增壓渦輪的焊接工藝的設(shè)計(jì)說明

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1、錄 1、 增壓渦輪器件焊接性分析 1 1.1增壓渦輪簡介 … 1 1.2增壓渦輪器件結(jié)構(gòu) 1 1.3 增壓渦輪器件材料………………… … …………………… 1 1.4 增壓渦輪器件工作環(huán)境………… … ……………………… 3 2、 焊接工藝的選擇 …………………………………………… 3 2.1 焊接方式的選擇…………………………………………… 3 2.2 釬料的選擇………………………………………………… 4 2.3 釬劑的選擇………………………………………………… 6 2.4 裝配及固定………………………………………………… 6 2.5 工藝參數(shù)的選擇……………………

2、……………………… 7 2.6 焊前處理…………………………………………………… 7 2.7 焊后處理…………………………………………………… 7 3、 接頭界面結(jié)構(gòu)分析 ………………………………………… 7 4、 心得體會 …………………………………………………… 8 5、參考資料 …………………………………………………… 8 1、增壓渦輪器件焊接性分析 1.1增壓渦輪簡介 渦輪增壓的英文名字為Turbo，一般來說，如果我們在轎車尾部看到 Turbo 或者T,即表明該車采用的發(fā)動機(jī)是渦輪增壓發(fā)動機(jī)了。渦輪增壓器實(shí)際上是一 種空氣壓縮機(jī)，通過壓縮空氣來增加進(jìn)氣量。它是利

3、用發(fā)動機(jī)排出的廢氣慣性沖 力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道 送來的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速 也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒 更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整一下發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速， 就可以增加發(fā)動機(jī)的輸 出功率了。渦輪增壓器有機(jī)械增壓系統(tǒng)、氣波增壓系統(tǒng)、廢氣渦輪增壓系統(tǒng)、復(fù) 合增壓系統(tǒng)。（此次設(shè)計(jì)的渦輪增壓器為廢氣渦輪增壓） 1.2增壓渦輪的結(jié)構(gòu) 以廢氣渦輪增壓系統(tǒng)為例，增壓器與發(fā)動機(jī)無任何機(jī)械聯(lián)系，實(shí)際上是一種 空氣壓縮機(jī)，通過壓縮空氣來增加進(jìn)氣量。它是利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣慣

4、性沖力 來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶 動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾 清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn) 入氣缸。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣 排出速度與禍輪轉(zhuǎn)速也同步增快， 葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸， 空氣的壓力和密度增大可以燃燒 更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量就可 以增加發(fā)動機(jī)的輸出功率。一般而 言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動 機(jī)功率及扭矩要增大20%^ 30%但 是廢氣渦輪增壓器技術(shù)也有其必 須注意的地方，那就是泵輪和渦輪 由一根軸相連，也就是轉(zhuǎn)子，發(fā)動 機(jī)排出的廢氣驅(qū)動泵輪，泵輪帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪轉(zhuǎn)動后給進(jìn)氣系統(tǒng)增壓。增壓 器安裝在發(fā)動機(jī)的排氣一側(cè)，所以增壓器的工作溫度很高，而且增壓器在工作時

5、 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速非常高，可達(dá)到每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)，如此高的轉(zhuǎn)速和溫度使得常見的機(jī) 械滾針或滾珠軸承無法為轉(zhuǎn)子工作，因此渦輪增壓器普遍采用全浮動軸承， 由機(jī) 油來進(jìn)行潤滑，還有冷卻液為增壓器進(jìn)行冷卻。如圖，渦輪器件由葉輪與軸相連 組成 1.3增壓渦輪器件的材料 TiAl合金 鈦鋁合金 其密度遠(yuǎn)小于高溫合金，而室溫和高溫比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）卻好, 窒溫韌性也比陶瓷材料好。因?yàn)檫m用于制造航空航天用機(jī)體的結(jié)構(gòu)材料、發(fā)動機(jī) 部件或汽車用發(fā)動機(jī)部件等，并有希望大幅度地輕量化和改善其性能， 將倬為下 一世紀(jì)的輕量化耐熱材擘尊而受到人們的關(guān)注。 這種缽鋁臺金的代表化臺物是 Ti捌A1的原予比為I : 1的T

