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0前言
内燃机行业是一个技术密集型的行业，虽然其自身存在噪音大、污染严重的缺陷，但是由于其热效率高、动力性优、功率范围宽广、可靠耐久等优点，已经被广泛用于工农业生产的很多领域。内燃机的不断发展，从根本上来说，是建立在主要零部件性能和寿命不断改进提高的基础上的。活塞作为内燃机的心脏零件，影响着内燃机的整体性能。近年来，由于内燃机强化程度的不断提高和排放要求的日益严格（欧III、欧IV、欧V），传统铝合金活塞越来越难以满足使用要求，特别当内燃机爆发压力超过20 MPa时，传统铸铝活塞已经不能满足发动机的可靠性要求。因此本文论述的是一种整体锻钢活塞摩擦焊接的工艺。
1摩擦焊接简述
摩擦焊是利用焊件相对摩擦运动产生的热量来实现材料可靠连接的一种压力焊方法。其焊接过程是在压力的作用下，相对运动的待焊材料之间产生摩擦，使界面及其附近温度升高并达到热塑性状态，随着顶锻力的作用使界面氧化膜破碎，材料发生塑性变形与流动，通过界面元素扩散及再结晶冶金反应而形成接头。
焊接开始前，将待焊工件分别固定在旋转夹具和移动夹具内，工件被夹紧后，位于滑台上的移动夹具随滑台一起向旋转端移动，移动至一定距离后，旋转端工件开始旋转，工件接触后开始摩擦加热。当摩擦变形或摩擦时间达到设定值时，旋转停止，顶锻开始，施加较大的顶锻力并维持一段时间；顶锻阶段可以分为两种：一种是压力控制，一种是长度控制。然后，移动夹具松开，滑台后退，当滑台退到原位置时，旋转夹具松开，取出工件，至此，一个焊接过程结束。
2焊接工艺试验
2.1锻钢活塞的材料
CA6DM2活塞采用38MnVS6非调质钢，其化学成分和力学性能分别见表1和表2。
非调质钢是指在中、低碳碳素钢的基础上添加微量的V、Nb 和Ti 等合金元素而形成的钢材。通过控轧控冷，充分发挥沉淀强化、细晶强化和相变强化等作用， 这类钢材在热轧、锻后无需调质处理就可同时具有高的强度和塑韧性。与调质钢相比，由于采用控轧控冷工艺取代轧、锻后淬火回火工序，不但简化了生产工艺流程，提高了材料的利用率，改善了零件质量，而且达到了降低能耗和制造成本（25 %～38 %） 的目的，所以非调质钢已广泛应用于制造汽车曲轴、连杆、凸轮轴、轮毂轴、换档杆、花键轴、悬挂臂、转向节和稳定杆等。活塞毛坯锻造温度为1 220～1 280℃，在1 000～500℃时空冷。同时，由于其中含有硫元素，改善了切削加工性能，切削加工性能与最好的低合金钢水平相当。
2.2活塞头部及裙部设计及毛坯外形
焊件形状如图1和图2所示。焊前锻钢活塞半成品分为活塞头和活塞裙，活塞头部与裙部分别锻造，经粗加工后通过摩擦焊接连接在一起，目的是在活塞头部环槽与燃烧室之间部位形成一个环形冷却油腔，如图 3所示。头部与裙部分别锻造与毛坯整体锻造成型工艺相比工艺性好，毛坯残余应力小，由于通过焊接形成封闭冷却油腔，使活塞整体结构刚度增加，特别是环槽部位热态下变形小。但在焊接过程中，焊接位置会产生飞边，如图3所示，外侧飞边后续加工可以加工掉，但内侧飞边会永久保留，如果内侧飞边过大，势必会影响到活塞的冷却效果。因此在设计过程中必须尽量减小内侧产生的飞边，可以通过适当增大内侧倒角来达到减小飞边的目的。
23焊接工艺参数设定
摩擦焊接试验是在C1000型连续驱动摩擦焊机上进行的，焊机主轴转速为850 r/min，其标定顶锻力为1 000 kN，最大顶锻力可达1 100 kN以上，主电动机功率为132 kW。焊机配有摩擦焊接过程计算机测控系统，可对摩擦焊接过程施力系统轴向压力、主电机电流（扭矩）、主轴转速、摩擦变形量（滑台位移）、油温等参数进行检测，对摩擦焊接过程施力系统轴向压力进行闭环控制。摩擦焊接工艺参数控制采用轴向变形量控制，摩擦加热的轴向变形量和摩擦加热时间线性相关，实际上替代了摩擦时间控制。
