升，致使加工難度不斷加大[8]。但不銹鋼材料的延展性好，切屑易黏連、卷曲變形，阻礙切削進(jìn)程。切削過程中的大量做功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃慷逊e，而不銹鋼的導(dǎo)熱性較差，熱量更多地傳向刀具，加大了刀具的磨損程度。另外，由于不銹鋼易與其他材料親和，所以大量吸附于刀具表面[9]，不僅使刀頭鈍感加強(qiáng)，還容易在不銹鋼的切削表面形成擠壓瘤。這不但加大了切削時的摩擦阻力，還容易造成表面溝壑，如圖4所示。隨著加工進(jìn)程的發(fā)展，刀具表面鈍感不斷加強(qiáng)，對不銹鋼表面的沖擊硬化效果也更為明顯。油缸內(nèi)孔整件堆焊不銹鋼的機(jī)加工表面硬度檢測結(jié)果見表4，分布曲線如圖5所示。從加工初始位置沿著軸向一直檢測至油缸缸頭，間隔30mm取檢測點，共5點各6組數(shù)據(jù)，檢測值分布趨勢基本與分析吻合。

圖5 油缸內(nèi)孔堆焊機(jī)加工表面硬度分布曲線

表4 油缸內(nèi)孔堆焊機(jī)加工表面硬度 （HBW）

圖4 加工表面擠壓溝壑

針對上述內(nèi)孔堆焊不銹鋼成形的加工特點，可通過提升涂層切削性能[10]，以及在此基礎(chǔ)上優(yōu)選刀具及切削參數(shù)來改善可加工性能。

4 結(jié)束語

通過采用3種氣體保護(hù)方案，在大面積成品油缸內(nèi)孔堆焊不銹鋼，驗證工藝的穩(wěn)定性及工業(yè)化應(yīng)用的可行性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混合氣體保護(hù)可獲得比純Ar保護(hù)更穩(wěn)定的工藝過程。機(jī)加工硬化及費刀問題可通過堆焊不銹鋼焊絲的優(yōu)化以及機(jī)加工車削工藝的控制得到有效解決。