CN103079743A - 钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法及焊接接口 - Google Patents

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Abstract

在将Ni基超合金制的涡轮机叶轮（4）和钢铁材料制的转子轴（2）在各自的边界部处借助焊接而相互熔合而接合时，控制电子束（EB）的照射位置，令在形成涡轮机叶轮（4）的Ni基超合金和形成转子轴（2）的钢铁材料的边界部处相互熔合而形成的焊接金属（6）的混合比为0.5～0.8。由此，能够得到在焊接金属（6）和Ni基超合金的边界没有裂纹的健全的焊接接口。

Description

钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法及焊接接口
技术领域
本发明涉及一种借助焊接而相对于Ni基超合金接合作为异种金属的低合金钢等的钢铁材料时使用的钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法及由该焊接方法所制作的焊接接口。
本申请基于2010年9月16日在日本提出申请的特愿2010-207977号主张优先权，在此援引其内容。
背景技术
以往，例如在汽车的增压器的领域中，对于叶轮采用铬镍铁合金（注册商标）713C，对于心轴采用低合金钢，并将它们借助电子束焊接来接合。
该焊接并不是另外使用焊接金属的焊接，而是将作为叶轮的铬镍铁合金713C和作为心轴的低合金钢相互熔合的焊接。
近年来，与考虑到环境而实现排气的高温化相对应，对于叶轮采用了熔点更高（耐热性优良）的Mar-M（注册商标）材料这样的Ni基超合金（例如参照非专利文献1）。
非专利文献1：日本燃气轮机学会杂志Vol.33 No.4（2005）pp3-10
但是，在借助电子束焊接将上述的由耐热性优良的Ni基超合金形成的叶轮和由低合金钢形成的心轴接合时，有可能在将两者熔合而成的金属与Ni基超合金的边界处产生因熔点显著不同而导致的高温裂纹（边界裂纹），解决该问题成为以往以来的课题。
发明内容
本发明着眼于上述的以往的课题而提出，其目的在于提供一种钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法及焊接接口，在借助焊接将作为异种金属的钢铁材料与Mar-M材料这样的Ni基超合金接合时，在将两者熔合而成的金属与Ni基超合金的边界处能够得到没有裂纹的健全的焊接接口。
本发明的第一发明是一种钢铁材料相对于Ni基超合金的的焊接方法，构成为，在将至少含有IN100、Mar-M246、Mar-M247的任意的Ni基超合金和作为与该Ni基超合金不同的异种金属的低合金钢等的钢铁材料在各自的边界部处借助焊接而相互熔合接合时，令在上述Ni基超合金和上述钢铁材料的边界部处相互熔合而成的焊接金属的混合比为0.5～0.8。
此外，使Ni基超合金和钢铁材料熔合而成的焊接金属的混合比是指在该焊接金属中Ni基超合金所占的比例，是重量比。
即，混合比=Ni基超合金/（Ni基超合金+钢铁材料）。
在此，如果将焊接束的对准位置设定为Ni基超合金和钢铁材料的边界，则当然，使Ni基超合金和钢铁材料熔合而成的焊接金属的混合比大致为0.5。能够根据焊接的各个条件而改变焊接束的对准位置或焊接深度从而控制该混合比。
如上所述，若将Ni基超合金和钢铁材料熔合而成的焊接金属的混合比控制在0.5左右，则能够提高焊接接口的强度的Ni基超合金的种类很大程度地受到限定。
此时，若将上述混合比控制在0.6左右，则能够提高焊接接口的强度的Ni基超合金的种类增加，所以是优选的，若将上述混合比控制在0.7左右，则大半部分的Ni基超合金都能够提高焊接接口的强度，所以是更加优选的。
因此，在本发明的第二发明的钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法中，构成为，令在上述Ni基超合金和上述钢铁材料的边界部处相互熔合而成的焊接金属的混合比为0.6～0.8。并且，在本发明的第三发明的钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法中，构成为，令在上述Ni基超合金和上述钢铁材料的边界部处相互熔合而成的焊接金属的混合比为0.7～0.8。
并且，在本发明的第四发明的钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法中，使上述Ni基超合金和上述钢铁材料在各自的边界部处借助电子束焊接或激光焊接而相互熔合而接合。在这种情况下，在电子束焊接及激光焊接中的任意的焊接中，优选焊接束直径为0.1～0.8mm。
另一方面，本发明的第五发明的焊接接口是借助上述任意一项的钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法而形成的。
