專利名稱：利用飛輪式摩擦焊接的大型引擎用經(jīng)濟型氣門的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃機，特別是大型船舶用二行程內(nèi)燃機使用的氣門的制造方法，具體地說涉及將鎳(Ni)基超耐熱合金制成的頭部和鎳鉻(Ni-Cr)耐熱鋼制成的桿部組成的不同類型金屬材料(母材)相互接觸的狀態(tài)下，對大型船舶用內(nèi)燃機的氣門加壓，產(chǎn)生相對運動，利用旋轉(zhuǎn)慣性力矩的能量，通過接觸面產(chǎn)生的摩擦熱加熱焊接面，進行加壓焊接的飛輪式摩擦焊接方法，特別是涉及利用能夠應用于70mm以上的大口徑鎳(Ni)基超耐熱合金和鎳鉻(Ni-Cr)耐熱鋼的飛輪式摩擦焊接的大型引擎用經(jīng)濟型氣門的制造方法。
背景技術：
通常，船舶柴油引擎的氣門需要在高溫下仍具有一定強度、耐腐蝕性以及耐磨性，以往使用的類型有由尼孟合金(Nimonic)80A等昂貴的鎳(Ni)基超耐熱合金成型的一體型、在耐熱鋼制成的氣門頭部位置覆蓋焊接鎢鉻鈷合金(Stellite)的覆蓋焊接型、在頭部表面濺射超耐熱合金——鎳合金(Inconel 625)制造的表面處理型、分別利用不同材料制成氣門的頭部和桿部后通過多種焊接工藝進行焊接而成的組合型等。
近年來，隨著船舶的高速化以及大型化，主要使用由尼孟合金(Nimonic)80A等昂貴的的超耐熱合金制成的高品質(zhì)一體型氣門。
這種一體型氣門，是對坯件進行自由鍛造而得到的棒材進行對接焊而成型的部件或在棒材制造過程中對部分成型的部件的頭部進行模鍛，從而完成頭部和桿部的一體制造，因此需要大型鍛造設備，而且由于頭部和桿部的連接部位的界面急劇減小，桿部的長度又比較長，為制造工程帶來很多難題，特別是會損失昂貴的超耐熱合金，因此制造費用比較高。
考慮氣門的使用條件，由于高溫的排出氣體，頭部會受到500～700℃的熱影響，而桿部幾乎不會受到熱影響。因此，頭部從材料特性上要求在高溫的氧化條件下也能保持強度、耐腐蝕性以及耐磨性，而桿部要求具有對常溫下由氣門開閉時引起的滑動的耐磨性。根據(jù)頭部和桿部的使用條件不同，選定符合其特性的材料，利用不同種類的金屬材料發(fā)展了快速簡便而且可信賴性高的焊接技術，代表技術有不熔解金屬，而是利用摩擦面摩擦產(chǎn)生的摩擦熱和高溫產(chǎn)生的塑性變形的摩擦焊接方法。
上述摩擦焊接大體上可以分為制動式和飛輪式，對于飛輪式摩擦焊接，產(chǎn)生壓接需要的旋轉(zhuǎn)慣性力矩能量，然后通過材料之間的摩擦將旋轉(zhuǎn)慣性力矩能量自然地轉(zhuǎn)化為熱能，同時通過壓接最大限度地抑制材料的熱傳導，使熱影響范圍比較窄，從而維持材料特有的性質(zhì)。此外，由于焊接變量少，所以作業(yè)過程簡單，特別是與熔融焊接法不同，不需要焊接時使用的附屬材料(焊條、焊料等)，從而不會產(chǎn)生有害的煙塵或火化，工作環(huán)境清潔，工作效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化，維持一定的品質(zhì)，因此具有較高的可信賴性。
雖然具有這些優(yōu)點，但是以往的摩擦焊接技術由于摩擦焊接設備型號不足，只能使用于汽車以及船舶用氣門等40mm直徑以下的小型部件的焊接。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為解決上述問題而提出，目的在于最大限度發(fā)揮飛輪式摩擦焊接方法的特性，消除以往摩擦焊接存在的問題，找出飛輪式摩擦焊接方法用于船舶的大型氣門等焊接部的最佳條件，同時導出適用于70mm以上的大口徑鎳(Ni)基超耐熱合金和鎳鉻(Ni-Cr)耐熱鋼焊接的飛輪式摩擦焊接工程，從而提供可信賴程度高的利用飛輪式摩擦焊接方法的大型引擎用經(jīng)濟型氣門的制造方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在飛輪的旋轉(zhuǎn)軸和與旋轉(zhuǎn)軸相隔一定距離的固定軸上分別設置了不同類型的金屬材料，通過飛輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