CN104801846A - 涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接工艺与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接装置，包括涡轮盘，涡轮盘外圆周上均匀设有与其相接触的涡轮叶片，涡轮叶片通过位于其两侧且相互配合的导向槽和限位槽限位固定，导向槽和限位槽相配合的间隙中插入一端顶在涡轮叶片底部焊接脚块上的顶锻杆，顶锻杆另一端与换向夹具的楔形内表面接触；涡轮盘通过旋转动力装置带动旋转，通过轴向推力装置逐步加大对换向夹具施加轴向力，经换向夹具将轴向力转化为对顶锻杆的径向力，再对涡轮叶片施加径向力，涡轮叶片与涡轮盘之间的摩擦力逐步加大，并能保持摩擦产热与热量的耗散的动态平衡量，然后瞬间施加顶锻压力，同时将涡轮盘转速降至为零，完成焊接。本发明同时还公开了利用该装置的焊接工艺。

Description

涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接工艺与装置

技术领域

本发明涉及一种焊接工艺与装置，尤其是一种涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接工艺与装置。

背景技术

目前，典型的燃气涡轮发动机由旋转式的涡轮增压器和涡轮盘等组件组成，组件上包括固定在圆盘周缘的环形排列的翼型涡轮叶片。涡轮叶片连接在涡轮盘上的方法有很多种。例如，通过精加工，把涡轮叶片的根部加工成“枞树”状椎头，然后通过挤压的形式把涡轮叶片椎头压入涡轮盘的榫槽中，从而达到一种枞树榫槽连接。或者通过线性摩擦焊的方法，涡轮叶片往复运动与固定的涡轮盘摩擦焊接。或者利用熔化焊接方法将涡轮叶片焊接在涡轮盘上。

现存的涡轮叶片与涡轮盘连接方法都存在着一定局限性，例如，利用枞树榫槽连接方法连接，涡轮叶片寿命短，使用一段时间后涡轮叶片需要修复；线性摩擦焊焊接效率低、成本高；熔焊是一个快速的物理化学冶金过程，容易形成气孔、夹杂和微裂纹等缺陷，影响焊接质量。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接工艺与装置，涡轮叶片与涡轮盘连接的径向摩擦焊不仅可以大大提高生产效率，还可以节约大量钛合金及高温合金，从而缩短生产周期，降低生产成本。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接装置，包括设置于中心位置的涡轮盘，涡轮盘外圆周上均匀设有与其相接触的涡轮叶片，涡轮叶片通过位于其两侧且相互配合用于对其分别起导向和限位作用的涡轮叶片导向槽和涡轮叶片限位槽限位固定，涡轮叶片导向槽和涡轮叶片限位槽相配合的间隙中插入一端顶在涡轮叶片底部的焊接脚块上的顶锻杆，顶锻杆另一端与换向夹具的楔形内表面接触；涡轮盘通过旋转动力装置带动旋转，通过轴向推力装置逐步加大对换向夹具施加轴向力，经换向夹具的楔形内表面将轴向力转化为对顶锻杆的径向力，顶锻杆再对涡轮叶片施加径向力，涡轮叶片与涡轮盘之间的摩擦力逐步加大，并能保持摩擦产热与热量的耗散的动态平衡量，然后瞬间施加顶锻压力，同时将涡轮盘转速降至为零，完成焊接；旋转动力装置和轴向推力装置通过控制器控制。

所述涡轮盘包括涡轮盘主体和蜗轮轴，涡轮盘主体安装于蜗轮轴上，涡轮盘主体的外圆周与涡轮叶片下端相接触。

所述涡轮叶片包括一体结构的上部的叶片和下部的焊接脚块。

所述涡轮叶片导向槽为一圆环体，圆环体一侧面上均匀设有若干凸出部分，相邻两个凸出部分之间为用于将涡轮叶片置于其中且能起到径向导向作用的凹槽部分。

所述凸出部分为楔形结构，沿圆环体的径向方向由外至内，凸出部分的宽度逐步减小。

所述凹槽部分为等宽的方形槽体结构。

所述涡轮叶片限位槽为与导向槽相对应的圆环体，该圆环体与涡轮叶片导向槽相对侧面上设有若干用于限制涡轮叶片自由度的凸出部，且凸出部能插入相对应的涡轮叶片导向槽的凹槽部分中；相邻两个凸出部之间设有一个与涡轮叶片导向槽的凸出部分相配合的凹槽部。

