CN112091476A - 一种涡轮壳排废阀焊接用焊丝、焊接工艺及焊接工装 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种涡轮壳排废阀焊接用焊丝、焊接工艺及焊接工装。焊接工艺包括如下步骤：焊丝准备；焊接设备选取；设置焊接参数；焊接路径：在待焊部中心开始脉冲自熔焊进行起弧加热，再由待焊部中心至待焊部的第一端部先脉冲自熔焊，然后由待焊部的第一端部至其第二端部时脉冲送丝焊，由第二端部向第一端部返回时仅脉冲自熔焊不送丝，然后在第一端部与第二端部之间往复焊接，其中，待焊部中心位于司太立轴上，第一端部与第二端部为待焊部的左右两端，最后收弧；收弧完成后自然冷却。本发明提供的涡轮壳排废阀焊接用焊丝，解决碳化物析出的裂纹缺陷；多层多道的焊接工艺，解决层间未焊透、缩松、气孔等缺陷，气动焊接工装，提高焊接质量及生产效率。

Description

一种涡轮壳排废阀焊接用焊丝、焊接工艺及焊接工装

技术领域

本发明涉及涡轮壳焊接领域，尤其涉及一种涡轮壳排废阀焊接用焊丝、焊接工艺及焊接工装。

背景技术

涡轮增压器的废气再循环系统应用在重型卡车的发动机中，它在工作中面临的最大考验是高温及疲劳。涡轮增压器工作温度一般在600-650°，而使用AVG技术的涡轮会产生1000℃的高温。发动机每个冲程排出的高温废气被引入涡轮增压器壳体中，带动内部的叶轮工作后，经涡壳的废气阀门及出气端再排出。因车辆在加速、刹车、减速等过程会造成发动机的温度变化，涡轮排废阀门的主要失效形式就是高温变形、交变温度引起的塑性变形，阀门高速开启、闭合的热机械疲劳。

现有涡轮增压器排废阀组件，轴的材料为具有超高温强度的合金材料司太立6号(stellite alloy N0.6材质)，阀片的材料是ST STEEL AISI 321不锈钢。针对stellitealloy N0.6材质(轴)与ST STEEL AISI 321材质(阀片)异种钢材焊接，现有焊接工艺是：手工TIG焊+手动工装。

司太立合金是一种能耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化的硬质合金，即通常所说的钴铬钨(钼)合金，钴铬钨合金的基本成分是：Co:50％-58％,Cr:28％-30％,W:4％-6％,Ni:2％-4％等各种合金组成，熔点为1470℃。由合金成分可以看出，该合金的含钴量和含钨量都十分高，使得该材料具有优良的高温性能，同时具有较差的可焊性。

Stellite 6材料常用的焊接工艺：预热至400℃，然后在此温度焊接，焊后需进行加热至600-750℃，保温2小时的热处理，以达到所要求的持久的强度和热疲劳性能，此预热、缓冷的焊接工艺，过程复杂，效率低，不适用于汽车零部件行业的大批大量生产。

现有涡轮增压器排废阀组装件采用手工焊接后，在试验中出现废气阀片焊接处脱落、破裂(大约1900-2300小时的发动机测试)，经检测分析，焊缝表面出现裂纹，熔池内部有贯穿裂纹，合格率低。原因是手工TIG焊接过程因焊接速度，焊接轨迹不稳定，焊接质量不能保证；异种钢材的自熔焊接，熔池内部易出现碳化物析出引起的焊接裂纹(参见图18)，严重影响焊接质量；手动工装重复定位精度低，焊接过程不稳定。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种涡轮壳排废阀焊接用焊丝、焊接工艺及焊接工装，以解决因异种钢材焊接引起的焊接热裂纹，由多层多道的焊接工艺解决层间未焊透、缩松、气孔等缺陷，以获得更好的内部焊接质量，所述技术方案如下：

本发明提供了一种涡轮壳排废阀焊接用焊丝，涡轮壳排废阀包括司太立轴及套设在司太立轴上的不锈钢阀片，所述不锈钢阀片上设置有开孔，所述司太立轴和不锈钢阀片的开孔之间具有待焊部，所述焊丝用于焊接待焊部，所述焊丝的组成及重量百分比为：

C：0-0.22％；

Mn：0-0.1％；

Fe：0-9.7％；

P：0-0.003％；

S：0-0.002％；

Si：0-0.2％；

Ti：0-0.11％；

Cr：18-24.6％；

AL：0-2.15％；

Zr：0-0.05％；

剩余为Ni。

本发明还提供了一种涡轮壳排废阀焊接用焊丝，涡轮壳排废阀包括司太立轴及套设在司太立轴上的不锈钢阀片，所述不锈钢阀片上设置有开孔，所述司太立轴和不锈钢阀片的开孔之间具有待焊部，所述焊丝用于焊接待焊部，所述焊丝的组成及重量百分比为：

C：0-0.05％；

Mn：2.5-3.5％；

Fe：0-1.5％；

P：0-0.01％；

S：0-0.01％；

Si：0-0.25％；

Cu：0-0.5％；

Ti：0-0.75％；

Cr：18-22％；

Nb和Ta：2.0-3.0％；

剩余为Ni。

本发明又提供一种涡轮壳排废阀焊接工艺，涡轮壳排废阀包括司太立轴及套设在司太立轴上的不锈钢阀片，所述不锈钢阀片上设置有开孔，所述司太立轴和不锈钢阀片的开孔之间具有待焊部，其包括如下步骤：

