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CN104308356A - 一种球面摩擦焊接连接结构与连接方法 - Google Patents

一种球面摩擦焊接连接结构与连接方法 Download PDF

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CN104308356A
CN104308356A CN201410497067.0A CN201410497067A CN104308356A CN 104308356 A CN104308356 A CN 104308356A CN 201410497067 A CN201410497067 A CN 201410497067A CN 104308356 A CN104308356 A CN 104308356A
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spherical outside
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王正
王增全
王阿娜
王秀娟
王晋伟
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China North Industries Group Corp
China North Engine Research Institute Tianjin
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China North Engine Research Institute Tianjin
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Abstract

本发明涉及一种球面摩擦焊接连接结构和连接方法，所述连接结构包括从构件1和主构件2，所述从构件1上有凸出的外球面结构，所述从构件1的外球面角度θ1取值范围为0＜θ1＜180°，所述主构件2上有凹进去的内球面结构，所述主构件2的内球面角度θ2取值范围为0＜θ2＜180°；所述从构件1的外球面半径R1与主构件2的内球面半径R2相等；所述从构件1和主构件2采用摩擦焊接工艺，通过从构件1外球面和主构件2内球面之间的摩擦焊连接在一起，形成完整的连接结构。该连接结构与连接方法能够有效保证连接强度，实现构件之间的可靠连接，而且连接结构与连接工艺简单易行。