所述凸出部为与涡轮叶片导向槽的凹槽部分相匹配的等宽的方形体结构。

所述凹槽部为与导向槽的凸出部分相配合的楔形结构，沿圆环体的径向方向由外至内，凹槽部的宽度逐步减小。

所述顶锻杆包括一体结构的上部与换向夹具的楔形内表面相接触的顶部斜块和位于顶部斜块下方的两个推杆，所述推杆末端顶在涡轮叶片的焊接脚块上。

所述换向夹具为一圆环形结构，该圆环形结构的内表面成楔形，且楔形表面与圆环的中心线之间的夹角为15°。

一种利用涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接装置的径向焊接工艺，步骤如下：

第一、把经过精加工的涡轮叶片放置在涡轮叶片导向槽中，安装完毕后，再将涡轮叶片限位槽与涡轮叶片导向槽镶嵌配合，能实现涡轮叶片在焊接过程中的稳定；涡轮叶片导向槽用来导引涡轮叶片的径向运动，叶片限位槽限制涡轮叶片的自由度，可确保涡轮叶片的焊接精度；

第二、把涡轮盘放置在涡轮叶片导向槽与涡轮叶片限位槽中心的通孔处，并装夹在旋转装置上，焊接时，旋转装置带动涡轮盘旋转并与仅能够径向运动的涡轮叶片摩擦产热，并在径向压力下达到摩擦焊接的效果；

第三、把顶锻杆插入涡轮叶片导向槽与涡轮叶片限位槽之间配合的间隙中，顶锻杆末端与涡轮叶片的脚块接触，焊接时，顶锻杆推动涡轮叶片沿着径向方向运动，实现径向加压；

第四、将换向夹具与顶锻杆配合装配，换向夹具有15°斜面，主要作用是把焊接中的轴向推力转换为径向推力；

第五、在各组件完成装配后，实施焊接；由于摩擦生热，摩擦界面上的材料发生塑性变形、表面激活、扩散和动态再结晶而达到冶金接合，整个焊接过程分为三级加压，即一级初始摩擦压力、二级稳定摩擦压力和三级顶锻摩擦压力，摩擦压力逐级升高，确保涡轮叶片与涡轮盘的有效连接；

第六、焊接完成后，将整个装置逐个拆卸，然后精加工焊接好的涡轮，去除多余材料，得到符合质量要求的产品。

所述第五步中整个焊接过程的具体步骤如下：

1）整套装置装配完成后，由控制器设定各级压力和各级的摩擦时间参数；

2）启动旋转动力装置，旋转动力装置带动涡轮盘旋转，并通过轴向轴向推力装置推动换向夹具，将轴向推力转换为径向力加载在涡轮叶片顶锻杆上，进行摩擦焊接；

3）一级初始摩擦阶段，摩擦压力为20MPa～50MPa，摩擦时间为3-50s，防止涡轮叶片与涡轮盘之间的摩擦阻力过大引起的系统抱死；当摩擦界面温度升高到1100℃后，施加50MPa～100MPa二级稳定摩擦压力,摩擦时间为3-50s，该压力能保证摩擦产热与热量的耗散的动态平衡；瞬间通过顶锻杆施加100MPa～200MPa的三级顶锻摩擦压力，顶锻时间为0.2s到1s，同时将涡轮盘转速降至为零，完成焊接；

4）将焊接后的涡轮在铣床上打磨精加工，去除多余材料，得到符合质量要求的产品。

本发明中的旋转装置为现有的设备，例如机床的卡盘等，对换向夹具施加轴向推力的轴向推力装置也是现有设备，可在市场上购得，在此不再赘述。轴向轴向推力装置推动换向夹具移动对应的顶锻杆的径向压力大小，通过现有技术可以很容易确定，再次不再赘述。

径向摩擦焊是在径向压力作用下实现把被焊工件的径向接头连接。由于摩擦生热，摩擦界面及其附近区域温度升高，材料达到热塑性状态并发生塑性流变，通过界面的分子扩散和再结晶而实现接头的冶金接合。本发明借助径向摩擦焊的基本原理，设计了一套用于焊接涡轮叶片的径向摩擦焊装置，从而达到高效高质连接的效果。该装置由换向夹具、导向槽、限位槽和顶锻杆组成，导向槽由一系列的环形排列的凹槽组成，每个槽子可以放置一枚涡轮叶片，焊接中涡轮盘旋转，顶锻杆推动涡轮叶片与涡轮盘相对运动摩擦，机械能转换成摩擦热能，在顶锻力作用下实现涡轮叶片与涡轮盘的有效连接。这种焊接技术可以一次性实现整个涡轮盘与涡轮叶片的焊接，而且摩擦焊接的连接强度可以达到母材的100%。

