CN107206542A - 通过电子束或激光焊接将涡轮增压器涡轮机叶轮接合于轴的方法，对应的涡轮增压器涡轮机叶轮 - Google Patents

通过电子束或激光焊接将涡轮增压器涡轮机叶轮接合于轴的方法，对应的涡轮增压器涡轮机叶轮 Download PDF

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Abstract

一种涡轮增压器机叶轮(4)和轴(1)组件，其具有延伸至该轴(1)的外周缘的焊接区域接触表面的截头锥形几何形状。该截头锥形几何形状不仅允许各部件(1,4)在接合期间的连续对中，而且消除沿平面的应力传播问题。电子束的位置偏移，以使得仅仅截头锥形接触表面径向外部区段通过焊接接合，留下径向的内部未熔化和未熔合区域用以维持倾斜表面的稳固接触。

Description

通过电子束或激光焊接将涡轮增压器涡轮机叶轮接合于轴的 方法，对应的涡轮增压器涡轮机叶轮
技术领域
本发明提供了一种优选用于涡轮增压器的涡轮机叶轮和轴之间接触表面的新型几何形状，以允许各零件在焊接过程期间的持续对中。
背景技术
涡轮增压器以极高的旋转速度(对于大型涡轮增压器高达80000RPM并且对于小型涡轮增压器高达300000RPM)操作。取决于发动机中的燃烧类型，驱动涡轮机叶轮的排气可在从740℃至1050℃的范围内。因此，涡轮机叶轮和轴是由高强度耐高温的金属构成的，所述金属能够承受离心装载和温度变化，而不会遭受显著变形，显著变形会改变平衡，引入噪声，缩短组装寿命等等。
已知使用惯性摩擦焊接技术来接合叶轮和轴，在惯性摩擦焊接技术中轴可联接于飞轮，该飞轮积聚来自以固定速度旋转所产生的动能，并且该旋转轴推抵于静止涡轮机叶轮。摩擦热量在两个表面摩擦在一起时产生，以形成焊接。在惯性摩擦焊接过程中包括的各种限制包括闪光焊覆层的产生，该闪光焊覆层须通过焊接后机加工来去除。另外，闪光焊覆层可能被截流在圆柱形接头内部，从而在接合操作之后需要较大的劳力来平衡叶轮轴组件。此外，高推力压力使得使用大型、刚性且昂贵的机械成为必需。
还已知利用电子束焊接过程来接合涡轮机叶轮和轴组件。电子束(EB)利用高功率密度电子束，其在真空中聚焦在接头上。电子束产生具有较小焊接失真的深窄熔融区域。由于具有较小失真的高质量焊接和对于焊接后机加工的较少工作，通常对于高应力涡轮增压器应用选择EB。
另一基于能量束的技术包含一个或多个激光束来输送足以将各部件焊接在一起的能量。诸如CO2激光器的气体激光器和诸如Nd:YAG激光器的固态激光器能用于焊接钛涡轮机叶轮和轴。
不管是使用电子束焊接还是激光束焊接，由激光束熔化的材料在固化之后的冷却期间收缩，这可能具有诸如变形和产品形状改变的不期望后果。需要改进此种接合技术，以可靠地生产具有高接合精度的接头。
另一潜在的危险是在焊接中出现裂缝。由于涡轮机叶轮和轴是刚性的，焊接的收缩在焊接中产生高应力，这会引起沿着焊缝的表面的横向裂缝(图6a)或者沿焊接深度方向的纵向裂缝(图6b)。此外，留在焊缝区域中的残余应力会在上述高热应力和离心装载下的涡轮增压器操作期间引起连接松弛。这进而导致转子失衡，从而相关联地发出噪声并且增大磨损。
美国专利US 6,848,180教示了通过(a)将形成在一个涡轮机叶轮的一个端部处的圆柱形突部装配到形成在涡轮机叶轮中的用以径向地定位零件(即，同轴定位)的装配孔中、以及(b)将涡轮机轴的一个端部在邻抵部分处邻抵于涡轮机叶轮来轴向地定位零件来接合叶轮和涡轮机轴是已知的。这些零件通过邻抵部分的整个周界的电子束焊接来熔合。在该专利中，教示一种改进的接合方法，其中涡轮机叶轮的装配孔的内周界壁的一部分向内渐缩，并且涡轮机轴接合于叶轮的端部具有对应地渐缩的邻抵部分。接触渐缩表面确保精确的同轴和轴向定位，并且抑制熔融时的变形。然而，匹配零件的此种设计是复杂的，其中匹配零件具有冗余的尺寸。此外，焊接围绕传统的平面邻抵部分处的接触区域的周界发生，从而导致如上所述的焊接应力，这可能引起弯曲变形。
