CN102380678A - 一种钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法，其特征是：将钎料加入铝涡轮与钢轴中间，利用电阻热使中间钎料熔化，然后施加顶锻压力，保持一段时间后将零件卸下并对零件进行去应力退火，得到涡轮与钢轴的组合部件。发明的钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法，利用电阻热进行加热的连接方法，可以使整个端面温度更均匀，焊接后接头组织和性能均匀性好，因此焊缝强度较普通钎焊更高，可以达到190MPa，同时生产效率更高，更易实现批量生产。采用此方法的焊接件满足涡轮增压器的使用环境要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛铝金属间化合物合金与钢的焊接方法，特别是一种钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法。
背景技术
废气涡轮增压是现代汽油机和柴油发动机提高功率的主要技术之一，增压涡轮在发动机燃油废气驱动下高速旋转工作，柴油机涡轮转速通常为(5-20)×104r/min，汽油机涡轮转速通常可达（25-26）×104r/min，且涡轮需要长时间承受700-950℃左右的高温工作环境。因此，对涡轮材料的性能提出了更高的要求，即更高的强度、抗氧化性能和更轻的密度等。γ-TiAl基合金材料具有良好的高温强度、蠕变抗力和抗氧化性能等优点，已用于制造汽车发动机的涡轮增压器、气阀等。
用TiAl基合金制造的涡轮必须与钢轴焊接才能组成一个完整的零件，常用的钢轴材料为42CrMo、40Cr、35CrMo。由于TiAl合金与钢轴的可焊性较差，应用于涡轮增压器的一大难题就是TiAl合金涡轮与钢质转轴的连接技术。据资料，目前车用涡轮增压器的涡轮与钢轴的连接方式有两种，采用中间高温合金第三体的摩擦焊接技术或采用钎焊的方式进行连接。这两种方式虽然据报道都可以实现连接功能，但都存在一定的缺点，摩擦焊因采用中间第三体技术，因此一件涡轮产品需进行两次焊接，工艺繁琐且不稳定，另外，中间高温合金长度不易控制，导致涡轮增压器整套系统调试动平衡较为困难；对于钎焊连接：当采用真空钎焊时，涡轮与钢轴需在真空炉内整体加热，这样会改变钢轴与钛铝涡轮的组织和性能，从而影响增压器涡轮轴的使用性能；同时真空钎焊的生产效率低，不易实现量产。当采用感应钎焊时，感应线圈加热时的集肤效应会导致焊接处内外温度不均匀，从而导致焊接后接头的性能不均匀，不适合产业化应用。
王忠平，张立军，周正航等发表的“中间层厚度对TiAl金属间化合物三体摩擦焊接性的影响机械科学与技术 2005，24(3)）报道，采用中间镍基合金进行摩擦焊工艺，接头强度可以达到360MPa左右。
以上工艺可以实现钛铝涡轮与钢轴的连接，但工序流程长，且每次摩擦焊接后均需机加工飞边然后退火，生产效率低。
朱颖、张茉、王国建、康慧、曲平等发表的“TiAl基合金和42CrMo钢的真空钎焊”，航天制造技术,2005.8报道，对TiAl基合金和42CrMo钢进行钎焊，钎料成分为Ti-20Zr-Cu-Ni。钎料采用快速凝固方法制备，制备的箔片厚度约为0.05mm。钎焊工艺参数为：真空度1.0×10-3Pa，钎焊温度930℃，保温时间分别为15min、30min、60min。接头平均拉伸强度110MPa，接头的断裂层均在42CrMo母材与钎料间的界面层。
以上真空钎焊连接方式虽然可以连接钛铝涡轮与钢轴，但连接强度低，不能很好满足实际使用要求，并且需抽真空，焊接后再随炉冷却，大大降低了生产效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种一种钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法，以解决目前摩擦焊方法工序复杂，钎焊工艺连接强度低的问题；能够实现连接强度高、焊接速度快，满足批量生产的需要。
为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明的一种钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法，将钎料加入铝涡轮与钢轴中间，利用电阻热使中间钎料熔化，然后施加顶锻压力，保持一段时间后将零件卸下并对零件进行去应力退火，得到涡轮与钢轴的组合部件。采用此工艺的好处是：利用电阻加热可以使整个焊接端面温度更均匀，与真空钎焊相比，钢轴与涡轮无需整体加热，不会改变钢轴与钛铝涡轮的组织和性能；与感应钎焊相比，焊接处内外温度更加均匀，焊接后接头的组织和性能更加均匀和稳定；该工艺操作简便，生产效率较真空钎焊和摩擦焊更加高效，更易实现大批量生产。
具体工艺为：
