液壓支架油缸內孔堆焊不銹鋼的工藝實現及加工性能

張彬，楊帆，杜學蕓

1.山東能源重裝集團再制造分公司 山東新泰 271200

2.山東能源重裝集團大族再制造有限公司 山東新泰 271200

3.山東能源重型裝備制造集團有限責任公司 山東泰安 271000

1 序言

油缸作為液壓支架中的主要支撐部件，在乳化液中與立柱配合完成液壓伸縮過程中，其內壁在反復承壓與乳化液沖蝕環境中容易因腐蝕、磨損而發生失效。因此，采用先進的表面處理工藝來強化油缸內壁表面的耐蝕性和耐磨性，是提升液壓支架綜合性能的關鍵環節之一[1-6]。由于局限于內孔的狹窄空間，所以處理過程質量控制是一個難題。

近年來，針對油缸內壁的強化，常見的有鍍銅、熔銅、堆焊碳素鋼及不銹鋼、激光熔覆等表面處理技術和方式，可在一定程度上提高油缸內壁表面的耐磨性和耐蝕性。隨著實踐應用的普及，各種加工方式均暴露了一定的技術弊端。因成形質量穩定、機加工性能優越，所以熔銅技術應用較為廣泛。但在成本方面，油缸內孔熔銅目前所用原材料主要為錫青銅、鋁青銅、高錳鋁青銅等含銅材料，而近年來銅材的市場價格變動較大，相關數據顯示全球范圍內銅材料一直處于供不應求的狀態，而銅產量的增長率基本趨近于零，內孔熔銅的原材料價格成為成本控制的凸顯問題；在性能方面，內孔堆焊常用銅材的成形硬度偏低，在提高油缸內壁的抗磨損方面表現一般，不能滿足客戶對油缸內壁高耐磨性的需求。內孔堆焊碳素鋼的處理方式在原材料方面具備成本優勢，但是獲得的堆焊成形較差，且其耐蝕性達不到理想狀態。耐磨性與耐蝕性兼備的不銹鋼成為內孔堆焊中的主力材料，但機加工實踐證明，不銹鋼不易被切削，且加工硬化效果顯著，尤其是內孔空間狹窄的不銹鋼加工成為一項難題[7-10]。因此，開展液壓支架油缸內孔堆焊不銹鋼工藝實現及機加工特性的研究與應用，以替代傳統油缸內孔熔銅技術，具有重大實際應用價值。

2 試驗材料及方法

試驗用基材為27SiMn鋼液壓支架油缸，其化學成分見表1。熔覆材料為優化成分的φ1.2mm、316L焊絲，化學成分見表2。

表1 27SiMn鋼化學成分（質量分數） （%）

表2 316L焊絲化學成分（質量分數）（%）

采用內孔堆焊系統，對孔徑230mm的27SiMn鋼液壓支架油缸進行內孔堆焊，焊接電流為230～260A，電弧電壓為28～30V，堆焊時工件轉速為32～38r/min，搭接率為50%，離焦量為11～15mm。采用3種氣體保護方案，分別為純A r，（95%～98%）Ar+（2%～5%）CO2，（95%～98%）Ar+（2%～5%）O2。在沿垂直于掃描方向線上切取10mm×10mm×10mm試塊，經鹽酸溶液腐蝕后，在Axio Lab.A 1金相顯微鏡下檢測熔覆深度、觀察熔覆層的顯微組織結構、單道熔覆形態。采用HVS-1000A數顯顯微硬度計進行硬度梯度檢測，采用便攜式里氏硬度計對整件堆焊內孔機加工表面硬度進行檢測。

3 試驗結果及討論

3.1 工藝試驗及顯微結構

保護氣體可在堆焊的電弧周圍形成保護，避免有害氣體對熔池的影響，并為電弧穩定燃燒提供條件。以宏觀成形為唯一評判標準，在3種保護氣體方案下調整焊接電流、電弧電壓、電弧長度、焊絲干伸長等關鍵焊接參數，以實現電流穩定、飛濺少的堆焊過程，獲得成形表面平整、缺陷少的液壓支架油缸內孔堆焊表面。最終經篩選而獲得的焊接參數見表3。由表3可知，在不同保護氣體氛圍下，以成形質量為標準篩選的工藝參數存在較大差異。采用純Ar保護時堆焊電流不穩定，波動范圍較大，上下偏差達到30A，堆焊聲音時有低沉，宏觀成形表面色澤較淺、均勻且較為平整，氧化皮及渣瘤較少，因而飛濺較少，但出現了肉眼可見的大型氣孔、表面球化等缺陷（見圖1中方框1區域）。采用Ar+CO2保護時，所用工藝參數與純Ar保護一樣，但其堆焊過程中的電流較穩定，波動最大范圍＜10A，成形表面平整、色澤較暗（見圖1中方框3區域）；采用Ar+O2保護飛濺較少，成形表面較平整且暗，焊接電流穩定，波動最大范圍＜10A，原始成形表面無肉眼可見缺陷（見圖1中方框2區域）。

