CN101844271A - 钛铝合金涡轮与42CrMo调质钢轴的摩擦焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛铝合金涡轮与42CrMo调质钢轴的摩擦焊接方法，其目的是解决现有方法在连接钛铝合金涡轮转子与调质钢轴时，接头拉伸强度低的技术问题。技术方案是在钛铝合金涡轮一侧加工回转体形状的嵌入槽，焊接过程中涡轮轴的焊接端面与钛铝合金涡轮的嵌入槽焊接面摩擦，通过控制摩擦缩短量，使得涡轮轴侧形成的飞边填充满嵌入槽。从而达到焊接面的冶金结合与机械连接的双重效果，连接件接头室温拉伸强度由背景技术的390MPa提高到480～537MPa。
Description
技术领域
本发明涉及一种摩擦焊接方法，特别是钛铝合金涡轮与42CrMo调质钢轴的摩擦焊接方法。
背景技术
钛铝金属间化合物TiAl基合金(以下简称为钛铝合金)具有低密度、高强度、良好的高温力学性能及抗氧化性等优点，并且与镍基高温合金相比，质量还可减轻40％，因而特别适宜于发动机高温隔热、高温运动部件，如废气涡轮增压器中涡轮的制造。
文献1“专利申请号是20051001040.6的中国专利”公开了一种TiAl基合金增压涡轮与钢轴的高强度连接方法，该方法是一种真空钎焊结合的焊接方法。主要是在TiAl基合金增压涡轮轴加工外螺纹，在钢轴上加工内螺纹，再在内螺纹及外螺纹上涂上钎料，在真空环境中利用机械咬合与钎焊结合的方式使增压涡轮与钢轴连接的方法。接头的室温剪切强度为105～110MPa。该方法由于使用钎料，在高温情况下钎料可能会融化等使焊接接头的性能下降。
文献2“TiAl金属间化合物与NiCr20TiAl摩擦焊接性分析《电焊机》王忠平、钟燕、张立军、周正航2004年9月第34卷第9期第35～37页”公开了一种利用正交试验设计原理分析TiAl金属间化合物与NiCr20TiAl摩擦焊接性，并得出TiAl与NiCr20TiAl摩擦焊接优化工艺规范为：摩擦压力3.60Mpa，顶锻压力5.22MPa，摩擦时间为4.5s，顶锻时间为5s；接头室温拉伸强度可达到390MPa以上。
文献3“专利申请号是97125874.0的中国专利”公开了一种钛铝合金涡轮转子与调质钢轴的连接方法，该方法在涡轮转子加工出一根轴，在镍基高温合金K418上加工出一个孔包套，在高温情况下利用过盈配合将涡轮转子轴热锻压入镍基高温合金套，再利用摩擦焊接方法把调质钢与镍基高温合金套进行连接。利用该方法在500℃时能达到的拉伸强度约为223MPa，由于镍基高温合金与TiAl之间不是冶金结合，材料物理性能差异可能在高温或高速旋转时会出现脱套现象。
发明内容
为了克服现有方法在连接钛铝合金涡轮转子与调质钢轴时，接头抗拉强度低的不足，本发明提供一种钛铝合金涡轮与42CrMo调质钢轴的摩擦焊接方法。该方法首先在钛铝合金涡轮一侧加工回转体形状的嵌入槽，焊接过程中涡轮轴的焊接端面与钛铝合金涡轮的嵌入槽焊接面摩擦，通过控制摩擦缩短量，使得涡轮轴侧形成的飞边填充满嵌入槽，从而达到焊接面的冶金结合与机械连接的双重效果，可以提高连接件的抗拉强度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种钛铝合金涡轮与42CrMo调质钢轴的摩擦焊接方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)将钛铝合金涡轮加热到600～700℃，保温1.5～3h，进行去应力热处理；
(b)在钛铝合金涡轮一侧加工出回转体形状的嵌入槽；
(c)将钛铝合金涡轮和42CrMo调质钢轴待焊接表面进行打磨，并用丙酮清理；
(d)将钛铝合金涡轮和42CrMo调质钢轴分别夹持在旋转摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具中，42CrMo调质钢轴的轴心对准钛铝合金涡轮一侧嵌入槽的中心；
(e)摩擦焊机上的主轴电机通过主轴、旋转夹具驱动42CrMo调质钢轴高速旋转，施力油缸通过滑台、移动夹具驱动钛铝合金涡轮逐渐靠近并压在高速旋转的42CrMo调质钢轴上，摩擦压力为330～500MPa；
