JP6544508B2

JP6544508B2 - Welded joint

Info

Publication number: JP6544508B2
Application number: JP2015035249A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　康介; 康介渡辺; 孝二根崎; 三浦　雄一; 雄一三浦; 正一郎貝原; 健吉村田; 正祐高梨; ホセ・ハビエルバヨッド
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2019-07-17
Anticipated expiration: 2035-02-25
Also published as: JP2016156333A

Description

本発明は、車両用ターボチャージャの心棒とタービン翼車とを接合するのに用いられる溶接装置及び溶接継手に関するものである。 The present invention relates to a welding apparatus and a welded joint used to join a mandrel of a vehicle turbocharger and a turbine wheel.

上記した車両用ターボチャージャは、心棒と、この心棒の一端部に固定されたタービン翼車と、心棒の他端部に固定されたコンプレッサ翼車を備えている。 The above-described vehicle turbocharger includes a mandrel, a turbine wheel fixed to one end of the mandrel, and a compressor wheel fixed to the other end of the mandrel.

この車両用ターボチャージャの心棒とタービン翼車との接合には、各々の互いに当接する部分同士を溶け合わせて接合する溶接継手が採用され、この溶接継手には、心棒とタービン翼車との互いの心合わせ精度を高めるうえで、心棒の一端部の端面中央に形成した円形状の凸部と、タービン翼車の端面中央に形成した円形状の凹部とを互いに嵌合させるインロー構造が採用されている（例えば、特許文献１参照）。 The joint between the core and the turbine wheel of the turbocharger for a vehicle employs a welded joint which melts and joins the respective abutting portions to each other, and the welded joint includes the core and the turbine wheel relative to each other. In order to improve the centering accuracy of the shaft, an inlay structure is adopted in which a circular convex formed at the center of the end face of one end of the mandrel and a circular concave formed at the center of the end face of the turbine wheel (See, for example, Patent Document 1).

特開2010-096115号公報JP, 2010-096115, A

ところが、上記した車両用ターボチャージャの心棒とタービン翼車との溶接継手において、心棒側の円形状の凸部と、タービン翼車側の円形状の凹部とを互いに嵌合させるインロー構造を採用している都合上、例えば、低合金鋼から成る心棒と異種金属であるＮｉ基超合金から成るタービン翼車とを溶接により接合すると、車両用ターボチャージャの回転時における心棒径方向の応力が心棒側の凸部の根元部分に集中してしまうという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。 However, in the welded joint between the mandrel of the turbocharger for a vehicle and the turbine wheel described above, an inlay structure is adopted in which the circular convex portion on the mandrel side and the circular concave portion on the turbine wheel side are mutually fitted. For example, when a core made of low alloy steel and a turbine wheel made of Ni-based superalloy which is a dissimilar metal are joined by welding, for example, the stress in the core radial direction at the time of rotation of the vehicle turbocharger There is a problem in that it concentrates on the root part of the convex part, and solving the problem has been a conventional problem.

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、心棒とタービン翼車との互いの心合わせ精度を高めたうえで、例えば、低合金鋼から成る心棒と異種金属であるＮｉ基超合金から成るタービン翼車とをインロー構造を用いることなく接合することが可能であり、その結果、車両用ターボチャージャの回転時における心棒径方向の応力を低く抑えて、車両用ターボチャージャの長寿命化を実現することができる溶接装置及び溶接継手を提供することを目的としている。 The present invention has been made focusing on the above-described conventional problems, and it is possible to improve the alignment accuracy between the mandrel and the turbine wheel, and then, for example, the mandrel made of low alloy steel and Ni being a dissimilar metal It is possible to join a turbine wheel made of a base superalloy without using an inlay structure, and as a result, the stress in the radial direction of the axle during rotation of the vehicle turbocharger can be suppressed to a low level. An object of the present invention is to provide a welding apparatus and a welded joint which can realize a long life.

