CN201496109U - 摩擦焊接涡轮增压器主轴和涡轮轮盘 - Google Patents

Abstract

一种能够解决涡轮增压器主轴二次摩擦焊接后易发生主轴断裂故障问题的新结构主轴和涡轮轮盘，在摩擦焊接主轴上加工有一个凹槽，只焊接外边的环形区域；在涡轮轮盘上加工有一道隔离槽，二次摩擦焊接前在隔离槽位置切除B区材料，能够大范围地获得与首次焊接时一致的涡轮轮盘材料，确保二次摩擦焊接质量。本实用新型是设计一种全新的摩擦焊接主轴和涡轮轮盘结构，通过该结构能够确保涡轮轮盘离焊接面一定距离处的区域的材料不发生微观组织变化，以利于二次摩擦焊接。

Description

摩擦焊接涡轮增压器主轴和涡轮轮盘

技术领域  本实用新型涉及一种涡轮增压器用的摩擦焊接主轴与涡轮轮盘新结构，属于涡轮增压器技术领域。

背景技术  在涡轮增压器行业中，增压器主轴与涡轮轮盘的连接方式主要有3种：主轴与涡轮轮盘通过摩擦焊接连接、通过螺栓连接或两者锻造成一个整体。主轴与涡轮轮盘锻造成整体的方式可靠性最高，但是主轴与涡轮轮盘都需要用高温合金，且需要留相当多的加工余量，材料成本昂贵，同时加工成本高，所以这种连接方式应用范围较窄，只在外支撑型式的涡轮增压器中应用。螺栓连接主轴与涡轮轮盘方式，主要缺点是为了增加螺栓连接空间，以及抵消螺栓孔和销孔引起的涡轮轮盘强度降低，涡轮轮盘即大且厚，重量增加，转子跟随性变差，影响发动机的加速性；另外，这种连接方式涉及的零件多，整体结构复杂，在大批量生产中不利于产品质量控制，因此，尽管这种连接方式在拆卸维修方面占有优势，也没有获得大范围的应用。目前，国际上采用最多的主轴与涡轮轮盘的连接方式是摩擦焊接，特别是在径流增压器领域，全是这种连接方式。

针对主轴与涡轮轮盘摩擦焊接结构，在现有技术中，主要是一根实心阶梯主轴与涡轮轮盘之间的焊接。在国内，主轴材料一般是42CrMo，涡轮轮盘材料主要有K418、GH2036、GH2132或GH4169等，主轴与涡轮轮盘属于异种材料摩擦焊接。如今，摩擦焊接技术已经很先进，尽管异种材料摩擦焊接有很多不利因素，但是通过严格控制摩擦焊接工艺，借助一些成熟的判断方法，如果母材没有质量问题，那么就能够确保摩擦焊接质量。多年的实际焊接经验表明，在焊接面位置的抗拉强度并不比母材低，甚至更高。但是，由于摩擦焊接产生巨大热量，焊接面的温度大约在1300℃左右，使距离摩擦焊接面一定范围内的材料微观组织发生变化，晶粒或细化、或长大、或畸变，在受影响的区域内存在多种性能各异的微观组织，材料性能极不稳定。由于在第一次焊接时，两种母材的性能都是稳定且均匀的，通过试验确定出的摩擦焊接工艺及判断准则能够确保焊接主轴的质量。但是，在进行第二次摩擦焊接时，由于涡轮轮盘在增压器整机中的位置离涡轮端轴承很近，预留的空间有限，在摩擦焊接之前不可能把所有发生材料异变的区全部切除，这就导致二次摩擦焊接的涡轮轮盘的材料重复性很难实现，即不同涡轮轮盘或同一涡轮轮盘摩擦焊接面的不同区域内的微观组织不一致。所以，很难设计出适合所有涡轮轮盘的摩擦焊接工艺，即摩擦焊接工艺只能确保大部分主轴的二次焊接质量，而对于那些组织变化或不均匀性超过预期的涡轮轮盘，摩擦焊接的质量就不能得到保证，甚至在二次焊接面处遗留下各种缺陷，直接导致主轴在运用中发生断裂故障。

由于涡轮轮盘二次摩擦焊接技术一直未真正掌握，使得修理增压器的摩擦焊接主轴断裂故障频繁，严重影响了内燃机车的正常运行。在国内铁路行业摩擦焊接工艺甚至有逐渐被淘汰的趋势，这与国际发展趋势不一致。

发明内容  本实用新型的目的在于为涡轮增压器摩擦焊接主轴和涡轮轮盘设计一种实用而可靠的新型结构，使涡轮轮盘摩擦焊接位置的材料在进行二次摩擦焊接时保持与原材料一致，以确保二次摩擦焊接的质量。