摩擦焊的主要工艺参数有：主轴转速、摩擦时间、摩擦压力和摩擦变形量以及顶锻压力、刹车时间和顶锻保压时间等。其中摩擦压力、摩擦时间、摩擦变形量和顶锻压力为主要工艺参数。设定工艺见表3。
24热处理工艺
工件在焊接后必须马上进行高温回火：首先是为了改良焊接后焊缝位置的金相组织形态，焊后焊缝位置的金相组织为马氏体组织，马氏体是钢件强化的重要手段，但马氏体是一种硬且脆的组织，要想提高其塑性和韧性，必须进行高温回火；其次为了消除焊件内部焊接应力，在焊接过程中，焊件内部产生巨大的焊接应力，如不及时进行热处理，活塞有可能出现在焊缝处开裂的危险。因此，我们选择对焊件进行600 ℃高温回火2 h的热处理方法。
3试验结果与分析
本次试验共计焊接活塞200只，并且全部按照上述工艺生产。在焊接过程中，前20只活塞因为主轴温升引起的热胀间隙等原因，需要跟据实际滑台位移来调整基本长度，否则，焊后实际总长会与计算机显示的略有误差。
31焊件尺寸（部分）
33布氏硬度
34拉伸试验
4结论
（1）在制定的焊接工艺下生产的活塞，焊件长度、焊后活塞头及活塞裙的同轴度均符合工艺要求，焊件尺寸稳定，可以进行连续生产。
（2）焊后活塞基体成分、显微组织和硬度符合标准要求，焊缝试棒强度符合标准要求，并且断裂面未出现在焊缝位置，说明焊接牢靠，并且焊缝强度大于活塞本体的强度，因此活塞在装机运行时，不会发生在焊缝位置开裂的危险。
参考文献
[1]张屹林，高占雨. 锻钢活塞摩擦焊工艺研究[J]. 焊接，2008（12）：43-47.
[2]马学军，张文利，王世利，等锻钢结构活塞的研究开发[J].内燃机，2006（4）：46，9.
内燃机行业是一个技术密集型的行业，虽然其自身存在噪音大、污染严重的缺陷，但是由于其热效率高、动力性优、功率范围宽广、可靠耐久等优点，已经被广泛用于工农业生产的很多领域。内燃机的不断发展，从根本上来说，是建立在主要零部件性能和寿命不断改进提高的基础上的。活塞作为内燃机的心脏零件，影响着内燃机的整体性能。近年来，由于内燃机强化程度的不断提高和排放要求的日益严格（欧III、欧IV、欧V），传统铝合金活塞越来越难以满足使用要求，特别当内燃机爆发压力超过20 MPa时，传统铸铝活塞已经不能满足发动机的可靠性要求。因此本文论述的是一种整体锻钢活塞摩擦焊接的工艺。
1摩擦焊接简述
摩擦焊是利用焊件相对摩擦运动产生的热量来实现材料可靠连接的一种压力焊方法。其焊接过程是在压力的作用下，相对运动的待焊材料之间产生摩擦，使界面及其附近温度升高并达到热塑性状态，随着顶锻力的作用使界面氧化膜破碎，材料发生塑性变形与流动，通过界面元素扩散及再结晶冶金反应而形成接头。
焊接开始前，将待焊工件分别固定在旋转夹具和移动夹具内，工件被夹紧后，位于滑台上的移动夹具随滑台一起向旋转端移动，移动至一定距离后，旋转端工件开始旋转，工件接触后开始摩擦加热。当摩擦变形或摩擦时间达到设定值时，旋转停止，顶锻开始，施加较大的顶锻力并维持一段时间；顶锻阶段可以分为两种：一种是压力控制，一种是长度控制。然后，移动夹具松开，滑台后退，当滑台退到原位置时，旋转夹具松开，取出工件，至此，一个焊接过程结束。
2焊接工艺试验
2.1锻钢活塞的材料
CA6DM2活塞采用38MnVS6非调质钢，其化学成分和力学性能分别见表1和表2。