本発明に係る溶接継手の製作に用いる溶接装置の第１の態様は、車両用ターボチャージャの心棒と軸部を有するタービン翼車とを互いに溶け合わせて接合する溶接装置であって、前記心棒の円形端面及び前記タービン翼車の前記軸部における中央に円形状の凹部を有する円形端面同士を突き合せつつ、前記心棒及び前記タービン翼車の前記軸部の心合わせを行う心合わせ機構と、前記心合わせ機構により心合わせが成された前記心棒及び前記タービン翼車の前記軸部の各円形端面同士を互いに溶け合わせて接合する溶接部を備えた構成としている。 A first aspect of a welding apparatus used for producing a welded joint according to the present invention is a welding apparatus for melting and joining together a mandrel of a turbocharger for a vehicle and a turbine wheel having a shaft, A centering mechanism for centering the shaft portion of the mandrel and the turbine wheel while a circular end surface having a circular end surface and a circular recess at the center of the shaft portion of the turbine wheel butt together; A welding portion is provided for melting and joining the circular end faces of the mandrel and the shaft portion of the turbine wheel, which are aligned by the centering mechanism.

本発明に係る溶接継手の製作に用いる溶接装置の第２の態様は、前記心棒及び前記タービン翼車の前記軸部の各円形端面同士を互いに溶け合わせて接合する溶接部を、好ましくは、レーザビーム径が０．１〜０．８ｍｍのレーザ光を照射可能なレーザ加工ヘッドとした構成としている。 According to a second aspect of the present invention, in a second aspect of the welding device used in the manufacturing of the welded joint , preferably, a welding portion for melting and joining respective circular end faces of the shaft portion of the stem and the turbine wheel is preferably a laser The laser processing head is configured to be capable of irradiating a laser beam having a beam diameter of 0.1 to 0.8 mm.

一方、本発明に係る溶接継手の一態様は、車両用ターボチャージャの心棒と軸部を有するタービン翼車の前記軸部とを互いに溶け合わせて形成される溶接継手であって、前記心棒及び前記タービン翼車の前記軸部の心合わせが成された状態で互いに突き合わされる前記心棒の円形端面及び前記タービン翼車の前記軸部の円形端面における各中央には円形状の凹部がそれぞれ形成され、前記タービン翼車の前記軸部の前記円形端面における軸部側凹部が前記心棒の前記円形端面における心棒側凹部よりも径が大きく形成され、心合わせが成された状態の前記心棒及び前記タービン翼車の前記軸部の各円形端面同士を互いに溶け合わせて形成される構成としている。 On the other hand, one aspect of the welded joint according to the present invention is a welded joint formed by fusing together a mandrel of a turbocharger for a vehicle and a shaft portion of a turbine wheel having a shaft portion , wherein the mandrel and the shaft A circular recess is formed at the center of each of the circular end surface of the mandrel and the circular end surface of the shaft portion of the turbine wheel, which are butted to each other in a state in which the shaft portions of the turbine wheel are aligned. The shaft and the turbine in a state in which the shaft-side recess in the circular end surface of the shaft of the turbine wheel is formed larger in diameter than the shaft-side recess in the circular end surface of the shaft, and centering is achieved. The circular end faces of the shaft portion of the impeller are fused together and formed.

本発明に係る溶接継手の製作に用いる溶接装置では、車両用ターボチャージャの心棒とタービン翼車との互いの心合わせを行ったうえで、心棒及びタービン翼車における軸部の各円形端面同士を互いに溶け合わせるようにしているので、例えば、低合金鋼から成る心棒と異種金属であるＮｉ基超合金から成るタービン翼車とを溶接により接合した場合であったとしても、従来のようなインロー構造を採用した溶接継手と比べて、車両用ターボチャージャの回転時における心棒径方向の応力が低く抑えられることとなって、車両用ターボチャージャの長寿命化が図られることとなる。 Welding apparatus for use in the manufacture of a welded joint according to the present invention, after performing mutual alignment of the heart rod and the turbine wheel of the turbocharger vehicle, the mandrel and the circular end faces of the shaft portion of the turbine impeller Are fused to each other, so that, for example, even if the case of welding a core made of a low alloy steel and a turbine impeller made of a Ni-based superalloy which is a dissimilar metal by welding, a conventional inlay is obtained. As compared with a welded joint adopting a structure, the stress in the radial direction of the mandrel at the time of rotation of the turbocharger for a vehicle is suppressed to a low level, and the lifetime of the turbocharger for a vehicle can be extended.

