專利名稱：渦輪葉輪和渦輪軸的連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪軸和渦輪葉輪的連接。
背景技術(shù)：
渦輪增壓器可用在內(nèi)燃機中來壓縮吸入空氣以便獲得發(fā)動機較高的熱效率、動力輸出、轉(zhuǎn)矩和燃油經(jīng)濟性。渦輪增壓器可用在機動車以及航空應(yīng)用的各種發(fā)動機中。一般來說，渦輪增壓器可包括以例如高達200，OOOrpm的高速轉(zhuǎn)動的渦輪葉輪。該渦輪增壓器由高溫廢氣提供動力。因此在構(gòu)造渦輪葉輪時需要使用高溫材料，尤其是金屬。渦輪葉輪可以焊接到聯(lián)接到壓氣機葉輪的軸上。軸與渦輪葉輪的連接允許壓氣機葉輪在殼體內(nèi)部轉(zhuǎn)動以將環(huán)境溫度下的吸入空氣壓縮為高密度低速度的空氣，被稱為擴散(diffusion)。由于高轉(zhuǎn)速，非常重要的是以精確方式保證平衡、軸對稱和同心度以及提供高強度的部件連接。當(dāng)前，現(xiàn)有技術(shù)的渦輪增壓器葉輪和軸可以使用慣性摩擦焊接技術(shù)連接，其中軸可聯(lián)接到由定速轉(zhuǎn)動積聚動能并與例如渦輪葉輪的靜止工件壓在一起的飛輪。產(chǎn)生摩擦熱以共同摩擦兩個表面形成結(jié)合。包括在慣性摩擦焊接法中的各種缺陷包括產(chǎn)生必須通過焊后加工來去除的閃光焊覆層。另外，閃光可俘獲在圓柱形連接件內(nèi)，這在連接操作后需要更大的努力來平衡葉輪軸組件。而且，在從^OOkg/cm2開始的范圍內(nèi)的高推壓力要求采用大型剛性且昂貴的機械。另外在現(xiàn)有技術(shù)中已知的是，利用電子束焊接方法來連接渦輪葉輪和軸組件，與慣性摩擦焊接相比焊后加工較少且平衡可能較少。電子束焊接使用在真空中聚焦到連接處的高能束(high power density beam)。電子束產(chǎn)生具有極少焊接變形的縱深狹窄的熔化區(qū)。由于較少變形和較少的焊后加工所帶來的高質(zhì)量焊接，EB經(jīng)常選擇用于高應(yīng)力渦輪增壓器的應(yīng)用場合。然而，電子束(EB)焊機通常需要例如大于一分鐘的周期，如果使用夾具焊接多個組件則該周期會進一步延長。而且，EB焊接設(shè)備需要大資本投入成本同時需要在真空中進行操作。另外已知的是，例如CO2激光器的氣體激光器和例如Nd:YAG激光器的固態(tài)激光器用在焊接變矩器等中，并可用于焊接由鈦制成的渦輪軸和葉輪。(X)2激光器具有必需使用昂貴的氦保護氣來減少來自材料相互作用的等離子體的波長，這種材料相互作用吸收電子束能量并具有較差的電子束質(zhì)量(多TEM模式)。YAG激光器需要使用期限短、價格昂貴的泵 (二極管或燈泡式)。CO2和YAG激光器在將電轉(zhuǎn)換為光時都不太節(jié)能。因此在該領(lǐng)域內(nèi)需要改進的連接方法來連接渦輪葉輪和軸。在該領(lǐng)域內(nèi)還需要以經(jīng)濟方式獲得高強度高質(zhì)量連接件的連接方法。而且，在該領(lǐng)域內(nèi)需要這種焊接操作，該焊接操操作不需要真空同時又提供較少焊后操作的高強度準(zhǔn)確的連接操作。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，公開了一種用于連接渦輪增壓器的渦輪葉輪和渦輪軸的方法，包括如下步驟設(shè)置渦輪葉輪；設(shè)置渦輪軸；將該渦輪軸固定在焊接設(shè)備中；連接該渦輪軸和該渦輪葉輪；激勵導(dǎo)頻電流；將該軸提升到距該渦輪葉輪的預(yù)定高度以引起維弧(pilot arc)；激勵焊弧電流，以局部熔化該軸焊接端并在該葉輪上形成焊池；將該軸朝向葉輪插進焊池中； 切斷該電流；和從焊接完的該軸移開該焊接設(shè)備。另一個方面，公開了一種連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，包括如下步驟設(shè)置渦輪葉輪；設(shè)置渦輪軸；設(shè)置光纖激光器焊接設(shè)備；相對于渦輪葉輪定位該渦輪軸；激勵該光纖激光器并使其經(jīng)過該渦輪軸和該渦輪葉輪附近，以連接渦輪軸和渦輪葉輪。


圖IA-F包括連接方法的第一和第二實施例中渦輪葉輪和軸的側(cè)視圖和剖視圖；圖2是圖2B的部分剖視圖；圖3是圖IF的部分剖視圖；圖4包括利用具有拉弧焊接工藝和環(huán)圈的第一實施例的方法來連接的渦輪軸和葉輪的透視圖；圖5是第一實施例切削的加工操作后圖4所示軸和葉輪的部分透視圖；圖6是第一實施例的連接操作后渦輪葉輪和軸的部分剖視圖；圖7是第一實施例的彎曲試驗后渦輪葉輪和軸的透視圖；圖8是詳細(xì)圖示出利用該方法的第二實施例形成在軸和葉輪之間的焊接接頭的部分透視圖；圖9是包括軸架的渦輪葉輪的透視圖。
