柴油機氣門焊接新型工藝研究

摘 要：文章研究了異種材料焊接后的熱處理工藝性能，通過DOE實驗結果對比，選取了可以同時滿足一種材料的熱處理工藝，為后續的工藝改進提供了理論依據。

關鍵詞：摩擦焊接；熱處理；機械性能

1 項目背景

本公司一種材料氣門焊接的現有生產工藝是氣門閥頭和桿部分別熱處理后，然后在定長、摩擦焊接，之后再去應力。然而，對于一些小氣門，在閥頭生產過程中，往往要加長落料長度，才能超過電鐓夾持長度，滿足電鐓要求，之后再將加長的部分割掉，這樣勢必造成材料的浪費。因此，經過公司工藝人員的討論，為節省不必要的浪費，想通過工藝改進，解決落料必須加長的問題，即先將落料好的頭部與桿部棒料現行摩擦焊接之后在進行電鐓。為了證實該方案的可行性，本課題應運而生。

2 實驗過程

本實驗過程中分別對該異種材料的摩擦焊接氣門進行了工藝研究，此兩種材料分別是GH4080和4Cr10Si2Mo。對于這幾種材料現有的熱處理工藝如表1所示。

從中不難發現，對于這兩種不同的材料，其熱處理工藝有相似部分，亦有不同之處，對于如何處理其中的異同，我們分析如下：

（1）GH4080固溶后，以空冷～水冷的冷卻速度均可滿足工藝要求，為了與其材料同步，根據以往的生產經驗，我們統一采用1030℃×45min+油冷工藝；（2）時效/回火熱處理是這兩種材質的最大不同之處，故而我們分別對這兩種材料進行試驗，其工藝如表2所示。

（3）通過分析，由于GH4080熱處理工藝對時間要求較高，主要是因為Cr等合金的均勻化遠比C原子的擴散速度慢得多，因此時間也是一個不容忽視的重要因素，所以，我們嘗試統一采用960min的熱處理時間，故而只需測試4Cr10Si2Mo在相應的熱處理溫度內是否能滿足工藝要求即可，同時，考慮到時間加長的因素，故而增加了700℃的試驗，而剔除了760℃的試驗。（4）為了進一步驗證上述分析，我們通過DOE分析，分別對兩種材質兩因子（時間，溫度）取兩水平的全因子試驗，同時進行三次中心點試驗，以期通過對比驗證其正確性。（5）由于GH4080材料除了機械性能有要求外，對于熱處理后的晶粒度亦有要求，即晶粒度細于或等于5級，晶粒度差異不超過3級，因此，對于不同的熱處理工藝，還需進行晶粒度的檢測。

3 試驗結果

通過以上試驗，我們得到以下結果，如表3。

通過以上試驗，我們將結果與對應材料的工藝性能要求進行對比，可以發現其性能皆可以滿足要求。材料機械性能要求如表4所示。

而對于焊接之后經熱處理后的摩擦焊棒，對應的機械性能如表5所示。

通過本次實驗不難發現，GH40804+Cr10Si2Mo在720℃×960min和740℃×960min時可以滿足工藝要求，而從焊縫斷口來看720℃縮頸明顯，說明塑性比740℃時好，故綜合考慮，我們認為選取720℃×960min是比較合理的。同時，對于該條件下GH4080的晶粒度進行檢測，結果為6～8級，滿足工藝要求。

4 結束語

通過本次實驗，我們認為，采用合適的熱處理工藝，改變摩擦焊接和熱處理工藝順序的工藝改進是可行的。

另外，對于此次工藝改進我們認為：（1）雖然此次工藝改進從實驗角度上看，我們認為是可行的，但是還需經過實踐的檢驗，只有通過實踐大量的、嚴格檢驗后，方可在日后的生產中大量使用；（2）對于此次實驗，我們只考慮了兩種材質的機械性能以及GH4080的晶粒度，而這些也是工藝文件中明確規定的基本要求，所以我們認為此次工藝改進還需對這兩種材質在不同條件下的組織進行檢測，以便從微觀角度得到更優的選擇結果；（3）此次工藝改進后，由于摩擦焊接之后棒料表面粗糙度，尤其是焊縫附近，將受到嚴重影響，如何消除此影響，還需進一步研究。

通過本次實驗，我們認為本次工藝改進是可以滿足設計要求的，若工藝被采用后，將在現有設備的基礎上，大大增加市場產品開發的品種，尤其是對于市場需求量大的一種材質小氣門的生產，意義重大，由此帶來的經濟效益也非常可觀。同時，本更改工藝通過后，可以大大減少產品生產時材料的浪費，因此，不論是從經濟角度還是從產品開發的角度來講，本更改工藝都具有極大的現實意義。

參考文獻

[1]GB/T1221-2007.耐熱鋼棒[S].

[2]Q/QS16-016-2008.16V240ZJB型柴油機氣門[S].

[3]TB/T1617-1985.熱處理通用技術條件[S].

[4]GB/T12773-2008.內燃機用鋼及合金棒材[S].

[5]ISO683-15.內燃機用閥門鋼[S].