この際、心棒及び前記タービン翼車の軸部の各円形端面同士をレーザ溶接により互いに溶け合わせて接合する構成とすると、電子ビーム溶接を用いる場合と比べて、生産速度が速まる分だけコストの低減が図られることとなる。 Under the present circumstances, if it is set as melt | dissolution and joining each circular end surfaces of a shaft and the axial part of the said turbine wheel by laser welding compared with the case where electron beam welding is used, the reduction of cost is reduced by the part which increases production speed. Will be

本発明に係る溶接継手では、心棒とタービン翼車との互いの心合わせ精度を高めたうえで、例えば、低合金鋼から成る心棒と異種金属であるＮｉ基超合金から成るタービン翼車とをインロー構造を用いることなく接合することができ、その結果、車両用ターボチャージャの回転時における心棒径方向の応力を低く抑え得る分だけ、車両用ターボチャージャの長寿命化を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。 In the welded joint according to the present invention, for example, the core made of low alloy steel and the turbine impeller made of Ni-based super alloy which is a dissimilar metal are improved after the centering accuracy between the core and the turbine wheel is improved. It is possible to join without using the inlay structure, and as a result, it is possible to realize the longer life of the vehicle turbocharger by the amount that can suppress the stress in the radial direction of the stem during rotation of the vehicle turbocharger. It has a very good effect of being

心棒とタービン翼車との接合に本発明に係る溶接継手が採用された車両用ターボチャージャの溶接継手部分を断面で示す側面説明図（ａ），図１（ａ）円内の拡大説明図（ｂ）及び従来の車両用ターボチャージャの溶接継手部分における図１（ａ）円内相当位置での拡大説明図（ｃ）である。Side view (a) showing in cross section a weld joint portion of a turbocharger for a vehicle in which a weld joint according to the present invention is adopted for joining a mandrel and a turbine wheel FIG. 1 b is an enlarged explanatory view (c) at a position equivalent to the inside of a circle in FIG. 1 (a) in a welded joint portion of a conventional vehicle turbocharger. 本発明の一実施例に係る溶接継手の製作に用いる溶接装置を示す溶接前の概略構成説明図（ａ）及び溶接中の概略構成説明図（ｂ）である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is schematic structure explanatory drawing (a) before welding which shows the welding apparatus used for manufacture of the weld joint which concerns on one Example of this invention, and schematic structure explanatory drawing (b) in welding. 本発明に係る溶接継手の効果を示すグラフである。It is a graph which shows the effect of the welding joint concerning the present invention.

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る溶接継手が採用された車両用ターボチャージャを示し、図２は、本発明に係る溶接継手の製作に用いる溶接装置の一実施例を示している。 Hereinafter, the present invention will be described based on the drawings.
FIG. 1 shows a turbocharger for a vehicle in which a weld joint according to the present invention is adopted, and FIG. 2 shows an embodiment of a welding apparatus used for producing a weld joint according to the present invention.

図１（ａ）に示すように、この車両用ターボチャージャ１は、例えば鉄鋼材料である低合金鋼から成る心棒２と、この心棒２の一端部である大径部２ａに固定された例えばＮｉ基超合金から成るタービン翼車３と、心棒２の他端部に固定された図示しないコンプレッサ翼車を備えている。 As shown in FIG. 1 (a), the turbocharger 1 for a vehicle includes, for example, a mandrel 2 made of low alloy steel, which is a steel material, and Ni fixed to a large diameter portion 2a which is one end of the mandrel 2. A turbine wheel 3 made of a base superalloy and a compressor wheel (not shown) fixed to the other end of the mandrel 2 are provided.

このような構成の車両用ターボチャージャ１は車両の内燃機関に搭載されて、排気通路にタービン翼車３が位置し、吸気通路にコンプレッサ翼車が位置するようにして設置される。このように設置することで、排気流によってタービン翼車３が回転し、このタービン翼車３の回転が心棒２を介してコンプレッサ翼車に伝達されることにより、コンプレッサ翼車が回転して吸入空気を圧縮する。 The vehicle turbocharger 1 having such a configuration is mounted on an internal combustion engine of the vehicle, and is installed so that the turbine wheel 3 is located in the exhaust passage and the compressor wheel is located in the intake passage. By installing in this manner, the turbine wheel 3 is rotated by the exhaust flow, and the rotation of the turbine wheel 3 is transmitted to the compressor wheel via the mandrel 2 so that the compressor wheel is rotated and suctioned. Compress the air.