本实用新型是设计一种全新的摩擦焊接主轴和涡轮轮盘结构，通过该结构能够确保涡轮轮盘离焊接面一定距离处的区域的材料不发生微观组织变化，以利于二次摩擦焊接。

这种摩擦焊接涡轮增压器主轴和涡轮轮盘，其特征在于：主轴端面设有凹槽，与其摩擦焊接的涡轮轮盘上设有环形隔离槽。主轴端面凹槽以下述公式表示：

Φy-φx＝(16～18)mm，h＝(5～8)mm；

与其摩擦焊接的涡轮轮盘以下述公式表示：

Φz-φx＞3mm，Φw＞φy，Φz-Φmin＞3mm，b＝(0.1～0.2)mm；

式中：应用主轴外径为φy，凹槽的直径为φx，主轴端面凹槽槽深为h，涡轮轮盘环形隔离槽外径为Φw，涡轮轮盘环形隔离槽内径为Φz，主轴最小外颈为Φmin，环形隔离槽宽为b。

本实用新型摩擦焊接主轴是在一根实心阶梯主轴基础上，通过粗加工，在摩擦焊接端面加工出一个比应用主轴外径小16mm～18mm，深5mm～8mm的凹槽，这个凹槽主要有4个用处：减少摩擦面积，降低摩擦产生的总热量，减小热传导对涡轮轮盘材料的影响；减小焊接面积，在较小的顶锻压力下可以保证主轴焊接质量；降低中心区域焊不透的风险，在摩擦焊接过程中，原结构主轴与涡轮轮盘的中心区域的相对线速度低，产生的摩擦热量不足，很难达到摩擦焊接要求的温度，所以存在焊不透的风险，新结构中不进行焊接，完全杜绝了焊不透的可能性；可以存储摩擦焊接过程中挤出的金属，类似于主轴外面的翻边，以利于整个环形面获得均匀焊接。

在涡轮轮盘离摩擦焊接面距离8mm～10mm位置加工出一道宽0.1mm～0.2mm、内径比主轴上的圆形凹槽直径大3mm以上且比主轴最小轴颈大3mm以上的环形隔离槽。隔离槽把涡轮轮盘分为B与C二个区，隔离槽作用主要有3个：可以把摩擦热进行有效隔离，使C区材料保持初始状态，以利于进行二次摩擦焊接；减小了B区材料温度梯度，使B区材料的微观组织和力学性能更均匀；在增压器运行过程中，还能对涡轮轮盘的导热进行隔离，减小从C区向B区传导的热量，降低轴承位置的主轴温度，以降低润滑油温度，确保轴承更加可靠地运行。在进行二次摩擦焊接时，只需要切除材料形成隔离槽，就可以再次获得与首次焊接时的母材一致的材料，确保二次摩擦焊接质量。当摩擦焊接主轴需要进行二次甚至三次焊接时，涡轮增压器如果采用原结构主轴和涡轮轮盘，则主轴断裂故障率比较高；采用本实用新型的主轴和涡轮轮盘结构后，从计算和试验效果来看都很好，基本能够消除涡轮增压器主轴二次摩擦焊接时质量不稳定的隐患，解决摩擦焊接主轴断裂故障。

附图说明

图1是本实用新型摩擦焊接主轴和涡轮轮盘结构示意图。

具体实施方式现结合附图对本实用新型作进一步说明：参照图1，本实用新型的涡轮增压器摩擦焊接一个阶梯实心轴1和涡轮轮盘2。图1中的虚线表示主轴摩擦焊接后精加工尺寸。图1中应用主轴外径为φy，凹槽直径为φx，主轴端面凹槽槽深为h；涡轮轮盘环形隔离槽外径为Φw，涡轮轮盘环形隔离槽内径为Φz，主轴最小外颈为Φmin，环形隔离槽宽为b。

例1

Φy＝45mm，φx＝27mm，Φy-φx＝18mm，h＝6mm，

Φw＝54mm，Φz＝32mm，b＝0.1mm，Φmin＝28mm，Φz-φx＝5mm，

Φz-Φmin＝4mm，Φw-φy＝9mm。

例2

Φy＝45mm，φx＝28.5mm，Φy-φx＝16.5mm，h＝5mm，

Φw＝54mm，Φz＝32mm，b＝0.2mm，Φmin＝28mm，Φz-φx＝3.5mm，

Φz-Φmin＝4mm，Φw-φy＝9mm。

例3

Φy＝45mm，φx＝28mm，Φy-φx＝17mm，h＝8mm，

Φw＝54mm，Φz＝32mm，b＝0.15mm，Φmin＝28mm，Φz-φx＝4mm，

Φz-Φmin＝4mm，Φw-φy＝9mm。

Claims (2)

1.一种摩擦焊接涡轮增压器主轴和涡轮轮盘，其特征在于：主轴端面设有凹槽，与其摩擦焊接的涡轮轮盘上设有环形隔离槽。

2.根据权利要求1所述的摩擦焊接涡轮增压器主轴和涡轮轮盘，其特征在于：主轴端面凹槽以下述公式表示：

Φy-φx＝(16～18)mm，h＝(5～8)mm；

与其摩擦焊接的涡轮轮盘以下述公式表示：

Φz-φx＞3mm，Φw＞φy，Φz-Φmin＞3mm，b＝(0.1～0.2)mm；

式中：应用主轴外径φy，凹槽的直径为φx，主轴端面凹槽槽深为h，涡轮轮盘环形隔离槽外径为Φw，涡轮轮盘环形隔离槽内径为Φz，主轴最小外颈为Φmin，环形隔离槽宽为b。

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