CN105556093A - 涡轮轴中的转轴与叶轮的焊接方法、涡轮轴以及焊接装置 - Google Patents

涡轮轴中的转轴与叶轮的焊接方法、涡轮轴以及焊接装置 Download PDF

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Abstract

涡轮轴(1)中的转轴(2)与叶轮(3)的焊接方法，在涡轮轴中，形成有向旋转轴方向凹陷的内部孔(3d)的环状的对象面(底面)(3c)设置于转轴(2)以及叶轮(3)的任意一方，具有与对象面(3c)对置的对置部(2c)和从对置部(2c)向中心侧连续且面对内部孔(3d)的非对置部(2d)的对置面(一端面)(2a)设置于转轴(2)以及叶轮(3)的任意另一方，焊接方法包含：将对象面(3c)以及对置面(2a)以面接触状态在旋转轴方向上对置配置的工序；以及针对对象面(3c)以及对置面(2a)，基于熔融深度到达与对置部(2c)相比更靠中心侧的条件，从转轴(2)的径向外侧向径向内侧进行射束照射，而将对象面(3c)和对置面(2a)焊接的工序。

Description

涡轮轴中的转轴与叶轮的焊接方法、涡轮轴以及焊接装置
技术领域
本发明涉及涡轮轴中的转轴与叶轮的焊接方法、涡轮轴以及焊接装置。
背景技术
以往的增压器具备轴承壳体、以能够旋转的方式支承于轴承壳体的涡轮轴、设置在涡轮轴的一端的涡轮叶轮、以及设置在涡轮轴的另一端的压缩机叶轮。增压器与发动机连接，通过从发动机排出的排放气体使涡轮叶轮旋转，并且通过该涡轮叶轮的旋转，经由转轴使压缩机叶轮旋转。这样，增压器伴随着压缩机叶轮的旋转对空气压缩并送至发动机。
涡轮轴通过转轴与涡轮叶轮的焊接而构成。作为焊接方法，如专利文献1所示，例如，使用激光焊接、电子束焊接等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2012－137099号公报
发明内容
发明所要解决的课题
近年来，要求增压器的小型化。为了应对该迫切期望，并且确保对应于发动机容量的输出，要求使涡轮轴更加高速地旋转。
因此，上述的涡轮轴的焊接中，希望将焊接条件适当地设定，将焊接品质进一步提高。
本发明的目的在于提供能够提高涡轮轴的焊接品质的涡轮轴中的转轴与叶轮的焊接方法、涡轮轴以及焊接装置。
用于解决课题的方法
本发明的第一方式是涡轮轴中的转轴与叶轮的焊接方法，在该涡轮轴中，形成有向旋转轴方向凹陷的内部孔的环状的对象面设置于转轴以及叶轮的任意一方，具有与对象面对置的对置部和从对置部向中心侧连续地形成而面对内部孔的非对置部的对置面设置于转轴以及叶轮的任意另一方，转轴以及叶轮不具有通过相互嵌合而规定相互相对的位置的构造，上述涡轮轴中的转轴与叶轮的焊接方法的特征在于，包含：将对象面以及对置面以面接触状态在旋转轴方向上对置配置的工序；以及针对对象面以及对置面，基于熔融深度到达与对置部相比更靠中心侧的条件，从转轴的径向外侧向径向内侧进行射束照射，从而对对象面和对置面进行焊接的工序。
也可以在上述对置面的非对置部设置有突出部，该突出部向旋转轴方向突出而被插入内部孔，并且该突出部相对于内部孔的内周面在转轴的径向上隔开，在焊接的工序中，以熔融深度位于内部孔的内周面和突出部的外周面之间的方式进行射束照射。
也可以在对置面的非对置部设置有小径孔，该小径孔向旋转轴方向凹陷，并且直径比内部孔小，在焊接的工序中，以熔融深度位于内部孔的内周面和小径孔的内周面之间的方式进行射束照射。
也可以在减压环境下，作为射束照射而照射激光，从而完成焊接对象面和对置面的工序。
本发明的第二方式是使用第一方式的焊接方法来形成的涡轮轴。