不管是使用电子束焊接还是激光束焊接，由激光束熔化的材料在固化之后的冷却期间收缩，这可能取决于状况而引起变形和形状变化。需要提供一种用于将涡轮机叶轮接合于轴的接合技术，该接合技术具有高接合精度并且不具有变形。需要一种接合技术，该接合技术允许能以经济的方式形成高强度和质量的接头，这会避免引起接头中形成应力和裂缝的状况。
发明内容
本发明部分地基于如下认识做出：在涡轮机叶轮和轴之间焊接接头处的接触表面的常规平面几何形状一方面由于焊接期间变形引入错位可能性，并且另一方面在接头的二维平面中引入应力集中，从而产生有利于裂缝形成的状况。
本发明提供了一种在涡轮机叶轮和轴之间接触表面的新型几何形状，这允许各零件在焊接过程期间的连续对中，并且同时允许在三维空间中的应力耗散，由此所产生的接头是高度精确的并且不易失真或开裂。
本发明通过改变涡轮机叶轮和轴之间焊接区域接触表面的几何形状、也就是从平面几何形状至倾斜或渐缩(横截面观察)或截头锥形(三维观察)几何形状的外周界周向接触面积而做出。截头锥形几何形状不仅允许各零件在接合期间的连续对中，而且消除由于焊接非平面接触表面而沿平面的应力传播问题。本发明进一步需要修改电子束，以使得焊接即不像常规那样深也不窄。最后，电子束的位置偏移，以使得截头锥形接触表面区域的外部或周界区段通过焊接接合，留下内部未熔化和未焊接区域，用以通过焊接过程维持倾斜表面的稳固接触。
附图说明
通过举例的方式而不是限制的方式在附图中示出了本发明，在附图中类似的附图标记指示类似的零件，且在附图中：
图1示出常规接头，其中涡轮机叶轮和涡轮机轴沿着垂直于轴轴线的平面接合在一起；
图2示出根据本发明的涡轮机叶轮与轴在焊接之前利用截头锥形接触表面的匹配；
图3示出涡轮机叶轮与轴根据本发明在焊接之后利用截头锥形接触表面的匹配；
图4是从图3剖取的焊接的放大图示，其示出轴中的焊接根部；
图5示出在涡轮机叶轮中具有焊接根部的替代实施例；
图6a、图6b示出通过常规的电子束或激光焊接形成的焊接中可能的应力和裂缝形成；以及
图7示出如何通过改变电子束的特性来改变焊接的形状。
具体实施方式
例如下文更详细解释地是，当电子束或激光束用于将涡轮机叶轮熔合至轴时，束在焊接接头处垂直于轴和叶轮的旋转轴线径向地引导，并且轴和叶轮旋转以使得在轴和叶轮转动时围绕整个周界接触区域形成焊接。电子通过电子枪产生、加速至高速度、由电场成形为束、进一步准直或变为平行且然后通过电磁透镜聚焦。这允许产生极其深且窄的焊接(参见图7，焊接“d”、“e”以及“f”)。由于束垂直于轴瞄准，常规的深且窄焊接产生平面的盘形接头区域，并且因此涡轮机叶轮和轴接触表面定形成在该平面盘形区域中彼此接触，即在该周界接触区域处的轴和叶轮接触表面是平面的。
例如图1中所示，常规的轴1具有圆柱形对中突部2，该圆柱形对中突部能插入到涡轮机叶轮4中的圆柱形容座3中，且留下间隙6。对于轴向位置，叶轮和轴沿着邻抵区域5接触，其中接触表面处于垂直于旋转轴线的平面7a中。出于上述原因，本发明已被认为是形成接头的理想方法。
本发明基于如下发现做出：限制在该狭窄平面接头区域中的不期望应力能通过在焊接之前将接触表面的设计改变为图2中示出的倾斜或截头锥形配置7b而较大程度地耗散。轴1的周界接触区域较佳地相对于径向以至少5°、更佳地至少10°、最佳地近似15-25°、较佳地小于30°且不超过45°的角度略微倾斜。形成在涡轮机叶轮4上的匹配接触表面是钝角并且与形成在轴上的接触表面的角度互补，以使得这些表面彼此齐平地邻抵。