この車両用ターボチャージャ１の心棒２とタービン翼車３との接合には、各々の互いに当接する部分同士を溶け合わせて接合する溶接継手が採用されている。図１（ｂ）にも示すように、心棒２の大径部２ａ及びタービン翼車３の軸部３ａの各円形端面２ｂ，３ｂ同士を突き合せて溶接により接合して溶接継手５とすることで、車両用ターボチャージャ１が形成されている。この際、心合わせが成された状態で互いに突き合わされる心棒２の大径部２ａ及びタービン翼車３の軸部３ａの円形端面２ｂ，３ｂにおける各中央には円形状の凹部がそれぞれ形成されており、タービン翼車３の軸部側凹部が心棒２の心棒側凹部よりも径が大きく形成されている。 In joining of the axle 2 and the turbine wheel 3 of the turbocharger 1 for a vehicle, a welded joint is employed which melts and joins the mutually abutting portions . As shown also in FIG. 1 (b), the circular end faces 2b and 3b of the large diameter portion 2a of the mandrel 2 and the shaft portion 3a of the turbine impeller 3 are butted and joined by welding to form a welded joint 5 Thus, the vehicle turbocharger 1 is formed. At this time, circular recesses are respectively formed at the centers of the large diameter portion 2a of the mandrel 2 and the circular end surfaces 2b and 3b of the shaft portion 3a of the turbine impeller 3 which are butted to each other in a centered state. The shaft-side recess of the turbine wheel 3 is formed to have a diameter larger than that of the mandrel-side recess of the mandrel 2.

この車両用ターボチャージャ１の心棒２とタービン翼車３とを接合する溶接装置１０は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、心棒２を鉛直方向に沿わせて所定の状態で固定する治具１１と、レーザ発振器１２と、このレーザ発振器１２から供給されるレーザ光ＬＢを光学系１３により集光して治具１１上の心棒２及びこの心棒２に載せたタービン翼車３間の突き合わせ部位に照射するレーザ加工ヘッド（溶接部）１４と、レーザ出力やスポット径等の溶接条件をコントロールする制御部１５を備えている。 The welding device 10 for joining the axle 2 of the vehicle turbocharger 1 and the turbine wheel 3 is in a predetermined state in which the axle 2 is vertically aligned as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). The jig 11 to be fixed, the laser oscillator 12, and the laser beam LB supplied from the laser oscillator 12 are collected by the optical system 13 and the stem 2 on the jig 11 and the turbine wheel 3 mounted on the stem 2 The laser processing head (welding part) 14 which irradiates to the butt | matching site | part between between, and the control part 15 which controls welding conditions, such as a laser output and a spot diameter.

また、この溶接装置１０は、治具１１上の心棒２の大径部２ａ及びこの大径部２ａに載せたタービン翼車３の軸部３ａの各円形端面２ｂ，３ｂ同士を突き合せつつ、心棒２の大径部２ａ及びタービン翼車３の軸部３ａの心合わせを行う心合わせ機構を備えている。この心合わせ機構は、シリンダ２０と、このシリンダ２０のロッド２１の先端に固定した湾曲状のサポート板２２を具備しており、心棒２の周りに１２０°の間隔で３組（図２では２組のみ示す）配置されている。 Further, the welding device 10 abuts on the large diameter portion 2a of the mandrel 2 on the jig 11 and the respective circular end surfaces 2b and 3b of the shaft portion 3a of the turbine wheel 3 mounted on the large diameter portion 2a. A centering mechanism for centering the large diameter portion 2a of the stem 2 and the shaft portion 3a of the turbine wheel 3 is provided. This centering mechanism comprises a cylinder 20 and a curved support plate 22 fixed to the end of the rod 21 of this cylinder 20, and three sets (120 in FIG. 2) of 120 degrees around the mandrel 2 Only the set is shown).