S1、焊丝准备：选择权利要求1-2中任意一项所述的焊丝作为填充焊丝，所述焊丝直径范围为1-2mm；

S2、焊接设备选取：机器人TIG焊接，包括机械手、设置在所述机械手上的送丝机构及焊枪；

S3、设置焊接参数：设置焊接电流、起弧电流、起弧点、收弧点、焊接路径及送丝速度；保护气体为99.99％的高纯度氩气，氩气流量范围为10-14ml/min；

S4、焊接路径：直接在待焊部中心开始脉冲自熔焊进行起弧加热，再由待焊部中心至待焊部的第一端部先脉冲自熔焊，然后由待焊部的第一端部至其第二端部时脉冲送丝焊，由第二端部向第一端部返回时仅脉冲自熔焊不送丝，然后在第一端部与第二端部之间往复焊接，其中，待焊部中心位于司太立轴上，所述第一端部与第二端部为待焊部的左右两端；由待焊部第一端部向其第二端部时称为正向送丝焊，由第二端部向第一端部返回时称为反向自熔焊；

最后收弧；

S5、收弧完成后自然冷却。

进一步地，在步骤S4中，由第一端部至第二端部进行焊接形成一层焊缝，由第二端部至第一端部进行自熔焊接，每层焊缝厚度范围为1-1.5mm；在步骤S3中，焊接结束后自待焊部中心收弧。

进一步地，在步骤S4中，焊接电流为100-150A，焊接速度范围为0.01-0.1m/min；收弧电流范围为15-25A，送丝速度范围为0.15-0.30m/min。

进一步地，在步骤S2中，所述焊丝直径为1mm、1.6mm或2mm。

进一步地，在步骤S4中，所述涡轮壳排废阀固定在焊接工装上进行焊接。

本发明还提供一种涡轮壳排废阀焊接工装，所述涡轮壳包括涡轮壳本体、法兰、设置在涡轮壳本体上的司太立轴与阀片，所述阀片套设在司太立轴上，所述司太立轴的第一端部设置有摇臂，所述司太立轴的第二端部套设有挡圈，

所述焊接工装包括用于固定司太立轴的轴顶紧机构、用于固定阀片的阀片顶紧机构、用于固定阀片顶紧机构的固定机构、用于固定涡轮壳本体与法兰的定位机构、设置在涡轮壳上方的机械手、设置在所述机械手第一移动端的送丝机构以及设置在所述机械手第二移动端的焊枪；

所述轴顶紧机构包括用于固定摇臂的第一顶紧组件、用于固定挡圈的第二顶紧组件，所述第一顶紧组件包括第一固定件、设置在第一固定件上的第一弹簧销以及与第一弹簧销连接的第一顶压件，所述第一弹簧销包括第一弹簧，所述第一顶压件用于抵压摇臂以限制司太立轴沿其轴向移动，当所述第一顶压件抵压摇臂时，所述第一弹簧处于压缩状态；

所述第二顶紧组件包括第二固定件、设置在第二固定件上的第二弹簧销以及与第二弹簧销固定连接的第二顶压件，所述第二弹簧销包括第二弹簧，所述第二弹簧销相对第二固定件转动，进而带动第二顶压件转动，所述第二顶压件用于抵压挡圈，以限制所述挡圈在司太立轴上的相对位置，当所述第二顶压件顶紧挡圈时，所述第二弹簧处于压缩状态；

所述阀片顶紧机构可转动地设置在第一固定件上，其包括设置在第一固定件上的第三弹簧销、第三顶压件及手柄组件，所述第三弹簧销包括第三弹簧，所述手柄组件与第三顶压件连接，其用于压缩所述第三弹簧，使得所述第三顶压件抵压阀片以限制阀片相对所述司太立轴运动；

所述固定机构包括第一驱动机构以及与第一驱动机构连接的第一抵接件，所述第一抵接件用于抵压阀片顶紧机构，以限制所述阀片顶紧机构转动。

进一步地，所述第一固定件上设置有开孔，所述第一弹簧销还包括能够在开孔内转动的第一推杆，所述第一弹簧套设在第一推杆的一端部并抵触所述第一固定件的一侧面，所述第一顶压件设置在第一推杆的另一端部，所述第一推杆能够在开孔内沿其轴向移动，并压缩所述第一弹簧，使得所述第一顶压件抵压摇臂以限制司太立轴沿其轴向移动；

所述第二固定件上设置有开孔，所述第二弹簧销还包括能够在开孔内转动的第二推杆，所述第二弹簧套设在第二推杆的一端部并靠近所述第二固定件的一侧面，所述第二顶压件设置在第二推杆的另一端部，所述第二推杆能够在开孔内沿其轴向移动，并压缩所述第二弹簧，使得所述第二顶压件抵压挡圈，以限制所述挡圈在司太立轴上的相对位置；

所述手柄组件包括手柄与手柄固定连接的连接件，所述连接件与第三顶压件固定连接，所述阀片顶紧机构还包括设置有开孔的罩壳，所述第三弹簧销及连接件设置在罩壳内，所述手柄的底部设置在罩壳内，其上部探出开孔；所述手柄组件能够在罩壳内滑动，并压缩所述第三弹簧。

进一步地，所述定位机构包括用于固定涡轮壳本体的定位芯、用于固定涡轮壳本体边缘的第一定位组件与第二定位组件以及用于固定法兰侧面的第三定位组件。

本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：

1.本申请提供的涡轮壳排废阀焊接工艺，采用填充镍基焊材对异种钢材焊接，有利于解决因碳化物析出的裂纹缺陷，解决因异种钢材焊接引起的焊接热裂纹，又通过多层多道焊接的工艺解决焊缝内部层间未焊透、缩松、气孔等缺陷，能获得更好的内部焊接质量；

2.可取消预热缓冷工艺，采用本申请提供的焊接工艺可在常温下进行焊接，自然空冷，焊接工艺简单，所需时间短，达到焊接质量无裂纹、无气孔等缺陷，符合客户的焊接接收标准；采用机器人的TIG焊、气动焊接工装，提高焊接过程的稳定性，提升焊接效率，适用于汽车零部件行业的大批大量生产，大大提高生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的涡轮壳排废阀焊接工装第一视角的立体图；

