一種球面摩擦焊接連接結(jié)構(gòu)與連接方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種球面摩擦焊接連接結(jié)構(gòu)和連接方法，所述連接結(jié)構(gòu)包括從構(gòu)件1和主構(gòu)件2，所述從構(gòu)件1上有凸出的外球面結(jié)構(gòu)，所述從構(gòu)件1的外球面角度θ1取值范圍為0＜θ1＜180°，所述主構(gòu)件2上有凹進(jìn)去的內(nèi)球面結(jié)構(gòu)，所述主構(gòu)件2的內(nèi)球面角度θ2取值范圍為0＜θ2＜180°；所述從構(gòu)件1的外球面半徑R1與主構(gòu)件2的內(nèi)球面半徑R2相等；所述從構(gòu)件1和主構(gòu)件2采用摩擦焊接工藝，通過(guò)從構(gòu)件1外球面和主構(gòu)件2內(nèi)球面之間的摩擦焊連接在一起，形成完整的連接結(jié)構(gòu)。該連接結(jié)構(gòu)與連接方法能夠有效保證連接強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件之間的可靠連接，而且連接結(jié)構(gòu)與連接工藝簡(jiǎn)單易行。
【專利說(shuō)明】一種球面摩擦焊接連接結(jié)構(gòu)與連接方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)連接【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種球面摩擦焊接連接結(jié)構(gòu)與連接方法。

【背景技術(shù)】
[0002]渦輪是渦輪增壓器的核心零部件之一，目前，增壓器渦輪主要采用鑄造鎳基高溫合金K418材料，由于K418合金的密度比較大，由K418合金鑄造成型的渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也比較大，導(dǎo)致渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性較差。為提高渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性，渦輪可以采用比強(qiáng)度較高的鈦鋁合金代替K418合金。鈦鋁合金密度僅為K418合金密度的43%，采用鈦鋁合金制造的增壓器渦輪可以顯著降低渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)響應(yīng)性。但是，由于鈦鋁合金屬于金屬間化合物，受材料性能的影響以及增壓器渦輪鑄造成型工藝的制約，由鈦鋁合金鑄造成型的增壓器渦輪普遍存在心部性能較差的問(wèn)題。為提高鈦鋁合金渦輪心部強(qiáng)度，渦輪輪轂可以采用合金棒材加工而成，渦輪輪盤可以采用鑄造成型，然后將輪轂和輪盤連接在一起形成完整的渦輪。
[0003]但是，受增壓器渦輪的空間尺寸限制以及為滿足渦輪心部強(qiáng)度要求，渦輪輪轂與輪盤之間的連接很難采用螺紋連接、過(guò)盈連接、鉚接等連接方式實(shí)現(xiàn)可靠連接。例如，如果采用螺紋連接方式實(shí)現(xiàn)渦輪輪轂與輪盤的連接，輪轂與輪盤的連接部位將存在螺紋接合面，由于該接合面只能承受徑向壓應(yīng)力，而不能承受徑向拉壓力，增壓器渦輪工作時(shí)在離心載荷作用下渦輪輪轂與輪盤的連接部位接合面將承受較大的徑向拉應(yīng)力作用，在該徑向拉應(yīng)力作用下渦輪會(huì)從輪轂與輪盤的連接部位發(fā)生開裂。如果采用鉚接連接方式，渦輪輪轂與輪盤的連接部位也不能承受徑向拉應(yīng)力。如果采用過(guò)盈連接方式，渦輪的輪轂與輪盤連接部位同樣不能承受徑向拉應(yīng)力，并且連接部位產(chǎn)生的過(guò)盈力會(huì)使渦輪承受較大的預(yù)應(yīng)力作用，降低渦輪的可靠性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為解決構(gòu)件之間的連接問(wèn)題，提出一種球面摩擦焊接連接結(jié)構(gòu)與連接方法。