另一方面，减缩可以是在相反方向上，且斜面在接触区域处形成在涡轮机叶轮上，并且轴设有如图5所示与径向平面成钝角的相互接触表面。该实施例的优点在于，焊接的根部处于涡轮机叶轮中，该涡轮机叶轮通常具有较硬的材料。
在任一情形中，接触表面易于通过常规的技术形成，并且该设计并不需要对匹配零件进行负载且冗余地定尺寸。
焊接设备的几何形状配置并不改变，以使得EB或激光束持续垂直于旋转轴线撞击轴和叶轮。然而，本发明对倾斜或截头锥形接触区域的焊接会需要(a)焊缝朝向轴(图4)或朝向叶轮(图5)轴向地偏移，以及(b)替代深且窄的焊接(图7，焊接“d”、“e”以及“f”)，控制束以产生具有比常规的深且窄焊接更宽且较小深度(图7，焊接“c”；图4和5)的焊接。较佳地是，熔体的穿透深度是在焊接表面处熔体宽度的2-3倍。接触区域的倾斜度以及焊接的形状和位置彼此调节，以使得焊接近似将外周界熔化接触区域的1/3至3/4、较佳地约周界接触区域的约1/2至2/3，但并不熔化清洗接触区域的完整长度。参照图4，其中放大地示出图3的焊接8，且轴和叶轮以及接触区域的外直径在熔化之前的形状以虚线示出。在熔化之后，涡轮机叶轮和轴的金属变得熔合到焊接8中。例如能观察到的是，接触区域的径向内部区段“y”并不熔化，而仅仅接触区域的径向外部区段“x”熔化(其中“x”+“y”＝接触区域)。这样，维持还未焊接的倾斜表面的稳固接触的区域。同时，根部凹口(升高应力的位置)位于轴(图4)或涡轮机叶轮(图5)的材料中。此外，涡轮机叶轮的并且用于径向地定位零件的常规圆柱形对中表面也有助于使得这些部件在焊接过程期间可靠地对中。
轴可由与涡轮机叶轮相同的材料形成，或者可由不同的材料形成。例如，涡轮机叶轮和轴两者可由钛合金形成，或者轴可由诸如AISI 8740钢的合金钢形成，并且涡轮机叶轮由诸如超合金INCONEL 713的镍基合金形成。中间或钎焊复合物可设置在涡轮机叶轮和轴之间以促进焊接和粘结。
较佳地是，轴由比涡轮机叶轮较低熔点的金属制成，以使得轴会在涡轮机叶轮之前开始熔化。可选地是，轴的外表面紧邻于接触区域设有小块额外材料，该材料在涡轮机叶轮熔化之前熔化，并且填充接触区域中的任何间隙。额外材料在平衡之前在焊接后操作中去除。
束的调节以产生焊接的期望宽度和深度落在本领域普通技术人员的范围内。电子束的有效性取决于许多因素。最重要的是所要焊接材料的物理特性，尤其是它们能在低压力状况下熔化的简易型。
单个电子的热量贡献极小，但电子能通过极高的电压加速，并且通过增多它们的数量(束电流)，束的功率能增大至任何期望的数值。通过将束聚焦在固体对象的表面上，能达到高至104直至107W/mm2的平面功率密度数值。由于电子将它们的能量传递至固体的极薄层中的热量，在该体积中的功率密度会极其高。电子的动能转换成热量的小体积中的体积功率密度能达到105-107W/mm3量级的数值。因此，该体积中的温度以108-109K/s极其快速地升高。
能控制电子束，以产生如图4中所示的各种焊接形状。虽然常规的“垂直”平面接头较佳地EB焊接至具有图6中焊接形状“d”、“e”或“f”的接头，但目前的焊接较佳地具有更类似于图6中焊接形状“c”的形状。
该区域由束影响的大小和形状取决于：
(1)束功率，束的功率[W]是加速电压[kV]和束电流[mA]的积，这些参数能易于测量并且能精确地控制。该功率以通常最高可达到的恒定加速电压由束电流控制。
(2)功率密度(束的聚焦)，在束与工件的入射点处的功率密度取决于如下因素，例如阴极上电子源的大小、加速电镜和聚焦磁透镜的光学质量、束的对准、加速电压的数值以及焦距。所有这些因素(除了焦距)均取决于机器的设计。