的摩擦焊接旋轉(zhuǎn)速度來轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸，生成旋轉(zhuǎn)慣性力矩能量，對固定軸施加摩擦焊接壓力，移動部件，使其與設置在旋轉(zhuǎn)軸上的部件接觸，接觸面上產(chǎn)生隨相對運動引起的摩擦，將旋轉(zhuǎn)慣性力矩能量自然地轉(zhuǎn)換為熱能，同時施加附加壓力進行焊接，這種飛輪式摩擦焊接方法的特點包括定義摩擦焊接旋轉(zhuǎn)速度S1為S1＝100611×(1/D)，通過摩擦焊接旋轉(zhuǎn)速度來轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸14，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)慣性力矩能量的階段；定義摩擦焊接壓力P1為P1＝{(P1i×A)/H}×θ，在摩擦焊接時間T1內(nèi)，對設置在固定軸上的部件施加摩擦焊接壓力，在分別設置于旋轉(zhuǎn)軸和固定軸的部件之間產(chǎn)生相互摩擦的階段；在壓接時間T2內(nèi)對設置于固定軸上的部件進一步施加定義為P2＝{(P2i×A)/H}×θ的壓接壓力P2，使旋轉(zhuǎn)軸上設置的部件制動，同時固定軸上設置的部件和旋轉(zhuǎn)軸上設置的部件相互壓接的階段。

圖1是船舶用柴油引擎的燃燒室使用的大型氣門的正面示意圖。
圖2是本發(fā)明涉及的飛輪式摩擦焊接方法的工程準備階段的工程圖。
圖3是本發(fā)明涉及的飛輪式摩擦焊接方法的相對旋轉(zhuǎn)階段的工程圖。
圖4是本發(fā)明涉及的飛輪式摩擦焊接方法的旋轉(zhuǎn)慣性力矩能量儲存工程圖。
圖5是本發(fā)明涉及的飛輪式摩擦焊接方法的摩擦階段的工程圖。
圖6是本發(fā)明涉及的飛輪式摩擦焊接方法的摩擦焊接階段的工程圖。
圖7是本發(fā)明涉及的飛輪式摩擦焊接方法的壓接階段的工程圖。
圖8是本發(fā)明涉及的飛輪式摩擦焊接方法各階段的相對旋轉(zhuǎn)速度、壓力變化、及長度減小量等隨時間變化的示意圖。
圖9是本發(fā)明涉及的飛輪式摩擦焊接方法的焊接部直徑和摩擦焊接壓力以及壓接壓力的相互關系示意圖。
圖10是通過本發(fā)明涉及的飛輪式摩擦焊接方法制造的經(jīng)濟型氣門的焊接部剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
<附圖符號說明>
10飛輪式摩擦焊接設備 11驅(qū)動電機12離合器 13飛輪14旋轉(zhuǎn)軸 15固定軸16油壓汽缸 20氣門21桿部 22頭部30焊接部具體實施方式
下面聯(lián)系附圖，對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以及作用進行詳細說明。
圖1是船舶用柴油引擎的燃燒室使用的大型氣門的正面示意圖，通過對鎳(Ni)基超耐熱合金材料進行模鍛工藝加工制造頭部22，對鎳鉻(Ni-Cr)耐熱鋼材料進行鍛造加工制造桿部21，并進行摩擦焊接制造氣門20。
圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7是飛輪式摩擦焊接方法的原理示意圖，用于說明本發(fā)明第一實施方式涉及的經(jīng)濟型氣門的制造方法。
如圖2所示，用于焊接本發(fā)明涉及的氣門20的頭部22和桿部21的飛輪式摩擦焊接設備10由驅(qū)動電機11、與驅(qū)動電機11一側(cè)結(jié)合的飛輪13、設置于飛輪13上的旋轉(zhuǎn)軸14、設置于驅(qū)動電機11且控制飛輪13和驅(qū)動電機11之間動力傳遞的離合器12、與旋轉(zhuǎn)軸14相隔一定距離的固定軸15所組成，固定軸15通過油壓缸16移動。