径向摩擦焊方法连接涡轮叶片与涡轮盘具有非常高的生产效率，作为一种新型焊接工艺方法具有很大的发展前景。

与用整体锻坯在五坐标数控铣床上加工、电解加工和线性摩擦焊相比，将径向摩擦焊技术应用到涡轮叶片的连接中，涡轮叶片与涡轮盘连接的径向摩擦焊不仅可一次性实现多个叶片的摩擦焊接连接，大大提高生产效率，还可以节约大量钛合金及高温合金，从而缩短生产周期，降低生产成本。

附图说明

图1是本发明一个实施例的整体装配剖视图；

图2是换向夹具结构示意图；

图3是顶锻杆结构示意图；

图4是涡轮盘结构示意图；

图5是涡轮叶片结构示意图；

图6是涡轮叶片导向槽结构示意图；

图7是涡轮叶片限位槽结构示意图；

其中1换向夹具；2顶锻杆；3涡轮盘；4涡轮叶片；5涡轮叶片导向槽；6涡轮叶片限位槽；7.15°斜面，8.顶部斜块，9.推杆，10.涡轮盘主体，11.涡轮轴，12.叶片，13.焊接脚块，14.导向槽凸出部分，15.导向槽凹槽部分，16.限位槽凸出部分，17.限位槽凹槽部分。具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-图7所示，涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接装置，包括设置于中心位置的涡轮盘3，涡轮盘3外圆周上均匀设有与其相接触的涡轮叶片4，涡轮叶片4通过位于其两侧且相互配合用于对其分别起导向和限位作用的涡轮叶片导向槽5和涡轮叶片限位槽6限位固定，涡轮叶片导向槽5和涡轮叶片限位槽6相配合的间隙中插入一端顶在涡轮叶片4底部的焊接脚块13上的顶锻杆2，顶锻杆2另一端与换向夹具1的楔形内表面接触；涡轮盘3通过旋转动力装置带动旋转，通过轴向推力装置逐步加大对换向夹具1施加轴向力，经换向夹具1的楔形内表面将轴向力转化为对顶锻杆2的径向力，顶锻杆2再对涡轮叶片4施加径向力，涡轮叶片4与涡轮盘3之间的摩擦力逐步加大，并能保持摩擦产热与热量的耗散的动态平衡量，然后瞬间施加顶锻压力，同时将涡轮盘3转速降至为零，完成焊接；旋转动力装置和轴向推力装置通过控制器控制。

涡轮盘3包括涡轮盘主体10和蜗轮轴11，涡轮盘主体10安装于蜗轮轴11上，涡轮盘主体10的外圆周与涡轮叶片4下端相接触。涡轮叶片4包括一体结构的上部的叶片12和下部的焊接脚块13。

涡轮叶片导向槽5为一圆环体，圆环体一侧面上均匀设有若干导向槽凸出部分14，相邻两个导向槽凸出部分14之间为用于将涡轮叶片4置于其中且能起到径向导向作用的导向槽凹槽部分15。导向槽凸出部分14为楔形结构，沿圆环体的径向方向由外至内，导向槽凸出部分14的宽度逐步减小。导向槽凹槽部分15为等宽的方形槽体结构。

涡轮叶片限位槽6为与涡轮叶片导向槽5相对应的圆环体，该圆环体与涡轮叶片导向槽5相对侧面上设有若干用于限制涡轮叶片自由度的限位槽凸出部分16，且限位槽凸出部分16能插入相对应的涡轮叶片导向槽5的导向槽凹槽部分15中；相邻两个限位槽凸出部分16之间设有一个与涡轮叶片导向槽5的导向槽凸出部分14相配合的限位槽凹槽部分17。限位槽凸出部分17为与涡轮叶片导向槽5的导向槽凹槽部分15相匹配的等宽的方形体结构。限位槽凹槽部分17为与涡轮叶片导向槽5的导向槽凸出部分14相配合的楔形结构，沿圆环体的径向方向由外至内，限位槽凹槽部分17的宽度逐步减小。