圖1 3種保護氣體下的宏觀成形

表3 3種氣體保護方案的焊接參數及堆焊效果

在調試焊接參數過程中，先確定焊接電流大小，然后將與該焊接電流匹配的電弧電壓調整至合適值，進而控制單道焊縫寬度和高度，通過焊接電流與電弧電壓的匹配獲得合適的成形寬高比，將寬高比控制在4～6。而焊接電流大小決定堆焊熔深及稀釋率，觀察3種保護氣體用的不同焊接參數，焊接電流較大的2#試樣熔深呈現為較深的鋸牙狀，而1#和3#試樣的熔深稍顯平整，如圖2所示。由圖2可知，1#試樣的熔深形態整體缺陷較多，熔池邊緣不圓滑，區域內可見夾渣掉落后的不規則坑點；2#試樣的組織結構為長條狀枝晶，因散熱機制導致的晶粒取向明顯且規整，組織均勻性好，缺陷少；3#試樣的熔深形態、枝晶形態較2#試樣細小，但因組織均勻性較差，腐蝕過程中的電化學反應不均勻，導致組織內出現顯色差異。經過單道成形峰的寬高比測算發現，2#試樣所用參數獲得的寬高比最小，其稀釋率也最大，因此需要通過進一步調整焊接電流大小及電弧電壓匹配來控制稀釋率的大小，以提升工藝穩定性。但綜合來講，所用混合氣體保護下的不銹鋼焊絲內孔堆焊不銹鋼工藝穩定性更高，成形缺陷數量更少。

圖2 不同工藝下的熔深形態及組織結構

以3#試樣為例，不銹鋼組織結構為發達的枝晶，以鐵素體作為骨架。熔深方向樹枝骨架較細

窄、晶粒長且粗大，局部區域的枝晶間出現了部分二次枝晶，明顯減小了晶粒尺寸，使得組織結構更為細小致密；不同部位的鐵素體分布形態與散熱機制有很大關系，在熔深處的散熱面積因基體的傳熱機制而出現垂直于熔池邊線的枝晶形態，并向內交織延伸。同樣地，在近表面處出現了垂直于表面的枝晶形態。經過機加工時的近表面處，晶界在擠壓下遭到破壞，整體晶粒形態出現了“鐓粗”現象，樹枝骨架更為粗大，二次枝晶數量更多，且晶界內顯示出較為清晰的變形形態，顯著減小了晶粒尺寸，提升了組織致密性。

3.2 硬度及機加工性能分析

對2#、3#試樣剖面進行硬度檢測，由表層至基體的顯微硬度梯度如圖3所示。由圖3可知，由表至里硬度平均值約為380HV，硬度梯度較平緩。由于硬化層范圍較小，圖3b所示第一個硬度檢測點（427.5HV）處于硬化區域，硬度曲線凸起，顯著高出平均值，圖3a的檢測點則未取到機加工硬化層區域。

圖3 由表層至基體的顯微硬度梯度

不銹鋼的可加工性相對較差，由于其在切削熱的影響下仍然具備穩定的高溫強度及硬度，不易切離且會加劇刀具磨損，而且奧氏體不銹鋼在加工過程中會發生馬氏體轉變，硬度進一步提升，致使加工難度不斷加大[8]。但不銹鋼材料的延展性好，切屑易黏連、卷曲變形，阻礙切削進程。切削過程中的大量做功轉變為熱量堆積，而不銹鋼的導熱性較差，熱量更多地傳向刀具，加大了刀具的磨損程度。另外，由于不銹鋼易與其他材料親和，所以大量吸附于刀具表面[9]，不僅使刀頭鈍感加強，還容易在不銹鋼的切削表面形成擠壓瘤。這不但加大了切削時的摩擦阻力，還容易造成表面溝壑，如圖4所示。隨著加工進程的發展，刀具表面鈍感不斷加強，對不銹鋼表面的沖擊硬化效果也更為明顯。油缸內孔整件堆焊不銹鋼的機加工表面硬度檢測結果見表4，分布曲線如圖5所示。從加工初始位置沿著軸向一直檢測至油缸缸頭，間隔30mm取檢測點，共5點各6組數據，檢測值分布趨勢基本與分析吻合。

圖5 油缸內孔堆焊機加工表面硬度分布曲線

表4 油缸內孔堆焊機加工表面硬度 （HBW）

圖4 加工表面擠壓溝壑

針對上述內孔堆焊不銹鋼成形的加工特點，可通過提升涂層切削性能[10]，以及在此基礎上優選刀具及切削參數來改善可加工性能。

4 結束語

通過采用3種氣體保護方案，在大面積成品油缸內孔堆焊不銹鋼，驗證工藝的穩定性及工業化應用的可行性。結果發現，混合氣體保護可獲得比純Ar保護更穩定的工藝過程。機加工硬化及費刀問題可通過堆焊不銹鋼焊絲的優化以及機加工車削工藝的控制得到有效解決。