在上述結(jié)構(gòu)的飛輪式摩擦焊接設備10的旋轉(zhuǎn)軸14上設置頭部22，在固定軸15上設置桿部21，使其與頭部22的中心軸線在水平方向一致，然后啟動驅(qū)動電機11產(chǎn)生一定的摩擦焊接旋轉(zhuǎn)速度，得到焊接能量以及焊接速度。頭部22通過驅(qū)動電機11旋轉(zhuǎn)，達到一定旋轉(zhuǎn)速度，儲存旋轉(zhuǎn)慣性力矩能量后，從飛輪13上除去離合器12，繼續(xù)轉(zhuǎn)動飛輪13和旋轉(zhuǎn)軸14，使頭部22和桿部21相對旋轉(zhuǎn)。
上述摩擦焊接旋轉(zhuǎn)速度S1定義為S1＝100611×(1/D)。這里，S1摩擦焊接旋轉(zhuǎn)速度(rpm)D焊接部直徑(mm)。
通過上述摩擦焊接旋轉(zhuǎn)速度S1的定義式，可求出焊接部直徑D為115mm時，S1＝100611×(1/115)＝875(rpm)。
為得到與焊接部直徑D對應的旋轉(zhuǎn)慣性能量，利用摩擦焊接旋轉(zhuǎn)速度S1的計算公式計算出摩擦焊接旋轉(zhuǎn)速度，如表1所示。
表1
另一方面，將固定在固定軸15上的桿部21通過油壓缸16的油壓快速前進，與固定于旋轉(zhuǎn)軸14的頭部22接觸，并施加摩擦焊接壓力產(chǎn)生摩擦，使桿部21和頭部22之間的焊接部30產(chǎn)生一定的壓力(1030kgf/mm2)。即，在摩擦焊接時間內(nèi)，在頭部22和桿部21之間的焊接部30施加由母材焊接部面積算出的摩擦焊接壓力。
摩擦焊接壓力的計算式為P1＝{(P1i×A)/H}×θ，其中，P1摩擦焊接壓力(psi)P1i焊接部單位面積壓力(kgf/mm2)H飛輪摩擦焊接設備的油壓汽缸截面面積(mm2)θ1422.2(單位換算常數(shù)，kgf/mm2→psi)
A焊接部截面面積(mm2)。
在頭部22和桿部21施加摩擦焊接壓力P1的摩擦焊接時間可以根據(jù)桿部21和頭部22之間焊接部30的直徑D，即不同種類金屬材料之間焊接部30的直徑利用公式算出，或通過反復實驗得出摩擦焊接時間。
摩擦焊接時間的計算公式為T1＝θ×G，G＝EXP(θ×D)，其中，T1摩擦焊接時間(sec)α摩擦焊接時間常數(shù)β摩擦焊接等級常數(shù)D焊接部直徑(mm)G摩擦焊接時間等級。
上述摩擦焊接時間T1，隨著桿部21和頭部22之間焊接部30的直徑D以EXP函數(shù)呈現(xiàn)相同的趨勢，所以將相同的摩擦焊接時間歸為相同等級，為方便起見，定為“摩擦焊接時間等級”，并用G表示。此外，α、β是根據(jù)直徑求出最佳摩擦焊接時間所需的共同常數(shù)，由反復實驗結(jié)果得出。
例如，焊接部直徑D為115mm時，摩擦焊接時間T1為G＝EXP(0.03×115)＝32，T1＝1.5×32＝48(sec)。
表2給出了根據(jù)焊接部不同直徑通過實驗確定的摩擦焊接時間T1。
表2
此外，摩擦焊接壓力P1和摩擦焊接時間T1的計算公式是通過反復實驗得到的，實驗結(jié)果顯示，摩擦焊接壓力P1在桿部21和頭部22之間的焊接部單位面積壓力P1i為1030kgf/mm2時，是將旋轉(zhuǎn)慣性力矩能量通過摩擦轉(zhuǎn)化為熱能的最佳條件。因此，桿部21和頭部22之間的焊接部30直徑D為115mm(焊接部面積A＝6362mm2)時，摩擦焊接壓力P1可以通過下式計算P1＝{(1031×10387÷7541834}×1422.2＝2020(psi)此外，在摩擦焊接階段，頭部22的前端和桿部21的前端之間的焊接部由于相對旋轉(zhuǎn)將產(chǎn)生很強的摩擦熱，產(chǎn)生的摩擦熱使頭部22和桿部21之間的焊接部30達到一定溫度。加熱到一定溫度的焊接部30將具有小于摩擦焊接壓力的流動應力從而發(fā)生形變，產(chǎn)生的這種形變就是焊縫隆起。
上述焊縫隆起能夠除去頭部22和桿部21之間摩擦面存在的雜質(zhì)及氧化物等材料缺陷因素，將流入到母材的摩擦熱的一部分向外放出，抑制母材的軟化，凸出母材新的金屬面，在新金屬面之間形成很強的原子間結(jié)合。
另一方面，摩擦焊接階段中在一定的摩擦焊接時間T1內(nèi)，頭部22前端和桿部21前端之間焊接部30因摩擦而受熱變形，但是固定頭部22的旋轉(zhuǎn)軸14的旋轉(zhuǎn)速度將逐漸減少。此時，對固定軸15施加較高的壓接壓力，使加熱變形的焊接部產(chǎn)生形成最佳焊接所需的壓力(1547kgf/mm2)，并制動頭部22，同時擴大焊接部30的形變，進行壓接。