Description

一种球面摩擦焊接连接结构与连接方法
技术领域
本发明属于机械结构连接技术领域，具体涉及一种球面摩擦焊接连接结构与连接方法。
背景技术
涡轮是涡轮增压器的核心零部件之一，目前，增压器涡轮主要采用铸造镍基高温合金K418材料，由于K418合金的密度比较大，由K418合金铸造成型的涡轮转动惯量也比较大，导致涡轮增压发动机的瞬态响应性较差。为提高涡轮增压发动机的瞬态响应性，涡轮可以采用比强度较高的钛铝合金代替K418合金。钛铝合金密度仅为K418合金密度的43％，采用钛铝合金制造的增压器涡轮可以显著降低涡轮增压器转子的转动惯量，改善发动机的瞬态响应性。但是，由于钛铝合金属于金属间化合物，受材料性能的影响以及增压器涡轮铸造成型工艺的制约，由钛铝合金铸造成型的增压器涡轮普遍存在心部性能较差的问题。为提高钛铝合金涡轮心部强度，涡轮轮毂可以采用合金棒材加工而成，涡轮轮盘可以采用铸造成型，然后将轮毂和轮盘连接在一起形成完整的涡轮。
但是，受增压器涡轮的空间尺寸限制以及为满足涡轮心部强度要求，涡轮轮毂与轮盘之间的连接很难采用螺纹连接、过盈连接、铆接等连接方式实现可靠连接。例如，如果采用螺纹连接方式实现涡轮轮毂与轮盘的连接，轮毂与轮盘的连接部位将存在螺纹接合面，由于该接合面只能承受径向压应力，而不能承受径向拉压力，增压器涡轮工作时在离心载荷作用下涡轮轮毂与轮盘的连接部位接合面将承受较大的径向拉应力作用，在该径向拉应力作用下涡轮会从轮毂与轮盘的连接部位发生开裂。如果采用铆接连接方式，涡轮轮毂与轮盘的连接部位也不能承受径向拉应力。如果采用过盈连接方式，涡轮的轮毂与轮盘连接部位同样不能承受径向拉应力，并且连接部位产生的过盈力会使涡轮承受较大的预应力作用，降低涡轮的可靠性。
发明内容
本发明为解决构件之间的连接问题，提出一种球面摩擦焊接连接结构与连接方法。
连接结构由从构件和主构件组成，其中，从构件上有凸出的外球面结构，主构件上有凹进去的内球面结构，从构件和主构件通过凸出的外球面和凹进去的内球面之间的摩擦焊接连接在一起。通过分析连接结构的结构特点与应力空间分布特征，合理设计外球面结构与内球面结构的尺寸参数。根据连接结构组成构件即从构件和主构件的材料性能参数以及外球面结构与内球面结构的尺寸参数，确定摩擦焊接工艺参数，采用摩擦焊接的方式通过凸出的外球面和凹进去的内球面之间的摩擦焊接将从构件和主构件连接在一起。
本发明的技术方案：
一种球面摩擦焊接连接结构，包括从构件1和主构件2，所述从构件1上有凸出的外球面结构，所述从构件1的外球面角度θ1是指外球面和通过球心并平分外球面的平面相交所形成的圆弧对应的角度，外球面角度θ1的取值范围为0＜θ1＜180°，所述主构件2上有凹进去的内球面结构，所述主构件2的内球面角度θ2是指内球面和通过球心并平分内球面的平面相交所形成的圆弧对应的角度，内球面角度θ2的取值范围为0＜θ2＜180°；所述从构件1的外球面半径R1与主构件2的内球面半径R2相等；所述从构件1和主构件2采用摩擦焊接工艺，通过从构件1外球面A和主构件2内球面B之间的摩擦焊连接在一起，形成完整的连接结构。
一种球面摩擦焊接连接方法，包括以下步骤：
a、确定连接结构在工作时的应力空间分布特征：采用有限元仿真计算方法确定连接结构在工作时的应力空间分布特征；
b、确定连接结构的组成构件外球面与内球面的尺寸参数：根据连接结构的结构特点与应力空间分布特征，确定从构件1的外球面和主构件2的内球面尺寸参数，其中，从构件1的外球面角度θ1是指外球面和通过球心并平分外球面的平面相交所形成的圆弧对应的角度，从构件1的外球面角度θ1取值范围为0＜θ1＜180°，主构件2的内球面角度θ2是指内球面和通过球心并平分内球面的平面相交所形成的圆弧对应的角度，主构件2的内球面角度θ2取值范围为0＜θ2＜180°，从构件1的外球面半径R1与主构件2的内球面半径R2相等，从构件1的外球面角度θ1大于主构件2的内球面角度θ2；
c、从构件1的外球面加工：按照步骤b中确定的从构件1的外球面半径R1与角度θ1进行从构件1的加工；
d、主构件2的内球面加工：按照步骤b中确定的主构件2的内球面半径R2与角度θ2进行主构件2的加工；
e、确定从构件1与主构件2的摩擦焊接工艺参数：根据从构件1的材料性能参数与外球面尺寸参数以及主构件2的材料性能参数与内球面尺寸参数，确定从构件1与主构件2之间的摩擦焊接工艺参数，工艺参数包括从构件1与主构件2之间的相对旋转角速度、轴向力与进给量；
f、从构件1与主构件2的摩擦焊接：采用摩擦焊接方式，在摩擦焊机上利用夹具将从构件1与主构件2分别固定在两端，按照步骤e确定的焊接工艺参数，通过从构件1外球面和主构件2内球面的摩擦焊接形成完整的连接结构。