(3)焊接速度，焊接设备的构造应使得能够以足够宽的范围、例如在2和50mm/s之间调节工件相对于束的相对运动速度。
(4)材料特性，并且在一些情形中还取决于
(5)接头的几何形状(形状和尺寸)。
束的最终效果取决于这些参数的特定组合。
束以低功率密度或者在极短时间上的动作导致仅仅熔化薄表面层。
散焦光束并不穿透，并且以低焊接速度的材料仅仅通过从表面的热传导而加热，从而产生半球形的熔化区域。
在高功率密度和低速度下，产生较深且略呈锥形的熔化区域。
在极高功率密度的情形中，束(良好聚焦)与其总体功率成比例地更深地穿透。
在焊接和退火之后对涡轮机叶轮和轴之间接触表面的新几何形状的测试确认实践中初始不平衡得以改进。
虽然涡轮机叶轮和轴之间接触表面的新几何形状已在这里相对于适合于汽车或火车工业的实施例进行相当详细地描述，但显而易见的是，所接合的涡轮机叶轮和轴及其生产过程适合于用在各种其它应用中，例如飞行器或燃料电池驱动车辆。虽然在一定程度上具体地参照涡轮增压器的由汽车内燃机排气驱动的涡轮机叶轮和轴并以其较佳的形式描述了本发明，但应理解的是，较佳形式的本发明仅仅借助示例做出并且结构细节和组合的组成可采取各种变化，而不会偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于将涡轮增压器涡轮机叶轮接合至轴的方法，所述方法包括：
在所述轴的一个端部上设置延伸至所述轴的外直径的截头锥形接触表面，所述轴具有轴轴线，
在所述涡轮机叶轮上设置互补的匹配接触表面，
使得所述涡轮机叶轮的所述接触表面和所述轴的所述接触表面沿着接触区域相接触，
通过电子束或激光束焊接所述涡轮机叶轮和所述轴，其中所述涡轮机叶轮通过熔化和熔合所述截头锥形接触表面的径向外部区段而接合至所述轴，并且其中所述截头锥形接触表面的径向内部区段并不熔化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中熔化并熔合以总接触区域表面积计所述接触区域的外部1/3至3/4。
3.根据权利要求1所述的方法，其中熔化并熔合以总接触区域表面积计所述接触区域的外部1/2至2/3。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述截头锥形接触表面相对于垂直于所述轴轴线的平面处于从5°至45°的角度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述截头锥形接触表面相对于垂直于所述轴轴线的平面处于从10°至30°的角度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述截头锥形接触表面相对于垂直于所述轴轴线的平面处于从15°至25°的角度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述截头锥形接触表面和所述轴轴线之间的角度小于85°，并且所述涡轮机叶轮轴线的所述互补的截头锥形接触表面的角度大于95°。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述截头锥形接触表面和所述轴轴线之间的角度大于95°，并且所述涡轮机叶轮轴线的所述互补的截头锥形接触表面的角度小于85°。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述焊接部的深度是所述焊接部在所述叶轮和所述轴表面处的宽度的2至3倍。
10.一种涡轮增压器涡轮机叶轮和轴组件，其由根据权利要求1所述的过程生产。
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