本发明的第三方式是焊接装置，其对涡轮轴中的转轴与叶轮进行焊接，在该涡轮轴中，形成有向旋转轴方向凹陷的内部孔的环状的对象面设置于转轴以及叶轮的任意一方，具有与对象面对置的对置部和从对置部向中心侧连续地形成而面对内部孔的非对置部的对置面设置于转轴以及叶轮的任意另一方，转轴以及叶轮不具有通过相互嵌合而规定相互相对的位置的构造，上述焊接装置的特征在于，具备：卡盘部，其将对象面以及对置面以面接触状态在旋转轴方向上对置配置；以及焊接部，其针对对象面以及对置面，以熔融深度到达与对置部相比更靠中心侧的方式，从转轴的径向外侧向径向内侧进行射束照射，从而对对象面和对置面进行焊接。
本发明的第四方式是涡轮轴，其特征在于，具备转轴以及叶轮，该转轴以及叶轮不具有通过相互的嵌合而规定相互相对的位置的构造，且通过焊接来相互接合，转轴以及叶轮的任意一方包含环状的对象面，该环状的对象面形成有向旋转轴方向凹陷的内部孔，转轴以及叶轮的任意另一方包含对置面，该对置面具有：与对象面对置的对置部；以及从对置部向中心侧连续地形成而面对内部孔的非对置部，伴随着对象面以及对置面的对置部的焊接而熔融且其后固化的熔融部位从对象面和对置部的接合部到达非对置部。
对置面也可以包含形成于非对置部且向旋转轴方向突出的突出部。突出部的外周面也可以相对于内部孔的内周面夹着非对置部在转轴的径向隔离。熔融部位中的径向内侧的端部也可以位于非对置部。
发明的效果
根据本发明，能够提高涡轮轴的焊接品质。
附图说明
图1(a)以及图1(b)是用于说明本发明的一个实施方式的涡轮轴的图。
图2是本发明的一个实施方式的焊接装置的示意图。
图3是用于说明本发明的一个实施方式的焊接方法的流程图。
图4(a)～图4(c)是用于说明熔融深度的图。
图5(a)～图5(d)是分别用于说明本发明的一个实施方式的第一～第四变形例的图。
图6(a)以及图6(b)是用于说明相对于图5(c)所示的第三变形例的比较例的图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的一个实施方式详细地进行说明。该实施方式所示的尺寸、材料、其他具体的数值等只是用于使发明的理解容易的例示。因此，这些除了特别说明的情况以外不限定本发明。此外，本说明书以及附图中，对具有实质上相同的功能、结构的要素赋予相同的附图标记而省略重复说明，而且省略与本发明没有直接关系的要素的图示。
(涡轮轴1)
图1(a)以及图1(b)是用于说明涡轮轴1的图。图1(a)是转轴2与涡轮叶轮3(叶轮)被焊接前的侧视图。图1(b)是涡轮叶轮3与转轴2被焊接后的涡轮轴1的侧视图。
如图1(a)所示，转轴2具有位于旋转轴方向的一端并且与涡轮叶轮3对置的一端面2a(对置面)。在一端面2a形成有向旋转轴方向突出的突出部2b。
另外，涡轮叶轮3具备轮毂3a、配设于轮毂3a的外周面的多个叶片3b。在轮毂3a的底面3c(对象面)形成有内部孔(凹部)3d。内部孔3d向转轴2的轴向凹陷。内部孔3d的内径比转轴2的突出部2b的外径大。因此，突出部2b能够插入到内部孔3d。
如图1(b)所示，转轴2的突出部2b被插入涡轮叶轮3的内部孔3d，转轴2的一端面2a与涡轮叶轮3的底面3c抵接。在维持该抵接的状态下，向一端面2a和底面3c的外周进行射束照射来进行焊接，从而涡轮叶轮3与转轴2接合，形成涡轮轴1。以下，对焊接转轴2和涡轮叶轮3的焊接装置进行说明。
(焊接装置100)
图2是焊接装置100的示意图。图2中，将控制信号的流向以虚线的箭头表示。图2所示的第一保持部102由具有被未图示的促动器驱动的三个卡爪102a的卡盘装置等构成。第一保持部102配置在转车台104上。而且，第一保持部102是通过三个卡爪102a夹住转轴2中的与一端面2a相反侧的端部来把持转轴2。另外，第一保持部102固定于未图示的马达的输出轴，绕所把持的转轴2的旋转轴旋转。