本发明的有益效果是：通过分析连接结构的特点与应力空间分布特征，合理设计连接结构组成从构件1的外球面与主构件2的内球面的尺寸参数，确定从构件1与主构件2之间的摩擦焊接工艺参数，采用摩擦焊接方式将从构件1与主构件2焊接在一起形成完整的连接结构。采用该方法与结构能够有效保证连接结构的连接强度，连接结构与连接工艺简单易行，连接部位既可以承受拉应力又可以承受压应力与剪应力，并且具有不占用额外尺寸空间的特点。特别是对于铸造成型的涡轮和叶轮，为提高涡轮和叶轮的心部强度，轮毂与轮盘可以分开加工，轮毂作为从构件1，轮毂采用合金棒材加工而成，轮盘作为主构件2，轮盘采用铸造成型，轮毂包含涡轮或叶轮心部的最大应力位置，轮毂外球面半径与轮盘内球面半径相等，轮毂的外球面角度大于轮盘的内球面角度。轮毂和轮盘通过摩擦焊连接在一起形成完整的涡轮或叶轮，采用这种连接结构与连接方法可以显著提升涡轮和叶轮的心部强度，提高涡轮和叶轮的可靠性与寿命。
附图说明
图1是从构件1的结构示意图。
图2是主构件2的结构示意图。
1从构件1 2主构件2
图3是从构件1与主构件2摩擦焊接形成的连接结构示意图。
具体实施方式
一种球面摩擦焊接连接结构，连接结构由从构件1和主构件2组成，所述从构件1上有凸出的外球面结构，所述从构件1的外球面角度θ1取值范围为0＜θ1＜180°，所述主构件2上有凹进去的内球面结构，所述主构件2的内球面角度θ2取值范围为0＜θ2＜180°，所述从构件1的外球面半径R1与主构件2的内球面半径R2相等，所述从构件1的外球面角度θ1大于主构件2的内球面角度θ2，所述从构件1和主构件2通过外球面A和内球面B之间的摩擦焊连接在一起。
优选从构件1的外球面角度θ1大于主构件2的内球面角度θ2，有利于保证连接结构摩擦焊接部位的连接强度与完整性，提高焊接质量。
对于铸造成型的涡轮和叶轮，为提高涡轮和叶轮的心部强度，轮毂与轮盘可以分开加工，其中，对于铸造成型的涡轮或叶轮，轮毂与轮盘分开加工，轮毂作为从构件1，轮毂上有凸出的外球面结构，轮毂采用合金棒材加工而成，轮盘作为主构件2，轮盘上有凹进去的内球面结构，轮盘采用铸造成型，轮毂包含涡轮或叶轮心部的最大应力位置，轮毂和轮盘通过摩擦焊连接在一起形成完整的涡轮或叶轮；轮毂的外球面半径与轮盘的内球面半径相等，轮毂的外球面角度大于轮盘的内球面角度。采用球面摩擦焊接连接结构可以显著提升涡轮和叶轮的心部强度，提高涡轮和叶轮的可靠性与寿命。
一种球面摩擦焊接连接方法，包括以下步骤：
a、确定连接结构在工作时的应力空间分布特征：采用有限元仿真计算方法确定连接结构在工作时的应力空间分布特征。
b、确定连接结构的组成构件外球面与内球面的尺寸参数：根据连接结构的结构特点与应力空间分布特征，确定从构件1的外球面和主构件2的内球面尺寸参数，其中，从构件1的外球面角度θ1取值范围为0＜θ1＜180°，主构件2的内球面角度θ2取值范围为0＜θ2＜180°，从构件1的外球面半径R1与主构件2的内球面半径R2相等，从构件1的外球面角度θ1大于主构件2的内球面角度θ2。例如，对于直径为Φ95mm、厚度为39.5mm的铸造钛铝合金增压器涡轮，为提高涡轮心部强度，轮毂作为从构件1，轮盘作为主构件2，根据涡轮的结构特点与心部应力空间分布特征，确定的轮毂外球面半径R1为24mm，轮毂的外球面角度θ1为125°，确定的轮盘内球面半径R2为24mm，轮盘的内球面角度θ2为120°，如图1和图2所示。
c、从构件1的外球面加工：按照步骤b中确定的从构件1的外球面半径R1与角度θ1进行从构件1的加工。例如，对于铸造钛铝合金增压器涡轮，为提高涡轮心部强度，轮毂作为从构件1，轮毂可以采用钛铝合金棒材按照步骤b确定的外球面半径R1与角度θ1加工而成。
d、主构件2的内球面加工：按照步骤b中确定的主构件2的内球面半径R2与角度θ2进行主构件2的加工。例如，对于铸造钛铝合金增压器涡轮，为提高涡轮心部强度，轮盘作为主构件2，轮盘在铸造成型的基础上按照步骤b确定的内球面半径R2与角度θ2加工而成。
e、确定从构件1与主构件2的摩擦焊接工艺参数：根据从构件1的材料性能参数与外球面尺寸参数以及主构件2的材料性能参数与内球面尺寸参数，确定从构件1与主构件2之间的摩擦焊接工艺参数，工艺参数包括从构件1与主构件2之间的相对旋转角速度、轴向力与进给量。
f、从构件1与主构件2的摩擦焊接：采用摩擦焊接方式，在摩擦焊机上利用夹具将从构件1与主构件2分别固定在两端，按照步骤e确定的焊接工艺参数，通过从构件1外球面A和主构件2内球面B之间的摩擦焊接形成的完整的连接结构，如图3所示。例如，对于铸造钛铝合金增压器涡轮，为提高涡轮心部强度，轮毂作为从构件1，轮盘作为主构件2，将轮毂和轮盘分别固定在摩擦焊机的两个装夹端，采用摩擦焊接方式，按照确定的焊接工艺参数，通过轮毂外球面和轮盘内球面之间的摩擦焊接形成的完整涡轮。

