專(zhuān)利名稱(chēng)：鈦鋁合金渦輪與42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸的摩擦焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摩擦焊接方法，特別是鈦鋁合金渦輪與42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸的摩擦 焊接方法。
背景技術(shù)：
鈦鋁金屬間化合物TiAl基合金(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為鈦鋁合金)具有低密度、高強(qiáng)度、良 好的高溫力學(xué)性能及抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)，并且與鎳基高溫合金相比，質(zhì)量還可減輕40%，因而 特別適宜于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫隔熱、高溫運(yùn)動(dòng)部件，如廢氣渦輪增壓器中渦輪的制造。文獻(xiàn)1 “專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)柺?0051001040. 6的中國(guó)專(zhuān)利”公開(kāi)了一種TiAl基合金增壓 渦輪與鋼軸的高強(qiáng)度連接方法，該方法是一種真空釬焊結(jié)合的焊接方法。主要是在TiAl基 合金增壓渦輪軸加工外螺紋，在鋼軸上加工內(nèi)螺紋，再在內(nèi)螺紋及外螺紋上涂上釬料，在真 空環(huán)境中利用機(jī)械咬合與釬焊結(jié)合的方式使增壓渦輪與鋼軸連接的方法。接頭的室溫剪切 強(qiáng)度為105 llOMPa。該方法由于使用釬料，在高溫情況下釬料可能會(huì)融化等使焊接接頭 的性能下降。文獻(xiàn)2 "TiAl金屬間化合物與NiCr20TiAl摩擦焊接性分析《電焊機(jī)》王忠平、鐘 燕、張立軍、周正航2004年9月第34卷第9期第35 37頁(yè)”公開(kāi)了一種利用正交試驗(yàn)設(shè) 計(jì)原理分析TiAl金屬間化合物與NiCr20TiAl摩擦焊接性，并得出TiAl與NiCr20TiAl摩 擦焊接優(yōu)化工藝規(guī)范為摩擦壓力3. 60Mpa，頂鍛壓力5. 22MPa，摩擦?xí)r間為4. 5s，頂鍛時(shí)間 為5s ；接頭室溫拉伸強(qiáng)度可達(dá)到390MPa以上。文獻(xiàn)3 “專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)柺?7125874.0的中國(guó)專(zhuān)利”公開(kāi)了一種鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)子與 調(diào)質(zhì)鋼軸的連接方法，該方法在渦輪轉(zhuǎn)子加工出一根軸，在鎳基高溫合金K418上加工出一 個(gè)孔包套，在高溫情況下利用過(guò)盈配合將渦輪轉(zhuǎn)子軸熱鍛壓入鎳基高溫合金套，再利用摩 擦焊接方法把調(diào)質(zhì)鋼與鎳基高溫合金套進(jìn)行連接。利用該方法在500°C時(shí)能達(dá)到的拉伸強(qiáng) 度約為223MPa，由于鎳基高溫合金與TiAl之間不是冶金結(jié)合，材料物理性能差異可能在高 溫或高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)脫套現(xiàn)象。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有方法在連接鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)子與調(diào)質(zhì)鋼軸時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度低的不 足，本發(fā)明提供一種鈦鋁合金渦輪與42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸的摩擦焊接方法。