图2是本发明实施例提供的涡轮壳排废阀焊接工装第二视角的立体图；

图3是图2中的放大图；

图4是本发明实施例提供的涡轮壳排废阀焊接工装的俯视图；

图5是图4中的放大图；

图6是图4中D-D方向的剖面图；

图7是图4中E-E方向的剖面图；

图8是图4中F-F方向的剖面图；

图9是本发明实施例提供的涡轮壳排废阀焊接工装第三视角的立体图；

图10是本发明实施例提供的涡轮壳排废阀焊接工装的侧视图；

图11是司太立轴的立体图；

图12是阀片的立体图；

图13是摇臂的立体图；

图14是挡圈的立体图；

图15是涡轮壳的立体图；

图16是涡轮壳的俯视图；

图17是图16中待焊部的放大图；

图18是采用手工焊不加焊丝时焊缝区发生裂纹的焊缝横切面的宏观金相照片；

图19是采用机器人焊接并选用第二焊丝的焊缝区金相照片；

图20是采用机器人焊接并选用第一焊丝的焊缝区金相照片；

图21是涡轮壳排废阀焊接工艺的流程图。

其中，附图标记包括：1-涡轮壳，11-涡轮壳本体，12-司太立轴，13-阀片，14-摇臂，15-挡圈，16-法兰，2-轴顶紧机构，21-第一固定件，22-第一弹簧销，23-第一顶压件，24-第二固定件，25-第二弹簧销，26-第二顶压件，3-阀片顶紧机构，31-第三弹簧销，32-第三顶压件，33-手柄，34-罩壳，35-连接件，4-固定机构，41-第一驱动机构，42-第一抵接件，51-第二驱动机构，52-第二抵接件，53-第三驱动机构，54-第三抵接件，55-第四驱动机构，56-第四抵接件，6-手压钳，7-待焊部，8-送丝机构，9-焊枪，10-定位芯。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本发明的一个实施例中，提供了一种涡轮壳排废阀焊接用焊丝、焊接工艺及焊接工装，参见图1和图2，所述涡轮壳排废阀包括司太立轴及设置在司太立轴(Stellite 6)上的不锈钢阀片(AISI 321)，所述不锈钢阀片上设置有开孔，所述司太立轴和不锈钢阀片的开孔之间具有待焊部，通过在待焊部进行焊接将司太立轴与不锈钢阀片这两种异种钢材焊接固定。所述待焊部为具有一定长度的长圆孔，如腰圆孔形状，所述待焊部具有中心A、以及左右相对设置的第一端部B与第二端部C。在实际应用中，长圆孔的尺寸为9.5mm×4.3mm×2.8mm，尺寸较小。

所述司太立轴与不锈钢阀片的化学成分、力学性能、物理性能进行对比分析，司太立轴的化学成分如表1所示，司太立轴和不锈钢阀片的力学性能和物理性能如表2所示：

表1司太立轴和不锈钢阀片的化学成分

表2司太立轴和不锈钢阀片的力学性能和物理性能

材料	硬度	密度	熔点
				司太立轴	282HB	8.44g/cm<sup>3</sup>	1385℃
不锈钢阀片	≤187HB	7.85g/cm<sup>3</sup>	1500℃

当选择自熔焊时，通过宏观金相分析可知，焊缝表面出现裂纹，熔池内部有贯穿裂纹，这些裂纹是焊接后直接产生的；通过显微金相分析得知，焊缝区的组织晶粒显著变大，并析出了碳化物。与司太立轴和不锈钢阀片的原始状态相比，焊缝中存在大量的碳化物析出，并在析出的部位产生了开裂。

通过金相分析表明，焊接加热后的司太立轴和不锈钢阀片，与两者的原始状态相比，有明显的碳化物析出，这是由于司太立6号和AISI321不锈钢，二者都存在含量较高的Cr等强烈的碳化物形成元素，与Cr等形成碳化物，同时碳化物在液相中的溶解度要大于在固相中的溶解度，导致碳化物在晶间析出，并向较晚凝固的地方聚集(偏析)。碳化物硬度高，但塑性和韧性差，贫碳相的高温蠕变强度下降，这两个方面叠加在一起，加上在焊接应力、高温运行工况、交变/振动载荷的作用下产生裂纹。

为解决上述问题，本发明提供一种涡轮壳排废阀焊接用焊丝。

实施例1

在本发明提供的优选实施例中，所述涡轮壳排废阀焊接用焊丝(简称第一焊丝)的组成及重量百分比为：

C：0-0.22％；

Mn：0-0.1％；

Fe：0-9.7％；

P：0-0.003％；

S：0-0.002％；

Si：0-0.2％；

Ti：0-0.11％；

Cr：18-24.6％；

AL：0-2.15％；

Zr：0-0.05％；

剩余为Ni。

实施例2

在本发明提供的另一个实施例中，所述涡轮壳排废阀焊接用焊丝(简称第二焊丝)的组成及重量百分比为：

C：0-0.05％；

Mn：2.5-3.5％；

Fe：0-1.5％；

P：0-0.01％；

S：0-0.010％；

Si：0-0.25％；

Cu：0-0.5％；

Ti：0-0.75％；

Cr：18-22％；

Nb和Ta：2.0-3.0％；

剩余为Ni。

对比例1

选用与司太立轴相同的材质Stellite 6。

对比例2

选用与不锈钢阀片相同的材质ER321。

所述实施例1中第一焊丝、实施例2中第二焊丝、对比例1中Stellite 6、对比例2中ER321的化学成分、力学性能、物理性能进行对比分析，化学成分如表3所示，力学性能和物理性能如表4所示：