(f)旋转夹具停止旋转，施力油缸施加顶锻压力，顶锻压力590～800MPa，保压时间4～6s；
(g)焊后缓冷并回火处理，加热温度600～650℃，保温时间为1.5～2h。
所述调质钢轴与中间材料焊接后，再将中间材料对准嵌入槽进行焊接。
所述钛铝合金涡轮与中间材料浇铸后，再将中间材料与调质钢轴进行焊接。
所述中间材料是高温合金或钛合金任一种。
本发明的有益效果是：由于在钛铝合金涡轮一侧加工回转体形状的嵌入槽，焊接过程中涡轮轴的焊接端面与钛铝合金涡轮的嵌入槽焊接面摩擦，通过控制摩擦缩短量，使得涡轮轴侧形成的飞边填充满嵌入槽，从而达到焊接面的冶金结合与机械连接的双重效果，连接件接头室温拉伸强度由背景技术的390MPa提高到480～537MPa。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明方法实施例1焊接过程示意图。
图2是本发明方法实施例1焊接过程示意图。
图3是本发明方法实施例2、3焊接过程示意图。
图4是本发明方法实施例2、3焊接过程示意图。
图5是本发明方法实施例4焊接过程示意图。
图6是本发明方法实施例4焊接过程示意图。
图中，1-钛铝合金涡轮，2-嵌入槽，3-调质钢轴，4-中间材料。
具体实施方式
实施例1：参照图1、图2，钛铝合金涡轮与42CrMo调质钢轴的摩擦焊接方法具体步骤如下：
a、将待焊钛铝合金涡轮1进行焊前去应力热处理，加热温度600℃，保温时间为1.5；b、在钛铝合金涡轮1一侧加工出回转体形状的嵌入槽2，槽深10mm，最小内径与调质钢轴外径相同；c、将待焊的钛铝合金涡轮1和调质钢轴3待焊接表面进行打磨，并用丙酮清理；d、将待焊的钛铝合金涡轮1和调质钢轴3分别夹持在旋转摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具中，调质钢轴3的轴心对准钛铝合金涡轮1一侧嵌入槽2的中心；e、摩擦焊机上的主轴电机通过主轴、旋转夹具驱动调质钢轴3高速旋转，施力油缸通过滑台、移动夹具驱动钛铝合金涡轮1逐渐靠近并压在高速旋转的调质钢轴3上，摩擦压力为330MPa；f、在摩擦热和摩擦压力共同作用下，调质钢轴在摩擦界面附近逐渐变形，产生飞边，并填满钛铝合金涡轮1一侧的嵌入槽2；g、旋转端停止旋转，施力油缸施加顶锻压力，顶锻压力590MPa，保压时间4s；h、焊后缓冷并回火处理，加热温度600℃，保温时间为1.5h。
经测试，本实施例所焊接头室温拉伸强度为480MPa。
实施例2：参照图3、图4，钛铝合金涡轮与42CrMo调质钢轴的摩擦焊接方法具体步骤如下：
a、将待焊钛铝合金涡轮1进行焊前去应力热处理，加热温度630℃，保温时间为2h；b、在钛铝合金涡轮1一侧加工出回转体形状的嵌入槽2，槽深10mm，最小内径与调质钢轴3外径相当；c、选取合适的中间材料4，如高温合金，先将中间材料4与调质钢轴3进行摩擦焊接，摩擦压力400Mpa，顶端压力600Mpa，摩擦缩短3mm，保压时间5s；d、加工掉多余的中间材料4，保留适当厚度；e、将待焊的钛铝合金涡轮1和中间材料4焊接表面进行打磨，并用丙酮清理；f、将待焊的钛铝合金涡轮1和带有中间材料4的调质钢轴3分别夹持在旋转摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具中，调质钢轴3上中间材料4的轴心对准钛铝合金涡轮1一侧嵌入槽2的中心；g、摩擦焊机上的主轴电机通过主轴、旋转夹具驱动调质钢轴3高速旋转，施力油缸通过滑台、移动夹具驱动钛铝合金涡轮1逐渐靠近并压在高速旋转的调质钢轴3上中间材料4，摩擦压力为500MPa；h、在摩擦热和摩擦压力共同作用下，中间材料4在摩擦界面附近逐渐变形，产生飞边，并填满钛铝合金涡轮1一侧的嵌入槽2；g、旋转端停止旋转，施力油缸施加顶锻压力，顶锻压力800MPa，保压时间6s；h、焊后缓冷并回火处理，加热温度650℃，保温时间为1.5h。
经测试，本实施例钛铝合金涡轮与调质钢轴摩擦焊接接头室温时的拉伸强度达到537MPa，与钛铝合金涡轮材料的抗拉强度相当。