在本发明的钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法中，在Ni基超合金和钢铁材料的边界部，通过例如改变焊接束的对准位置而能够适当地控制将Ni基超合金和作为异种金属的钢铁材料熔合而成的焊接金属的成分。因此，能够将该熔合而成的金属的熔点和Ni基超合金的熔点的差抑制得小，其结果，在将作为异种金属的钢铁材料相对于IN100这样的添加元素多的Ni基超合金借助焊接而接合时，能够得到没有边界裂纹的健全的焊接接口。
发明效果
在本发明的钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法中，在借助焊接将作为异种金属的钢铁材料相对于Ni基超合金接合时，能够防止在将Ni基超合金和作为异种金属的钢铁材料双方熔合而成的焊接金属与Ni基超合金的边界处产生裂纹。其结果，能够实现可得到没有边界裂纹的健全的焊接接口的非常优异的效果。
附图说明
图1是表示具有本发明的一实施例的焊接接口的涡轮增压器的概略结构说明图。
图2是表示图1的涡轮增压器的焊接接口的焊接前的状态的局部放大剖面说明图。
图3是表示图1的涡轮增压器的焊接接口的焊接后的状态的局部放大剖面说明图。
图4是表示本发明的钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法的效果的图表。
图5是图1的涡轮增压器中的焊接接口的制作所使用的激光焊接装置的概略结构说明图。
附图标记说明：
2 转子轴（钢铁材料）
4 涡轮机叶轮（Ni基超合金）
5 焊接接口
6 焊接金属。
具体实施方式
以下根据附图说明本发明。
图1表示本发明的焊接接口的一个实施例，在该实施例中，举例说明了将本发明的焊接接口应用于涡轮增压器的焊接部分的情况。
如图1所示，该涡轮增压器1具备由作为钢铁材料的低合金钢（例如CrMo钢）形成的转子轴2、及固定在该转子轴2的一端部且由比低合金钢耐热性高的Ni基超合金（例如IN100）形成的涡轮机叶轮4。此外，在该涡轮增压器1的转子轴2的另一端部，具备未图示的压缩机叶轮。
这样的结构的涡轮增压器1被搭载在车辆的内燃机中，设置为使得涡轮机叶轮4位于排气通路、且压缩机叶轮位于吸气通路。通过这样地进行设置，涡轮机叶轮4借助排气流而旋转，该涡轮机叶轮4的旋转经由转子轴2被传递至压缩机叶轮，由此，压缩机叶轮旋转而对吸入空气进行压缩。
在转子轴2的涡轮机叶轮4侧的端面中央，形成有圆形状的凸部2a。另一方面，在涡轮机叶轮4的端面中央，形成有圆形状的凹部4a。这些转子轴2的凸部2a及涡轮机叶轮4的凹部4a相互嵌合而形成凹窝式接口，通过将该凹窝式接口的相互卡合的部分即转子轴2及涡轮机叶轮4的各端面彼此借助焊接而接合，形成焊接接口5，由此，形成涡轮增压器1。
该涡轮增压器1的焊接接口5如下地形成：将一体化了的低合金钢制的转子轴2及Ni基超合金制的涡轮机叶轮4以令凸部2a和凹部4a相互嵌合而定心的状态设置，然后令其绕转子轴2的轴心旋转，同时在上述卡合部分在全周范围内照射电子束而进行焊接。
接着，说明为了得到上述的涡轮增压器1的焊接接口5的焊接方法、即本发明的钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法。
如图2所示，在焊接前，包围转子轴2的凸部2a的环状的端面和包围涡轮机叶轮4的凹部4a的环状的端面相互卡合，形成与转子轴2的轴心垂直的边界面F。
然后，使一体化了的转子轴2及涡轮机叶轮4绕转子轴2的轴心旋转，同时通过用未图示的电子枪向上述卡合部分照射电子束EB，从而将卡合部分的全周焊接。
该焊接结束时，如图3所示，包含边界面F地形成有转子轴2及涡轮机叶轮4的熔融后的焊接金属6。该焊接金属6是转子轴2及涡轮机叶轮4熔融而成的，即为将低合金钢和Ni基超合金熔合而成的金属。
在上述焊接中，若将束照射位置（电子束的对准位置）W1设定在卡合部分中的边界面F附近，则将Ni基超合金和低合金钢熔合而成的焊接金属6的混合比（焊接金属6中Ni基超合金所占的比例）为大致0.5。此时，若该焊接金属6的Ni含有量和涡轮机叶轮4的Ni基超合金的Ni含有量的差大而各熔点的差大，则在边界部分处容易产生如图3的点划线所示的焊接裂纹NG。
在本发明的实施例的焊接方法中，一边考虑焊接的各条件，一边例如如图3中中空箭头所示，通过将电子束EB的照射位置W1变更为涡轮机叶轮4侧的照射位置W2，控制焊接金属6的混合比，减小焊接金属6及作为涡轮机叶轮4的Ni基超合金的各熔点的差。此外，也可以一边考虑焊接的各条件一边使电子束EB的照射深度上升下降从而控制焊接金属6的混合比。