非调质钢是指在中、低碳碳素钢的基础上添加微量的V、Nb 和Ti 等合金元素而形成的钢材。通过控轧控冷，充分发挥沉淀强化、细晶强化和相变强化等作用， 这类钢材在热轧、锻后无需调质处理就可同时具有高的强度和塑韧性。与调质钢相比，由于采用控轧控冷工艺取代轧、锻后淬火回火工序，不但简化了生产工艺流程，提高了材料的利用率，改善了零件质量，而且达到了降低能耗和制造成本（25 %～38 %） 的目的，所以非调质钢已广泛应用于制造汽车曲轴、连杆、凸轮轴、轮毂轴、换档杆、花键轴、悬挂臂、转向节和稳定杆等。活塞毛坯锻造温度为1 220～1 280℃，在1 000～500℃时空冷。同时，由于其中含有硫元素，改善了切削加工性能，切削加工性能与最好的低合金钢水平相当。
2.2活塞头部及裙部设计及毛坯外形
焊件形状如图1和图2所示。焊前锻钢活塞半成品分为活塞头和活塞裙，活塞头部与裙部分别锻造，经粗加工后通过摩擦焊接连接在一起，目的是在活塞头部环槽与燃烧室之间部位形成一个环形冷却油腔，如图 3所示。头部与裙部分别锻造与毛坯整体锻造成型工艺相比工艺性好，毛坯残余应力小，由于通过焊接形成封闭冷却油腔，使活塞整体结构刚度增加，特别是环槽部位热态下变形小。但在焊接过程中，焊接位置会产生飞边，如图3所示，外侧飞边后续加工可以加工掉，但内侧飞边会永久保留，如果内侧飞边过大，势必会影响到活塞的冷却效果。因此在设计过程中必须尽量减小内侧产生的飞边，可以通过适当增大内侧倒角来达到减小飞边的目的。
23焊接工艺参数设定
摩擦焊接试验是在C1000型连续驱动摩擦焊机上进行的，焊机主轴转速为850 r/min，其标定顶锻力为1 000 kN，最大顶锻力可达1 100 kN以上，主电动机功率为132 kW。焊机配有摩擦焊接过程计算机测控系统，可对摩擦焊接过程施力系统轴向压力、主电机电流（扭矩）、主轴转速、摩擦变形量（滑台位移）、油温等参数进行检测，对摩擦焊接过程施力系统轴向压力进行闭环控制。摩擦焊接工艺参数控制采用轴向变形量控制，摩擦加热的轴向变形量和摩擦加热时间线性相关，实际上替代了摩擦时间控制。
摩擦焊的主要工艺参数有：主轴转速、摩擦时间、摩擦压力和摩擦变形量以及顶锻压力、刹车时间和顶锻保压时间等。其中摩擦压力、摩擦时间、摩擦变形量和顶锻压力为主要工艺参数。设定工艺见表3。
24热处理工艺
工件在焊接后必须马上进行高温回火：首先是为了改良焊接后焊缝位置的金相组织形态，焊后焊缝位置的金相组织为马氏体组织，马氏体是钢件强化的重要手段，但马氏体是一种硬且脆的组织，要想提高其塑性和韧性，必须进行高温回火；其次为了消除焊件内部焊接应力，在焊接过程中，焊件内部产生巨大的焊接应力，如不及时进行热处理，活塞有可能出现在焊缝处开裂的危险。因此，我们选择对焊件进行600 ℃高温回火2 h的热处理方法。
3试验结果与分析
本次试验共计焊接活塞200只，并且全部按照上述工艺生产。在焊接过程中，前20只活塞因为主轴温升引起的热胀间隙等原因，需要跟据实际滑台位移来调整基本长度，否则，焊后实际总长会与计算机显示的略有误差。
31焊件尺寸（部分）
33布氏硬度
34拉伸试验
4结论
（1）在制定的焊接工艺下生产的活塞，焊件长度、焊后活塞头及活塞裙的同轴度均符合工艺要求，焊件尺寸稳定，可以进行连续生产。
（2）焊后活塞基体成分、显微组织和硬度符合标准要求，焊缝试棒强度符合标准要求，并且断裂面未出现在焊缝位置，说明焊接牢靠，并且焊缝强度大于活塞本体的强度，因此活塞在装机运行时，不会发生在焊缝位置开裂的危险。
参考文献
[1]张屹林，高占雨. 锻钢活塞摩擦焊工艺研究[J]. 焊接，2008（12）：43-47.
[2]马学军，张文利，王世利，等锻钢结构活塞的研究开发[J].内燃机，2006（4）：46，9.