上記した車両用ターボチャージャ１の心棒２とタービン翼車３とを接合するに際しては、すなわち、車両用ターボチャージャ１の溶接継手５を形成するに際しては、まず、治具１１に心棒２を鉛直方向に沿わせて所定の状態で固定するのに続いて、治具１１上の心棒２の大径部２ａにタービン翼車３を載せる。 When joining the mandrel 2 and the turbine wheel 3 of the above-described turbocharger 1 for a vehicle, that is, when forming the welded joint 5 of the turbocharger 1 for a vehicle, first, the mandrel 2 is perpendicular to the jig 11 Next, after fixing in a predetermined state, the turbine wheel 3 is placed on the large diameter portion 2 a of the stem 2 on the jig 11.

次いで、心合わせ機構のシリンダ２０にロッド２１の押し出し動作を行わせて、湾曲状のサポート板２２を心棒２の大径部２ａ及びタービン翼車３の軸部３ａに跨って３方向から押付け、これにより、心棒２の大径部２ａ及びタービン翼車３の軸部３ａの各円形端面２ｂ，３ｂ同士を突き合せつつ、心棒２の大径部２ａ及びタービン翼車３の軸部３ａの心合わせを行う。 Then, the cylinder 20 of the centering mechanism performs the push-out operation of the rod 21 to press the curved support plate 22 across the large diameter portion 2 a of the mandrel 2 and the shaft portion 3 a of the turbine wheel 3 from three directions Thereby, the large diameter portion 2a of the mandrel 2 and the center of the shaft portion 3a of the turbine impeller 3 are abutted while the circular end surfaces 2b and 3b of the large diameter portion 2a of the mandrel 2 and the shaft portion 3a of the turbine impeller 3 are butted. Make a match.

この状態で、レーザ加工ヘッド１４から心棒２の大径部２ａ及びタービン翼車３の軸部３ａの各円形端面２ｂ，３ｂ間にレーザ光ＬＢを照射して各円形端面２ｂ，３ｂ同士を溶接により仮付けする。 In this state, laser light LB is irradiated from the laser processing head 14 between the circular end surfaces 2b and 3b of the large diameter portion 2a of the mandrel 2 and the shaft portion 3a of the turbine impeller 3 to weld the circular end surfaces 2b and 3b Temporarily attach.

次に、心合わせ機構のシリンダ２０にロッド２１の引き込み動作を行わせて、湾曲状のサポート板２２を心棒２の大径部２ａ及びタービン翼車３の軸部３ａから離間させた後、再びレーザ加工ヘッド１４から心棒２の大径部２ａ及びタービン翼車３の軸部３ａの各円形端面２ｂ，３ｂ間にレーザ光ＬＢを照射して、各円形端面２ｂ，３ｂ同士を互いに溶け合わせて接合する。 Next, the cylinder 20 of the centering mechanism pulls in the rod 21 to separate the curved support plate 22 from the large diameter portion 2a of the stem 2 and the shaft portion 3a of the turbine wheel 3, and then again. The laser beam LB is irradiated from the laser processing head 14 between the circular end surfaces 2b and 3b of the large diameter portion 2a of the mandrel 2 and the shaft portion 3a of the turbine impeller 3 so that the circular end surfaces 2b and 3b melt together. Join.

上記した実施例の溶接装置１０では、車両用ターボチャージャ１の心棒２の大径部２ａ及びタービン翼車３の軸部３ａの溶接継手５において、心棒２とタービン翼車３の軸部３ａとの互いの心合わせを行ったうえで、心棒２の大径部２ａ及びタービン翼車３の軸部３ａの各円形端面２ｂ，３ｂ同士を互いに溶け合わせるようにしている。 In the welding apparatus 10 of the above-described embodiment, the mandrel 2 and the shaft portion 3a of the turbine wheel 3 and the welded joint 5 of the large diameter portion 2a of the mandrel 2 of the turbocharger 1 for a vehicle and the shaft portion 3a of the turbine wheel 3 The respective circular end faces 2b and 3b of the large diameter portion 2a of the mandrel 2 and the shaft portion 3a of the turbine wheel 3 are fused together.