在上述的实施例的焊接方法中，在转子轴2及涡轮机叶轮4的边界部处，通过将电子束EB的照射位置W1变为涡轮机叶轮4侧的照射位置W2，例如通过将束直径0.1～0.8mm的电子束的照射位置向涡轮机叶轮4侧偏移0.1mm，适当地控制将Ni基超合金和低合金钢熔合而成的焊接金属6的混合比（成分），因此能够将该焊接金属6的熔点和涡轮机叶轮4的Ni基超合金的熔点的差抑制得小。其结果，能够得到没有边界裂纹的健全的焊接接口5。
因此，作为涡轮机叶轮4的Ni基超合金，IN100、Mar-M246、Mar-M247各采用一种，另一方面，作为异种金属的转子轴2的钢铁材料的低合金钢，采用CrMo钢，调查了此时的焊接金属的混合比（=Ni基超合金/（Ni基超合金+钢铁材料））对于各焊接接口强度比的影响，得到如图4所示的结果。
如图4所示，判断出在IN100、Mar-M246、Mar-M247的任意的情况下，若使Ni基超合金和低合金钢熔合而成的焊接金属6的混合比大，则随之得到高的焊接接口5的强度比。
此时，若将混合比控制在0.5左右，则在IN100及Mar-M246的两种Ni基超合金的情况下，能够提高焊接接口5的强度比。并且，若变化电子束的照射位置、改变照射深度而将上述混合比控制在0.6左右，则与混合比为0.5时相同，在IN100及Mar-M246两种Ni基超合金的情况下，能够提高焊接接口5的强度比。并且，若将上述混合比控制在0.7左右，则在IN100、Mar-M246、Mar-M247中的任意的Ni基超合金的情况下，都能够提高焊接接口5的强度比。
由此，在本实施例的焊接方法中，通过实例可以证明，若适当地控制将Ni基超合金和作为异种金属的低合金钢熔合而成的焊接金属6的混合比（成分），则能够提高焊接接口5的强度比，由此，能够得到没有边界裂纹的健全的焊接接口5。
在上述的实施例中，表示了向转子轴2及涡轮机叶轮4的卡合部分照射电子束EB从而得到焊接接口5的情况，但作为其他构成，也可以使用如图5所简单地表示的激光焊接装置。
该激光焊接装置具备配置在机座10上的面板11、与该面板11相对置地配置在机座10上的顶尖座12、向转子轴2及涡轮机叶轮4的各端面彼此的卡合部分照射激光束LB的激光起振器13、及控制激光输出及激光束照射位置等的焊接条件的控制部14。
在该激光焊接装置中，在机座10上的面板11及顶尖座12之间，将一体化了的作为低合金钢的转子轴2及作为Ni基超合金的涡轮机叶轮4以定心状态设置，然后借助面板11的动作使其绕转子轴2的轴心旋转，同时在转子轴2及涡轮机叶轮4的卡合部分遍及全周地照射激光束LB而进行焊接。
在该激光焊接装置中，由基于焊接各条件的来自控制部14的指令而使机座10动作，在转子轴2及涡轮机叶轮4的边界部，通过改变激光束LB的照射位置，适当地控制将Ni基超合金和低合金钢熔合而成的焊接金属6的混合比。
在使用该激光焊接装置的情况下，也能够将焊接金属6的熔点和涡轮机叶轮4的Ni基超合金的熔点的差抑制得小，因此能够得到没有边界裂纹的健全的焊接接口5。
本发明的钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法及焊接接口的结构并不限定于上述的实施例的结构。
产业上的可利用性
根据本发明的钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法，在将作为异种金属的钢铁材料相对于Ni基超合金借助焊接而接合时，能够防止在将Ni基超合金和作为异种金属的钢铁材料双方熔合而成的焊接金属和Ni基超合金的边界处产生裂纹。其结果，能够得到没有边界裂纹的健全的焊接接口。

Claims (5)

1.一种钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法，在借助焊接将Ni基超合金和作为与该Ni基超合金不同的异种金属的钢铁材料在各自的边界部处相互熔合而接合时，令在上述Ni基超合金和上述钢铁材料的边界部处相互熔合而成的焊接金属的混合比为0.5～0.8。
2.如权利要求1所述的钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法，其特征在于，
令在上述Ni基超合金和上述钢铁材料的边界部处相互熔合而成的焊接金属的混合比为0.6～0.8。
3.如权利要求2所述的钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法，其特征在于，
令在上述Ni基超合金和上述钢铁材料的边界部处相互熔合而成的焊接金属的混合比为0.7～0.8。
4.如权利要求1所述的钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法，其特征在于，
使上述Ni基超合金和上述钢铁材料在各自的边界部处借助电子束焊接或激光焊接相互熔合而接合。
5.一种焊接接口，是由权利要求1所述的钢铁材料相对于Ni基超合金的焊接方法形成的。
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