CN102308062A

CN102308062A - 涡轮叶轮和涡轮轴的连接方法

Info

Publication number: CN102308062A
Application number: CN2009801563383A
Authority: CN
Inventors: C·舒; J·W·穆莫
Original assignee: Nelson Stud Welding Inc
Current assignee: Nelson Stud Welding Inc
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2012-01-04
Also published as: WO2010080502A2; US20100154214A1; GB2478501B; GB201112008D0; WO2010080502A3; GB2478501A

Abstract

一种用于连接涡轮增压器的涡轮叶轮和涡轮轴的方法，包括如下步骤：设置涡轮叶轮；设置涡轮轴；将该涡轮轴固定在焊接设备中；连接该涡轮轴和该涡轮叶轮；激励导频电流；将该轴提升到距该涡轮叶轮的预定高度以引起维弧；激励焊弧电流，以局部熔化该轴焊接端并在该叶轮上形成焊池；将该轴朝向该叶轮插进该焊池中；切断该电流；和从该焊接完的轴移开该焊接设备。

Description

涡轮叶轮和涡轮轴的连接方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年12月18日提交的美国临时专利申请No.61/138,580的优先权，其全文在此引入以供参考。

技术领域

本发明涉及涡轮轴和涡轮叶轮的连接。

背景技术

涡轮增压器可用在内燃机中来压缩吸入空气以便获得发动机较高的热效率、动力输出、转矩和燃油经济性。涡轮增压器可用在机动车以及航空应用的各种发动机中。一般来说，涡轮增压器可包括以例如高达200,000rpm的高速转动的涡轮叶轮。该涡轮增压器由高温废气提供动力。因此在构造涡轮叶轮时需要使用高温材料，尤其是金属。涡轮叶轮可以焊接到联接到压气机叶轮的轴上。轴与涡轮叶轮的连接允许压气机叶轮在壳体内部转动以将环境温度下的吸入空气压缩为高密度低速度的空气，被称为扩散(diffusion)。由于高转速，非常重要的是以精确方式保证平衡、轴对称和同心度以及提供高强度的部件连接。

当前，现有技术的涡轮增压器叶轮和轴可以使用惯性摩擦焊接技术连接，其中轴可联接到由定速转动积聚动能并与例如涡轮叶轮的静止工件压在一起的飞轮。产生摩擦热以共同摩擦两个表面形成结合。包括在惯性摩擦焊接法中的各种缺陷包括产生必须通过焊后加工来去除的闪光焊覆层。另外，闪光可俘获在圆柱形连接件内，这在连接操作后需要更大的努力来平衡叶轮轴组件。而且，在从2800kg/cm²开始的范围内的高推压力要求采用大型刚性且昂贵的机械。

另外在现有技术中已知的是，利用电子束焊接方法来连接涡轮叶轮和轴组件，与惯性摩擦焊接相比焊后加工较少且平衡可能较少。电子束焊接使用在真空中聚焦到连接处的高能束(high power densitybeam)。电子束产生具有极少焊接变形的纵深狭窄的熔化区。由于较少变形和较少的焊后加工所带来的高质量焊接，EB经常选择用于高应力涡轮增压器的应用场合。然而，电子束(EB)焊机通常需要例如大于一分钟的周期，如果使用夹具焊接多个组件则该周期会进一步延长。而且，EB焊接设备需要大资本投入成本同时需要在真空中进行操作。

另外已知的是，例如CO₂激光器的气体激光器和例如Nd:YAG激光器的固态激光器用在焊接变矩器等中，并可用于焊接由钛制成的涡轮轴和叶轮。CO₂激光器具有必需使用昂贵的氦保护气来减少来自材料相互作用的等离子体的波长，这种材料相互作用吸收电子束能量并具有较差的电子束质量(多TEM模式)。YAG激光器需要使用期限短、价格昂贵的泵(二极管或灯泡式)。CO₂和YAG激光器在将电转换为光时都不太节能。

因此在该领域内需要改进的连接方法来连接涡轮叶轮和轴。在该领域内还需要以经济方式获得高强度高质量连接件的连接方法。而且，在该领域内需要这种焊接操作，该焊接操操作不需要真空同时又提供较少焊后操作的高强度准确的连接操作。