具體實施例方式參考圖1-7，顯示了用于連接渦輪軸10和葉輪15的方法的各種實施例。參見圖 1-5，顯示了用于連接渦輪軸10和葉輪15的第一實施例。第一實施例可包括用于連接渦輪軸10和葉輪15的拉弧焊接法。該方法可包括設(shè)置渦輪葉輪15和渦輪軸10。渦輪軸10可固定在例如焊槍或其它機器人所控制的設(shè)備的焊接設(shè)備中。軸和渦輪葉輪10，15隨后相互鄰接或接觸。接下來在焊接設(shè)備中可激勵導(dǎo)頻電流以流經(jīng)葉輪和軸之間的接觸部分。軸10 隨后被提升到距渦輪葉輪15的預(yù)定高度并且在葉輪和軸之間激勵維弧。該焊接設(shè)備隨后將電流從低導(dǎo)頻級別增加到足夠高的級別，產(chǎn)生局部熔化軸和葉輪10，15的主電弧以形成焊池20。接下來將軸10朝向葉輪15插進焊池20，并且熄滅電弧。對形成的焊接接頭進行冷卻并且切斷電流。最后將軸10從焊接設(shè)備移開，留下形成在渦輪葉輪和軸15，10之間的焊接接頭。一方面，正如圖IB-E細(xì)節(jié)所示，渦輪軸10可以是實心桿25而渦輪葉輪15可包括實心支座(abutment) 30。正如圖中所見，支座30可包括形成在渦輪葉輪15的后表面40上的斜面結(jié)構(gòu)35。另一方面，斜面結(jié)構(gòu)35可由形成在渦輪葉輪15上的軸架36 (最佳顯示在圖9中)代替，所述軸架限制焊接熱量流向該葉輪。軸架36可包括具有大約31mm較大直徑的頂部38，以及延伸到渦輪葉輪15的下柄部42。柄部42具有大約15mm的直徑。以這種方式，大約3mm的間隙44將形成在渦輪葉輪15和軸架36的頂部38之間。一方面，渦輪軸10可由例如AISI 8740鋼的合金鋼制成。渦輪葉輪15可由包括超級合金鉻鎳鐵合金(INC0NEL) 713的鎳基合金制成。應(yīng)該了解的是，包括不銹鋼和其他鎳基合金的其他材料也可用于渦輪葉輪和軸15、10。一方面，該方法的第一實施例可包括將環(huán)圈45定位在渦輪軸10附近以容納 (containing)焊池20、壓縮電弧并限制空氣進入焊接區(qū)域。在這種應(yīng)用中，軸10還可包括形成在軸10的端部上的焊劑載物(flux load)，該焊劑載物在第一實施例的方法過程中用作除氧劑。另外，第一實施例的方法可包括在拉弧法中形成焊接接頭后利用加工工具去除焊瘤的步驟。一方面，加工工具可整合到焊接設(shè)備中。對于具有不同外徑和剖面的軸10可以采用各種焊接參數(shù)。一方面，焊弧電流可具有1，000到1，500安培的值并且可被激勵550到900毫秒的電弧持續(xù)時間。在這種應(yīng)用中，第一實施例的方法可連接^4mm2的有效面積并形成具有高于179千牛的拉力值的焊接接頭；以及可連接198mm2的有效面積并形成具有100千牛的拉力值的焊接接頭。另一方面，第一實施例可包括在待連接的渦輪軸10部分和渦輪葉輪15附近提供保護氣體的步驟。保護氣體可包括例如氬氣的惰性氣體或者例如包含A或ω2的混合物的活性氣體，可以采用持續(xù)時間為100到150毫秒、且1，100到1，500安培的焊弧電流。在這種應(yīng)用中，可以產(chǎn)生具有127mm2的有效面積和大于97千牛的拉力值的焊接接頭。另一方面，該方法包括提供對焊弧施力的場成形器(field former)，將焊弧相對于渦輪軸10和渦輪葉輪15對中。通過這種方式，包括由焊接電流或者單獨電源供電的電磁線圈的場成形器向電弧施力以使其回到軸10的中心?？商鎿Q地，可以產(chǎn)生磁場以使電弧在軸10下方旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)均勻熔化以及軸10相對于葉輪15的連接的垂直性。另一方面，第一實施例的拉弧焊接法可包括如圖IB所示、需要在焊接過程中保持的環(huán)接設(shè)計。對于具有不同外徑和剖面的軸10可以采用不同的焊接參數(shù)。一方面，焊弧電流可具有大約2000安培的值并且可被激勵大約400毫秒的電弧持續(xù)時間。在這種應(yīng)用中， 第一實施例的方法可連接大約357mm2的有效面積并形成具有大約1 千牛的拉力值的焊接接頭。參考圖8，顯示出利用該方法第二實施例連接的渦輪葉輪和軸15、10。第二實施例的方法包括設(shè)置渦輪葉輪15和渦輪軸10。另外，設(shè)置光纖激光器焊接設(shè)備。渦輪軸10相對于渦輪葉輪15定位，最佳圖示于圖IA-B中。然后激勵光纖激光器并經(jīng)過渦輪軸10和渦輪葉輪15附近以連接渦輪軸10和葉輪15。如同先前描述的第一實施例一樣，渦輪軸10可由包括AISI 8740的鋼制成，而渦輪葉輪15可由例如鉻鎳鐵合金713的鎳基合金制成。一方面，第二實施例的方法包括在激勵光纖激光器時在渦輪葉輪15和軸10附近提供氬氣保護氣體。另外，第二實施例的用于連接渦輪葉輪和軸15、10的方法可包括利用散焦電子束第二次激勵光纖激光器，以修飾形成在兩部件之間的連接處外觀。一方面，該光纖激光器可以是具有1，070nm波長的鐿激光器。一方面，該光纖激光器包括200 μ m的光纖、IOOmm的準(zhǔn)直儀(collimator)和200mm的焦距。另外，該方法可包括第一激勵步驟，該第一激勵步驟在20rpm的轉(zhuǎn)速下具有1. 5kw的功率，且電子束聚焦在軸和葉輪10、15的表面上。而且，第二激勵步驟可包括在IOrpm轉(zhuǎn)速下具有1. 