实施例3：参照图3、图4，钛铝合金涡轮与42CrMo调质钢轴的摩擦焊接方法具体步骤如下：
a、将待焊钛铝合金涡轮1进行焊前去应力热处理，加热温度670℃，保温时间为2.5h；b、在钛铝合金涡轮1一侧加工出回转体形状的嵌入槽2，槽深10mm，最小内径与调质钢轴外径相当；c、选取合适的中间材料4，如钛合金，先将中间材料4与钛铝合金涡轮1进行嵌入式摩擦焊接，摩擦压力450Mpa，顶端压力700Mpa，保压时间5s，在摩擦热和摩擦压力共同作用下，中间材料4在嵌入槽2内摩擦界面附近逐渐变形，产生飞边，并填满钛铝合金涡轮1一侧的嵌入槽2；d、加工掉多余的中间材料4，保留适当厚度；e、将待焊的调质钢轴3和中间材料4焊接表面进行打磨，并用丙酮清理；f、将待焊的带有中间材料4的钛铝合金涡轮1和调质钢轴3分别夹持在旋转摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具中；g、摩擦焊机上的主轴电机通过主轴、旋转夹具驱动调质钢轴3高速旋转，施力油缸通过滑台、移动夹具驱动钛铝合金涡轮逐渐靠近并压在高速旋转的调质钢轴3上，摩擦压力为350MPa；h、焊后缓冷并回火处理，加热温度650℃，保温时间为1.5h。
经测试，本实施例所焊接头室温拉伸强度为520MPa。
实施例4：参照图5、图6，与实施例3不同点是：钛铝合金涡轮1在铸造成型过程中，预先将中间材料4嵌入到钛铝合金涡轮1上，然后再与42CrMo调质钢轴3摩擦焊接。钛铝合金涡轮与42CrMo调质钢轴的摩擦焊接方法具体步骤如下：
a、在钛铝合金涡轮1铸造成型过程中，预先将优选的中间材料4(K418)嵌入到钛铝合金涡轮1上制成带有中间材料4的复合涡轮；b、将待焊钛铝合金涡轮1进行焊前去应力热处理，加热温度700℃，保温时间为3h；c、加工掉多余的中间材料4，保留适当厚度；e、将待焊的调质钢轴3和复合涡轮上中间材料4焊接表面进行打磨，并用丙酮清理；d、将待焊的带有中间材料4的钛铝合金涡轮1和调质钢轴3分别夹持在旋转摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具中；f、摩擦焊机上的主轴电机通过主轴、旋转夹具驱动调质钢轴高速旋转，施力油缸通过滑台、移动夹具驱动复合涡轮逐渐靠近并压在高速旋转的调质钢轴3上，摩擦压力为500MPa；g、焊后缓冷并回火处理，加热温度650℃，保温时间为2h。
经测试，本实施例所焊接头室温拉伸强度为523MPa。
Claims (4)
1.一种钛铝合金涡轮与42CrMo调质钢轴的摩擦焊接方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)将钛铝合金涡轮加热到600～700℃，保温1.5～3h，进行去应力热处理；
(b)在钛铝合金涡轮一侧加工出回转体形状的嵌入槽；
(c)将钛铝合金涡轮和42CrMo调质钢轴待焊接表面进行打磨，并用丙酮清理；
(d)将钛铝合金涡轮和42CrMo调质钢轴分别夹持在旋转摩擦焊机的移动夹具和旋转夹具中，42CrMo调质钢轴的轴心对准钛铝合金涡轮一侧嵌入槽的中心；
(e)摩擦焊机上的主轴电机通过主轴、旋转夹具驱动42CrMo调质钢轴高速旋转，施力油缸通过滑台、移动夹具驱动钛铝合金涡轮逐渐靠近并压在高速旋转的42CrMo调质钢轴上，摩擦压力为330～500MPa；
(f)旋转夹具停止旋转，施力油缸施加顶锻压力，顶锻压力590～800MPa，保压时间4～6s；
(g)焊后缓冷并回火处理，加热温度600～650℃，保温时间为1.5～2h。
2.根据权利要求1所述的钛铝合金涡轮与42CrMo调质钢轴的摩擦焊接方法，其特征在于：所述调质钢轴与中间材料焊接后，再将中间材料对准嵌入槽进行焊接。
3.根据权利要求1所述的钛铝合金涡轮与调质钢轴的摩擦焊接方法，其特征在于：所述钛铝合金涡轮与中间材料浇铸后，再将中间材料与调质钢轴进行焊接。
4.根据权利要求2或3所述的钛铝合金涡轮与调质钢轴的摩擦焊接方法，其特征在于：所述中间材料是高温合金或钛合金任一种。
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