发明内容

一方面，公开了一种用于连接涡轮增压器的涡轮叶轮和涡轮轴的方法，包括如下步骤：设置涡轮叶轮；设置涡轮轴；将该涡轮轴固定在焊接设备中；连接该涡轮轴和该涡轮叶轮；激励导频电流；将该轴提升到距该涡轮叶轮的预定高度以引起维弧(pilot arc)；激励焊弧电流，以局部熔化该轴焊接端并在该叶轮上形成焊池；将该轴朝向叶轮插进焊池中；切断该电流；和从焊接完的该轴移开该焊接设备。

另一个方面，公开了一种连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，包括如下步骤：设置涡轮叶轮；设置涡轮轴；设置光纤激光器焊接设备；相对于涡轮叶轮定位该涡轮轴；激励该光纤激光器并使其经过该涡轮轴和该涡轮叶轮附近，以连接涡轮轴和涡轮叶轮。

附图说明

图1A-F包括连接方法的第一和第二实施例中涡轮叶轮和轴的侧视图和剖视图；

图2是图2B的部分剖视图；

图3是图1F的部分剖视图；

图4包括利用具有拉弧焊接工艺和环圈的第一实施例的方法来连接的涡轮轴和叶轮的透视图；

图5是第一实施例切削的加工操作后图4所示轴和叶轮的部分透视图；

图6是第一实施例的连接操作后涡轮叶轮和轴的部分剖视图；

图7是第一实施例的弯曲试验后涡轮叶轮和轴的透视图；

图8是详细图示出利用该方法的第二实施例形成在轴和叶轮之间的焊接接头的部分透视图；

图9是包括轴架的涡轮叶轮的透视图。

具体实施方式

参考图1-7，显示了用于连接涡轮轴10和叶轮15的方法的各种实施例。参见图1-5，显示了用于连接涡轮轴10和叶轮15的第一实施例。第一实施例可包括用于连接涡轮轴10和叶轮15的拉弧焊接法。该方法可包括设置涡轮叶轮15和涡轮轴10。涡轮轴10可固定在例如焊枪或其它机器人所控制的设备的焊接设备中。轴和涡轮叶轮10，15随后相互邻接或接触。接下来在焊接设备中可激励导频电流以流经叶轮和轴之间的接触部分。轴10随后被提升到距涡轮叶轮15的预定高度并且在叶轮和轴之间激励维弧。该焊接设备随后将电流从低导频级别增加到足够高的级别，产生局部熔化轴和叶轮10，15的主电弧以形成焊池20。接下来将轴10朝向叶轮15插进焊池20，并且熄灭电弧。对形成的焊接接头进行冷却并且切断电流。最后将轴10从焊接设备移开，留下形成在涡轮叶轮和轴15，10之间的焊接接头。

一方面，正如图1B-E细节所示，涡轮轴10可以是实心杆25而涡轮叶轮15可包括实心支座(abutment)30。正如图中所见，支座30可包括形成在涡轮叶轮15的后表面40上的斜面结构35。另一方面，斜面结构35可由形成在涡轮叶轮15上的轴架36(最佳显示在图9中)代替，所述轴架限制焊接热量流向该叶轮。轴架36可包括具有大约31mm较大直径的顶部38，以及延伸到涡轮叶轮15的下柄部42。柄部42具有大约15mm的直径。以这种方式，大约3mm的间隙44将形成在涡轮叶轮15和轴架36的顶部38之间。

一方面，涡轮轴10可由例如AISI 8740钢的合金钢制成。涡轮叶轮15可由包括超级合金铬镍铁合金(INCONEL)713的镍基合金制成。应该了解的是，包括不锈钢和其他镍基合金的其他材料也可用于涡轮叶轮和轴15、10。

一方面，该方法的第一实施例可包括将环圈45定位在涡轮轴10附近以容纳(containing)焊池20、压缩电弧并限制空气进入焊接区域。在这种应用中，轴10还可包括形成在轴10的端部上的焊剂载物(flux load)，该焊剂载物在第一实施例的方法过程中用作除氧剂。

另外，第一实施例的方法可包括在拉弧法中形成焊接接头后利用加工工具去除焊瘤的步骤。一方面，加工工具可整合到焊接设备中。

对于具有不同外径和剖面的轴10可以采用各种焊接参数。一方面，焊弧电流可具有1,000到1,500安培的值并且可被激励550到900毫秒的电弧持续时间。在这种应用中，第一实施例的方法可连接284mm²的有效面积并形成具有高于179千牛的拉力值的焊接接头；以及可连接198mm²的有效面积并形成具有100千牛的拉力值的焊接接头。