表3对比例1-2、实施例1-2中材质的化学成分

表4实施例1-2中第一焊丝和第二焊丝的力学性能和熔点

采用手工焊接方式，针对实施例1、实施例2、对比例1和对比例2，对同等尺寸的司太立轴及不锈钢阀片进行焊接，焊接质量验证方法通过宏观金相和显微金相的方法来验证。

焊接质量要求如下：焊缝外观：无裂纹、弧坑裂纹、表面孔洞等；熔池内部要求：无裂纹、弧坑裂纹、根部微裂纹、热影响区微裂纹，气孔比例≤1％，无未熔合，无未焊透，夹杂物h≤0.2s,l≤s(s是穿透深度，H和I是夹杂物的高度和长度)。

(一)对比例1和对比例2的分析结果如下：

由宏观金相分析可知，显示失效的裂纹分散在焊接熔池的不同位置上，出现多条纵向裂纹，这些裂纹为焊接后直接产生。

由显微金相分析可知，焊缝区的组织晶粒显著变大，并析出了碳化物，并在析出的部位产生了开裂。

因对比例1中stellite 6焊材的Co含量占50％-58％,纯钴晶体在417℃以下是密排六方(hcp)晶体结构，在使用过程中容易析出碳化物相而变脆。stellite 6焊材含钴量和含钨量都十分高，且与司太立轴同材质，常温可焊性差，焊后更易出现因碳化物析出引起的热裂纹。

对比例2中ER321焊材与不锈钢阀片同材质，ER321焊材与Stellite 6轴可焊性差。二者都存在含量较高的Cr等强烈的碳化物形成元素，同样在焊后更易出现因碳化物析出引起的热裂纹。

(二)实施例1和实施例2的分析结果如下：

为了提高钴基合金的高温特性，可以降低合金的含碳量，增加一定的镍含量，由钴基合金转镍基合金化，在室温到熔点温度范围内使组织稳定化，所以焊材宜选择镍基合金焊材。

通过实验得知，使用第一焊丝、第二焊丝分别进行焊接后，熔池内部裂纹明显改善；焊接合格率由50.77％提升至80％以上。第一焊丝和第二焊丝均适用于stellite 6与AISI321异型钢材焊接，稳定性较好；焊接质量比较高。

由金相照片可知，所述第一焊丝与第二焊丝这两种焊丝均有效地避免了焊缝区出现裂纹的问题，但是第二焊丝所焊接的焊缝中存在较多的晶粒间的未熔合缺陷参见图19中d所指。所述第二焊丝的熔点高达1390℃，其熔化后在熔池中的流动性较差，这是产生未熔合缺陷的主要原因。而第一焊丝中含有了2.15％的AI(铝)，AI可以有助于降低熔点见表4和图20，改善流动性，对熔池内部的晶粒间未熔合缺陷有明显的改善。

虽然两种焊丝均有效地改善了焊缝区的裂纹问题，但手工焊接熔池内出现较多的层间未熔合、缩松、气孔等缺陷。

为了使焊接过程更加可控和稳定，保证热输入的稳定性和焊缝轨迹的一致性，采用机器人TIG焊接替代人工TIG焊接，本发明又提供一种涡轮壳排废阀焊接工艺，能有效改善焊缝区存在较多的层间未焊透、缩松、气孔等缺陷，参见图21，其包括如下步骤：

S1、焊丝准备：选择镍基焊丝作为填充焊丝，其中，所述镍基焊丝为第一焊丝或第二焊丝中的一种，所述镍基焊丝直径范围为1-2mm，镍基焊丝直径为1mm、1.6mm或2mm，优选为1mm；

S2、焊接设备选取：机器人TIG焊接，包括机械手、设置在所述机械手上的送丝机构及焊枪；

S3、设置焊接参数：设置焊接电流、起弧电流、起弧点、收弧点、焊接路径及送丝速度；保护气体为99.99％的高纯度氩气，氩气流量范围为10-14ml/min；

S4、焊接路径：直接在待焊部中心A开始脉冲自熔焊进行起弧加热，再由待焊部中心A至待焊部的第一端部B先脉冲自熔焊，然后由待焊部的第一端部B至待焊部的第二端部C脉冲填丝焊(称正向送丝，通过送丝机构)，由第二端部C至待焊部的第一端部B仅脉冲自熔焊不送丝(称逆向不送丝)，在第一端部B与第二端部C之间往复焊接，其中，待焊部中心A位于司太立轴上，所述第一端部B与第二端部C为待焊部的左右两端(若第一端部为左端，第二端部为右端，若第一端部为右端，第二端部为左端)；多层焊接，减少热输入，减小变形，降低焊接缺陷。在步骤S4中，由第一端部B至第二端部C进行焊接形成一层焊缝，每层焊缝厚度范围为1-1.5mm。由第二端部C至第一端部B进行自熔焊，即正火处理，因为不填丝，所以焊缝并没有增高，只是在原来的焊缝基础上进行正火处理。

也可从待焊部的第二端部C向其第一端部B时先脉冲填丝焊(称正向送丝)，当从第一端部B向其第二端部C时仅脉冲自熔焊不送丝(称逆向不送丝)；

优选地，先由待焊部中心A至待焊部的第一端部B进行自熔焊接(此为一回)，再由第一端部B至第二端部C进行填丝焊接(此为一回)，后由第二端部C至第一端部B进行自熔焊接(此为一回)，再重复由B至C进行填丝焊接(此为一回)，后由C至B进行自熔焊(此为一回)，最后由B至焊部中心A自熔焊接收弧(此为一回)，共计六回。

此步骤中起弧加热，可以起到司太立轴的预热目的，使司太立轴具有较好的可焊性；此步骤在常温下进行，所需时间短，操作简单方便。

最后收弧：优选由待焊部中心A收弧，因熔池内焊缝中心温度最高，由焊缝中心收弧，可以确保焊渣充分浮出熔池，减少收弧缩松的产生；由待焊部中心A收弧相对于完整走了一个循环，杂质去除彻底干净。