6、IA1臺金 鑄造 用的錠材在室溫下的抗拉強(qiáng)度為 600MPa 900C下的抗拉強(qiáng)度為400MPa陳這些 數(shù)據(jù)外，由于密度為3. 8g/cm3，其比強(qiáng)度比因科鎳臺金713C好。而且常溫 延伸率(2 )比淘瓷還好，是一種富有延性的材料。其延性隨溫度升高而增加， 用 其塑性加工成為可能。而且機(jī)械加工也比較容易地進(jìn)行。此外 雖然焊接連接相 當(dāng)困難，但用擴(kuò)散接臺和釬焊等方 法的連接仍是可能曲，是結(jié)構(gòu)材料 所需的成形加工性材料。 鈦鋁合金除丁 TiAl之外還有鈦 量多的Ti3A1和鋁量多的TiA13其 中Tj sA1由于鐵量多、密度(4 . 2g / cm3)比TiA1重，抗氧化性差。但 加入Nb等化

7、臺物后延性變好，在美 國是利用其超塑性加工作為制造發(fā) 動機(jī)部仕的材料，另一方面 TiA1s 是含鋁量最多的鈦鋁合金其密度 特 TiAl 1 金屬 漢B 煤傳導(dǎo)cm 0.07 C.C3 Cxiq-7V> 10.3 2.8 1AA 梅氏 1T200Q 220D00 泊松比 0 ?託 0,24 C,30 藥裂輸性CMPa 1 13 6 73 * H氮他

8、Si 血1 V I 0 I 1 Tr nM o.nte 0.030

9、A1還輕，抗氧化性好，作為下一世 紀(jì)輕質(zhì)耐熱材料用于制造航空航天用機(jī)體結(jié)構(gòu)材料和發(fā)動機(jī)部件等是最有希望 的，人們對這方面的開發(fā)給予了極大的關(guān)注。 關(guān)在汽車領(lǐng)域爭取發(fā)動機(jī)大功率進(jìn)展中，要求部件耐熱溫度提高和運(yùn)動部件 輕量化。鈦鋁合金從具有輕質(zhì)耐熱的特性來看， 可蛆認(rèn)為是完壘有希望使用的 材料。為了得到汽車甩部件開發(fā)研究的例子，作者用精密鑄造法制作了渦輪增壓 器轉(zhuǎn)子作為提高響應(yīng)性的研究例子。過去汽車用渦輪增壓器轉(zhuǎn)子主要是采用因科 鎳合金7I3C，近年來也采用了重量輕響應(yīng)性好為目的的陶瓷制品 (s N4等)。為 此進(jìn)行了 TiAl適用性的研究，圖1表示拉仲特性，表2表示物理特性，TiA1的 高

10、溫比強(qiáng)度要比因科鎳合金 718C或陶瓷的高， 室溫延性也比陶瓷的好 而且熱 膨脹系數(shù)與金屬相、近，與金屬軸連接部的熱應(yīng)力也小。 40Cr 鋼 40cr 鋼材化學(xué)成分和力學(xué)性能 成分：碳 0.37 ?0.45 %，硅 0.17 ?0.37 %，錳 0.5 ?0.8 ,鉻 0.8 ?1.1 % 退火硬度：小于207HBS 正火硬度：小于 250HBS 調(diào)質(zhì)處理：試樣直徑： 25mm，850 度淬火加熱油淬， 520 度回火后：抗拉 1000 兆帕，屈服 800 兆帕，延伸 9％，斷面收縮 45％，沖擊韌性 588.3 千焦/ 平方米 40Cr 鋼強(qiáng)度，淬透性高，韌性好，淬火時變形小，高

