内燃机钢制活塞焊接的研究现状

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(山东大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250061)

0　前言

内燃机因具有较高的热效率、优良的动力性能、可靠耐久等优点，而被广泛应用于载重汽车、铁路机车及船用发动机等领域[1]。内燃机按照使用燃料的不同分为汽油机、柴油机、天然气机等。天然气被称为清洁能源，自上世纪以来就被高度重视，但由于中国研发天然气发动机技术起步较晚，因此天然气发动机目前主要应用于城市小型载客汽车；汽油发动机具有体积小、重量轻、起动性好、噪音小等特点，成为绝大多数轿车发动机的首选；柴油的能量密度高，在热效率及经济性方面具有较大优势，主要用在大、重型载货汽车上，但在废气及噪声污染方面面对巨大的挑战[2]。在欧美市场中，由于欧VI排放标准的实施使得柴油发动机广受青睐，因其在动力、功率、维修、节油等方面具有汽油发动机无法比拟的优势，更符合新时代对内燃机大功率、低排放的要求。柴油发动机可通过增压，即增加充气量及燃油供应量，达到进一步提高功率的目的，并且在较高的压力下柴油燃烧更完全，排烟的浓度降低，废气中含有的CO和碳氢化合物等也有所降低，对减少汽车尾气污染有利[3]。

随着气缸爆发压力超过20 MPa且燃气温度超出400 ℃，高温高压的工作环境对内燃机的要求更为苛刻，而内燃机整体性能的提高主要依靠于关键零部件的提升。活塞作为内燃机的心脏零件，在整个发动机工作过程及废气排放方面起到至关重要的作用[4]。为提高活塞的刚度及高温使用性能，选用更高强度的钢代替传统铝合金，采用焊接式结构代替整体式结构制备活塞，利用焊接方法制造的高强钢材质的活塞早在2012年德国汉诺威国际商用车展中，就已作为重点展示产品展出。在国内部分活塞制造厂与重点高校联合，针对钢制活塞及相应地焊接方法进行研究，虽有较快发展但仍处于理论探究和实验摸索阶段。

1　钢制活塞焊接的优点

活塞在发动机工作过程中主要受周期变化的机械负荷和热负荷、活塞与缸套间的摩擦力、顶部高温高压燃气的热应力以及裙部受连杆摆动产生的侧压力等的影响[5]。目前中国车用活塞多由铝合金铸成。铝合金虽有质量轻、导热性好、运动惯性小等优点，但其热膨胀系数大，高温时强度和硬度下降较快，尤其在受力和受热作用下，裙部最易发生变形，增加与缸套间的摩擦撞击，易造成噪音污染且缩短使用寿命[6]。

钢的热导率低，钢制活塞燃烧室的温度要高出铝合金50～100 ℃。对柴油发动机而言，燃气温度越高越有利于达到柴油的自燃温度且燃烧充分，但过高的温度加剧了活塞疲劳损伤且会引起燃烧室缩口及凹坑出现裂纹，影响使用性能[7]。较低的热膨胀系数使得钢制活塞在长期工作时，裙部也不会产生较大椭圆变形，因此在装配活塞选择间隙时，不易出现铝活塞中的卡死或敲击问题。除此之外，铸造铝合金的抗拉强度平均在150～250 MPa之间，而普通的合金结构钢的抗拉强度绝大多数在780 MPa以上，其中超高强度钢可高达1 000 MPa以上。铝合金活塞多通过顶部阳极氧化、P变质处理、铸铁镶环、铝纤维等方法进行强化以满足使用性能[8]，而钢材料经过适当的热处理和表面强化，比经过表面处理的铝合金更耐磨损。高强度的钢不仅满足对活塞性能的要求，且通过降低活塞高度使得其整体重量和铝活塞相差无几。同时,这种高度的降低，加长了活塞连杆，有利于减轻裙部的侧向压力[9]。

