CN101596665A - 一种钛铝合金涡轮转轴三体结构连接的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械加工工艺设计技术领域，具体涉及一种钛铝合金涡轮转轴三体结构连接的工艺方法。钛铝合金涡轮转轴三体结构由钛铝合金涡轮叶轮、K418高温合金过渡套和42CrMo合金钢轴组成，K418高温合金过渡套和42CrMo合金钢轴通过端面进行摩擦焊接在一起，然后K418高温合金过渡套再与钛铝合金涡轮转轴通过外径和内径的过盈配合连接在一起，本发明的有益效果：工艺简单、抗拉伸强度性能稳定可靠。

Description

一种钛铝合金涡轮转轴三体结构连接的工艺方法
技术领域
本发明属于机械加工工艺设计技术领域，具体涉及一种钛铝合金涡轮转轴三体结构连接的工艺方法。
背景技术
一般车用柴油机增压器的涡轮转轴采用铸造镍基高温合金K418材料制作的涡轮叶轮与合金钢轴42CrMo焊接，其组件整体重量较重。(K418材料比重为8.0g/cm3)，而采用钛铝合金涡轮叶轮与合金钢轴42CrMo制作的增压器涡轮转轴，组件重量较轻(钛铝合金涡轮叶轮材料比重为3.9g/cm3)。因而，应用钛铝合金涡轮叶轮将可以通过减轻增压器涡轮的重量，降低涡轮转子系统的转动惯量，达到提高废气涡轮增压发动机的加速瞬态响应性、减少起动/加速时冒黑烟和改善发动机低速性能、以及提高增压器轴系可靠性的多重目的。同时钛铝合金涡轮叶轮高温强度和抗氧化性能也较好，是增压器行业较理想的材料之一。但钛铝合金属于金属间化合物，采用常规的焊接方法，无法实现以往的二体直接连接，达不到设计要求的抗拉伸强度要求。根据国外、国内有关资料报道及专利检索，在连接方法上没有找到合适的专利，只发现了有一公开号为CN1183334A的专利，其专利原理适合于研制阶段的单件生产，对于目前批量工程化的生产，保证其连接性能的稳定性、可靠性和可重复性等，均提出了新的要求。
发明内容
本发明正是为了解决钛铝合金涡轮叶轮在增压器行业工程化应用中，三体连接工艺步骤、过程控制方法等，提出的一种钛铝合金涡轮转轴三体连接的新的工艺方法。
本发明的技术方案是：钛铝合金涡轮转轴三体结构由钛铝合金涡轮叶轮、K418高温合金过渡套和42CrMo合金钢轴组成，K418高温合金过渡套和42CrMo合金钢轴通过端面进行摩擦焊接在一起，然后K418高温合金过渡套再与钛铝合金涡轮转轴通过外径和内径的过盈配合连接在一起，其工艺步骤为：
(1)钛铝合金涡轮叶轮连接部位的机械加工；
(2)K418高温合金过渡套连接部位的加工；
(3)42CrMo合金钢轴样件的加工；
(4)42CrMo合金钢轴与K418高温合金过渡套的摩擦焊接；
(5)去应力热处理工序；
(6)K418高温合金过渡套与42CrMo合金钢轴焊接组件的加工；
(7)焊接组件与钛铝合金涡轮叶轮的过盈连接。
本发明的有益效果：通过有效的工艺方法解决了三体连接中各环节的主要难题，使得配合过盈量更加精确，连接结构工艺和工序步骤更加合理，工艺参数更加准确，连接强度更加稳定和可靠，能够满足批量生产的需求。即：首先进行K418材料过渡套与合金钢轴在摩擦焊机上进行摩擦焊接，再进行与钛铝合金涡轮叶轮连接的工序步骤和方法，有效的提高了连接强度，同时解决了摩擦焊接对钛铝合金涡轮叶轮根部的冲击，形成了过盈连接预备件加工-摩擦焊接-热处理-过渡套过盈配合尺寸精加工-高频感应加热-过盈连接的工艺方法。能够适合常规的批量生产要求。特别适合于工程化的应用，并且连接工艺简单、抗拉伸强度性能稳定可靠。解决了工艺连接的可靠性和稳定性。
具体实施方式