5kw的功率，且電子束距軸和葉輪10、15表面20mm散焦從而修飾焊接接頭外觀。一方面，第二實施例可包括中空且具有3mm壁厚和19mm直徑的軸10。另外，軸10 可包括在要與渦輪葉輪15連接的端部上形成的埋頭孔(counter bore) 50。另外，葉輪15 可包括如同第一實施例一樣形成于其上的抬高支座陽。抬高支座陽可包括形成于其中的埋頭孔60。通過第二實施例的方法形成的焊接接頭可具有至少90千牛的拉力值。一方面，該激光器可使用連續(xù)波或具有恒定功率。另一方面，可以使用周期性波動的功率來減少焊接缺陷的形成，例如孔隙或氣泡。例如可以使用方波功率。例如可以使用具有1800W-2000W平均值、500W峰間功率，166Hz頻率的正弦波形，每分鐘25英寸的焊接速度，總焊接時間為6秒的激光器。25psi的氮氣可用于此操作。另一方面，第二實施例的方法可包括將例如圖IB所示的實施例中的腔焊死。在這種應(yīng)用中，熱風(fēng)可被俘獲在腔中并產(chǎn)生例如氣泡的缺陷。該方法可包括如下步驟，使用處于聚焦?fàn)顟B(tài)的激光器在軸上鉆出大約0. 2mm直徑和距所形成的連接處3mm的小排氣孔?？梢允褂孟嗤募す馄鱽砗附舆B接處，然后散焦來密封排氣孔。雖然已經(jīng)論述了第一和第二方法的具體實施例，應(yīng)當(dāng)了解，在不脫離本發(fā)明的情況下可以采用各種功率值、時間和參數(shù)。
8
權(quán)利要求
1.一種用于連接渦輪增壓器的渦輪葉輪和渦輪軸的方法，包括如下步驟設(shè)置渦輪葉輪；設(shè)置渦輪軸；將該渦輪軸固定在焊接設(shè)備中；連接該渦輪軸和該渦輪葉輪；激勵導(dǎo)頻電流；將該軸提升到距該渦輪葉輪的預(yù)定高度以引起維??；激勵焊弧電流，以局部熔化該渦輪軸焊接端并在該葉輪上形成焊池；將該渦輪軸朝向該渦輪葉輪插進該焊池中；切斷該電流；從焊接完的該渦輪軸移開該焊接設(shè)備。
2.如權(quán)利要求1所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該渦輪軸焊接端為實心桿。
3.如權(quán)利要求1所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該渦輪葉輪包括實心支座。
4.如權(quán)利要求1所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該渦輪軸由鋼制成。
5.如權(quán)利要求4所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該鋼為AISI 8740。
6.如權(quán)利要求1所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該渦輪由鎳基超級合金制成。
7.如權(quán)利要求6所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該鎳基合金為鉻鎳鐵合金713。
8.如權(quán)利要求1所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，包括將環(huán)圈放置在該渦輪軸附近用于容納焊池。
9.如權(quán)利要求8所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該環(huán)圈選自由陶瓷環(huán)圈、由涂有氮化鈦、氮化硼、或二硫化鎢或銀的耐熱材料制成的半永久性環(huán)圈、和水冷的半永久性環(huán)圈組成的組。
10.如權(quán)利要求8所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，包括將焊劑球放在該渦輪軸的一端，作為焊接過程中的除氧劑。
11.如權(quán)利要求1所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，包括使用加工工具去除焊瘤的步驟。
12.如權(quán)利要求11所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該加工工具整合到該焊接設(shè)備中。
13.如權(quán)利要求1所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該焊弧電流為800到2500安培，持續(xù)時間為300到1000毫秒。
14.如權(quán)利要求1所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，包括在待連接的渦輪軸部分和渦輪葉輪附近提供保護氣體的步驟。
15.如權(quán)利要求14所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該弧焊電流為1100到2000安培，持續(xù)時間為80到250毫秒。