[0005]連接結(jié)構(gòu)由從構(gòu)件和主構(gòu)件組成，其中，從構(gòu)件上有凸出的外球面結(jié)構(gòu)，主構(gòu)件上有凹進(jìn)去的內(nèi)球面結(jié)構(gòu)，從構(gòu)件和主構(gòu)件通過(guò)凸出的外球面和凹進(jìn)去的內(nèi)球面之間的摩擦焊接連接在一起。通過(guò)分析連接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)力空間分布特征，合理設(shè)計(jì)外球面結(jié)構(gòu)與內(nèi)球面結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)。根據(jù)連接結(jié)構(gòu)組成構(gòu)件即從構(gòu)件和主構(gòu)件的材料性能參數(shù)以及外球面結(jié)構(gòu)與內(nèi)球面結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，確定摩擦焊接工藝參數(shù)，采用摩擦焊接的方式通過(guò)凸出的外球面和凹進(jìn)去的內(nèi)球面之間的摩擦焊接將從構(gòu)件和主構(gòu)件連接在一起。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0007]一種球面摩擦焊接連接結(jié)構(gòu)，包括從構(gòu)件I和主構(gòu)件2，所述從構(gòu)件I上有凸出的外球面結(jié)構(gòu)，所述從構(gòu)件I的外球面角度Θ i是指外球面和通過(guò)球心并平分外球面的平面相交所形成的圓弧對(duì)應(yīng)的角度，外球面角度ΘI的取值范圍為Oce1C 180°，所述主構(gòu)件2上有凹進(jìn)去的內(nèi)球面結(jié)構(gòu)，所述主構(gòu)件2的內(nèi)球面角度Θ 2是指內(nèi)球面和通過(guò)球心并平分內(nèi)球面的平面相交所形成的圓弧對(duì)應(yīng)的角度，內(nèi)球面角度θ2的取值范圍為ο< θ2< 180° ;所述從構(gòu)件I的外球面半徑R1與主構(gòu)件2的內(nèi)球面半徑R2相等；所述從構(gòu)件I和主構(gòu)件2采用摩擦焊接工藝，通過(guò)從構(gòu)件I外球面A和主構(gòu)件2內(nèi)球面B之間的摩擦焊連接在一起，形成完整的連接結(jié)構(gòu)。
[0008]一種球面摩擦焊接連接方法，包括以下步驟:
[0009]a、確定連接結(jié)構(gòu)在工作時(shí)的應(yīng)力空間分布特征:采用有限元仿真計(jì)算方法確定連接結(jié)構(gòu)在工作時(shí)的應(yīng)力空間分布特征；
[0010]b、確定連接結(jié)構(gòu)的組成構(gòu)件外球面與內(nèi)球面的尺寸參數(shù):根據(jù)連接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)力空間分布特征，確定從構(gòu)件I的外球面和主構(gòu)件2的內(nèi)球面尺寸參數(shù)，其中，從構(gòu)件I的外球面角度Θ !是指外球面和通過(guò)球心并平分外球面的平面相交所形成的圓弧對(duì)應(yīng)的角度，從構(gòu)件I的外球面角度Q1取值范圍為O <，主構(gòu)件2的內(nèi)球面角度Θ 2是指內(nèi)球面和通過(guò)球心并平分內(nèi)球面的平面相交所形成的圓弧對(duì)應(yīng)的角度，主構(gòu)件2的內(nèi)球面角度θ2取值范圍為0< θ2<180°，從構(gòu)件I的外球面半徑R1與主構(gòu)件2的內(nèi)球面半徑R2相等，從構(gòu)件I的外球面角度Θ I大于主構(gòu)件2的內(nèi)球面角度Θ 2 ；
[0011]C、從構(gòu)件I的外球面加工:按照步驟b中確定的從構(gòu)件I的外球面半徑R1與角度Θ!進(jìn)行從構(gòu)件I的加工；
[0012]d、主構(gòu)件2的內(nèi)球面加工:按照步驟b中確定的主構(gòu)件2的內(nèi)球面半徑R2與角度Θ2進(jìn)行主構(gòu)件2的加工；
[0013]e、確定從構(gòu)件I與主構(gòu)件2的摩擦焊接工藝參數(shù):根據(jù)從構(gòu)件I的材料性能參數(shù)與外球面尺寸參數(shù)以及主構(gòu)件2的材料性能參數(shù)與內(nèi)球面尺寸參數(shù)，確定從構(gòu)件I與主構(gòu)件2之間的摩擦焊接工藝參數(shù)，工藝參數(shù)包括從構(gòu)件I與主構(gòu)件2之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角速度、軸向力與進(jìn)給量；