另一方面，第一实施例可包括在待连接的涡轮轴10部分和涡轮叶轮15附近提供保护气体的步骤。保护气体可包括例如氩气的惰性气体或者例如包含O₂或CO₂的混合物的活性气体，可以采用持续时间为100到150毫秒、且1,100到1,500安培的焊弧电流。在这种应用中，可以产生具有127mm²的有效面积和大于97千牛的拉力值的焊接接头。

另一方面，该方法包括提供对焊弧施力的场成形器(fieldformer)，将焊弧相对于涡轮轴10和涡轮叶轮15对中。通过这种方式，包括由焊接电流或者单独电源供电的电磁线圈的场成形器向电弧施力以使其回到轴10的中心。可替换地，可以产生磁场以使电弧在轴10下方旋转，从而实现均匀熔化以及轴10相对于叶轮15的连接的垂直性。

另一方面，第一实施例的拉弧焊接法可包括如图1B所示、需要在焊接过程中保持的环接设计。对于具有不同外径和剖面的轴10可以采用不同的焊接参数。一方面，焊弧电流可具有大约2000安培的值并且可被激励大约400毫秒的电弧持续时间。在这种应用中，第一实施例的方法可连接大约357mm²的有效面积并形成具有大约129千牛的拉力值的焊接接头。

参考图8，显示出利用该方法第二实施例连接的涡轮叶轮和轴15、10。第二实施例的方法包括设置涡轮叶轮15和涡轮轴10。另外，设置光纤激光器焊接设备。涡轮轴10相对于涡轮叶轮15定位，最佳图示于图1A-B中。然后激励光纤激光器并经过涡轮轴10和涡轮叶轮15附近以连接涡轮轴10和叶轮15。如同先前描述的第一实施例一样，涡轮轴10可由包括AISI 8740的钢制成，而涡轮叶轮15可由例如铬镍铁合金713的镍基合金制成。

一方面，第二实施例的方法包括在激励光纤激光器时在涡轮叶轮15和轴10附近提供氩气保护气体。另外，第二实施例的用于连接涡轮叶轮和轴15、10的方法可包括利用散焦电子束第二次激励光纤激光器，以修饰形成在两部件之间的连接处外观。

一方面，该光纤激光器可以是具有1,070nm波长的镱激光器。一方面，该光纤激光器包括200μm的光纤、100mm的准直仪(collimator)和200mm的焦距。

另外，该方法可包括第一激励步骤，该第一激励步骤在20rpm的转速下具有1.5kw的功率，且电子束聚焦在轴和叶轮10、15的表面上。而且，第二激励步骤可包括在10rpm转速下具有1.5kw的功率，且电子束距轴和叶轮10、15表面20mm散焦从而修饰焊接接头外观。

一方面，第二实施例可包括中空且具有3mm壁厚和19mm直径的轴10。另外，轴10可包括在要与涡轮叶轮15连接的端部上形成的埋头孔(counter bore)50。另外，叶轮15可包括如同第一实施例一样形成于其上的抬高支座55。抬高支座55可包括形成于其中的埋头孔60。通过第二实施例的方法形成的焊接接头可具有至少90千牛的拉力值。

一方面，该激光器可使用连续波或具有恒定功率。另一方面，可以使用周期性波动的功率来减少焊接缺陷的形成，例如孔隙或气泡。例如可以使用方波功率。例如可以使用具有1800W-2000W平均值、500W峰间功率，166Hz频率的正弦波形，每分钟25英寸的焊接速度，总焊接时间为6秒的激光器。25psi的氮气可用于此操作。

另一方面，第二实施例的方法可包括将例如图1B所示的实施例中的腔焊死。在这种应用中，热风可被俘获在腔中并产生例如气泡的缺陷。该方法可包括如下步骤，使用处于聚焦状态的激光器在轴上钻出大约0.2mm直径和距所形成的连接处3mm的小排气孔。可以使用相同的激光器来焊接连接处，然后散焦来密封排气孔。

