利用飞轮式摩擦焊接的大型引擎用经济型气门的制造方法技术

本发明专利技术涉及利用飞轮式摩擦焊接的大型引擎用经济型气门的制造方法，该方法包括：定义摩擦焊接旋转速度（Ｓ↓［１］）为Ｓ↓［１］＝１００６１１×（１／Ｄ），通过摩擦焊接旋转速度转动旋转轴（１４）产生旋转惯性力矩能量的阶段、定义摩擦焊接压力（Ｐ↓［１］）为Ｐ↓［１］＝｛（Ｐ↓［１ｉ］×Ａ）／Ｈ｝×θ，在摩擦焊接时间（Ｔ↓［１］）内，对设置在固定轴的部件施加摩擦焊接压力，在分别设置于旋转轴和固定轴的部件之间产生相互摩擦的摩擦焊接阶段、在压接时间（Ｔ↓［２］）内对设置于固定轴上的部件进一步施加定义为Ｐ↓［２］＝｛（Ｐ↓［２ｉ］×Ａ）／Ｈ｝×θ的压接压力（Ｐ↓［２］），使旋转轴上设置的部件制动，同时固定轴上设置的部件和旋转轴上设置的部件相互压接的阶段。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及内燃机，特别是大型船舶用二行程内燃机使用的气门的制造方法，具体地说涉及将镍(Ni)基超耐热合金制成的头部和镍铬(Ni-Cr)耐热钢制成的杆部组成的不同类型金属材料(母材)相互接触的状态下，对大型船舶用内燃机的气门加压，产生相对运动，利用旋转惯性力矩的能量，通过接触面产生的摩擦热加热焊接面，进行加压焊接的飞轮式摩擦焊接方法，特别是涉及利用能够应用于70mm以上的大口径镍(Ni)基超耐热合金和镍铬(Ni-Cr)耐热钢的飞轮式摩擦焊接的大型引擎用经济型气门的制造方法。
技术介绍
通常，船舶柴油引擎的气门需要在高温下仍具有一定强度、耐腐蚀性以及耐磨性，以往使用的类型有由尼孟合金(Nimonic)80A等昂贵的镍(Ni)基超耐热合金成型的一体型、在耐热钢制成的气门头部位置覆盖焊接钨铬钴合金(Stellite)的覆盖焊接型、在头部表面溅射超耐热合金——镍合金(Inconel 625)制造的表面处理型、分别利用不同材料制成气门的头部和杆部后通过多种焊接工艺进行焊接而成的组合型等。近年来，随着船舶的高速化以及大型化，主要使用由尼孟合金(Nimonic)80A等昂贵的的超耐热合金制成的高品质一体型气门。这种一体型气门，是对坯件进行自由锻造而得到的棒材进行对接焊而成型的部件或在棒材制造过程中对部分成型的部件的头部进行模锻，从而完成头部和杆部的一体制造，因此需要大型锻造设备，而且由于头部和杆部的连接部位的界面急剧减小，杆部的长度又比较长，为制造工程带来很多难题，特别是会损失昂贵的超耐热合金，因此制造费用比较高。考虑气门的使用条件，由于高温的排出气体，头部会受到500～700℃的热影响，而杆部几乎不会受到热影响。因此，头部从材料特性上要求在高温的氧化条件下也能保持强度、耐腐蚀性以及耐磨性，而杆部要求具有对常温下由气门开闭时引起的滑动的耐磨性。根据头部和杆部的使用条件不同，选定符合其特性的材料，利用不同种类的金属材料发展了快速简便而且可信赖性高的焊接技术，代表技术有不熔解金属，而是利用摩擦面摩擦产生的摩擦热和高温产生的塑性变形的摩擦焊接方法。上述摩擦焊接大体上可以分为制动式和飞轮式，对于飞轮式摩擦焊接，产生压接需要的旋转惯性力矩能量，然后通过材料之间的摩擦将旋转惯性力矩能量自然地转化为热能，同时通过压接最大限度地抑制材料的热传导，使热影响范围比较窄，从而维持材料特有的性质。此外，由于焊接变量少，所以作业过程简单，特别是与熔融焊接法不同，不需要焊接时使用的附属材料(焊条、焊料等)，从而不会产生有害的烟尘或火化，工作环境清洁，工作效率高，能够实现自动化，维持一定的品质，因此具有较高的可信赖性。虽然具有这些优点，但是以往的摩擦焊接技术由于摩擦焊接设备型号不足，只能使用于汽车以及船舶用气门等40mm直径以下的小型部件的焊接。