S5、收弧完成后自然冷却，因焊接零件小，焊速缓慢，可使整个涡壳(铸铁件)整体均匀受热，温度比较高；焊后涡壳整体自然空冷，可起缓冷作用；

在步骤S4中，焊接电流为100-150A，小电流焊接，减少热输入，提高焊接质量，因待焊部尺寸较小，若选用大电流，会烧塌，影响焊接质量；若选用较小电流，焊接不彻底，焊丝无法融化，无法更好焊接司太立轴和阀片。

在步骤S4中，焊枪速度范围为0.01-0.1m/min，送丝机构(进行填丝)速度范围0.15-0.30m/min，焊枪(进行焊接)慢速且匀速焊接，送丝速度均匀，对钴基合金转镍合金化，反应稳定，提高焊接质量。

在步骤S4中，收弧电流范围为15-25A，小电流焊接，减少热输入，提高焊接质量。

通过机器人正向送丝稳定、可靠；逆向不送丝，只焊接，相当于对前层焊缝进行正火处理，可以获得每层均匀的焊接质量，改善熔池缩松、气孔等缺陷，提高熔池质量。

采用焊接工装(气动夹紧)的方式替代手动工装夹紧的方式，这样可以同时实现焊接质量和焊接效率的双重提升，焊接的合格率进一步提升至了99％。所述涡轮壳排废阀组件通过气动焊接工装固定，更好固定定位涡轮壳，使得焊接过程稳定。

本发明还提供了一种涡轮壳排废阀焊接工装，参见图11和图12，所述涡轮壳1包括司太立轴12及设置在司太立轴12(材质为Stellite 6)上的不锈钢阀片13(AISI 321)，所述不锈钢阀片13上设置有贯通孔，当司太立轴12穿过贯通孔后进行焊接使得两者固定。所述不锈钢阀片13上还设置有长腰孔，所述司太立轴12和不锈钢阀片13的长腰孔之间具有待焊部7，通过在待焊部7进行焊接将司太立轴12与不锈钢阀片13这两种异种钢材焊接固定。所述待焊部7为具有一定长度的长腰孔，所述待焊部7具有中心A、以及左右相对设置的第一端部B与第二端部C。在实际应用中，长圆孔的尺寸为9.5mm×4.3mm×2.8mm，尺寸较小。

所述涡轮壳1包括涡轮壳本体11、法兰16、设置在涡轮壳本体11上的司太立轴12与阀片13，所述阀片13套设在司太立轴12上，所述司太立轴12的第一端部设置有摇臂14，所述司太立轴12的第二端部套设有挡圈15，所述司太立轴12为圆柱状结构，所述阀片13具有通孔，所述挡圈15为中空圆环结构，参见图11-图16。

所述涡轮壳1排废阀焊接工装包括用于固定司太立轴12的轴顶紧机构2、用于固定阀片13的阀片顶紧机构3、用于固定阀片顶紧机构3的固定机构4以及用于固定涡轮壳本体11与法兰16的定位机构。

所述轴顶紧机构2包括用于固定摇臂14的第一顶紧组件、用于固定挡圈15的第二顶紧组件。

所述第一顶紧组件的具体结构如下：具体参见图1、图2、图4、图7，所述第一顶紧组件包括第一固定件21、设置在第一固定件21上的第一弹簧销22以及与第一弹簧销22连接的第一顶压件23，所述第一弹簧销22包括第一弹簧，所述第一弹簧优选为压簧。所述第一固定件21起固定支撑作用。所述第一顶压件23用于抵压摇臂14以限制司太立轴12沿其轴向移动(所述涡轮壳上有供司太立轴穿过的孔，孔与司太立轴间隙配合，当只要所述第一顶压件23抵压摇臂14可将司太立轴顶紧固定以限制其轴向移动)，当所述第一顶压件23抵压摇臂14时，所述第一弹簧处于压缩状态，具体地，所述第一固定件21上设置有开孔，所述第一弹簧销22还包括能够在开孔内转动(360°旋转)的第一推杆(第一推杆为柱状结构)，所述第一弹簧套设在第一推杆的一端部并抵触所述第一固定件21的一侧面，所述第一顶压件23设置在第一推杆的另一端部，所述第一顶压件23与第一弹簧分别在第一固定件21的两侧。所述第一推杆套设有第一弹簧的一端部为便于手持的手持部(第一弹簧设置在第一固定件21与手持部之间，手持部为圆盘结构)，所述第一推杆能够在开孔内沿其轴向移动，手持部压缩所述第一弹簧，使得所述第一顶压件23抵压摇臂14以限制司太立轴12沿其轴向移动。当需要定位时，往靠近摇臂14方向推第一推杆以挤压第一弹簧，直至所述第一顶压件23压住摇臂14后，松开第一推杆，所述第一顶压件23自动顶紧摇臂14。

所述第一顶压件23与第一推杆垂直设置，所述第一顶压件23的结构具有多种结构形式，具体地，所述第一顶压件23抵压摇臂14的一端部具有凸出部(尖锐部)，以更好抵压摇臂14。