11、溫時有高的蠕變強(qiáng)度 和持久強(qiáng)度。 用于制造要求較高強(qiáng)度或調(diào)質(zhì)界面更大的鍛件， 如機(jī)車牽引用的大 齒輪，增壓傳動齒輪、后軸，受載荷極大的連桿及彈簧夾，也可用于 200Om以下 深井鉆桿接頭與打撈工具等。 1.4 增壓渦輪器件工作環(huán)境 增壓器的工作環(huán)境異常惡劣，溫度很高，而且增壓器在工作時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速非 常高，增壓器廢氣渦輪端的溫度在 600C左右，增壓器轉(zhuǎn)子以832 - 1040r / min 的高速旋轉(zhuǎn)。 普遍采用全浮動軸承， 由機(jī)油來進(jìn)行潤滑， 還要有冷卻液為增壓器 進(jìn)行冷卻。 2、焊接工藝的選擇 2.1 焊接方式的選擇 鈦鋁合金的連接技術(shù)涉及到熔體和固體焊接如釬焊、擴(kuò)散焊、摩擦焊接等

12、。 熔焊方法可以對鈦鋁合金自身進(jìn)行連接， 但是熔焊的工藝性較差， 鈦鋁合金的本 質(zhì)脆性使得很難獲得完整的熔焊接頭。 經(jīng)過多年的研究， 對于鈦鋁合金熔焊來說， 已經(jīng)可以獲得完整無裂紋的接頭， 但所獲得的接頭易產(chǎn)生凝固裂紋， 淬硬傾向較 大。因而力學(xué)性能普遍較差，與熔焊方法相比，固態(tài)連接方法熱輸入量小，焊接 熱循環(huán)過程控制相對容易。 通過試驗(yàn)可以設(shè)計(jì)出符合鈦鋁合金性能的連接工藝參 數(shù)，從而改善連接質(zhì)量。 因此國內(nèi)外對固態(tài)連接進(jìn)行了大量研究， 所采用的連接 方法包括釬焊、擴(kuò)散焊、摩擦焊等。 釬焊方法本身具有很多優(yōu)點(diǎn)， 釬焊溫度低， 對鈦鋁合金影響小， 接頭應(yīng)力小， 可以根據(jù)連接溫度， 接頭強(qiáng)度要

13、求選擇多種填充金屬， 適合連接難熔化的鈦鋁合 金與 40Cr 鋼。 釬焊是三大焊接方法的一種。釬焊是采用比焊件金屬熔點(diǎn)低的金屬釬料，將 焊件和釬料加熱到高于釬料、低于焊件熔化溫度，利用液態(tài)釬料潤濕焊件金屬， 填充接頭間隙并與母材金屬相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的一種方法。 釬焊與熔焊相比，有下列優(yōu)點(diǎn)： a） 釬焊時焊件不熔化。在大多數(shù)情況下，釬焊溫度比焊件金屬熔點(diǎn)低得 多，因此，釬焊后工件組織和機(jī)械性能變化小，應(yīng)力及變形小。 b） 可以釬焊任意組合的金屬材料，可以釬焊金屬與非金屬。 c） 可以一次完成多個零件的釬焊或套疊式、多層式結(jié)構(gòu)焊件的釬焊。 d） 可以釬焊極細(xì)極薄的零件，也可以釬焊厚

14、薄及粗細(xì)差別很大的零件。 e） 可以將某些材料的釬焊接頭拆開，重復(fù)進(jìn)行釬焊。 釬焊的不足之處是： a） 釬焊接頭的比強(qiáng)度較熔焊低，因此常用搭接接頭型式來提高承載能力。 b） 釬焊工件連接表面的清理工件和工件裝配質(zhì)量要求都很高。 TiAl J 如右圖，對于增壓渦輪器件 的焊接，考慮工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中各種因素， 選擇采用感應(yīng)加熱加保護(hù)氣體進(jìn) 釬焊，按所用的熱源不同， 可分為：火焰釬焊、感應(yīng)釬焊、 烙鐵釬焊、電阻釬焊及爐中釬焊 等。 2.2釬料的選擇 釬料又稱焊料，是釬焊過程中在低于母材熔點(diǎn)的溫度下熔化并填充接頭間隙 的金屬或合金。 對釬料的基本要求 為符合釬焊工藝要求和獲