下面对本发明的最佳实施例作详细描述，钛铝合金涡轮转轴三体结构由钛铝合金涡轮叶轮、K418高温合金过渡套和42CrMo合金钢轴组成，K418高温合金过渡套和42CrMo合金钢轴通过端面进行摩擦焊接在一起，然后K418高温合金过渡套再与钛铝合金涡轮转轴通过外径和内径的过盈配合连接在一起。
其工艺步骤为：
(1)钛铝合金涡轮叶轮的加工：获得钛铝合金涡轮叶轮样件。为准备过盈连接，涡轮连接处进行凸圆外径的车削加工，加工尺寸为Φ22毫米、长15毫米，粗糙度为1.6。由于钛铝合金涡轮叶轮属于难加工材料，使用PVD-TIB2涂层硬质合金材料的刀具加工性能较好，主轴转速n＝200转/分，切削深度t＝1.5mm。
(2)高温合金K418材料过渡套的加工：将K418材料外径进行精密车削加工到Φ36毫米、长20毫米，内孔车镗孔至Φ20毫米(留1.83毫米余量)、长15毫米，粗糙度为1.6。外径和内孔一次装夹车成，可使同轴度保证在0.1mm范围内。
(3)合金钢轴42CrMo样件的加工：将42CrMo合金钢轴外径车削加工到Φ36毫米、长255毫米尺寸要求，粗糙度为3.2。
(4)合金钢轴42CrMo与K418材料过渡套的摩擦焊对接：将42CrMo合金钢轴和K418材料分别装夹在C-25型号摩擦焊机的主轴端和夹具端进行摩擦焊焊接，使之成为42CrMo材料与K418材料为一整体组件。摩擦焊接参数为：转速n＝765转/分，摩擦压力Pf＝3.5Mpa，摩擦时间Sf＝8秒，顶锻压力Df＝4.5Mpa。保压时间Sb＝6秒。
(5)去应力热处理工序：焊接后在普通回火炉内进行460°保温2小时去应力回火处理。
(6)组件的加工：将热处理后的组件K418材料一端，内孔车镗削成Φ21.83毫米、长15毫米的尺寸，准备与精密铸造获得钛铝涡轮加工后的样件进行过盈连接，过盈量为0.17±0.01mm。
(7)焊接组件与钛铝合金涡轮叶轮的连接：将钛铝合金涡轮叶轮装夹在CA6140车床主轴上，将加工后的组件装夹在该车床的尾座上，在过渡套K418材料的外部环绕20毫米长的感应线圈并且与普通的BGY-FB型号的高频感应设备相连接，当高频感应设备运行12秒后，过渡套K418材料瞬间温度为1000±80°(可用测温仪进行监测)，此时立即旋转尾座手柄，将焊接组件向前推入钛铝涡轮轴径内，随空气自然冷却至室温，完成钛铝合金涡轮转轴的三体连接。
本发明中应用的最佳钛铝材料主要成分比为Ti：50％、AL：46％、Cr：1.7％、V：2.3％，合金钢材料为国标42CrMo；高温合金过渡套材料为国标K418。
本发明介绍了三体结构的连接，提供了实现连接的成熟的工艺优化方法，可适合批量生产的要求，连接抗拉伸强度性能稳定可靠。

Claims (2)

1、一种钛铝合金涡轮转轴三体结构连接的工艺方法，其特征在于：钛铝合金涡轮转轴三体结构由钛铝合金涡轮叶轮、K418高温合金过渡套和42CrMo合金钢轴组成，K418高温合金过渡套和42CrMo合金钢轴通过端面进行摩擦焊接在一起，然后K418高温合金过渡套再与钛铝合金涡轮转轴通过外径和内径的过盈配合连接在一起，其工艺步骤为：
(1)钛铝合金涡轮叶轮连接部位的机械加工；
(2)K418高温合金过渡套连接部位的加工；
(3)42CrMo合金钢轴样件的加工；
(4)42CrMo合金钢轴与K418高温合金过渡套的摩擦焊对接；
(5)去应力热处理工序；
(6)K418高温合金过渡套与42CrMo合金钢轴焊接组件的加工；
(7)焊接组件与钛铝涡轮的过盈连接。
2、根据权利要求1所述的一种钛铝合金涡轮转轴三体结构连接的工艺方法，所述的钛铝材料主要成分最佳比为Ti：50％、AL：46％、Cr：1.7％、V：2.3％。
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