所述第二顶紧组件的具体结构如下：具体参见图1、图2、图4、图8，所述第二顶紧组件包括第二固定件24、设置在第二固定件24上的第二弹簧销25以及与第二弹簧销25固定连接的第二顶压件26，所述第二弹簧销25包括第二弹簧，所述第二弹簧销25相对第二固定件24转动，进而带动第二顶压件26转动，所述第二顶压件26用于抵压挡圈15以限制挡圈在司太立轴上的相对位置，即使得挡圈固定，当所述第二顶压件26顶紧挡圈15时，所述第二弹簧处于压缩状态，具体地，所述第二固定件24上设置有开孔，所述第二弹簧销25还包括能够在开孔内旋转转动的第二推杆(第二推杆为柱状结构)，所述第二弹簧套设在第二推杆的一端部并抵触所述第二固定件24的一侧面，所述第二顶压件26设置在第二推杆的另一端部，所述第二顶压件26与第二弹簧分别在第二固定件24的两侧。所述第二推杆套设有第二弹簧的一端部为便于手持的手持部(第二弹簧设置在第二固定件24与手持部之间，手持部为圆盘结构)，所述第二推杆能够在开孔内沿其轴向移动，并压缩所述第二弹簧，使得所述第二顶压件26抵压挡圈15以限制挡圈在司太立轴上的相对位置，即限制挡圈移动。当需要定位时，往靠近挡圈15方向推第二推杆以挤压第二弹簧，再旋转第二顶压件26，所述第二顶压件26压住摇臂14后，松开第二推杆，所述第二顶压件26自动顶紧挡圈15。

所述第二顶压件26与第二推杆垂直设置，所述第二顶压件26的结构具有多种结构形式，具体地，所述第二顶压件26抵压摇臂14的一端部设置有垂直设置的第一平面与第二平面，形成L形结构，以更好抵压挡圈15的圆环面和外周向面。

所述阀片顶紧机构3的具体结构如下：具体参见图1、图2、图4、图6，所述阀片顶紧机构3可转动地设置在第一固定件21上，其包括设置在第一固定件21上的第三弹簧销31、第三顶压件32及手柄组件，所述第三弹簧销31包括第三弹簧，所述手柄组件与第三顶压件32连接，其用于压缩所述第三弹簧，使得所述第三顶压件32抵压阀片13以限制阀片13阀片(13)相对所述司太立轴运动(沿司太立轴12的轴向移动和阀片13沿司太立轴12角度方向的转动)，具体地，所述手柄组件包括手柄33及与手柄33固定连接的连接件35，所述连接件35与第三顶压件32固定连接，所述阀片顶紧机构3还包括设置有开孔的罩壳34，所述第三弹簧销31及连接件35设置在罩壳34内，所述手柄33底部设置在罩壳34内，其上部探出开孔，所述手柄组件能够在罩壳34内滑动，并压缩所述第三弹簧，所述第三弹簧优选为压簧。推动手柄33，手柄33与连接件35压缩压簧，连接件35和第三顶压件32后缩(向靠近压簧方向移动)，再向上旋转整个阀片顶紧机构3，即松开阀片，可顺利取出涡轮壳1。装配新的涡轮壳1后，往下转动整个阀片顶紧机构3，松开手柄33，压簧张开以推着连接件35和第三顶压件32前移(向远离压簧方向移动，向阀片方向移动)，第三顶压件32可顶紧阀片13。

所述第三顶压件32的结构有多种，具体地，所述第三顶压件32包括横板及设置在横板下的纵板，所述横板与纵板垂直，形成L型结构，两者一体成型，所述横板优选为梯形结构。所述第三顶压件32接触阀片13时，可使得阀片13一端固定在所述横板与纵板之间的空间内，以更好地卡紧阀片13，防止其在焊接中移动。

所述手柄33与罩壳34垂直设置，其为圆柱形，方便操作。

所述固定机构4包括第一驱动机构41以及与第一驱动机构41连接的第一抵接件42，参见图1和图2，所述第一抵接件用于抵压阀片顶紧机构3，以限制所述阀片顶紧机构3转动，即限制阀片13沿司太立轴12角度方向的转动。所述第一抵接件42与罩壳34垂直设置，因第三弹簧销31在水平方向(罩壳34的长度方向)有顶紧力，但在与水平方向垂直的竖直方向没有顶紧力，增加固定机构4，可限制阀片顶紧机构3转动，增加在垂直方向的顶紧力，更好地固定阀片13。

所述定位机构的具体结构如下：参见图1和图2，所述定位机构包括用于固定涡轮壳本体11的定位芯10、用于固定涡轮壳本体11边缘的第一定位组件与第二定位组件以及用于固定法兰16侧面的第三定位组件。所述定位芯10用于固定涡轮壳本体11，限制5个自由度。所述第一定位组件包括第二驱动机构51以及与第二驱动机构51连接的第二抵接件52，所述第二驱动机构51用于驱动第二抵接件52抵压涡轮壳本体11边缘以固定涡轮壳本体；所述第二定位组件包括第三驱动机构53以及与第三驱动机构53连接的第三抵接件54，第三驱动机构53用于驱动第三抵接件54抵压涡轮壳本体11边缘以固定涡轮壳本体；所述第三定位组件包括第四驱动机构55以及与第四驱动机构55连接的第四抵接件56，所述第四驱动机构55用于驱动第四抵接件56抵压固定法兰16的侧面，以固定法兰16。

所述第一驱动机构41、第二驱动机构51、第三驱动机构53与第四驱动机构55均为气缸，方便操作。每个气缸对应一个操作开关，方便控制对应的抵接件抵压涡轮壳。

所述定位机构还包括用于固定涡轮壳法兰16正面的支撑钉57，限制1个旋转自由度。所述焊接工装还包括用于固定摇臂14的手压钳6。

所述焊接工装还包括设置在涡轮壳1上方的机械手、设置在所述机械手第一移动端的送丝机构8以及设置在所述机械手第二移动端的焊枪9，送丝机构8上设置有焊材可送丝，焊枪9用于焊接。