15、得優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭，釬料應(yīng)滿足以下幾項(xiàng)基本要 求： (1) 釬料應(yīng)具有合適的熔化溫度范圍，至少應(yīng)比母材的熔化溫度范圍低幾十 度。 (2) 在釬焊溫度下，應(yīng)具有良好的潤濕性，以保證充分填滿釬縫間隙。 (3) 釬料與母材應(yīng)有擴(kuò)散作用，以使其形成牢固的結(jié)合。 (4) 釬料應(yīng)具有穩(wěn)定和均勻的成分，盡量減少釬焊過程中合金元素的損失。 (5) 所獲得的釬焊接頭應(yīng)符合產(chǎn)品的技術(shù)要求，滿足力學(xué)性能、物理化學(xué)性 能、使用性能方面的要求。 (6) 釬料的經(jīng)濟(jì)性要好。應(yīng)盡量少含或不含稀有金屬和貴重金屬。還應(yīng)保證 釬焊的生產(chǎn)率要高。 (7) 釬料應(yīng)具有加工變形能力，以便于制成各種形狀。 釬料的分類

16、1 ?按照釬料的熔化溫度范圍分 (1) 熔點(diǎn)低于450C的釬料稱為軟釬料如傢基、鉍基、銦基、錫基、鉛基、 鎘基、 鋅基等合金。 (2) 熔點(diǎn)高于450C的釬料稱為硬釬料(俗稱難熔釬料)如鋁基、鎂基、銅基、 銀基、錳基、金基、鎳基、鈀基、鈦基等合金。 2 ?按照釬料的主要合金元素分 釬料按其主要合金元素可分為錫基、鉛基、鋁基等釬料。 3 ?按照釬料的制成形狀分 釬料按其制成形狀可分為絲、棒、片、箔、粉狀或特殊形狀釬料 (例如環(huán)形 釬料或膏狀釬料等)。 釬焊鈦及其合金的軟釬料有鎘基與鋅基材料，如 S-Z n58S n40Cu2 S-Zn60Cd40 S-Cd95Ag5等它們釬焊接

17、頭的抗剪強(qiáng)度為 29.4-49MPa。由于接頭強(qiáng) 度低及耐腐蝕性差，則很少進(jìn)行鈦及其合金的軟釬焊。 釬焊鈦及其合金的硬釬料主要有銀基、鈦基與鈦鋯基及鋁基三類，其中銀釬 料使用歷史最長，可靠性較好。 銀基釬料包括純銀和添加鋰、銅、鋁、錫及猛等的銀基釬料。銀對鈦的潤濕 性很好，在釬縫的界面區(qū)形成金屬間化合物 TiAg，與鈦及其他金屬的金屬間化 合物相比它不算太脆。含鋰的銀釬料焊成的接頭在飛機(jī)的高壓液壓系統(tǒng)中顯示出 很高的持久度、疲勞強(qiáng)度、抗氧化和耐蝕性能。含鋁的銀基釬料如 B-Ag95Al， 熔點(diǎn)為780-825度，在900度釬焊時，有良好的填充間隙能力，對母材無不良影 響。 下圖為常用銀

18、基釬料的化學(xué)成分和主要性能 B-AfiT2 f2±l Cik B - Gt Tj±l CwZn E1ASC^2U45 65±1 Hl" inti 弘越汕 ITlAgCuM-K CuZl HI-'4 mAscar-r 25±1 CuZn HU：? ^D±l BlAgCuSJ-37 CUZn HIM E-Aan HlAcCdlS^Lfi-li 優(yōu)學(xué)威冷軽攢必 Cu Cd 一 — — 一 — — 2S±1 — - 20±l 一

19、34±1 — — — 一 53+1 令重 — — lb 冷 ±1 IS±1 — 銀星軒評的氏學(xué)成弗和主要性譲 害埼度范 (110 ■ 0 0.022 鑒」 - - 釘： 0JO42 U.OSfr 677 -77S 0(1?? 74?*775 n価q 115^850 二丨 (1貯 0.072  對于軸40Cr鋼，采用銀基釬料，主要采用 B-Ag45CuZn B-Ag40CuZnCd B-Ag50CuZnC和B-Ag50CuZn等釬料。銀基釬料的工藝性能好，釬焊溫度比銅基 釬料低