該方法首先在鈦鋁 合金渦輪一側(cè)加工回轉(zhuǎn)體形狀的嵌入槽，焊接過(guò)程中渦輪軸的焊接端面與鈦鋁合金渦輪的 嵌入槽焊接面摩擦，通過(guò)控制摩擦縮短量，使得渦輪軸側(cè)形成的飛邊填充滿(mǎn)嵌入槽，從而達(dá) 到焊接面的冶金結(jié)合與機(jī)械連接的雙重效果，可以提高連接件的抗拉強(qiáng)度。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案一種鈦鋁合金渦輪與42CrMo調(diào)質(zhì)鋼 軸的摩擦焊接方法，其特征在于包括下述步驟(a)將鈦鋁合金渦輪加熱到600 700°C，保溫1. 5 3h，進(jìn)行去應(yīng)力熱處理；(b)在鈦鋁合金渦輪一側(cè)加工出回轉(zhuǎn)體形狀的嵌入槽；
(C)將鈦鋁合金渦輪和42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸待焊接表面進(jìn)行打磨，并用丙酮清理；(d)將鈦鋁合金渦輪和42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸分別夾持在旋轉(zhuǎn)摩擦焊機(jī)的移動(dòng)夾具和 旋轉(zhuǎn)夾具中，42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸的軸心對(duì)準(zhǔn)鈦鋁合金渦輪一側(cè)嵌入槽的中心；(e)摩擦焊機(jī)上的主軸電機(jī)通過(guò)主軸、旋轉(zhuǎn)夾具驅(qū)動(dòng)42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸高速旋轉(zhuǎn)， 施力油缸通過(guò)滑臺(tái)、移動(dòng)夾具驅(qū)動(dòng)鈦鋁合金渦輪逐漸靠近并壓在高速旋轉(zhuǎn)的42CrMo調(diào)質(zhì) 鋼軸上，摩擦壓力為330 500MPa ；(f)旋轉(zhuǎn)夾具停止旋轉(zhuǎn)，施力油缸施加頂鍛壓力，頂鍛壓力590 SOOMPa，保壓時(shí) 間4 6s ；(g)焊后緩冷并回火處理，加熱溫度600 650°C，保溫時(shí)間為1. 5 2h。所述調(diào)質(zhì)鋼軸與中間材料焊接后，再將中間材料對(duì)準(zhǔn)嵌入槽進(jìn)行焊接。所述鈦鋁合金渦輪與中間材料澆鑄后，再將中間材料與調(diào)質(zhì)鋼軸進(jìn)行焊接。所述中間材料是高溫合金或鈦合金任一種。本發(fā)明的有益效果是由于在鈦鋁合金渦輪一側(cè)加工回轉(zhuǎn)體形狀的嵌入槽，焊接 過(guò)程中渦輪軸的焊接端面與鈦鋁合金渦輪的嵌入槽焊接面摩擦，通過(guò)控制摩擦縮短量，使 得渦輪軸側(cè)形成的飛邊填充滿(mǎn)嵌入槽，從而達(dá)到焊接面的冶金結(jié)合與機(jī)械連接的雙重效 果，連接件接頭室溫拉伸強(qiáng)度由背景技術(shù)的390MPa提高到480 537MPa。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
圖1是本發(fā)明方法實(shí)施例1焊接過(guò)程示意圖。圖2是本發(fā)明方法實(shí)施例1焊接過(guò)程示意圖。圖3是本發(fā)明方法實(shí)施例2、3焊接過(guò)程示意圖。圖4是本發(fā)明方法實(shí)施例2、3焊接過(guò)程示意圖。圖5是本發(fā)明方法實(shí)施例4焊接過(guò)程示意圖。圖6是本發(fā)明方法實(shí)施例4焊接過(guò)程示意圖。圖中，1-鈦鋁合金渦輪，2-嵌入槽，3-調(diào)質(zhì)鋼軸，4-中間材料。