第二保持部106(卡盘部)由具有被促动器(未图示)驱动的三个卡爪106a的卡盘装置等构成。第二保持部106通过三个卡爪106a夹住涡轮叶轮3中的轮毂3a的凸台部3e来把持涡轮叶轮3。
第二保持部106固定于机器人臂(未图示)。通过机器人臂的驱动，第二保持部106在把持涡轮叶轮3的状态下，将涡轮叶轮3搬运到转轴2的一端面2a侧。
焊接部108具有振荡器108a、光纤108b、聚光部108c。振荡器108a通过激光介质(未图示)的激励而产生光。产生的光经由光纤108b被引导至聚光部108c，被聚光部108c聚光并且被照射到焊接部分。
控制部110由包含中央处理装置(CPU)、存储有程序等的ROM、作为工作区域的RAM等的半导体集成电路构成。控制部110除了控制第一保持部102、转车台104、第二保持部106、焊接部108以外，还控制焊接装置100具备的机器人臂、促动器、马达的驱动。
(焊接方法)
接着，对使用焊接装置100的涡轮轴1中的转轴2与涡轮叶轮3的焊接方法进行说明。图3是用于说明本实施方式的焊接方法的流程图。首先，在转车台104中，第一保持部102配置在与第二保持部106不对置的退避位置。而且，控制部110控制未图示的机器人臂，在第一保持部102设置转轴2。
第一保持部102驱动三个卡爪102a来把持转轴2。而且，若转车台104旋转，转轴2接近第二保持部106，则第二保持部106驱动三个卡爪106a，把持涡轮叶轮3的凸台部3e，将涡轮叶轮3向转轴2的一端面2a侧搬运而设置(S200)。
而且，第二保持部106在使涡轮叶轮3的底面3c的径向的中心或者与涡轮叶轮3的重心对应的径向的位置以及转轴2的一端面2a的中心一致的状态下，将底面3c以及一端面2a以面接触状态在旋转轴方向上对置配置(S202)。这里，底面3c中的与涡轮叶轮3的重心对应的径向的位置能够预先计测涡轮叶轮3的重心位置来确定。此外，如后所述，转轴2以及涡轮叶轮3未共享承插构造。因此，焊接中的两者的相对的位置被第一保持部102和第二保持部106规定。
并且，转车台104旋转，转轴2以及涡轮叶轮3接近焊接部108。而且，焊接部108针对底面3c以及一端面2a，以成为后述的熔融深度的方式，从转轴2的径向外侧向径向内侧进行射束照射(S204)。
此时，第一保持部102通过马达而旋转，转轴2以及涡轮叶轮3绕转轴2的旋转轴旋转。这样，遍及底面3c和一端面2a的外周的整周扫描激光，底面3c和一端面2a被焊接。
接着，对本实施方式的焊接方法以及焊接装置100中，焊接部108对于底面3c以及一端面2a进行射束照射时的熔融深度进行详述。
图4(a)～图4(c)是用于说明熔融深度的图。图4(a)示出了关于焊接前的转轴2以及涡轮叶轮3，包含图1(b)的虚线部A的转轴2的轴中心的剖面。
如图4(a)所示，转轴2的一端面2a具有对置部2c和非对置部2d。对置部2c是在使一端面2a中的转轴2的径向的中心与底面3c的径向的中心，或者与涡轮叶轮3的重心对应的径向的位置一致的状态下对置时(同轴对置状态)，与涡轮叶轮3的底面3c对置地面接触的部位。
另一方面，非对置部2d是在上述的同轴对置状态下不与涡轮叶轮3的底面3c对置的部位，从对置部2c向中心侧连续地形成，且面对内部孔3d的部位。底面3c通过形成于其内径侧的内部孔3d而成为环状。通过该形状，形成非对置部2d。