20、，在鋼表面具有良好的輔展性，釬焊接頭的強(qiáng)度和塑性都是比較好的。 為了滿足鈦鋁合金葉輪與40Cr鋼軸的焊接要求，選擇B-Ag50CuZ（熔點(diǎn) 677-775度）釬料進(jìn)行焊接。 2.3釬劑的選擇 釬劑定義應(yīng)該很廣泛，包括熔鹽、有機(jī)物、活性氣體、金屬蒸汽等，即除去 母材和釬料外，泛指第三種用來降低母材和釬料界面張力的所有物質(zhì)。 釬料與母材的濕潤能力與釬料的本性固然有很大關(guān)系，但與釬劑的作用相比則次 要多了。 焊劑的功能部分可分為三個： 1、 去除焊接面的氧化物，降低焊料熔點(diǎn)和表面張力，盡快達(dá)到釬焊溫度。 2、 保護(hù)焊縫金屬在液態(tài)時不受周圍大氣中有害氣體影響。 3、 使液態(tài)釬料有合適流

21、動速度以填滿釬縫。 釬劑的熔點(diǎn)應(yīng)該低于釬料熔點(diǎn)10-30攝氏度，特殊情況下也可使釬劑的熔點(diǎn)高于 釬料。釬劑的熔點(diǎn)若過低于釬料則過早熔化使釬劑成分由于蒸發(fā)、 與母材作用等 原因使釬料熔化時釬劑已經(jīng)失去活性。 銀基釬料時，釬劑選擇含有金屬鈉、鉀、鋰的氟化物的特殊混合物。釬劑 和保護(hù)氣氛同時使用，釬劑采用膏狀、粉狀與釬料結(jié)合等形式使用。在保護(hù)氣氛 中釬焊，釬料預(yù)先放置在接頭內(nèi)，在感應(yīng)加熱時，必須控制釬焊的最高溫度和保 溫時間，以保證適當(dāng)?shù)娜刍?，使釬料完全滲入接頭。 2.4裝配及固定 為了保證渦輪與軸之間的同軸度，在軸端部打一個孔，渦輪端部加工出 一個凸軸，使凸軸與孔間隙配合，且間隙保證在

22、0.05m m以內(nèi)，軸與渦輪之間接 觸面的間隙保證在,以同時滿足同軸度的要求以及焊接時釬料的填 充（如圖1）。焊接時軸與渦輪及感應(yīng)線圈的放置如圖 2。釬料與釬劑均適量的均 勻放置于接觸面間。 圖2  2.5工藝參數(shù)的選擇 感應(yīng)加熱焊接時，工藝參數(shù)包括加熱頻率、加熱溫度、保溫時間。加熱溫度 由加熱頻率及電壓與電流控制。根據(jù)釬料的熔點(diǎn)在677到775度，則所選擇的加 熱溫度在800-850度之間。采用高頻加熱，通過對電壓電流的調(diào)節(jié)，保證加熱溫 度。保溫時間在之間?？刂柒F焊溫度和保溫時間，使釬料流滿間隙。 為了防止釬焊接頭的氧化及吸氮、吸氫反應(yīng)，所以在真空或氬氣保護(hù)中進(jìn)行焊接。 真空焊接

23、時，真空度在 0.133Pa或更高條件下。使用 氬氣保護(hù)焊時，必須用高純 的氬氣，露點(diǎn)必須是-54 C 或更低，一般使用制冷存儲 器中的液態(tài)氬。 2.6焊前處理 在釬焊前必須徹底清理 表面，進(jìn)行脫脂及去除氧化 膜，加熱到538° C以上，鈦 表面生成大量氧化皮，用機(jī)械法、噴砂法或熔融鹽浴清理去除。輕度的氧化膜可 用酸洗除去，鈦的酸洗液采用體積分?jǐn)?shù)為20%~45硝酸鹽加體積分?jǐn)?shù)為2%氫氟酸 水溶液或在室溫下每升水中加油 20~30ml硝酸、30~40ml鹽酸溶液，清洗5~10min。 硝酸弄得低時基體金屬可能會吸氫。 對于表面油脂，使用非氯化物的溶劑，如丙 酮、酒精或丁酮清除。 2.7焊