[0014]f、從構(gòu)件I與主構(gòu)件2的摩擦焊接:采用摩擦焊接方式，在摩擦焊機(jī)上利用夾具將從構(gòu)件I與主構(gòu)件2分別固定在兩端，按照步驟e確定的焊接工藝參數(shù)，通過(guò)從構(gòu)件I外球面和主構(gòu)件2內(nèi)球面的摩擦焊接形成完整的連接結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:通過(guò)分析連接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與應(yīng)力空間分布特征，合理設(shè)計(jì)連接結(jié)構(gòu)組成從構(gòu)件I的外球面與主構(gòu)件2的內(nèi)球面的尺寸參數(shù)，確定從構(gòu)件I與主構(gòu)件2之間的摩擦焊接工藝參數(shù)，采用摩擦焊接方式將從構(gòu)件I與主構(gòu)件2焊接在一起形成完整的連接結(jié)構(gòu)。采用該方法與結(jié)構(gòu)能夠有效保證連接結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度，連接結(jié)構(gòu)與連接工藝簡(jiǎn)單易行，連接部位既可以承受拉應(yīng)力又可以承受壓應(yīng)力與剪應(yīng)力，并且具有不占用額外尺寸空間的特點(diǎn)。特別是對(duì)于鑄造成型的渦輪和葉輪，為提高渦輪和葉輪的心部強(qiáng)度，輪轂與輪盤可以分開加工，輪轂作為從構(gòu)件1，輪轂采用合金棒材加工而成，輪盤作為主構(gòu)件2，輪盤采用鑄造成型，輪轂包含渦輪或葉輪心部的最大應(yīng)力位置，輪轂外球面半徑與輪盤內(nèi)球面半徑相等，輪轂的外球面角度大于輪盤的內(nèi)球面角度。輪轂和輪盤通過(guò)摩擦焊連接在一起形成完整的渦輪或葉輪，采用這種連接結(jié)構(gòu)與連接方法可以顯著提升渦輪和葉輪的心部強(qiáng)度，提高渦輪和葉輪的可靠性與壽命。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是從構(gòu)件I的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是主構(gòu)件2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]I從構(gòu)件I 2主構(gòu)件2
[0019]圖3是從構(gòu)件I與主構(gòu)件2摩擦焊接形成的連接結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020]一種球面摩擦焊接連接結(jié)構(gòu)，連接結(jié)構(gòu)由從構(gòu)件I和主構(gòu)件2組成，所述從構(gòu)件I上有凸出的外球面結(jié)構(gòu)，所述從構(gòu)件I的外球面角度G1取值范圍為O < Q1ClSiT，所述主構(gòu)件2上有凹進(jìn)去的內(nèi)球面結(jié)構(gòu)，所述主構(gòu)件2的內(nèi)球面角度θ2取值范圍為0< θ2<180°，所述從構(gòu)件I的外球面半徑R1與主構(gòu)件2的內(nèi)球面半徑R2相等，所述從構(gòu)件I的外球面角度Θ!大于主構(gòu)件2的內(nèi)球面角度Θ 2，所述從構(gòu)件I和主構(gòu)件2通過(guò)外球面A和內(nèi)球面B之間的摩擦焊連接在一起。
[0021]優(yōu)選從構(gòu)件I的外球面角度Θ i大于主構(gòu)件2的內(nèi)球面角度Θ 2，有利于保證連接結(jié)構(gòu)摩擦焊接部位的連接強(qiáng)度與完整性，提高焊接質(zhì)量。
[0022]對(duì)于鑄造成型的渦輪和葉輪，為提高渦輪和葉輪的心部強(qiáng)度，輪轂與輪盤可以分開加工，其中，對(duì)于鑄造成型的渦輪或葉輪，輪轂與輪盤分開加工，輪轂作為從構(gòu)件1，輪轂上有凸出的外球面結(jié)構(gòu)，輪轂采用合金棒材加工而成，輪盤作為主構(gòu)件2，輪盤上有凹進(jìn)去的內(nèi)球面結(jié)構(gòu)，輪盤采用鑄造成型，輪轂包含渦輪或葉輪心部的最大應(yīng)力位置，輪轂和輪盤通過(guò)摩擦焊連接在一起形成完整的渦輪或葉輪；輪轂的外球面半徑與輪盤的內(nèi)球面半徑相等，輪轂的外球面角度大于輪盤的內(nèi)球面角度。采用球面摩擦焊接連接結(jié)構(gòu)可以顯著提升渦輪和葉輪的心部強(qiáng)度，提高渦輪和葉輪的可靠性與壽命。