突出部2b形成于一端面2a的非对置部2d。突出部2b被插入内部孔3d。另外，突出部2b相对于内部孔3d的内周面3f夹着非对置部2d在转轴2的径向上隔开。即，转轴2和涡轮叶轮3不具有承插构造(spigot(joint)structure)。这里，承插构造是指以凹部和凸部为代表，通过两个部件的相互的嵌合而规定相互相对的位置的构造。在共享承插构造的两个部件中，例如，相对于一方的部件的内周面，另一方的部件的外周面相对地滑动并且插入(嵌合)从而做出两者的相对的定位。
图4(b)、图4(c)以交叉阴影线表示伴随着相对于转轴2以及涡轮叶轮3的射束照射而暂时熔融后固化的部位(熔融部位)B。通过射束照射而进行穿透型的焊接(key-holewelding,key-holemodewelding)时，形成小孔(keyhole)。这里，穿透型的焊接是能量密度比较高，能够形成深度比宽度大的熔融池的焊接，小孔是在该熔融池中熔融的金属蒸发，以蒸发的金属从表面离散时的反作用力产生的凹陷。
本实施方式中，如图4(b)所示，部位B的熔融深度与对置部2c相比到达更靠中心侧。即，部位B从对象面3c和对置部2c的接合部到达非对置部2d。具体而言，部位B中的转轴2的径向内侧(图4中下侧)的端部位于一端面2a的非对置部2d，该一端面2a的非对置部2d处于突出部2b的外周面2e和内部孔3d的内周面3f之间。换句话说，该端部未达到突出部2b的外周面2e。另一方面，如图4(c)所示的比较例中，部位B中的转轴S1的径向内侧(图4中，下侧)的端部与突出部S1b的外周面S1e相比到达更靠转轴S1的径向内侧。即，小孔与突出部S1b的外周面S1e相比到达更靠转轴S1的径向内侧。
比较例中，从非对置部2d到突出部S1b为止连续地被熔融。因此，熔融的结果，滞留于突出部S1b的外周面S1e的金属的流量较多。在熔融金属滞留在突出部S1b的外周面S1e上而固化时，根据焊接条件，有形成与裂缝相同的形状(疑似裂缝)的可能性。另外，也有卷入焊接中的环境气体(例如空气)，从而在焊接部位形成孔隙(空孔)的可能性。若这样形成疑似裂缝或孔隙，则根据其产生部位，有焊接部位的强度降低的风险。因此，需要更加严格地管理各种焊接条件。
这里，转轴2和涡轮叶轮3能够用不同的金属构成。例如，转轴2由SCM或SCr等的铬钢形成，涡轮叶轮3由耐热性、耐氧化性良好的Ni基超合金等形成。
因此，在本实施方式中，焊接部108针对底面3c以及一端面2a，以熔融深度位于内部孔3d的内周面3f和突出部2b的外周面2e之间的方式，从转轴2的径向外侧向径向内侧进行射束照射。详细而言，反复进行焊接处理和焊接后的焊接部位的分析等而特定适当的焊接条件，根据特定的焊接条件来进行焊接，以便成为如上的焊接。即，基于得到上述的所希望的熔融深度的焊接条件(换言之使用该条件)进行焊接。该焊接条件例如作为数据保存于控制部110，焊接开始时被读出而用于焊接的控制。
其结果，在突出部2b滞留的金属的流量少，不易形成像比较例那样的疑似裂缝或孔隙。因此，能够提高焊接品质。
另外，即使穿过内周面3f的射束的一部分到达突出部2b而熔融突出部2b的一部分，照射到非对置部2d侧的射束也不会到达突出部2b。因此，熔融部分不会从非对置部2d连续到突出部2b。
图5(a)～图5(d)是用于分别说明本实施方式的第一～第四变形例的图。第一变形例中，如图5(a)所示，在突出部2b形成有对置孔12f。对置孔12f向旋转轴方向凹陷，并且与内部孔3d对置。
第二变形例中，如图5(b)所示，在一端面2a的非对置部2d形成有环状槽22f。环状槽22f与一端面2a的对置部2c相比，更向旋转轴方向凹陷并且在突出部2b的周围形成为环状。