技术实现思路
本专利技术为解决上述问题而提出，目的在于最大限度发挥飞轮式摩擦焊接方法的特性，消除以往摩擦焊接存在的问题，找出飞轮式摩擦焊接方法用于船舶的大型气门等焊接部的最佳条件，同时导出适用于70mm以上的大口径镍(Ni)基超耐热合金和镍铬(Ni-Cr)耐热钢焊接的飞轮式摩擦焊接工程，从而提供可信赖程度高的利用飞轮式摩擦焊接方法的大型引擎用经济型气门的制造方法。为实现上述目的，本专利技术在飞轮的旋转轴和与旋转轴相隔一定距离的固定轴上分别设置了不同类型的金属材料，通过飞轮旋转时产生的摩擦焊接旋转速度来转动旋转轴，生成旋转惯性力矩能量，对固定轴施加摩擦焊接压力，移动部件，使其与设置在旋转轴上的部件接触，接触面上产生随相对运动引起的摩擦，将旋转惯性力矩能量自然地转换为热能，同时施加附加压力进行焊接，这种飞轮式摩擦焊接方法的特点包括定义摩擦焊接旋转速度S1为S1＝100611×(1/D)，通过摩擦焊接旋转速度来转动旋转轴14，产生旋转惯性力矩能量的阶段；定义摩擦焊接压力P1为P1＝{(P1i×A)/H}×θ，在摩擦焊接时间T1内，对设置在固定轴上的部件施加摩擦焊接压力，在分别设置于旋转轴和固定轴的部件之间产生相互摩擦的阶段；在压接时间T2内对设置于固定轴上的部件进一步施加定义为P2＝{(P2i×A)/H}×θ的压接压力P2，使旋转轴上设置的部件制动，同时固定轴上设置的部件和旋转轴上设置的部件相互压接的阶段。附图说明图1是船舶用柴油引擎的燃烧室使用的大型气门的正面示意图。图2是本专利技术涉及的飞轮式摩擦焊接方法的工程准备阶段的工程图。图3是本专利技术涉及的飞轮式摩擦焊接方法的相对旋转阶段的工程图。图4是本专利技术涉及的飞轮式摩擦焊接方法的旋转惯性力矩能量储存工程图。图5是本专利技术涉及的飞轮式摩擦焊接方法的摩擦阶段的工程图。图6是本专利技术涉及的飞轮式摩擦焊接方法的摩擦焊接阶段的工程图。图7是本专利技术涉及的飞轮式摩擦焊接方法的压接阶段的工程图。图8是本专利技术涉及的飞轮式摩擦焊接方法各阶段的相对旋转速度、压力变化、及长度减小量等随时间变化的示意图。图9是本专利技术涉及的飞轮式摩擦焊接方法的焊接部直径和摩擦焊接压力以及压接压力的相互关系示意图。图10是通过本专利技术涉及的飞轮式摩擦焊接方法制造的经济型气门的焊接部剖面结构示意图。<附图符号说明>10飞轮式摩擦焊接设备 11驱动电机12离合器 13飞轮14旋转轴 15固定轴16油压汽缸 20气门21杆部 22头部30焊接部具体实施方式下面联系附图，对本专利技术的结构以及作用进行详细说明。图1是船舶用柴油引擎的燃烧室使用的大型气门的正面示意图，通过对镍(Ni)基超耐热合金材料进行模锻工艺加工制造头部22，对镍铬(Ni-Cr)耐热钢材料进行锻造加工制造杆部21，并进行摩擦焊接制造气门20。图2、图3、图4、图5、图6、图7是飞轮式摩擦焊接方法的原理示意图，用于说明本专利技术第一实施方式涉及的经济型气门的制造方法。