顶锻杆2包括一体结构的上部与换向夹具1的楔形内表面相接触的顶部斜块8和位于顶部斜块8下方的两个推杆9，所述推杆9末端顶在涡轮叶片4的焊接脚块13上。

换向夹具1为一圆环形结构，该圆环形结构的内表面成楔形，且楔形表面与圆环的中心线之间的夹角为15°。

涡轮叶片与涡轮涡盘的径向摩擦焊接工艺与装置是基于摩擦焊接技术提出的，该工艺与装置适用于高效焊接涡轮叶片或者具有环形矩阵排列的复杂零件。

如图1涡轮叶片与涡轮盘连接的径向摩擦焊接装置的装配图，焊前的准备工作是确保焊接质量的重要环节，

第一步，利用精密仪器加工涡轮叶片4，并在涡轮叶片4的底部预留一定高度的焊接脚块13（摩擦连接部分）。

第二步，把经过精加工的涡轮叶片4放置在设计好的涡轮叶片导向槽5中，使其精确安装。

第三步，再将涡轮叶片限位槽6与涡轮叶片导向槽5镶嵌配合，实现了涡轮叶片4在焊接过程中的稳定，在焊接过程中，涡轮叶片导向槽5用来导引涡轮叶片的径向运动，叶片限位槽6限制涡轮叶片4的自由度，可确保涡轮叶片4的焊接精度。

第四步，把涡轮盘3放置在涡轮叶片导向槽5与涡轮叶片限位槽6中心的通孔处，并装夹在旋转装置上，焊接中，涡轮盘3主动旋转并与涡轮叶片4摩擦产热，达到摩擦焊接的效果。

第五步，把顶锻杆2插入涡轮叶片导向槽5与涡轮叶片限位槽6之间配合的间隙中，顶锻杆顶端与涡轮叶片3的焊接脚块13接触，焊接中顶锻杆2推动涡轮叶片4沿着径向方向运动，实现径向加压。

第六步，将换向夹具1与顶锻杆2配合装配，换向夹具1的内腔有15°斜面7，主要作用是把焊接中的轴向推力转换为径向推力。

第七步，在各组件完成装配后，实施焊接。

第八步，焊接完成后，将整个装置从装置换向夹具1、涡轮叶片顶锻杆2、涡轮叶片导向槽5、涡轮叶片限位槽6（图1）由外到内逐个拆卸，然后精加工焊接好的涡轮。

整个焊接过程分为三级加压，即一级初始摩擦压力、二级稳定摩擦压力和三级顶锻摩擦压力，摩擦压力逐级升高，确保涡轮叶片4与涡轮盘3的有效连接。具体焊接过程如下：

1）整套装置装配完成后，通过控制器设定各级压力和各级的摩擦时间参数。

2）启动旋转动力，旋转动力装置带动涡轮盘3旋转，轴向推力装置推动换向夹具，1将轴向推力转换为径向力加载在涡轮叶片顶锻杆2上，进行摩擦焊接。

3）一级初始摩擦阶段，摩擦压力为20MPa～50MPa，摩擦时间为3-50s，防止涡轮叶片与涡轮盘之间的摩擦阻力过大引起的系统抱死；当摩擦界面温度升高到1100℃后，施加50MPa～100MPa二级稳定摩擦压力,摩擦时间为3-50s，该压力能保证摩擦产热与热量的耗散的动态平衡；焊接后期，瞬间通过顶锻杆施加100MPa～200MPa的三级顶锻摩擦压力，顶锻时间为0.2s到1s，同时将涡轮盘转速降至为零，完成焊接；

4）将焊接后的涡轮在铣床上打磨精加工，去除多余材料，得到符合质量要求的产品。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接装置，其特征是，包括设置于中心位置的涡轮盘，涡轮盘外圆周上均匀设有与其相接触的涡轮叶片，涡轮叶片通过位于其两侧且相互配合用于对其分别起导向和限位作用的涡轮叶片导向槽和涡轮叶片限位槽限位固定，涡轮叶片导向槽和涡轮叶片限位槽相配合的间隙中插入一端顶在涡轮叶片底部的焊接脚块上的顶锻杆，顶锻杆另一端与换向夹具的楔形内表面接触；涡轮盘通过旋转动力装置带动旋转，通过轴向推力装置逐步加大对换向夹具施加轴向力，经换向夹具的楔形内表面将轴向力转化为对顶锻杆的径向力，顶锻杆再对涡轮叶片施加径向力，涡轮叶片与涡轮盘之间的摩擦力逐步加大，并能保持摩擦产热与热量的耗散的动态平衡量，然后瞬间施加顶锻压力，同时将涡轮盘转速降至为零，完成焊接；旋转动力装置和轴向推力装置通过控制器控制。

2.如权利要求1所述的涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接装置，其特征是，所述涡轮盘包括涡轮盘主体和蜗轮轴，涡轮盘主体安装于蜗轮轴上，涡轮盘主体的外圆周与涡轮叶片下端相接触。

3.如权利要求1所述的涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接装置，其特征是，所述涡轮叶片包括一体结构的上部的叶片和下部的焊接脚块。

