碳鋼油缸活塞表面堆焊黃銅工藝解析

齊勝，謝志勇

（中國中車天津電力機(jī)車有限公司，天津 300452）

碳鋼油缸活塞表面堆焊黃銅工藝解析

齊勝，謝志勇

（中國中車天津電力機(jī)車有限公司，天津 300452）

本文應(yīng)用碳鋼表面堆焊黃銅技術(shù)，對海上石油鉆井平臺用進(jìn)口油缸的活塞進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，提高了活塞的使用強(qiáng)度及耐磨性，具有高承載、低故障的特點，保障了油缸的使用壽命和使用安全。

油缸活塞；45#鋼；堆焊黃銅

某海上石油鉆井平臺，液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的HSG-F152.4/101.6x117型油缸為進(jìn)口油缸，由于安裝及使用空間有限，該油缸設(shè)計時結(jié)構(gòu)比較緊湊，故此活塞設(shè)計時不能像普通油缸那樣采用45#鋼加上耐磨導(dǎo)向支撐帶，而是采用的耐磨性相對較好的球墨鑄鐵做活塞材料，但在使用過程中經(jīng)常發(fā)生油缸活塞桿與活塞螺紋連接處擼扣（或切扣）現(xiàn)象，造成油缸活塞失效。

1 原因分析及改進(jìn)措施

通過對失效活塞的破壞分析，確定活塞失效的原因為活塞桿與活塞螺紋連接處強(qiáng)度不夠，在使用過程中由于壓力使用過高等原因造成連接處破壞失效。為了增強(qiáng)連接處強(qiáng)度，活塞材料改為力學(xué)性能（即抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度）高于球墨鑄鐵的經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的45#鋼材料，同時為提高45#鋼活塞外表面耐磨性，以達(dá)到高載荷和低摩擦的特點，采用在45#鋼活塞表面再堆焊黃銅耐磨層的方式改進(jìn)油缸活塞結(jié)構(gòu)，有效解決了此油缸活塞在使用期內(nèi)失效的問題（見圖1）。

圖1

2 油缸活塞改進(jìn)工藝流程

（1）該款活塞外徑φ157mm，首先需將活塞外表面切出寬29.5mm，深為4.5～5mm溝槽（圖2）。

圖2

（2）用氧乙炔火焰在溝槽表面堆焊黃銅，將溝槽填滿（見圖3）。

圖3

（3）堆焊黃銅后將活塞整個工件用石棉布包裹冷卻至室溫，或埋入草木灰中冷卻至室溫。

（4）將活塞機(jī)加工車出外圓，保證焊銅層厚度2.2mm（見圖4）。

圖4

（5）目檢和滲透檢測加工后的活塞外表面質(zhì)量，焊層要牢固可靠，外表面不得有氣孔、裂紋、缺焊、夾渣等缺陷。

3 活塞表面堆焊黃銅工藝

（1）焊接工藝難點。由于黃銅和45#鋼的化學(xué)和物理性能相差較大，活塞表面堆焊黃銅時，工藝控制或焊接操作不當(dāng)易形成裂紋和氣孔等焊接缺陷。裂紋的產(chǎn)生是由于焊接熔池中銅與其中的雜質(zhì)構(gòu)成低熔點共晶體，增大了焊縫本身的熱脆性，焊接后，導(dǎo)熱性較好的銅先于45#鋼冷卻下來，由于兩種材料冷卻速度的不同，熱脹和冷縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

我們采取得主要措施是焊后將活塞焊件整體用石棉布包裹或埋入草木灰中緩冷，可有效控制堆焊層裂紋的產(chǎn)生。

氣孔的產(chǎn)生，主要是由于焊縫結(jié)晶時會析出溶解過飽和的氫，銅的導(dǎo)熱率高，使得銅焊縫的結(jié)晶凝固速度特別快，因而在高溫時所溶解的焊縫中的氫不宜上浮溢出，形成氣孔。