24、后處理 釬焊后焊縫表面的殘?jiān)仨毲謇砀蓛?，采用機(jī)械法或化學(xué)清理法講殘?jiān)?除。用化學(xué)法清理后應(yīng)進(jìn)行中和鈍化， 并使焊縫及焊件表面干燥，避免發(fā)生氧化 或腐蝕。焊后的焊件還應(yīng)進(jìn)行退火處理。最后檢驗(yàn)焊件器件。 3、接頭界面結(jié)構(gòu)分析 在釬料已經(jīng)選定的前提下，接頭界面結(jié)構(gòu)對接頭綜合性能有直接影響。接頭 組織，界面結(jié)構(gòu)形成機(jī)理的研究對獲得優(yōu)異性能的接頭有重要意義， Al、Ti元 素從鈦鋁合金的釬縫中溶解及擴(kuò)散是形成界面圍觀結(jié)構(gòu)的主要控制因素， 經(jīng)過等 溫凝固和固態(tài)擴(kuò)散，在接頭中形成了由多個反應(yīng)組成的界面結(jié)構(gòu)，而且界面結(jié)構(gòu) 及其形成機(jī)理隨連接溫度，連接時間以及母材成分有所變化。 如圖，是選取釬縫制

25、造的金相圖，W層主要構(gòu)成元素為 Ag、Cu,其中的花紋 為Ag - Cu共晶花紋,白色大塊區(qū)域含Ag量較高接頭界面靠近TiAl —側(cè)的第V 層中的黑色區(qū)域主要構(gòu)成元素為 Ti、Al、Cu ,該黑色區(qū)域可能為Ti、Al、 Cu之間反應(yīng)生成的金屬間化合物；靠近40Cr的邊界處斷續(xù)的黑點(diǎn)含Ti量較 4、心得體會 目前發(fā)動機(jī)增壓渦輪所用的高溫合金主要為鎳基合金 , 其密度較大 , 造成發(fā) 動機(jī)啟動、中止響應(yīng)慢 , 機(jī)動性差等問題。 隨著新技術(shù)材料的發(fā)展， 葉輪采用 TiAl 基金屬間化合物具有密度小 強(qiáng)度高、剛性好、良好的高溫力學(xué)性能和抗氧化性。 軸采用40Cr鋼，強(qiáng)度、淬透性好，淬火時變形小

26、，高溫時有搞蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng) 度。焊接工藝設(shè)計(jì)是一個綜合各種因素的設(shè)計(jì)過程， 它涉及到材料的分析、 設(shè)備 的選用、實(shí)際的操作過程、焊前、后的處理、數(shù)據(jù)分析、焊后檢驗(yàn)等。在各個環(huán) 節(jié)中須認(rèn)真執(zhí)行，以獲得高質(zhì)量的焊縫。 機(jī)械工業(yè)出版社 機(jī)械工業(yè)出版社 機(jī)械工業(yè)出版社 5、參考資料 王大志 《焊接技術(shù)與焊接工藝問答》 薛松柏 《焊接材料手冊》 李玉龍 , 馮吉才 , 李卓然 , 何鵬 王運(yùn)炎 《機(jī)械工程材料》 Ag2Cu2Ti 釬料高頻感應(yīng)釬焊 TiAl/ 40Cr》 哈爾濱焊接學(xué)報》 2004.10 第 5 期 日野春樹等 《鈦鋁合金的應(yīng)用》 蘭軒花 , 張 虹 《車用渦輪增壓器零部件參數(shù)化模型設(shè)計(jì)》 《車用發(fā)動機(jī)》 2004