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 參照?qǐng)D1、圖2，鈦鋁合金渦輪與42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸的摩擦焊接方法具體步驟如下a、將待焊鈦鋁合金渦輪1進(jìn)行焊前去應(yīng)力熱處理，加熱溫度600°C，保溫時(shí)間為 1. 5 ;b、在鈦鋁合金渦輪1 一側(cè)加工出回轉(zhuǎn)體形狀的嵌入槽2，槽深10mm，最小內(nèi)徑與調(diào)質(zhì)鋼 軸外徑相同；c、將待焊的鈦鋁合金渦輪1和調(diào)質(zhì)鋼軸3待焊接表面進(jìn)行打磨，并用丙酮清 理；d、將待焊的鈦鋁合金渦輪1和調(diào)質(zhì)鋼軸3分別夾持在旋轉(zhuǎn)摩擦焊機(jī)的移動(dòng)夾具和旋轉(zhuǎn) 夾具中，調(diào)質(zhì)鋼軸3的軸心對(duì)準(zhǔn)鈦鋁合金渦輪1 一側(cè)嵌入槽2的中心；e、摩擦焊機(jī)上的主軸 電機(jī)通過(guò)主軸、旋轉(zhuǎn)夾具驅(qū)動(dòng)調(diào)質(zhì)鋼軸3高速旋轉(zhuǎn)，施力油缸通過(guò)滑臺(tái)、移動(dòng)夾具驅(qū)動(dòng)鈦鋁 合金渦輪1逐漸靠近并壓在高速旋轉(zhuǎn)的調(diào)質(zhì)鋼軸3上，摩擦壓力為330MPa ；f、在摩擦熱和 摩擦壓力共同作用下，調(diào)質(zhì)鋼軸在摩擦界面附近逐漸變形，產(chǎn)生飛邊，并填滿(mǎn)鈦鋁合金渦輪 1 一側(cè)的嵌入槽2 ;g、旋轉(zhuǎn)端停止旋轉(zhuǎn)，施力油缸施加頂鍛壓力，頂鍛壓力590MPa，保壓時(shí)間4s ；h、焊后緩冷并回火處理，加熱溫度600°C，保溫時(shí)間為1. 5h。經(jīng)測(cè)試，本實(shí)施例所焊接頭室溫拉伸強(qiáng)度為480MPa。實(shí)施例2 參照?qǐng)D3、圖4，鈦鋁合金渦輪與42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸的摩擦焊接方法具體步驟如下a、將待焊鈦鋁合金渦輪1進(jìn)行焊前去應(yīng)力熱處理，加熱溫度630°C，保溫時(shí)間為 2h ；b、在鈦鋁合金渦輪1 一側(cè)加工出回轉(zhuǎn)體形狀的嵌入槽2，槽深10mm，最小內(nèi)徑與調(diào)質(zhì)鋼 軸3外徑相當(dāng)；C、選取合適的中間材料4，如高溫合金，先將中間材料4與調(diào)質(zhì)鋼軸3進(jìn)行 摩擦焊接，摩擦壓力400Mpa，頂端壓力600Mpa，摩擦縮短3mm，保壓時(shí)間5s ；d、加工掉多余的 中間材料4，保留適當(dāng)厚度；e、將待焊的鈦鋁合金渦輪1和中間材料4焊接表面進(jìn)行打磨， 并用丙酮清理；f、將待焊的鈦鋁合金渦輪1和帶有中間材料4的調(diào)質(zhì)鋼軸3分別夾持在旋 轉(zhuǎn)摩擦焊機(jī)的移動(dòng)夾具和旋轉(zhuǎn)夾具中，調(diào)質(zhì)鋼軸3上中間材料4的軸心對(duì)準(zhǔn)鈦鋁合金渦輪 1 一側(cè)嵌入槽2的中心；g、摩擦焊機(jī)上的主軸電機(jī)通過(guò)主軸、旋轉(zhuǎn)夾具驅(qū)動(dòng)調(diào)質(zhì)鋼軸3高速 旋轉(zhuǎn)，施力油缸通過(guò)滑臺(tái)、移動(dòng)夾具驅(qū)動(dòng)鈦鋁合金渦輪1逐漸靠近并壓在高速旋轉(zhuǎn)的調(diào)質(zhì) 鋼軸3上中間材料4，摩擦壓力為500MPa ；h、在摩擦熱和摩擦壓力共同作用下，中間材料4 在摩擦界面附近逐漸變形，產(chǎn)生飛邊，并填滿(mǎn)鈦鋁合金渦輪1 一側(cè)的嵌入槽2 ；g、旋轉(zhuǎn)端停 止旋轉(zhuǎn)，施力油缸施加頂鍛壓力，頂鍛壓力800MPa，保壓時(shí)間6s ；h、焊后緩冷并回火處理， 加熱溫度650°C，保溫時(shí)間為1. 5h。經(jīng)測(cè)試，本實(shí)施例鈦鋁合金渦輪與調(diào)質(zhì)鋼軸摩擦焊接接頭室溫時(shí)的拉伸強(qiáng)度達(dá)到 537MPa,與鈦鋁合金渦輪材料的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。