另外，黃銅中含鋅，鋅沸點低，焊接時也易蒸發(fā)，形成氣孔。我們采取的主要措施是首先確保活塞焊接前溝槽加工面和焊絲表面都清潔，焊前用汽油清除干凈活塞溝槽表面和焊絲表面的水分和污物；再者是將活塞焊前整體預(yù)熱到200 ～30 0 oC，延長熔池存在時間，便于堆焊時氣體的逸出。

（2）焊材及焊劑。活塞基材是45#鋼屬于中碳鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有較高的強(qiáng)度和耐磨性,本身焊接性能較差。

通過工藝試驗，選用焊絲型號HS22 2黃銅焊絲，該焊絲含硅量較高，熔點較低（860℃），焊接時銅水流動性非常好，且可以抑制鋅的揮發(fā)，有利于防止堆焊時氣孔產(chǎn)生，焊接時煙霧也較少。焊劑選用脫水硼砂（即經(jīng)650℃，保溫10～15min處理的硼砂），見表1。

表1

（3）焊接熱源及焊炬。活塞表面堆焊黃銅工藝，采用氧乙炔火焰做熱源，選用HO1-12型號的焊炬，2號焊嘴。堆焊時應(yīng)特別注意的是，由于是在活塞表面窄溝槽內(nèi)堆焊，在未堆滿溝槽前切不可使用氧化焰，而應(yīng)采用中性焰，避免產(chǎn)生滲透裂紋。

（4）焊前準(zhǔn)備。機(jī)加工活塞溝槽待焊面到表面粗糙度Ra12.5um，并將溝槽的邊緣拐角處加工成R3mm的圓角（見圖2），用汽油清潔活塞溝槽表面待焊。制做一簡單帶V型槽的工裝胎，施焊時將活塞放在V型槽上方便轉(zhuǎn)動焊件。用砂紙和汽油清潔焊絲表面，用火焰稍微加熱焊絲后，蘸上脫水硼砂備用。將活塞焊件用焊炬整體預(yù)熱到200～300oC，每層堆焊表面涂上薄薄的一層熔劑備焊。

（5）焊接實操要領(lǐng)。活塞表面總共需堆焊2層，每層焊縫沿活塞軸線方向一道道焊接完成，每層焊縫厚度不大于3.0mm。每層焊接時，首先在活塞12點方位焊一道3.0mm高的 小埝，起防止后續(xù)焊接銅水下淌的作用；焊接時用焊炬將待焊區(qū)域加熱到櫻紅色（約770～800oC溫度），熔化焊絲，滴入銅水。焊好小埝后，轉(zhuǎn)動焊件將小埝轉(zhuǎn)至1點半鐘方位，從小埝1點半鐘方位開始向12點鐘方位逐道焊接，當(dāng)焊到12點鐘方位后，再將當(dāng)前焊道轉(zhuǎn)至1點半鐘方位，重復(fù)前一過程，直至整圈焊縫焊接完成。施焊過程采用左焊法進(jìn)行堆焊，焊嘴和堆焊表面的夾角 為60～70o，焊接用中性焰，焰芯距熔池表面為3～5mm，焊絲與堆焊表面夾角為20～30o，并在內(nèi)焰內(nèi)沿金屬表面作橫向擺動（見圖5）。滴入銅水時要注意觀察銅水與焊道熔合情況，可用焊絲蘸加脫水硼砂，適當(dāng)調(diào)整焊絲擺動，使焊道熔合均勻。施焊過程中如發(fā)現(xiàn)氣孔，可利用焊絲快速挑撥熔池將其剔除。

圖5

4 結(jié)語

改進(jìn)后的該型號油缸在海上石油鉆井平臺項目上取得了良好的應(yīng)用，證明該油缸活塞用45#鋼替換球墨鑄鐵并在活塞表面堆焊黃銅耐磨層的工藝是行之有效的，保障了油缸的使用安全和使用壽命。

[1]俞尚知.焊接工藝人員手冊[M].上海科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

[2]孫景榮，職業(yè)技能鑒定培訓(xùn)讀本（高級工）——氣焊工[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3]李書常，馮仲.焊工入門與技巧叢書--圖解氣焊工技能速成[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

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1671-0711（2016）11（下）-0078-02