所述司太立轴12与阀片13、司太立轴12与挡圈15之间均需要焊接，使用本申请提供的焊接工装进行焊接的具体实施步骤如下：

步骤一：预先焊接司太立轴12与摇臂14，组成摇臂组件；

步骤二：将摇臂组件、阀片13、挡圈15按要求装入涡轮壳本体内，即阀片套设在摇臂组件的司太立轴上，挡圈设置在司太立轴的一端部；

步骤三：手动将涡轮壳装入定位芯10，法兰16正面抵住支撑钉57，所述第一定位组件与第二定位组件锁紧涡轮壳本体，所述第三定位组件顶紧法兰16侧面，涡轮壳被锁紧；

步骤四：所述第一顶紧机构顶紧摇臂组件与涡轮壳上衬套平面贴紧，司太立轴12的轴向锁紧(其一端部锁紧)；

步骤五：所述第二顶紧机构顶紧挡圈15与涡轮壳下衬套平面锁紧，挡圈15与司太立轴的位置固定(其另一端部锁紧)；

步骤六：所述摇臂支撑钉顶紧摇臂下侧面，手压钳6锁紧摇臂14角向位置；

步骤七：在阀片13与涡轮壳下衬套之间插入第一间隙片；

步骤八：阀片顶紧机构3轴向固定阀片13，使得阀片13与第一间隙片贴紧，同时角向顶紧阀片13与涡轮壳排废面贴紧；

步骤九：固定机构4压紧阀片顶紧机构3,进一步锁紧阀片13位置；

步骤十：使用填丝焊对司太立轴12与阀片13上的待焊部7进行焊接；

步骤十一：松开第一驱动机构，旋转阀片顶紧机构至脱离阀片，松开第一顶紧组件和第二顶紧组件,打开手压钳6，在摇臂与涡轮壳上衬套平面之间插入第二间隙片；

步骤十二：依次操作阀片顶紧机构、手压钳6、第一顶紧组件、第二顶紧组件、轴顶紧机构，将司太立轴与阀片固定，再焊接司太立轴12与挡圈15。

所述第一间隙片为2-3mm的不锈钢片，作用是保证焊接间隙，优选为2mm；所述第二间隙片为0.1-1mm的钼片，作用是保证焊接间隙，优选为0.5mm。

本发明提供的涡轮壳排废阀焊接工装可以实现司太立轴与阀片、司太立轴与挡圈的两处焊接，焊接以制备排废阀；装夹简单，效率提高，焊接尺寸稳定。

本发明通过使用涡轮壳排废阀焊接工装进行上述的涡轮壳排废阀焊接工艺，装夹简单，效率提高，焊接尺寸稳定。

采用手工自熔TIG焊(焊丝为与司太立轴相同的材质Stellite 6、与不锈钢阀片相同的材质ER321)，焊缝表面出现裂纹，熔池内部有贯穿裂纹、弧坑裂纹，合格率仅37％；采用机器人焊接、无焊接工装，两种焊丝(本方案的第一焊丝和第二焊丝)焊接合格率率分别为：第一焊丝：>91％；第二焊丝：72％；在选用两种焊丝基础上再采用气动焊接工装后，焊接的合格率进一步提升至了99％、85％，参见表5。

表5对比测试表

通过宏观金相和微观金相的分析得知，从自熔焊改为填丝焊，并选用具有抑制碳化物形成作用的镍基焊丝，改用热输入稳定的机器人焊接，焊缝质量稳定，合格率从原始(采用手工焊且只焊接不送丝)37％提升到了99％。

本发明提供的涡轮壳排废阀焊接工艺可取消预热缓冷工艺，采用本申请提供的焊接工艺可在常温下进行焊接，达到焊接质量无裂纹、无气孔等缺陷，符合客户的焊接接收标准，提高焊接过程的稳定性，提升焊接效率；焊接工艺简单，所需时间短，适用于汽车零部件行业的大批大量生产，提高生产效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种涡轮壳排废阀焊接用焊丝，涡轮壳排废阀包括司太立轴及套设在司太立轴上的不锈钢阀片，所述不锈钢阀片上设置有开孔，所述司太立轴和不锈钢阀片的开孔之间具有待焊部，所述焊丝用于焊接待焊部，其特征在于，所述焊丝的组成及重量百分比为：

C：0-0.22％；

Mn：0-0.1％；

Fe：0-9.7％；

P：0-0.003％；

S：0-0.002％；

Si：0-0.2％；

Ti：0-0.11％；

Cr：18-24.6％；

AL：0-2.15％；

Zr：0-0.05％；

剩余为Ni。

2.一种涡轮壳排废阀焊接用焊丝，涡轮壳排废阀包括司太立轴及套设在司太立轴上的不锈钢阀片，所述不锈钢阀片上设置有开孔，所述司太立轴和不锈钢阀片的开孔之间具有待焊部，所述焊丝用于焊接待焊部，其特征在于，所述焊丝的组成及重量百分比为：

C：0-0.05％；

Mn：2.5-3.5％；

Fe：0-1.5％；

P：0-0.01％；

S：0-0.01％；

Si：0-0.25％；

Cu：0-0.5％；

Ti：0-0.75％；

Cr：18-22％；

Nb和Ta：2.0-3.0％；

剩余为Ni。

3.一种涡轮壳排废阀焊接工艺，涡轮壳排废阀包括司太立轴及套设在司太立轴上的不锈钢阀片，所述不锈钢阀片上设置有开孔，所述司太立轴和不锈钢阀片的开孔之间具有待焊部，其特征在于，包括如下步骤：

S1、焊丝准备：选择权利要求1-2中任意一项所述的焊丝作为填充焊丝，所述焊丝直径范围为1-2mm；

S2、焊接设备选取：机器人TIG焊接，包括机械手、设置在所述机械手上的送丝机构及焊枪；

S3、设置焊接参数：设置焊接电流、起弧电流、起弧点、收弧点、焊接路径及送丝速度；保护气体为99.99％的高纯度氩气，氩气流量范围为10-14ml/min；

S4、焊接路径：直接在待焊部中心开始脉冲自熔焊进行起弧加热，再由待焊部中心至待焊部的第一端部先脉冲自熔焊，然后由待焊部的第一端部至其第二端部时脉冲送丝焊，由第二端部向第一端部返回时仅脉冲自熔焊不送丝，然后在第一端部与第二端部之间往复焊接，其中，待焊部中心位于司太立轴上，所述第一端部与第二端部为待焊部的左右两端；由待焊部第一端部向其第二端部时称为正向送丝焊，由第二端部向第一端部返回时称为反向自熔焊；