铝合金活塞主要有单体式和组合式两种，单体式由铝合金铸成，组合式活塞是钢顶铝裙通过连接螺栓成为整体。相应地，钢制活塞亦有整体式锻钢活塞和焊接式两种。钢制活塞由于顶部温度较高，因此大多采取设置内冷油腔的冷却方式。整体式活塞将头部和裙部整体锻造成型，在环岸的下侧加工出环形槽，并用两块碟形的弹簧片与之形成封闭的内冷油腔。整体式锻钢活塞有利于降低摩擦损失及改善漏气性能，但随着最高燃烧压力超过21 MPa，活塞环岸由于结构悬浮，承载能力较弱，易发生变形影响发动机性能及可靠性[10]。焊接式结构是将活塞的头部与裙部分别锻造成型，通过焊接成为一体，形成封闭的内冷油腔。这种结构不仅具有提高热稳定性，减少裙部摩擦，提升活塞导向的作用，同时与缸套间隙减小，有利于降低油耗，提高活塞的燃烧效率及使用寿命[11]。但要求活塞内外两层焊缝同时焊接，这无疑给传统的焊接工艺提出了难题。

2　钢制活塞的摩擦焊

摩擦焊是一种固相热压焊技术，在焊缝中不存在与熔化和凝固冶金有关的焊接缺陷和脆化现象，焊接接头强度能够达到甚至超过母材的强度。目前，国内外针对钢制活塞的焊接，选用的方法多是摩擦焊技术。辉门钢活塞[12]是行业内首次使用摩擦焊技术生产的全钢活塞，其采用的双摩擦焊技术在内部和外部同时具有两个摩擦焊接面，其中两道焊缝分别在活塞环岸和内腔位置。在摩擦焊过程中，为保证内外焊缝的焊接质量尽量接近，减小因线速度不同导致的热量不同问题，内部小直径环面先进行摩擦，达到一定温度，大直径环面再进行接触摩擦焊接[13]。与典型的单圈摩擦焊缝相比，在焊接参数上的变化表现在主轴电机电枢电流有两个前峰值，滑台位移多出一个平台。使用摩擦焊的钢活塞，在结构上具有更高的强度、刚性及冷却效果，在性能上的优势体现在降低了钢活塞整体重量，有利于控制内燃机的漏气量和机油消耗。

针对钢制活塞摩擦焊的研究探索，李义等人[14]对CA6DM2活塞采用38MnVS6非调质钢利用摩擦焊方法，通过控制轴向变形量控制摩擦焊接参数，焊后进行高温回火，分析显微组织、硬度及强度。其摩擦焊钢活塞的结构图如图1所示。试验表明，经热处理后的焊缝组织主要为细小的针状马氏体组织，焊缝及基体硬度满足活塞的使用要求，抗拉强度超过基体强度且断裂未发生在焊缝区。杜随更等人[15]着重研究了38MnVS6钢制活塞摩擦焊接头微观组织，焊缝组织如图2所示，其中大量的灰色组织为细小针状的马氏体，硫化物夹杂呈黄色。由于母材中的轴向分布变化为垂直轴向，硫化物夹杂的聚集与分布成为影响接头性能的主要原因。

图1　摩擦焊钢活塞结构图

图2　摩擦焊焊缝组织

利用摩擦焊方法得到的活塞，经拉伸以及硬度检测，实测数据均高于基体要求，表明摩擦焊活塞在强度及硬度方面皆满足实际服役条件。但摩擦焊焊接方法本身在焊接环形件时存在着明显不足。钢制活塞摩擦焊接宏观接头形貌图如图3所示。摩擦焊会形成飞边尤其在环形、管状件内的飞边无法去除，且轴向缩短量的不同对产品尺寸造成影响[14-15]。Luo J等人[16]针对连续摩擦焊焊接管状、套状结构时出现的飞边问题，运用试验分析了摩擦焊管状结构时飞边的形成过程，指出焊接工艺对飞边的大小有着重要影响。朱海等人[17]通过对35Cr2Ni4MoA钢环形件的摩擦焊过程进行模拟，分析了温度场、应力应变场对轴向缩短量及飞边的影响规律，提出在稳定摩擦焊和顶端阶段，轴向缩短和飞边开始形成并逐渐增加。姬书得等人[18]则选用45钢环形结构件研究温度场、顶锻压力、转速对材料流动及飞边形成的影响，并提出在难以去除的内飞边上，残余拉应力较大区域易开裂，脱落的颗粒会损伤旋转中心轴进而降低使用寿命。