實(shí)施例3 參照?qǐng)D3、圖4，鈦鋁合金渦輪與42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸的摩擦焊接方法具體 步驟如下a、將待焊鈦鋁合金渦輪1進(jìn)行焊前去應(yīng)力熱處理，加熱溫度670°C，保溫時(shí)間為 2. 5h ；b、在鈦鋁合金渦輪1 一側(cè)加工出回轉(zhuǎn)體形狀的嵌入槽2，槽深10mm，最小內(nèi)徑與調(diào)質(zhì) 鋼軸外徑相當(dāng)；c、選取合適的中間材料4，如鈦合金，先將中間材料4與鈦鋁合金渦輪1進(jìn) 行嵌入式摩擦焊接，摩擦壓力450Mpa，頂端壓力700Mpa，保壓時(shí)間5s，在摩擦熱和摩擦壓力 共同作用下，中間材料4在嵌入槽2內(nèi)摩擦界面附近逐漸變形，產(chǎn)生飛邊，并填滿(mǎn)鈦鋁合金 渦輪1 一側(cè)的嵌入槽2 ;d、加工掉多余的中間材料4，保留適當(dāng)厚度；e、將待焊的調(diào)質(zhì)鋼軸3 和中間材料4焊接表面進(jìn)行打磨，并用丙酮清理；f、將待焊的帶有中間材料4的鈦鋁合金渦 輪1和調(diào)質(zhì)鋼軸3分別夾持在旋轉(zhuǎn)摩擦焊機(jī)的移動(dòng)夾具和旋轉(zhuǎn)夾具中；g、摩擦焊機(jī)上的主 軸電機(jī)通過(guò)主軸、旋轉(zhuǎn)夾具驅(qū)動(dòng)調(diào)質(zhì)鋼軸3高速旋轉(zhuǎn)，施力油缸通過(guò)滑臺(tái)、移動(dòng)夾具驅(qū)動(dòng)鈦 鋁合金渦輪逐漸靠近并壓在高速旋轉(zhuǎn)的調(diào)質(zhì)鋼軸3上，摩擦壓力為350MPa ；h、焊后緩冷并 回火處理，加熱溫度650°C，保溫時(shí)間為1. 5h。經(jīng)測(cè)試，本實(shí)施例所焊接頭室溫拉伸強(qiáng)度為520MPa。實(shí)施例4 參照?qǐng)D5、圖6，與實(shí)施例3不同點(diǎn)是鈦鋁合金渦輪1在鑄造成型過(guò)程 中，預(yù)先將中間材料4嵌入到鈦鋁合金渦輪1上，然后再與42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸3摩擦焊接。鈦 鋁合金渦輪與42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸的摩擦焊接方法具體步驟如下a、在鈦鋁合金渦輪1鑄造成型過(guò)程中，預(yù)先將優(yōu)選的中間材料4(K418)嵌入到鈦 鋁合金渦輪1上制成帶有中間材料4的復(fù)合渦輪；b、將待焊鈦鋁合金渦輪1進(jìn)行焊前去應(yīng) 力熱處理，加熱溫度700°C，保溫時(shí)間為3h ；c、加工掉多余的中間材料4，保留適當(dāng)厚度；e、將待焊的調(diào)質(zhì)鋼軸3和復(fù)合渦輪上中間材料4焊接表面進(jìn)行打磨，并用丙酮清理；d、將待焊 的帶有中間材料4的鈦鋁合金渦輪1和調(diào)質(zhì)鋼軸3分別夾持在旋轉(zhuǎn)摩擦焊機(jī)的移動(dòng)夾具和 旋轉(zhuǎn)夾具中； f、摩擦焊機(jī)上的主軸電機(jī)通過(guò)主軸、旋轉(zhuǎn)夾具驅(qū)動(dòng)調(diào)質(zhì)鋼軸高速旋轉(zhuǎn)，施力油 缸通過(guò)滑臺(tái)、移動(dòng)夾具驅(qū)動(dòng)復(fù)合渦輪逐漸靠近并壓在高速旋轉(zhuǎn)的調(diào)質(zhì)鋼軸3上，摩擦壓力 為500MPa ；g、焊后緩冷并回火處理，加熱溫度650°C，保溫時(shí)間為2h。
經(jīng)測(cè)試，本實(shí)施例所焊接頭室溫拉伸強(qiáng)度為523MPa。
權(quán)利要求