最后收弧；

S5、收弧完成后自然冷却。

4.根据权利要求3所述的涡轮壳排废阀焊接工艺，其特征在于，在步骤S4中，由第一端部至第二端部进行焊接形成一层焊缝，由第二端部至第一端部进行自熔焊接，每层焊缝厚度范围为1-1.5mm；在步骤S3中，焊接结束后自待焊部中心收弧。

5.根据权利要求3所述的涡轮壳排废阀焊接工艺，其特征在于，在步骤S4中，焊接电流为100-150A，焊接速度范围为0.01-0.1m/min；收弧电流范围为15-25A，送丝速度范围为0.15-0.30m/min。

6.根据权利要求3所述的涡轮壳排废阀焊接工艺，其特征在于，在步骤S2中，所述焊丝直径为1mm、1.6mm或2mm。

7.根据权利要求3所述的涡轮壳排废阀焊接工艺，其特征在于，在步骤S4中，所述涡轮壳排废阀固定在焊接工装上进行焊接。

8.一种涡轮壳排废阀焊接工装，所述涡轮壳(1)包括涡轮壳本体(11)、法兰(16)、设置在涡轮壳本体(11)上的司太立轴(12)与阀片(13)，所述阀片(13)套设在司太立轴(12)上，所述司太立轴(12)的第一端部设置有摇臂(14)，所述司太立轴(12)的第二端部套设有挡圈(15)，其特征在于：

所述焊接工装包括用于固定司太立轴(12)的轴顶紧机构(2)、用于固定阀片(13)的阀片顶紧机构(3)、用于固定阀片顶紧机构(3)的固定机构(4)、用于固定涡轮壳本体(11)与法兰(16)的定位机构、设置在涡轮壳(1)上方的机械手、设置在所述机械手第一移动端的送丝机构(8)以及设置在所述机械手第二移动端的焊枪(9)。

9.根据权利要求8所述的涡轮壳排废阀焊接工装，其特征在于，所述轴顶紧机构(2)包括用于固定摇臂(14)的第一顶紧组件、用于固定挡圈(15)的第二顶紧组件，所述第一顶紧组件包括第一固定件(21)、设置在第一固定件(21)上的第一弹簧销(22)以及与第一弹簧销(22)连接的第一顶压件(23)，所述第一弹簧销(22)包括第一弹簧，所述第一顶压件(23)用于抵压摇臂(14)以限制司太立轴(12)沿其轴向移动，当所述第一顶压件(23)抵压摇臂(14)时，所述第一弹簧处于压缩状态；

所述第二顶紧组件包括第二固定件(24)、设置在第二固定件(24)上的第二弹簧销(25)以及与第二弹簧销(25)固定连接的第二顶压件(26)，所述第二弹簧销(25)包括第二弹簧，所述第二弹簧销(25)相对第二固定件(24)转动，进而带动第二顶压件(26)转动，所述第二顶压件(26)用于抵压挡圈(15)，以限制所述挡圈在司太立轴上的相对位置，当所述第二顶压件(26)顶紧挡圈(15)时，所述第二弹簧处于压缩状态；

所述阀片顶紧机构(3)可转动地设置在第一固定件(21)上，其包括设置在第一固定件(21)上的第三弹簧销(31)、第三顶压件(32)及手柄组件，所述第三弹簧销(31)包括第三弹簧，所述手柄组件与第三顶压件(32)连接，其用于压缩所述第三弹簧，使得所述第三顶压件(32)抵压阀片(13)以限制阀片(13)相对所述司太立轴运动；

所述固定机构(4)包括第一驱动机构(41)以及与第一驱动机构(41)连接的第一抵接件(42)，所述第一抵接件(42)用于抵压阀片顶紧机构(3)，以限制所述阀片顶紧机构(3)转动。

10.根据权利要求9所述的涡轮壳排废阀焊接工装，其特征在于，所述第一固定件(21)上设置有开孔，所述第一弹簧销(22)还包括能够在开孔内转动的第一推杆，所述第一弹簧套设在第一推杆的一端部并抵触所述第一固定件(21)的一侧面，所述第一顶压件(23)设置在第一推杆的另一端部，所述第一推杆能够在开孔内沿其轴向移动，并压缩所述第一弹簧，使得所述第一顶压件(23)抵压摇臂(14)以限制司太立轴(12)沿其轴向移动；

所述第二固定件(24)上设置有开孔，所述第二弹簧销(25)还包括能够在开孔内转动的第二推杆，所述第二弹簧套设在第二推杆的一端部并靠近所述第二固定件(24)的一侧面，所述第二顶压件(26)设置在第二推杆的另一端部，所述第二推杆能够在开孔内沿其轴向移动，并压缩所述第二弹簧，使得所述第二顶压件(26)抵压挡圈(15)，以限制所述挡圈在司太立轴上的相对位置；

所述手柄组件包括手柄(33)与手柄(33)固定连接的连接件(35)，所述连接件(35)与第三顶压件(32)固定连接，所述阀片顶紧机构(3)还包括设置有开孔的罩壳(34)，所述第三弹簧销(31)及连接件(35)设置在罩壳(34)内，所述手柄(33)的底部设置在罩壳(34)内，其上部探出开孔；所述手柄组件能够在罩壳(34)内滑动，并压缩所述第三弹簧；

所述定位机构包括用于固定涡轮壳本体(11)的定位芯、用于固定涡轮壳本体(11)边缘的第一定位组件与第二定位组件以及用于固定法兰(16)侧面的第三定位组件。

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