柴油机气门焊接新型工艺研究

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　　摘 要：文章研究了异种材料焊接后的热处理工艺性能，通过DOE实验结果对比，选取了可以同时满足一种材料的热处理工艺，为后续的工艺改进提供了理论依据。
　　关键词：摩擦焊接；热处理；机械性能
　　1 项目背景
　　本公司一种材料气门焊接的现有生产工艺是气门阀头和杆部分别热处理后，然后在定长、摩擦焊接，之后再去应力。然而，对于一些小气门，在阀头生产过程中，往往要加长落料长度，才能超过电镦夹持长度，满足电镦要求，之后再将加长的部分割掉，这样势必造成材料的浪费。因此，经过公司工艺人员的讨论，为节省不必要的浪费，想通过工艺改进，解决落料必须加长的问题，即先将落料好的头部与杆部棒料现行摩擦焊接之后在进行电镦。为了证实该方案的可行性，本课题应运而生。
　　2 实验过程
　　本实验过程中分别对该异种材料的摩擦焊接气门进行了工艺研究，此两种材料分别是GH4080和4Cr10Si2Mo。对于这几种材料现有的热处理工艺如表1所示。
　　从中不难发现，对于这两种不同的材料，其热处理工艺有相似部分，亦有不同之处，对于如何处理其中的异同，我们分析如下：
　　（1）GH4080固溶后，以空冷～水冷的冷却速度均可满足工艺要求，为了与其材料同步，根据以往的生产经验，我们统一采用1030℃×45min+油冷工艺；（2）时效/回火热处理是这两种材质的最大不同之处，故而我们分别对这两种材料进行试验，其工艺如表2所示。
　　（3）通过分析，由于GH4080热处理工艺对时间要求较高，主要是因为Cr等合金的均匀化远比C原子的扩散速度慢得多，因此时间也是一个不容忽视的重要因素，所以，我们尝试统一采用960min的热处理时间，故而只需测试4Cr10Si2Mo在相应的热处理温度内是否能满足工艺要求即可，同时，考虑到时间加长的因素，故而增加了700℃的试验，而剔除了760℃的试验。（4）为了进一步验证上述分析，我们通过DOE分析，分别对两种材质两因子（时间，温度）取两水平的全因子试验，同时进行三次中心点试验，以期通过对比验证其正确性。（5）由于GH4080材料除了机械性能有要求外，对于热处理后的晶粒度亦有要求，即晶粒度细于或等于5级，晶粒度差异不超过3级，因此，对于不同的热处理工艺，还需进行晶粒度的检测。
　　3 试验结果
　　通过以上试验，我们得到以下结果，如表3。
　　通过以上试验，我们将结果与对应材料的工艺性能要求进行对比，可以发现其性能皆可以满足要求。材料机械性能要求如表4所示。
　　而对于焊接之后经热处理后的摩擦焊棒，对应的机械性能如表5所示。
　　通过本次实验不难发现，GH40804+Cr10Si2Mo在720℃×960min和740℃×960min时可以满足工艺要求，而从焊缝断口来看720℃缩颈明显，说明塑性比740℃时好，故综合考虑，我们认为选取720℃×960min是比较合理的。同时，对于该条件下GH4080的晶粒度进行检测，结果为6～8级，满足工艺要求。
　　4 结束语
　　通过本次实验，我们认为，采用合适的热处理工艺，改变摩擦焊接和热处理工艺顺序的工艺改进是可行的。
　　另外，对于此次工艺改进我们认为：（1）虽然此次工艺改进从实验角度上看，我们认为是可行的，但是还需经过实践的检验，只有通过实践大量的、严格检验后，方可在日后的生产中大量使用；（2）对于此次实验，我们只考虑了两种材质的机械性能以及GH4080的晶粒度，而这些也是工艺文件中明确规定的基本要求，所以我们认为此次工艺改进还需对这两种材质在不同条件下的组织进行检测，以便从微观角度得到更优的选择结果；（3）此次工艺改进后，由于摩擦焊接之后棒料表面粗糙度，尤其是焊缝附近，将受到严重影响，如何消除此影响，还需进一步研究。
　　通过本次实验，我们认为本次工艺改进是可以满足设计要求的，若工艺被采用后，将在现有设备的基础上，大大增加市场产品开发的品种，尤其是对于市场需求量大的一种材质小气门的生产，意义重大，由此带来的经济效益也非常可观。同时，本更改工艺通过后，可以大大减少产品生产时材料的浪费，因此，不论是从经济角度还是从产品开发的角度来讲，本更改工艺都具有极大的现实意义。
　　参考文献
　　[1]GB/T1221-2007.耐热钢棒[S].
　　[2]Q/QS16-016-2008.16V240ZJB型柴油机气门[S].
　　[3]TB/T1617-1985.热处理通用技术条件[S].
　　[4]GB/T12773-2008.内燃机用钢及合金棒材[S].
　　[5]ISO683-15.内燃机用阀门钢[S].
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