Claims (4)

1.一种球面摩擦焊接连接结构，包括从构件1和主构件2，其特征在于：所述从构件1上有凸出的外球面结构，所述从构件1的外球面角度θ1取值范围为0＜θ1＜180°，所述主构件2上有凹进去的内球面结构，所述主构件2的内球面角度θ2取值范围为0＜θ2＜180°；所述从构件1的外球面半径R1与主构件2的内球面半径R2相等；所述从构件1和主构件2采用摩擦焊接工艺，通过从构件1外球面和主构件2内球面之间的摩擦焊连接在一起，形成完整的连接结构。
2.根据权利要求1所述的一种球面摩擦焊接连接结构，其特征在于：所述从构件1的外球面角度θ1大于主构件2的内球面角度θ2。
3.根据权利要求1所述的一种球面摩擦焊接连接结构，其特征在于：对于铸造成型的涡轮或叶轮，轮毂与轮盘分开加工，轮毂作为从构件1，轮毂上有凸出的外球面结构，轮毂采用合金棒材加工而成，轮盘作为主构件2，轮盘上有凹进去的内球面结构，轮盘采用铸造成型，轮毂包含涡轮或叶轮心部的最大应力位置，轮毂和轮盘通过摩擦焊连接在一起形成完整的涡轮或叶轮；轮毂的外球面半径与轮盘的内球面半径相等，轮毂的外球面角度大于轮盘的内球面角度。
4.一种球面摩擦焊接连接方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、确定连接结构在工作时的应力空间分布特征：采用有限元仿真计算方法确定连接结构在工作时的应力空间分布特征；
b、确定连接结构的组成构件外球面与内球面的尺寸参数：根据连接结构的结构特点与应力空间分布特征，确定从构件1的外球面和主构件2的内球面尺寸参数，其中，从构件1的外球面角度θ1取值范围为0＜θ1＜180°，主构件2的内球面角度θ2取值范围为0＜θ2＜180°，从构件1的外球面半径R1与主构件2的内球面半径R2相等，从构件1的外球面角度θ1大于主构件2的内球面角度θ2；
c、从构件1的外球面加工：按照步骤b中确定的从构件1的外球面半径R1与角度θ1进行从构件1的加工；
d、主构件2的内球面加工：按照步骤b中确定的主构件2的内球面半径R2与角度θ2进行主构件2的加工；
e、确定从构件1与主构件2的摩擦焊接工艺参数：根据从构件1的材料性能参数与外球面尺寸参数以及主构件2的材料性能参数与内球面尺寸参数，确定从构件1与主构件2之间的摩擦焊接工艺参数，工艺参数包括从构件1与主构件2之间的相对旋转角速度、轴向力与进给量；
f、从构件1与主构件2的摩擦焊接：采用摩擦焊接方式，在摩擦焊机上利用夹具将从构件1与主构件2分别固定在两端，按照步骤e确定的焊接工艺参数，通过从构件1外球面和主构件2内球面的摩擦焊接形成完整的连接结构。
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