图3　摩擦焊宏观接头形貌

在活塞内冷油腔内部产生的飞边会阻碍冷却油的流动和震荡，并在长期高压油的冲击下脱落，形成硬质颗粒，磨损发动机气缸等关键部位，造成功率下降，排放恶化。为减小内侧飞边的产生，在设计过程中可通过适当增大内侧倒角、设计台阶结构、留有间隙等方法加以改善。另外，为减轻钢质活塞重量，将活塞壁尽可能的减薄，使得冷却油腔过于靠近燃烧室导致油道顶部温度升高，这使得油腔顶部更容易积碳进一步影响冷却效果[19]。由于产品结构的限制，钢制活塞焊后在轴向上不再进行大尺寸加工。而摩擦焊加工出的产品，由于其摩擦转速、顶锻压力的影响及固相扩散、材料流动的快慢程度，使得长度尺寸一致性差，这就对焊接过程中参数的控制提出了更高的精确要求[15]。

3　钢制活塞的激光-电弧复合焊

针对摩擦焊焊接钢制活塞时出现的问题，国内外学者致力于进行其他焊接方法实现活塞焊接的可行性研究。其中激光焊因其能量密度高、焊接速度快、变形小、可非接触远距离焊接难以接近部位等特点受到人们的关注。顶部焊接设计理念应运而生，即在活塞的冷却通道顶端布置1条纵向焊缝，并利用激光-电弧复合焊将活塞本体与环形槽连接成一体，其结构设计如图4所示。这种设计不仅简化了缩口燃烧室和冷却通道的加工成型过程，方便在燃烧室边缘处设置防护嵌件强化燃烧室避免开裂，而且可以制造出摩擦焊接几乎不可能制造的活塞结构，如极端缩口型燃烧室结构和非同心结构[20]。

图4　激光-电弧复合式焊接活塞结构图

刘维娟等人[21]利用有限元模拟活塞温度场，表明激光-电弧复合焊接活塞不仅使得顶部及燃烧室温度较高，燃烧更充分，有利于降低热损失，减少有害排放；而且其环槽及销孔等部位温度降低，减小了积碳风险，防止活塞环出现卡滞，并减小环及环槽的摩擦磨损。且通过台架试验还表明，新型的激光电弧复合焊接活塞可以满足发动机对强度及排放的要求，是中重型柴油机的理想选择。

范荣博[23]采用激光焊接方式，配备整套发动机活塞焊接设备，可完成活塞材料为42CrMoA和38CrMnS6，最大焊接厚度为10 mm的环形焊缝的焊接。其激光-电弧复合焊典型焊缝成形如图5所示。并根据42CrMoA中碳调质钢内燃机活塞套实际裂纹问题，从金相和断口分析确定裂纹为结晶裂纹，可能由杂质偏聚和应力过大造成，可通过改变坡口形状和更换焊丝消除。

曾少波[22]对重型车用柴油机活塞结构的发展趋势提出了猜想，其中摩擦焊活塞及激光-电弧复合焊活塞的实物图分别如图6a～6b所示。激光电弧复合焊接式活塞在焊接时通过环岸部位的阶梯结构定位，结构比较精确，解决了形成飞边造成活塞潜在失效的问题；焊缝布置在活塞顶部，不在环岸及内腔预留焊缝位置，可将活塞内腔改变为等壁厚热流行以减重质量，同时头部可布置更大的燃烧室。此外，这种钢活塞可以采用更小的压缩高，不仅可以从整体上减小发动机尺寸，进而减轻重量，而且可加长连杆长度，减小活塞侧向压力，降低摩擦磨损，从而降低油耗，一定程度上提高了发动机的整体性能。

图5　激光焊接钢制活塞的微观组织

图6　活塞实物图

运用激光-电弧复合焊焊接钢制活塞仍处于研究探索阶段，但激光-电弧复合焊这一新型高效焊接方法，在焊接厚板高强钢方面已有良好的应用，并改善了高强钢激光焊接过程中出现的凝固裂纹、热影响区裂纹、接头软化等问题。利用激光-电弧复合焊接实现了对25 mm S355J2钢厚板单道焊，并通过调节焊接热输入避免出现未焊透现象[24]。利用不填丝激光焊实现了对焊接性较差的42CrMo钢的焊接，焊缝无裂纹，但存在密集的气孔，优化工艺参数后气孔消失[25]。激光-电弧复合焊改善了高强钢厚大件的工艺焊接性，但在焊接钢制活塞时，仍然存在产生未焊透、裂纹、气孔等缺陷的可能，需通过进一步实验改善工艺参数以应用于实际生产线。

