碳钢油缸活塞表面堆焊黄铜工艺解析

齐胜，谢志勇

（中国中车天津电力机车有限公司，天津 300452）

碳钢油缸活塞表面堆焊黄铜工艺解析

齐胜，谢志勇

（中国中车天津电力机车有限公司，天津 300452）

本文应用碳钢表面堆焊黄铜技术，对海上石油钻井平台用进口油缸的活塞进行技术改进，提高了活塞的使用强度及耐磨性，具有高承载、低故障的特点，保障了油缸的使用寿命和使用安全。

油缸活塞；45#钢；堆焊黄铜

某海上石油钻井平台，液压系统执行元件的HSG-F152.4/101.6x117型油缸为进口油缸，由于安装及使用空间有限，该油缸设计时结构比较紧凑，故此活塞设计时不能像普通油缸那样采用45#钢加上耐磨导向支撑带，而是采用的耐磨性相对较好的球墨铸铁做活塞材料，但在使用过程中经常发生油缸活塞杆与活塞螺纹连接处撸扣（或切扣）现象，造成油缸活塞失效。

1 原因分析及改进措施

通过对失效活塞的破坏分析，确定活塞失效的原因为活塞杆与活塞螺纹连接处强度不够，在使用过程中由于压力使用过高等原因造成连接处破坏失效。为了增强连接处强度，活塞材料改为力学性能（即抗拉强度及屈服强度）高于球墨铸铁的经调质处理的45#钢材料，同时为提高45#钢活塞外表面耐磨性，以达到高载荷和低摩擦的特点，采用在45#钢活塞表面再堆焊黄铜耐磨层的方式改进油缸活塞结构，有效解决了此油缸活塞在使用期内失效的问题（见图1）。

图1

2 油缸活塞改进工艺流程

（1）该款活塞外径φ157mm，首先需将活塞外表面切出宽29.5mm，深为4.5～5mm沟槽（图2）。

图2

（2）用氧乙炔火焰在沟槽表面堆焊黄铜，将沟槽填满（见图3）。

图3

（3）堆焊黄铜后将活塞整个工件用石棉布包裹冷却至室温，或埋入草木灰中冷却至室温。

（4）将活塞机加工车出外圆，保证焊铜层厚度2.2mm（见图4）。

图4

（5）目检和渗透检测加工后的活塞外表面质量，焊层要牢固可靠，外表面不得有气孔、裂纹、缺焊、夹渣等缺陷。

3 活塞表面堆焊黄铜工艺

（1）焊接工艺难点。由于黄铜和45#钢的化学和物理性能相差较大，活塞表面堆焊黄铜时，工艺控制或焊接操作不当易形成裂纹和气孔等焊接缺陷。裂纹的产生是由于焊接熔池中铜与其中的杂质构成低熔点共晶体，增大了焊缝本身的热脆性，焊接后，导热性较好的铜先于45#钢冷却下来，由于两种材料冷却速度的不同，热胀和冷缩产生的内应力易导致裂纹的产生。

我们采取得主要措施是焊后将活塞焊件整体用石棉布包裹或埋入草木灰中缓冷，可有效控制堆焊层裂纹的产生。

气孔的产生，主要是由于焊缝结晶时会析出溶解过饱和的氢，铜的导热率高，使得铜焊缝的结晶凝固速度特别快，因而在高温时所溶解的焊缝中的氢不宜上浮溢出，形成气孔。

另外，黄铜中含锌，锌沸点低，焊接时也易蒸发，形成气孔。我们采取的主要措施是首先确保活塞焊接前沟槽加工面和焊丝表面都清洁，焊前用汽油清除干净活塞沟槽表面和焊丝表面的水分和污物；再者是将活塞焊前整体预热到200 ～30 0 ºC，延长熔池存在时间，便于堆焊时气体的逸出。

（2）焊材及焊剂。活塞基材是45#钢属于中碳钢，经调质处理后具有较高的强度和耐磨性,本身焊接性能较差。

通过工艺试验，选用焊丝型号HS22 2黄铜焊丝，该焊丝含硅量较高，熔点较低（860℃），焊接时铜水流动性非常好，且可以抑制锌的挥发，有利于防止堆焊时气孔产生，焊接时烟雾也较少。焊剂选用脱水硼砂（即经650℃，保温10～15min处理的硼砂），见表1。

表1

（3）焊接热源及焊炬。活塞表面堆焊黄铜工艺，采用氧乙炔火焰做热源，选用HO1-12型号的焊炬，2号焊嘴。堆焊时应特别注意的是，由于是在活塞表面窄沟槽内堆焊，在未堆满沟槽前切不可使用氧化焰，而应采用中性焰，避免产生渗透裂纹。

（4）焊前准备。机加工活塞沟槽待焊面到表面粗糙度Ra12.5um，并将沟槽的边缘拐角处加工成R3mm的圆角（见图2），用汽油清洁活塞沟槽表面待焊。制做一简单带V型槽的工装胎，施焊时将活塞放在V型槽上方便转动焊件。用砂纸和汽油清洁焊丝表面，用火焰稍微加热焊丝后，蘸上脱水硼砂备用。将活塞焊件用焊炬整体预热到200～300ºC，每层堆焊表面涂上薄薄的一层熔剂备焊。

（5）焊接实操要领。活塞表面总共需堆焊2层，每层焊缝沿活塞轴线方向一道道焊接完成，每层焊缝厚度不大于3.0mm。每层焊接时，首先在活塞12点方位焊一道3.0mm高的 小埝，起防止后续焊接铜水下淌的作用；焊接时用焊炬将待焊区域加热到樱红色（约770～800ºC温度），熔化焊丝，滴入铜水。焊好小埝后，转动焊件将小埝转至1点半钟方位，从小埝1点半钟方位开始向12点钟方位逐道焊接，当焊到12点钟方位后，再将当前焊道转至1点半钟方位，重复前一过程，直至整圈焊缝焊接完成。施焊过程采用左焊法进行堆焊，焊嘴和堆焊表面的夹角 为60～70º，焊接用中性焰，焰芯距熔池表面为3～5mm，焊丝与堆焊表面夹角为20～30º，并在内焰内沿金属表面作横向摆动（见图5）。滴入铜水时要注意观察铜水与焊道熔合情况，可用焊丝蘸加脱水硼砂，适当调整焊丝摆动，使焊道熔合均匀。施焊过程中如发现气孔，可利用焊丝快速挑拨熔池将其剔除。

图5

4 结语

改进后的该型号油缸在海上石油钻井平台项目上取得了良好的应用，证明该油缸活塞用45#钢替换球墨铸铁并在活塞表面堆焊黄铜耐磨层的工艺是行之有效的，保障了油缸的使用安全和使用寿命。

[1]俞尚知.焊接工艺人员手册[M].上海科学技术出版社，1991.

[2]孙景荣，职业技能鉴定培训读本（高级工）——气焊工[M].化学工业出版社，2006.

[3]李书常，冯仲.焊工入门与技巧丛书--图解气焊工技能速成[M].化学工业出版社，2015.

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1671-0711（2016）11（下）-0078-02