つまり、図１（ｃ）に示すような心棒の一端部１０２ａに形成した円形状の凸部１０２ｂと、タービン翼車の軸部１０３ａに形成した円形状の凹部１０３ｂとを互いに嵌合させるインロー構造を採用した溶接継手と比べて、すなわち、心棒側の凸部１０２ｂの根元部分に応力Ｐが集中する溶接継手と比べて、この車両用ターボチャージャ１の溶接継手５では、車両用ターボチャージャ１の回転時における心棒径方向の応力が低く抑えられることとなり、その結果、車両用ターボチャージャ１の長寿命化が図られることとなる。 In other words, an inlay structure in which a circular convex portion 102b formed at one end portion 102a of the mandrel as shown in FIG. 1C and a circular concave portion 103b formed at the shaft portion 103a of the turbine wheel are mutually fitted. In the weld joint 5 of the turbocharger 1 for a vehicle, the weld joint 5 of the turbocharger 1 of the vehicle is compared with a weld joint in which the stress P is concentrated at the root portion of the protrusion 102b on the stem side. The stress in the axial direction of the mandrel at the time of rotation is suppressed to a low level, and as a result, the life of the vehicle turbocharger 1 can be extended.

そこで、上記した実施例に係る溶接装置１０により形成された溶接継手５と、従来のインロー構造を採用した溶接継手との各径方向応力を比べたところ、図３に示す結果を得た。 Then, when each radial direction stress of the weld joint 5 formed of the welding apparatus 10 which concerns on the above-mentioned Example and the weld joint which employ | adopted the conventional inlay structure was compared, the result shown in FIG. 3 was obtained.

図３に示すように、上記した実施例に係る溶接継手５（本発明形状）では、接合部からの軸方向位置が近くても、径方向応力が小さいのに対して、従来のインロー構造を採用した溶接継手（従来形状）では、接合部から軸方向位置が近いと、径方向応力がかなり大きいことが判る。 As shown in FIG. 3, in the welded joint 5 according to the above-described embodiment (the shape of the present invention), the radial direction stress is small even when the axial position from the joint is close, while the conventional inlay structure is In the adopted welded joint (conventional shape), it can be seen that the radial stress is considerably large when the axial position is near from the joint.

したがって、この実施例に係る溶接装置１０では、車両用ターボチャージャ１の回転時における心棒径方向の応力が低い溶接継手５が得られることが実証できた。 Therefore, in the welding device 10 according to this embodiment, it has been proved that the welded joint 5 can be obtained which has low stress in the axial direction of the mandrel when the turbocharger 1 for a vehicle is rotating.

本発明に係る溶接継手の構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではない。 Engaging Ru of welded joint structure in the present invention is not limited to the configuration of the above embodiment.

１車両用ターボチャージャ
２心棒
２ｂ大径部の円形端面
３タービン翼車
３ａタービン翼車の軸部
３ｂ軸部の円形端面
５溶接継手
１０溶接装置
１４レーザ加工ヘッド（溶接部）
２０シリンダ（心合わせ機構）
２１シリンダのロッド（心合わせ機構）
２２サポート板（心合わせ機構） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Turbocharger 2 Vehicle 2 Axle 2b Circular end face 3 part of large diameter part Turbine wheel 3a Shaft part 3b of turbine wheel A circular end face of shaft part 5 Weld joint 10 Welding apparatus 14 Laser processing head (welded part)
20 cylinders (alignment mechanism)
21 cylinder rod (centering mechanism)
22 Support board (alignment mechanism)

Claims

A weld joint formed by fusing together an axle of a turbocharger for a vehicle and a shaft of a turbine wheel having the shaft,
A circular recess is provided at the center of the circular end face of the mandrel and the circular end face of the shaft of the turbine wheel, which are butted to each other in a state in which the shaft and the shaft of the turbine wheel are aligned. Are formed respectively,
The shaft-side recess in the circular end surface of the shaft portion of the turbine wheel is formed to have a diameter larger than that of the mandrel-side recess in the circular end surface of the mandrel;
A welded joint formed by fusing together the circular end faces of the mandrel and the shaft portion of the turbine wheel in an aligned state .