4.如权利要求1所述的涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接装置，其特征是，所述涡轮叶片导向槽为一圆环体，圆环体一侧面上均匀设有若干凸出部分，相邻两个凸出部分之间为用于将涡轮叶片置于其中且能起到径向导向作用的凹槽部分；

所述凸出部分为楔形结构，沿圆环体的径向方向由外至内，凸出部分的宽度逐步减小；

所述凹槽部分为等宽的方形槽体结构。

5.如权利要求4所述的涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接装置，其特征是，所述涡轮叶片限位槽为与导向槽相对应的圆环体，该圆环体与涡轮叶片导向槽相对侧面上设有若干用于限制涡轮叶片自由度的凸出部，且凸出部能插入相对应的涡轮叶片导向槽的凹槽部分中；相邻两个凸出部之间设有一个与涡轮叶片导向槽的凸出部分相配合的凹槽部。

6.如权利要求5所述的涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接装置，其特征是，所述凸出部为与涡轮叶片导向槽的凹槽部分相匹配的等宽的方形体结构；

所述凹槽部为与导向槽的凸出部分相配合的楔形结构，沿圆环体的径向方向由外至内，凹槽部的宽度逐步减小。

7.如权利要求3所述的涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接装置，其特征是，所述顶锻杆包括一体结构的上部与换向夹具的楔形内表面相接触的顶部斜块和位于顶部斜块下方的两个推杆，所述推杆末端顶在涡轮叶片的焊接脚块上。

8.如权利要求1所述的涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接装置，其特征是，所述换向夹具为一圆环形结构，该圆环形结构的内表面成楔形，且楔形表面与圆环的中心线之间的夹角为15°。

9.一种利用涡轮叶片与涡轮盘的径向摩擦焊接装置的径向焊接工艺，步骤如下：

第一、把经过精加工的涡轮叶片放置在涡轮叶片导向槽中，安装完毕后，再将涡轮叶片限位槽与涡轮叶片导向槽镶嵌配合，能实现涡轮叶片在焊接过程中的稳定；涡轮叶片导向槽用来导引涡轮叶片的径向运动，叶片限位槽限制涡轮叶片的自由度，可确保涡轮叶片的焊接精度；

第二、把涡轮盘放置在涡轮叶片导向槽与涡轮叶片限位槽中心的通孔处，并装夹在旋转装置上，焊接时，旋转装置带动涡轮盘旋转并与仅能够径向运动的涡轮叶片摩擦产热，并在径向压力下达到摩擦焊接的效果；

第三、把顶锻杆插入涡轮叶片导向槽与涡轮叶片限位槽之间配合的间隙中，顶锻杆末端与涡轮叶片的脚块接触，焊接时，顶锻杆推动涡轮叶片沿着径向方向运动，实现径向加压；

第四、将换向夹具与顶锻杆配合装配，换向夹具有15°斜面，主要作用是把焊接中的轴向推力转换为径向推力；

第五、在各组件完成装配后，实施焊接；由于摩擦生热，摩擦界面上的材料发生塑性变形、表面激活、扩散和动态再结晶而达到冶金接合，整个焊接过程分为三级加压，即一级初始摩擦压力、二级稳定摩擦压力和三级顶锻摩擦压力，摩擦压力逐级升高，确保涡轮叶片与涡轮盘的有效连接；

第六、焊接完成后，将整个装置逐个拆卸，然后精加工焊接好的涡轮，去除多余材料，得到符合质量要求的产品。

10.如权利要求9所述的工艺，其特征是，所述第五步中整个焊接过程的具体步骤如下：

1）整套装置装配完成后，由控制器设定各级压力和各级的摩擦时间参数；

2）启动旋转动力装置，旋转动力装置带动涡轮盘旋转，并通过轴向轴向推力装置推动换向夹具，将轴向推力转换为径向力加载在涡轮叶片顶锻杆上，进行摩擦焊接；

3）一级初始摩擦阶段，摩擦压力为20MPa～50MPa，摩擦时间为3-50s，防止涡轮叶片与涡轮盘之间的摩擦阻力过大引起的系统抱死；当摩擦界面温度升高到1100℃后，施加50MPa～100MPa二级稳定摩擦压力,摩擦时间为3-50s，该压力能保证摩擦产热与热量的耗散的动态平衡；瞬间通过顶锻杆施加100MPa～200MPa的三级顶锻摩擦压力，顶锻时间为0.2s到1s，同时将涡轮盘转速降至为零，完成焊接；

4）将焊接后的涡轮在铣床上打磨精加工，去除多余材料，得到符合质量要求的产品。