（1）钛铝涡轮、钢轴按图纸机加工，端面粗糙度达到Ra3.2以上；
（2）钛铝涡轮与钢轴电阻钎焊：将钎料加入铝涡轮与钢轴中间，零件在电阻钎焊机装夹好之后，施加载荷5-10MPa，通入电流使钎料温度在1-4s内达到500℃，然后升高电流使钎料在2-8s后焊缝处温度达到钎料熔化温度以上10-50℃后断开电源，保持10-20MPa的顶锻压力2-10S；
（3）去应力退火。
焊接过程可以在大气中、真空或者惰性气体保护下进行。
涡轮材料适用于所有的钛铝基合金材料。
钢轴材料包括42CrMo、40Cr、35CrMo等所有钢材。
钎料可以是镍基钎料、银基钎料或钛基钎料以及镍基钎料、银基钎料和钛基钎料的任意组合方式。
优选的退火工艺为：550-800℃，保温1.5-3h，随炉冷却至室温。
通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
本发明的钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法，利用电阻热进行加热的连接方法，可以使整个端面温度更均匀，焊接后接头组织和性能均匀性好，因此焊缝强度较普通钎焊更高，可以达到190MPa，同时生产效率更高，更易实现批量生产。采用此方法的焊接件满足涡轮增压器的使用环境要求。
具体实施方式
实施例1
采用TAC-2钛铝基合金涡轮，42CrMo钢轴，涡轮轴与钢轴直径机加工至16mm，端面粗糙度达到Ra3.2以上；钎料采用BNi-2，钎料厚度0.04mm。零件在真空电阻钎焊机装夹好之后，系统抽真空至1×10-2Pa，首先施加2000N的初负荷，使得载荷压强达到10MPa，通4000A电流，2S后温度达到500℃，升高电流至7000A，4S后焊缝处大约1050℃，钎料熔化后断开电源，施加顶锻压力3000N，继续保持3000N的压力，使得载荷压强达到15MPa，保持5s，最后580℃保温1.5h退火处理，拉伸测试显示，焊缝抗拉强度为203MPa。
实施例2
采用RNT650钛铝基合金涡轮，40Cr钢轴，钎料采用BNi-1，钎料厚度0.02mm。涡轮轴与钢轴直径机加工至14mm，端面粗糙度达到Ra3.2以上。零件在真空电阻钎焊机装夹好之后，系统抽真空至1×10-2Pa，首先施加1600N的初负荷，使得载荷压强达到8MPa，通3200A电流，2S后温度达到500℃，升高电流至5600A，4S后焊缝处大约1050℃，钎料熔化后断开电源，施加顶锻压力2400N，使得载荷压强达到12MPa，继续保持2400N的压力5s，最后580℃保温1.5h退火处理，拉伸测试显示，焊缝抗拉强度为194MPa。
Claims (7)
1.一种钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法，其特征是：将钎料加入铝涡轮与钢轴中间，利用电阻热使中间钎料熔化，然后施加顶锻压力，保持一段时间后将零件卸下并对零件进行去应力退火，得到涡轮与钢轴的组合部件。
2.根据权利要求1所述钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法，其特征是：所述的焊接方法具体步骤和要求为：
（1）钛铝涡轮、钢轴按图纸机加工，端面粗糙度达到Ra3.2以上；
（2）钛铝涡轮与钢轴电阻钎焊：将钎料加入铝涡轮与钢轴中间，零件在电阻钎焊机装夹好之后，施加载荷5-10MPa，通入电流使钎料温度在1-4s内达到500℃，然后升高电流使钎料在2-8s后焊缝处温度达到钎料熔化温度以上10-50℃后断开电源，保持10-20MPa的顶锻压力2-10S；
（3）去应力退火。
3.根据权利要求1所述钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法，其特征是：焊接过程在大气中、真空或者惰性气体保护下进行。
4.根据权利要求1所述钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法，其特征是：焊接过程在真空中进行，真空余压为1×10-1Pa以下。
5.根据权利要求1所述钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法，其特征是：所述的涡轮材料为钛铝基合金材料。
6.根据权利要求1所述钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法，其特征是：所述的钎料为镍基钎料、银基钎料或钛基钎料以及镍基钎料、银基钎料和钛基钎料的任意组合方式。
7.根据权利要求1所述钛铝合金涡轮与钢轴的电阻钎焊焊接方法，其特征是：所述的退火工艺为550-800℃保温1.5-3h，随炉冷却至室温。
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