一種鈦鋁合金渦輪與42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸的摩擦焊接方法，其特征在于包括下述步驟(a)將鈦鋁合金渦輪加熱到600～700℃，保溫1.5～3h，進(jìn)行去應(yīng)力熱處理；(b)在鈦鋁合金渦輪一側(cè)加工出回轉(zhuǎn)體形狀的嵌入槽；(c)將鈦鋁合金渦輪和42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸待焊接表面進(jìn)行打磨，并用丙酮清理；(d)將鈦鋁合金渦輪和42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸分別夾持在旋轉(zhuǎn)摩擦焊機(jī)的移動(dòng)夾具和旋轉(zhuǎn)夾具中，42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸的軸心對(duì)準(zhǔn)鈦鋁合金渦輪一側(cè)嵌入槽的中心；(e)摩擦焊機(jī)上的主軸電機(jī)通過(guò)主軸、旋轉(zhuǎn)夾具驅(qū)動(dòng)42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸高速旋轉(zhuǎn)，施力油缸通過(guò)滑臺(tái)、移動(dòng)夾具驅(qū)動(dòng)鈦鋁合金渦輪逐漸靠近并壓在高速旋轉(zhuǎn)的42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸上，摩擦壓力為330～500MPa；(f)旋轉(zhuǎn)夾具停止旋轉(zhuǎn)，施力油缸施加頂鍛壓力，頂鍛壓力590～800MPa，保壓時(shí)間4～6s；(g)焊后緩冷并回火處理，加熱溫度600～650℃，保溫時(shí)間為1.5～2h。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鋁合金渦輪與42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸的摩擦焊接方法，其特征在 于所述調(diào)質(zhì)鋼軸與中間材料焊接后，再將中間材料對(duì)準(zhǔn)嵌入槽進(jìn)行焊接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦鋁合金渦輪與調(diào)質(zhì)鋼軸的摩擦焊接方法，其特征在于所 述鈦鋁合金渦輪與中間材料澆鑄后，再將中間材料與調(diào)質(zhì)鋼軸進(jìn)行焊接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的鈦鋁合金渦輪與調(diào)質(zhì)鋼軸的摩擦焊接方法，其特征在于 所述中間材料是高溫合金或鈦合金任一種。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種鈦鋁合金渦輪與42CrMo調(diào)質(zhì)鋼軸的摩擦焊接方法，其目的是解決現(xiàn)有方法在連接鈦鋁合金渦輪轉(zhuǎn)子與調(diào)質(zhì)鋼軸時(shí)，接頭拉伸強(qiáng)度低的技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)方案是在鈦鋁合金渦輪一側(cè)加工回轉(zhuǎn)體形狀的嵌入槽，焊接過(guò)程中渦輪軸的焊接端面與鈦鋁合金渦輪的嵌入槽焊接面摩擦，通過(guò)控制摩擦縮短量，使得渦輪軸側(cè)形成的飛邊填充滿(mǎn)嵌入槽。從而達(dá)到焊接面的冶金結(jié)合與機(jī)械連接的雙重效果，連接件接頭室溫拉伸強(qiáng)度由背景技術(shù)的390MPa提高到480～537MPa。
文檔編號(hào)B23K20/24GK101844271SQ20101017855
公開(kāi)日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月20日
發(fā)明者傅莉, 杜隨更, 汪志斌, 王劍 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)