激光-电弧复合焊钢制活塞在结构上具有摩擦焊无法比拟的优势，且模拟分析得出活塞满足使用要求，在焊接一般活塞用钢方面表现良好。且激光-电弧复合焊在焊接车用高强度厚板上的应用，为实现钢制活塞大批量、机械化、自动化生产提供了支持，因而具有良好的应用前景。

4　钢制活塞的钎焊

真空钎焊因其洁净的焊接环境、良好的钎焊接头质量以及可同时形成多道焊缝成为焊接钢制活塞的另一选择。与激光-电弧复合焊通过改变焊缝的位置解决摩擦焊飞边问题不同，真空钎焊可保留焊缝位置不变，因此活塞的头部及裙部的铸造成型过程也不需改动。真空钎焊焊接结构如图7所示。活塞头和活塞裙分别锻造成型，头部和裙部通过定位装置连接，将主焊接面和副焊接面焊接在一起形成封闭的内冷油腔，在焊接面上均设有钎料填充区。这种真空钎焊方法得到的活塞接头，内冷油腔内壁光滑、无飞边毛刺，位置准确，活塞头部冷却效果较好。真空钎焊同样不受燃烧室或冷却油腔形状的限制，且两道环形焊缝不必同轴，为活塞上环槽的加工提供便利。

图7　真空钎焊钢活塞结构图

真空钎焊钢制活塞不仅避免了飞边的产生，提高了焊缝质量，较易的保证壁厚均匀程度，还降低了故障率，提高了使用安全性，延长活塞的使用寿命。与激光-电弧复合焊焊活塞利用环岸部位进行定位和精确焊接不同的是，真空钎焊是利用在内侧焊接面上的定位销、在活塞头下部两侧开的定位槽以及活塞本体两侧的工装夹具进行定位连接。真空钎焊优越性表现在：在裙部的焊接面上开360°环形沟槽以方便钎料的填充；对于带有狭窄沟槽的部件、密闭容器、形状复杂的零部件真空钎焊也可实现较好连接，因此也可用于一些特殊形状的活塞焊接；其焊接设备简单，焊接工序简易，可节约生产时间，提高生产效率，降低生产成本。

目前，国内主要进行38MnVS6非调质钢和42CrMo中碳钢作为钢质活塞材料的研究，但未有真空钎焊焊接钢质活塞的研究成果见诸报端，而真空钎焊工艺在焊接高强钢异种材料方面早已有所应用。阙仲萍等人[26]采用CuMnNi钎料真空钎焊42CrMo钢与YG8硬质合金，在1 030 ℃获得最优钎焊接头，钎料在42CrMo侧具有更好的润湿性，断裂多发生在硬质合金侧。利用真空钎焊对42CrMo钢活塞进行焊接，采用BNi钎料得到的焊缝组织如图8所示，钎料溶解充分，与基体之间相互扩散，钎缝中间有少量的黑色颗粒物出现，钎缝两侧界面区为细小的马氏体组织，无气孔、裂纹等缺陷，钎焊接头整体组织致密。钎焊接头经热处理后，抗拉强度在400 MPa左右满足活塞的使用强度要求。

图8　42CrMo钢活塞真空钎焊接头微观形貌

5　结束语

钢制活塞因其优良的力学性能成为满足当前活塞功率及排放要求的首选。采用焊接方法制备的活塞具有更高的刚度和承载强度，文中主要简述了使用较多的摩擦焊、高效率的激光电弧复合焊、真空钎焊三种焊接方法在钢制活塞制备过程中的特点。其中，摩擦焊的飞边及长度尺寸问题，影响其他发动机零部件工作性能，降低整体使用寿命；激光-电弧复合焊较为容易实现活塞制备机械化生产，但生产成本较其他两种方法更高；真空钎焊虽焊缝强度较低，但足以满足使用要求，且焊后无需进行机械加工，具有一定优势。摩擦焊作为一种固相焊方法，其接头最接近母材强度；激光电弧复合焊接接头强度也比钎焊接头高，真空钎焊焊件经热处理后，强度可达到活塞的使用要求。三种方法在焊接钢制活塞时，接头微观组织主要为细小的马氏体，另有少量的夹杂聚集。针对激光-电弧复合焊及真空钎焊仅初步应用于钢制活塞，其存在的问题仍待进一步的研究探索。

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