[0023]一種球面摩擦焊接連接方法，包括以下步驟:
[0024]a、確定連接結(jié)構(gòu)在工作時(shí)的應(yīng)力空間分布特征:采用有限元仿真計(jì)算方法確定連接結(jié)構(gòu)在工作時(shí)的應(yīng)力空間分布特征。
[0025]b、確定連接結(jié)構(gòu)的組成構(gòu)件外球面與內(nèi)球面的尺寸參數(shù):根據(jù)連接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)力空間分布特征，確定從構(gòu)件I的外球面和主構(gòu)件2的內(nèi)球面尺寸參數(shù)，其中，從構(gòu)件I的外球面角度Q1取值范圍為O <，主構(gòu)件2的內(nèi)球面角度θ2取值范圍為O < Θ 2 < 180°，從構(gòu)件I的外球面半徑R1與主構(gòu)件2的內(nèi)球面半徑R2相等，從構(gòu)件I的外球面角度Θ !大于主構(gòu)件2的內(nèi)球面角度Θ 2。例如，對(duì)于直徑為Φ95πιπι、厚度為39.5mm的鑄造鈦鋁合金增壓器渦輪，為提高渦輪心部強(qiáng)度，輪轂作為從構(gòu)件I，輪盤作為主構(gòu)件2，根據(jù)渦輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與心部應(yīng)力空間分布特征，確定的輪轂外球面半徑R1為24mm，輪轂的外球面角度Q1S 125°，確定的輪盤內(nèi)球面半徑R2為24mm，輪盤的內(nèi)球面角度02為120°，如圖1和圖2所示。
[0026]C、從構(gòu)件I的外球面加工:按照步驟b中確定的從構(gòu)件I的外球面半徑R1與角度Θ i進(jìn)行從構(gòu)件I的加工。例如，對(duì)于鑄造鈦鋁合金增壓器渦輪，為提高渦輪心部強(qiáng)度，輪轂作為從構(gòu)件I，輪轂可以采用鈦鋁合金棒材按照步驟b確定的外球面半徑R1與角度Θ i加工而成。
[0027]d、主構(gòu)件2的內(nèi)球面加工:按照步驟b中確定的主構(gòu)件2的內(nèi)球面半徑R2與角度Θ 2進(jìn)行主構(gòu)件2的加工。例如，對(duì)于鑄造鈦鋁合金增壓器渦輪，為提高渦輪心部強(qiáng)度，輪盤作為主構(gòu)件2，輪盤在鑄造成型的基礎(chǔ)上按照步驟b確定的內(nèi)球面半徑R2與角度Θ 2加工--? 。
[0028]e、確定從構(gòu)件I與主構(gòu)件2的摩擦焊接工藝參數(shù):根據(jù)從構(gòu)件I的材料性能參數(shù)與外球面尺寸參數(shù)以及主構(gòu)件2的材料性能參數(shù)與內(nèi)球面尺寸參數(shù)，確定從構(gòu)件I與主構(gòu)件2之間的摩擦焊接工藝參數(shù)，工藝參數(shù)包括從構(gòu)件I與主構(gòu)件2之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角速度、軸向力與進(jìn)給量。
[0029]f、從構(gòu)件I與主構(gòu)件2的摩擦焊接:采用摩擦焊接方式，在摩擦焊機(jī)上利用夾具將從構(gòu)件I與主構(gòu)件2分別固定在兩端，按照步驟e確定的焊接工藝參數(shù)，通過(guò)從構(gòu)件I外球面A和主構(gòu)件2內(nèi)球面B之間的摩擦焊接形成的完整的連接結(jié)構(gòu)，如圖3所示。例如，對(duì)于鑄造鈦鋁合金增壓器渦輪，為提高渦輪心部強(qiáng)度，輪轂作為從構(gòu)件I，輪盤作為主構(gòu)件2，將輪轂和輪盤分別固定在摩擦焊機(jī)的兩個(gè)裝夾端，采用摩擦焊接方式，按照確定的焊接工藝參數(shù)，通過(guò)輪轂外球面和輪盤內(nèi)球面之間的摩擦焊接形成的完整渦輪。
【權(quán)利要求】