第一变形例以及第二变形例中都与上述的实施方式相同，焊接部108针对底面3c以及一端面2a，以熔融深度位于内部孔3d的内周面3f和突出部2b的外周面2e之间的方式，从转轴2的径向外侧向径向内侧进行射束照射。因此，不易形成疑似裂缝或孔隙，能够提高焊接品质。此外，即使在焊接时产生熔融粒子(所谓溅射(spatter))的情况下，外周面2e也挡住熔融微粒子。由此，防止熔融粒子的飞散。另外，熔融微粒子在外周面2e上残留，所以也抑制固化的熔融粒子的碰撞导致的异响的产生。
另外，第二变形例中，形成有环状槽22f。因此，熔融的金属也扩散到环状槽22f。其结果，熔融的金属的厚度变薄，并且，不易形成疑似裂缝或孔隙。
第三变形例中，如图5(c)所示，在一端面2a的非对置部2d设置有比内部孔3d小径的小径孔32f。小径孔32f从一端面2a向旋转轴方向凹陷。该情况下，在焊接转轴2和涡轮叶轮3的工序中，以熔融深度位于内部孔3d的内周面3f和小径孔32f的内周面32g之间的方式，进行射束照射。
图6(a)以及图6(b)是用于说明相对于第三变形例的比较例的图。图6(a)所示的比较例中，部位B中的转轴S2的径向内侧(图6中下侧)的端部未达到内部孔T2d的内周面T2f。该情况下，在对置面S2a以及对象面T2c中被焊接的面积比第三变形例小，有不能确保充分的焊接强度的风险。
另一方面，图6(b)所示的比较例中，部位B中的转轴S2的径向内侧(图6中下侧)的端部与小径孔S2f的内周面S2g相比到达更靠径向内侧。因此，熔融的金属有不停止于对置面S2a，而垂落到内部孔T2d以及小径孔S2f的可能性。其结果，有涡轮轴的旋转方向的重心偏离的风险。
第三变形例中，如图5(c)所示，在焊接转轴2和涡轮叶轮3的工序中，以熔融深度位于内部孔3d的内周面3f和小径孔32f的内周面32g之间的方式进行射束照射。因此，能够提高焊接品质。
第四变形例中，如图5(d)所示，未设置有上述的实施方式中所示的突出部2b。另外，也未设置有第三变形例的小径孔32f。然而，与第一～第三变形例相同，焊接部108针对底面3c以及一端面2a，以熔融深度到达与对置部2c相比更靠中心侧的方式，从转轴2的径向外侧向径向内侧进行射束照射，而将底面3c和一端面2a焊接。因此，避免与图6(a)所示的比较例同样地，熔融后固化的部位B中的、转轴2的径向内侧(图6中，下侧)的端部未到达内部孔3d的内周面3f的情况，从而能够实现焊接品质的提高。
上述的实施方式以及变形例中，对形成有内部孔3d的环状的底面3c设置在涡轮叶轮3，而与底面3c对置的一端面2a设置在转轴2的情况进行了说明。然而，也可以是形成有内部孔的环状的对象面设置在涡轮叶轮，与对象面对置的对置面设置在转轴。
另外，上述的实施方式以及变形例中，对焊接装置100通过激光焊接将转轴2和涡轮叶轮3焊接的情况进行了说明，然而焊接装置也可以通过电子束焊接来将转轴2和涡轮叶轮3焊接。
在电子束焊接的情况下，将涡轮叶轮3中的轮毂3a的底面3c(对象面)和转轴2的一端面2a(对置面)焊接的焊接工序是在减压环境下进行。另一方面，在激光焊接的情况下，焊接工序一般而言，在大气压下进行。然而，在本发明的焊接工序中，通过在大致成为真空的减压环境下作为射束照射而照射激光，从而能够相辅相成地提高焊接品质。即，进一步抑制空气等焊接中的环境气体卷入熔融金属，进一步提高孔隙的抑制效果。
以上，参照附图对本发明的合适的实施方式进行了说明，然而当然本发明不限于上述实施方式。明显只要是本领域技术人员，在权利要求书记载的范畴内，能够想到各种变更例或者修正例，理所当然这些也属于本发明的技术范围。
此外，本说明书的焊接方法中的各工序不需要一定按照流程图中记载的顺序以时间序列处理。