16.如權(quán)利要求1所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，包括提供對焊弧施力的場成形器，將焊弧相對于渦輪軸和渦輪葉輪對中。
17.一種用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，包括如下步驟 設(shè)置渦輪葉輪；設(shè)置渦輪軸；設(shè)置光纖激光器焊接設(shè)備； 相對于該渦輪葉輪定位該渦輪軸；激勵該光纖激光器并使其經(jīng)過該渦輪軸和該渦輪葉輪附近，以連接渦輪軸和渦輪葉輪。
18.如權(quán)利要求17所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該渦輪軸由鋼制成。
19.如權(quán)利要求18所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該鋼為AISI 8740。
20.如權(quán)利要求17所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該渦輪葉輪由鎳基超級合金制成。
21.如權(quán)利要求20所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該鎳基超級合金為鉻鎳鐵合金713。
22.如權(quán)利要求17所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，包括提供氬氣保護氣體。
23.如權(quán)利要求17所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，包括利用散焦電子束在第二整飾階段中激勵光纖激光器而不需切斷第一階段的電子束。
24.如權(quán)利要求17所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該光纖激光器是具有1070納米波長的鐿激光器。
25.如權(quán)利要求M所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該光纖激光器包括200 μ m的光纖、IOOmm的準(zhǔn)直儀和200_的焦距。
26.如權(quán)利要求23所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該第一激勵步驟包括在20rpm的轉(zhuǎn)速下具有1. 5kw的功率，且電子束聚焦在該渦輪軸和葉輪的表面上。
27.如權(quán)利要求沈所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該第二激勵步驟包括在20rpm轉(zhuǎn)速下具有1. 5kw的功率，且電子束距軸和葉輪的表面20mm散焦。
28.如權(quán)利要求17所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該軸是中空的且具有3mm壁厚和19mm外徑。
29.如權(quán)利要求17所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該軸的一端包括形成在其中的埋頭孔。
30.如權(quán)利要求17所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該葉輪包括形成在其上的抬高支座，該抬高支座包括形成于其中的埋頭孔。
31.如權(quán)利要求17所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該光纖激光器是通過分束器在多個工作單元中分時使用的。
32.如權(quán)利要求17所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，其特征在于該光纖激光器使用波動功率或恒定功率。
33.如權(quán)利要求17所述的用于連接渦輪葉輪和渦輪軸的方法，包括在連接該渦輪軸和葉輪之前使用該激光器在該渦輪軸中形成排氣孔的步驟。
34.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于該渦輪葉輪包括形成在其上限制焊接熱量流向該渦輪葉輪的軸架。
全文摘要
一種用于連接渦輪增壓器的渦輪葉輪和渦輪軸的方法，包括如下步驟設(shè)置渦輪葉輪；設(shè)置渦輪軸；將該渦輪軸固定在焊接設(shè)備中；連接該渦輪軸和該渦輪葉輪；激勵導(dǎo)頻電流；將該軸提升到距該渦輪葉輪的預(yù)定高度以引起維?。患詈富‰娏?，以局部熔化該軸焊接端并在該葉輪上形成焊池；將該軸朝向該葉輪插進該焊池中；切斷該電流；和從該焊接完的軸移開該焊接設(shè)備。
文檔編號F02B39/00GK102308062SQ200980156338
公開日2012年1月4日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者C·舒, J·W·穆莫 申請人:尼爾森焊釘焊接有限公司