1.一種球面摩擦焊接連接結(jié)構(gòu)，包括從構(gòu)件I和主構(gòu)件2,其特征在于:所述從構(gòu)件I上有凸出的外球面結(jié)構(gòu)，所述從構(gòu)件I的外球面角度G1取值范圍為O < Q1ClSiT，所述主構(gòu)件2上有凹進(jìn)去的內(nèi)球面結(jié)構(gòu)，所述主構(gòu)件2的內(nèi)球面角度θ2取值范圍為0< θ2<180° ;所述從構(gòu)件I的外球面半徑R1與主構(gòu)件2的內(nèi)球面半徑R2相等；所述從構(gòu)件I和主構(gòu)件2采用摩擦焊接工藝，通過(guò)從構(gòu)件I外球面和主構(gòu)件2內(nèi)球面之間的摩擦焊連接在一起，形成完整的連接結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球面摩擦焊接連接結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述從構(gòu)件I的外球面角度Θ工大于主構(gòu)件2的內(nèi)球面角度θ2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種球面摩擦焊接連接結(jié)構(gòu)，其特征在于:對(duì)于鑄造成型的渦輪或葉輪，輪轂與輪盤分開加工，輪轂作為從構(gòu)件I，輪轂上有凸出的外球面結(jié)構(gòu)，輪轂采用合金棒材加工而成，輪盤作為主構(gòu)件2，輪盤上有凹進(jìn)去的內(nèi)球面結(jié)構(gòu)，輪盤采用鑄造成型，輪轂包含渦輪或葉輪心部的最大應(yīng)力位置，輪轂和輪盤通過(guò)摩擦焊連接在一起形成完整的渦輪或葉輪；輪轂的外球面半徑與輪盤的內(nèi)球面半徑相等，輪轂的外球面角度大于輪盤的內(nèi)球面角度。
4.一種球面摩擦焊接連接方法，其特征在于:包括以下步驟: a、確定連接結(jié)構(gòu)在工作時(shí)的應(yīng)力空間分布特征:采用有限元仿真計(jì)算方法確定連接結(jié)構(gòu)在工作時(shí)的應(yīng)力空間分布特征； b、確定連接結(jié)構(gòu)的組成構(gòu)件外球面與內(nèi)球面的尺寸參數(shù):根據(jù)連接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)力空間分布特征，確定從構(gòu)件I的外球面和主構(gòu)件2的內(nèi)球面尺寸參數(shù)，其中，從構(gòu)件I的外球面角度Q1取值范圍為O <，主構(gòu)件2的內(nèi)球面角度θ2取值范圍為O<Θ 2 < 180°，從構(gòu)件I的外球面半徑R1與主構(gòu)件2的內(nèi)球面半徑R2相等，從構(gòu)件I的外球面角度Θ!大于主構(gòu)件2的內(nèi)球面角度Θ 2 ； C、從構(gòu)件I的外球面加工:按照步驟b中確定的從構(gòu)件I的外球面半徑R1與角度Θ I進(jìn)行從構(gòu)件I的加工； d、主構(gòu)件2的內(nèi)球面加工:按照步驟b中確定的主構(gòu)件2的內(nèi)球面半徑R2與角度Θ2進(jìn)行主構(gòu)件2的加工； e、確定從構(gòu)件I與主構(gòu)件2的摩擦焊接工藝參數(shù):根據(jù)從構(gòu)件I的材料性能參數(shù)與外球面尺寸參數(shù)以及主構(gòu)件2的材料性能參數(shù)與內(nèi)球面尺寸參數(shù)，確定從構(gòu)件I與主構(gòu)件2之間的摩擦焊接工藝參數(shù)，工藝參數(shù)包括從構(gòu)件I與主構(gòu)件2之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角速度、軸向力與進(jìn)給量； f、從構(gòu)件I與主構(gòu)件2的摩擦焊接:采用摩擦焊接方式，在摩擦焊機(jī)上利用夾具將從構(gòu)件I與主構(gòu)件2分別固定在兩端，按照步驟e確定的焊接工藝參數(shù)，通過(guò)從構(gòu)件I外球面和主構(gòu)件2內(nèi)球面的摩擦焊接形成完整的連接結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】B23K20/12GK104308356SQ201410497067
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】王正, 王增全, 王阿娜, 王秀娟, 王晉偉 申請(qǐng)人:中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)