即，在根據(jù)頭部22前端和桿部21前端之間的焊接部30直徑算出或通過反復實驗得到的壓接時間內(nèi)，施加根據(jù)焊接部30的截面面積A算出的壓接壓力，完成頭部22和桿部21的摩擦焊接。
計算壓接壓力P2的公式為P2＝{(P2i×A)/H}×θ，這里，P2壓接壓力(psi)P2i焊接部單位面積壓力(kgf/mm2)H飛輪式摩擦焊接設備的油壓汽缸的截面面積(mm2)δ1422.2(單位換算常數(shù)，kgf/mm2→psi)A焊接部截面面積(mm2)。
另外壓接時間T2的計算公式為T2＝γ×G′，G′＝EXP(δ×D)，其中，T2壓接時間(sec)
γ壓接時間常數(shù)δ壓接時間等級常數(shù)D焊接部直徑(mm)G′壓接時間等級。
如計算G’的公式所示，壓接時間T2隨著焊接部直徑以EXP(D)的形式呈現(xiàn)相同的趨勢，因此可以將相同的壓接時間T2歸為相同等級，為方便起見，定義為“壓接時間等級”，并用G’表示。此外，γ、δ是根據(jù)母材摩擦面直徑計算最佳壓接時間T2所需的共同常數(shù)，由反復實驗結(jié)果得出。
例如，焊接部直徑D為115mm時，壓接時間T2為G′＝EXP(0.017×115)＝7，T1＝3×7＝21(sec)。
表3給出了根據(jù)焊接部不同直徑，由實驗得出的壓接時間T2。
表3
壓接壓力P2和壓接時間T2的計算公式是通過反復實驗得到的，根據(jù)實驗結(jié)果，壓接壓力P2在單位面積壓力為1757kgf/mm2時出現(xiàn)了最佳摩擦焊接結(jié)果。因此，焊接部30直徑D為115mm(焊接部面積A＝10387mm2)時，壓接壓力P2可以通過下式計算P2＝{(1547×10387)÷7541834}×1422.2＝3030(psi)另一方面，圖8是本發(fā)明涉及的飛輪式摩擦焊接方法各階段的相對旋轉(zhuǎn)速度、壓力變化、及長度減小量等隨時間變化的示意圖，圖9是本發(fā)明涉及的飛輪式摩擦焊接方法的焊接部直徑和摩擦焊接壓力以及壓接壓力的相互關系示意圖。在飛輪式摩擦焊接過程中，頭部22的旋轉(zhuǎn)速度在儲存旋轉(zhuǎn)慣性力矩能量的相對旋轉(zhuǎn)階段達到最高速度，此后在每個階段逐漸減小，最后在壓接階段停止。
此外，施加于焊接部30的壓力在摩擦焊接階段和壓接階段2個階段內(nèi)，呈跳躍式增加，而摩擦焊接壓力P1和壓接壓力P2則隨著焊接部30直徑的增加呈線性增加。
以本發(fā)明各階段提示的最佳制造條件進行飛輪式摩擦焊接，如圖10所示，焊接部將形成良好的截面，并得到如表4所示的結(jié)果。
表4
如上所述，本發(fā)明涉及利用摩擦焊接階段的摩擦焊接壓力和壓接階段的壓接壓力的允許誤差為±10％且各階段加壓時間的允許誤差為±10％的摩擦焊接方法的、能夠?qū)χ睆?0mm以上的大口徑鎳(Ni)基超耐熱合金和鎳鉻(Ni-Cr)耐熱鋼進行焊接的摩擦壓接方法。
本發(fā)明不限于上述特定的代表性實施方式，在不脫離權(quán)利要求范圍要求的本發(fā)明宗旨的條件下，具有發(fā)明所屬相關技術領域背景知識的人員，可以進行多種變形，這些變形也應屬于本發(fā)明權(quán)利要求范圍。
發(fā)明效果通過上述結(jié)構(gòu)和作用，本發(fā)明的預期效果有能夠適用于船舶用柴油引擎的氣門等70mm以上直徑的大型不同金屬材料，即鎳(Ni)基超耐熱合金和鎳鉻(Ni-Cr)耐熱鋼的焊接，從而能夠減少昂貴的超耐熱合金的消耗量，而且不會發(fā)生制造大型氣門所需鑄型等昂貴的設備投資以及制造工程上的問題，同時屬于環(huán)保型工程，不僅焊接部的機械性能優(yōu)良，而且容易管理工程變量，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化，以同一規(guī)格生產(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品，是一種非常有用的發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種