虽然已经论述了第一和第二方法的具体实施例，应当了解，在不脱离本发明的情况下可以采用各种功率值、时间和参数。

Claims

1.一种用于连接涡轮增压器的涡轮叶轮和涡轮轴的方法，包括如下步骤：

设置涡轮叶轮；

设置涡轮轴；

将该涡轮轴固定在焊接设备中；

连接该涡轮轴和该涡轮叶轮；

激励导频电流；

将该轴提升到距该涡轮叶轮的预定高度以引起维弧；

激励焊弧电流，以局部熔化该涡轮轴焊接端并在该叶轮上形成焊池；

将该涡轮轴朝向该涡轮叶轮插进该焊池中；

切断该电流；

从焊接完的该涡轮轴移开该焊接设备。

2.如权利要求1所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该涡轮轴焊接端为实心杆。

3.如权利要求1所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该涡轮叶轮包括实心支座。

4.如权利要求1所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该涡轮轴由钢制成。

5.如权利要求4所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该钢为AISI 8740。

6.如权利要求1所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该涡轮由镍基超级合金制成。

7.如权利要求6所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该镍基合金为铬镍铁合金713。

8.如权利要求1所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，包括将环圈放置在该涡轮轴附近用于容纳焊池。

9.如权利要求8所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该环圈选自由陶瓷环圈、由涂有氮化钛、氮化硼、或二硫化钨或银的耐热材料制成的半永久性环圈、和水冷的半永久性环圈组成的组。

10.如权利要求8所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，包括将焊剂球放在该涡轮轴的一端，作为焊接过程中的除氧剂。

11.如权利要求1所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，包括使用加工工具去除焊瘤的步骤。

12.如权利要求11所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该加工工具整合到该焊接设备中。

13.如权利要求1所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该焊弧电流为800到2500安培，持续时间为300到1000毫秒。

14.如权利要求1所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，包括在待连接的涡轮轴部分和涡轮叶轮附近提供保护气体的步骤。

15.如权利要求14所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该弧焊电流为1100到2000安培，持续时间为80到250毫秒。

16.如权利要求1所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，包括提供对焊弧施力的场成形器，将焊弧相对于涡轮轴和涡轮叶轮对中。

17.一种用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，包括如下步骤：

设置涡轮叶轮；

设置涡轮轴；

设置光纤激光器焊接设备；

相对于该涡轮叶轮定位该涡轮轴；

激励该光纤激光器并使其经过该涡轮轴和该涡轮叶轮附近，以连接涡轮轴和涡轮叶轮。

18.如权利要求17所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该涡轮轴由钢制成。

19.如权利要求18所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该钢为AISI 8740。

20.如权利要求17所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该涡轮叶轮由镍基超级合金制成。

21.如权利要求20所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该镍基超级合金为铬镍铁合金713。

22.如权利要求17所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，包括提供氩气保护气体。

23.如权利要求17所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，包括利用散焦电子束在第二整饰阶段中激励光纤激光器而不需切断第一阶段的电子束。

24.如权利要求17所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该光纤激光器是具有1070纳米波长的镱激光器。

25.如权利要求24所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该光纤激光器包括200μm的光纤、100mm的准直仪和200mm的焦距。

26.如权利要求23所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该第一激励步骤包括在20rpm的转速下具有1.5kw的功率，且电子束聚焦在该涡轮轴和叶轮的表面上。

27.如权利要求26所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该第二激励步骤包括在20rpm转速下具有1.5kw的功率，且电子束距轴和叶轮的表面20mm散焦。

28.如权利要求17所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该轴是中空的且具有3mm壁厚和19mm外径。

29.如权利要求17所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该轴的一端包括形成在其中的埋头孔。

30.如权利要求17所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该叶轮包括形成在其上的抬高支座，该抬高支座包括形成于其中的埋头孔。

31.如权利要求17所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该光纤激光器是通过分束器在多个工作单元中分时使用的。

32.如权利要求17所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，其特征在于该光纤激光器使用波动功率或恒定功率。

33.如权利要求17所述的用于连接涡轮叶轮和涡轮轴的方法，包括在连接该涡轮轴和叶轮之前使用该激光器在该涡轮轴中形成排气孔的步骤。

34.如权利要求1的方法，其特征在于该涡轮叶轮包括形成在其上限制焊接热量流向该涡轮叶轮的轴架。