工业上的利用可能性
本发明能够利用于涡轮轴中的转轴与叶轮的焊接方法、涡轮轴以及焊接装置。

Claims (8)

1.一种涡轮轴中的转轴与叶轮的焊接方法，在该涡轮轴中，形成有向旋转轴方向凹陷的内部孔的环状的对象面设置于转轴以及叶轮的任意一方，具有与上述对象面对置的对置部和从上述对置部向中心侧连续地形成而面对上述内部孔的非对置部的对置面设置于上述转轴以及上述叶轮的任意另一方，上述转轴以及上述叶轮不具有通过相互嵌合而规定相互相对的位置的构造，上述涡轮轴中的转轴与叶轮的焊接方法的特征在于，包含：
将上述对象面以及上述对置面以面接触状态在旋转轴方向上对置配置的工序；以及
针对上述对象面以及上述对置面，基于熔融深度到达与上述对置部相比更靠中心侧的条件，从上述转轴的径向外侧向径向内侧进行射束照射，从而对上述对象面和上述对置面进行焊接的工序。
2.根据权利要求1所述的涡轮轴中的转轴与叶轮的焊接方法，其特征在于，
在上述对置面的非对置部设置有突出部，该突出部向旋转轴方向突出而被插入上述内部孔，并且该突出部相对于上述内部孔的内周面在上述转轴的径向上隔开，
在上述焊接的工序中，以熔融深度位于上述内部孔的内周面和上述突出部的外周面之间的方式进行射束照射。
3.根据权利要求1所述的涡轮轴中的转轴与叶轮的焊接方法，其特征在于，
在上述对置面的非对置部设置有小径孔，该小径孔向旋转轴方向凹陷，并且直径比上述内部孔小，
在上述焊接的工序中，以熔融深度位于上述内部孔的内周面和上述小径孔的内周面之间的方式进行射束照射。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮轴中的转轴与叶轮的焊接方法，其特征在于，
在减压环境下，作为上述射束照射而照射激光，从而完成焊接上述对象面和上述对置面的工序。
5.一种涡轮轴，其特征在于，通过上述权利要求1至4中任一项所述的焊接方法来焊接。
6.一种焊接装置，其对涡轮轴中的转轴与叶轮进行焊接，在该涡轮轴中，形成有向旋转轴方向凹陷的内部孔的环状的对象面设置于转轴以及叶轮的任意一方，具有与上述对象面对置的对置部和从上述对置部向中心侧连续地形成而面对上述内部孔的非对置部的对置面设置于上述转轴以及上述叶轮的任意另一方，上述转轴以及上述叶轮不具有通过相互嵌合而规定相互相对的位置的构造，上述焊接装置的特征在于，具备：
卡盘部，其将上述对象面以及上述对置面以面接触状态在旋转轴方向上对置配置；以及
焊接部，其针对上述对象面以及上述对置面，以熔融深度到达与上述对置部相比更靠中心侧的方式，从上述转轴的径向外侧向径向内侧进行射束照射，从而对上述对象面和上述对置面进行焊接。
7.一种涡轮轴，其特征在于，
具备转轴以及叶轮，该转轴以及叶轮不具有通过相互的嵌合而规定相互相对的位置的构造，且通过焊接来相互接合，
上述转轴以及上述叶轮的任意一方包含环状的对象面，该环状的对象面形成有向旋转轴方向凹陷的内部孔，
上述转轴以及上述叶轮的任意另一方包含对置面，该对置面具有：与上述对象面对置的对置部；以及从上述对置部向中心侧连续地形成而面对上述内部孔的非对置部，
伴随着上述对象面以及上述对置面的上述对置部的焊接而熔融且在之后固化的熔融部位，从上述对象面和上述对置部的接合部到达上述非对置部。
8.根据权利要求7所述的涡轮轴，其特征在于，
上述对置面包含形成于上述非对置部且向上述旋转轴方向突出的突出部，
上述突出部的外周面相对于上述内部孔的内周面夹着上述非对置部在上述转轴的径向上隔开，
上述熔融部位中的径向内侧的端部位于上述非对置部。
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