利用飛輪式摩擦焊接方法的大型引擎用經(jīng)濟型氣門的制造方法，其特征是，所述方法是在飛輪的旋轉(zhuǎn)軸和與所述旋轉(zhuǎn)軸相隔一定距離的固定軸上分別設置不同類型的金屬材料，通過飛輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的摩擦焊接旋轉(zhuǎn)速度來轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸，生成旋轉(zhuǎn)慣性力矩能量，對所述固定軸施加摩擦焊接壓力，移動部件，使其與設置在旋轉(zhuǎn)軸上的部件接觸，接觸面上產(chǎn)生隨相對運動引起的摩擦，將旋轉(zhuǎn)慣性力矩能量自然地轉(zhuǎn)換為熱能，同時施加附加壓力進行焊接的飛輪式摩擦焊接方法；所述方法包括定義所述摩擦焊接旋轉(zhuǎn)速度(S1)為S1＝100611×(1/D)，通過所述摩擦焊接旋轉(zhuǎn)速度來轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸(14)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)慣性力矩能量的階段、定義所述摩擦焊接壓力(P1)為P1＝{(P1i×A)/H}×θ，在摩擦焊接時間(T1)內(nèi)，對設置在固定軸上的部件施加所述摩擦焊接壓力，在分別設置于旋轉(zhuǎn)軸和固定軸的部件之間產(chǎn)生相互摩擦的摩擦焊接階段、在壓接接時間(T2)內(nèi)對設置于所述固定軸的部件進一步施加定義為P2＝{(P2i×A)/H}×θ的壓接壓力(P2)，使所述旋轉(zhuǎn)軸上設置的部件制動，同時固定軸上設置的部件和旋轉(zhuǎn)軸上設置的部件相互壓接的壓接階段，這里，S1摩擦焊接旋轉(zhuǎn)速度(rpm)D焊接部直徑(mm)P1摩擦焊接壓力(psi)P2壓接壓力(psi)P0焊接部單位面積壓力(kgf/mm2)H飛輪式摩擦焊接設備的油壓汽缸截面面積(mm2)θ1422.2(單位換算常數(shù)，kgf/mm2→psi)A焊接部截面面積(mm2)T1摩擦焊接時間(sec)T2壓接時間(sec)。
2.如權(quán)利要求1所述的利用飛輪式摩擦焊接方法的大型引擎用經(jīng)濟型氣門的制造方法，其特征是，在所述摩擦焊接階段對設置在固定軸上的部件施加的摩擦焊接時間T1＝α×G，G＝EXP(β×D)，這里，T1摩擦焊接時間(sec)α摩擦焊接時間常數(shù)β摩擦焊接時間等級常數(shù)D焊接部直徑(mm)G摩擦焊接時間等級。
3.如權(quán)利要求1所述的利用飛輪式摩擦焊接方法的大型引擎用經(jīng)濟型氣門的制造方法，其特征是，在所述壓接階段對設置在固定軸上的部件施加的壓接時間T2＝γ×G′，G′＝EXP(δ×D)，這里，T2壓接時間(sec)γ壓接時間常數(shù)δ壓接時間等級常數(shù)G′壓接時間等級D焊接部直徑(mm)。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項所述的利用飛輪式摩擦焊接方法的大型引擎用經(jīng)濟型氣門的制造方法，其中利用在摩擦焊接階段的摩擦焊接壓力和壓接階段的壓接壓力的允許誤差為±10％且各階段加壓時間的允許誤差為±10％的摩擦焊接方法，能夠?qū)χ睆?0mm以上的大口徑鎳(Ni)基超耐熱合金和鎳鉻(Ni-Cr)耐熱鋼進行焊接。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用飛輪式摩擦焊接的大型引擎用經(jīng)濟型氣門的制造方法，該方法包括定義摩擦焊接旋轉(zhuǎn)速度(S
文檔編號B23K20/12GK1796037SQ200510124099
公開日2006年7月5日 申請日期2005年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月27日
發(fā)明者韓明燮, 金大映, 吳重錫, 左方喆, 林浩烈, 樸熙千 申請人:株式會社K.S.P., 現(xiàn)代重工業(yè)株式會社