如图2所示，用于焊接本专利技术涉及的气门20的头部22和杆部21的飞轮式摩擦焊接设备10由驱动电机11、与驱动电机11一侧结合的飞轮13、设置于飞轮13上的旋转轴14、设置于驱动电机11且控制飞轮13和驱动电机11之间动力传递的离合器12、与旋转轴14相隔一定距离的固定轴15所组成，固定轴15通过油压缸16移动。在上述结构的飞轮式摩擦焊接设备10的旋转轴14上设置头部22，在固定轴15上设置杆部21，使其与头部22的中心轴线在水平方向一致，然后启动驱动电机11产生一定的摩擦焊接旋转速度，得到焊接能量以及焊接速度。头部22通过驱动电机11旋转，达到一定旋转速度，储存旋转惯性力矩能量后，从飞轮13上除去离合器12，继续转动飞轮13和旋转轴14，使头部22和杆部21相对旋转。上述摩擦焊接旋转速度S1定义为S1＝100611×(1/D)。这里，S1摩擦焊接旋转速度(rpm)D焊接部直径(mm)。通过上述摩擦焊接旋转速度S1的定义式，可求出焊接部直径D为115mm时，S1＝100611×(1/115)＝875(rpm)。为得到与焊接部直径D对应的旋转惯性能量，利用摩擦焊接旋转速度S1的计算公式计算出摩擦焊接旋转速度，如表1所示。表1 另一方面，将固定在固定轴15上的杆部21通过油压缸16的油压快速前进，与固定于旋转轴14的头部22接触，并施加摩擦焊接压力产生摩擦，使杆部21本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用飞轮式摩擦焊接方法的大型引擎用经济型气门的制造方法，其特征是，所述方法是在飞轮的旋转轴和与所述旋转轴相隔一定距离的固定轴上分别设置不同类型的金属材料，通过飞轮旋转时产生的摩擦焊接旋转速度来转动旋转轴，生成旋转惯性力矩能量，对所述固定轴施加摩擦焊接压力，移动部件，使其与设置在旋转轴上的部件接触，接触面上产生随相对运动引起的摩擦，将旋转惯性力矩能量自然地转换为热能，同时施加附加压力进行焊接的飞轮式摩擦焊接方法；所述方法包括：定义所述摩擦焊接旋转速度（Ｓ↓［１］）为Ｓ↓［１］＝１００６１１×（１／Ｄ），通过所述摩擦焊接旋转速度来转动旋转轴（１４）产生旋转惯性力矩能量的阶段、定义所述摩擦焊接压力（Ｐ↓［１］）为Ｐ↓［１］＝｛（Ｐ↓［１ｉ］×Ａ）／Ｈ｝×θ，在摩擦焊接时间（Ｔ↓［１］）内，对设置在固定轴上的部件施加所述摩擦焊接压力，在分别设置于旋转轴和固定轴的部件之间产生相互摩擦的摩擦焊接阶段、在压接接时间（Ｔ↓［２］）内对设置于所述固定轴的部件进一步施加定义为Ｐ↓［２］＝｛（Ｐ↓［２ｉ］×Ａ）／Ｈ｝×θ的压接压力（Ｐ↓［２］），使所述旋转轴上设置的部件制动，同时固定轴上设置的部件和旋转轴上设置的部件相互压接的压接阶段，这里，Ｓ↓［１］：摩擦焊接旋转速度（ｒｐｍ）Ｄ：焊接部直径（ｍｍ）Ｐ↓［１］：摩擦焊接压力（ｐｓｉ）Ｐ↓［２］：压接压力（ｐｓ ｉ）Ｐ↓［０］：焊接部单位面积压力（ｋｇｆ／ｍｍ↑［２］）Ｈ：飞轮式摩擦焊接设备的油压汽缸截面面积（ｍｍ↑［２］）θ：１４２２．２（单位换算常数，ｋｇｆ／ｍｍ↑［２］→ｐｓｉ）Ａ：焊接部截面面积（ｍｍ↑［２］ ）Ｔ↓［１］：摩擦焊接时间（ｓｅｃ）Ｔ↓［２］：压接时间（ｓｅｃ）。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩明燮，金大映，吴重锡，左方喆，林浩烈，朴熙千，
申请(专利权)人：株式会社KSP，现代重工业株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]