增壓渦輪的焊接工藝的設(shè)計(jì)說明

1、錄1、 增壓渦輪器件焊接性分析 11.1增壓渦輪簡(jiǎn)介11.2增壓渦輪器件結(jié)構(gòu) 11.3 增壓渦輪器件材料 11.4 增壓渦輪器件工作環(huán)境 32、焊接工藝的選擇 32.1 焊接方式的選擇32.2 釬料的選擇 42.3 釬劑的選擇 62.4 裝配及固定 62.5 工藝參數(shù)的選擇 72.6 焊前處理72.7 焊后處理73、接頭界面結(jié)構(gòu)分析 74、心得體會(huì) 85、參考資料 81、增壓渦輪器件焊接性分析1.1增壓渦輪簡(jiǎn)介渦輪增壓的英文名字為Turbo，一般來說，如果我們?cè)谵I車尾部看到 Turbo 或者T,即表明該車采用的發(fā)動(dòng)機(jī)是渦輪增壓發(fā)動(dòng)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

2、量。它是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖 力來推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， 就可以增加發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性

3、沖力 來推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶 動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng) 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(dòng) 機(jī)排出的廢氣驅(qū)動(dòng)泵輪，泵輪帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)后給進(jìn)氣系統(tǒng)增壓。增壓 器安裝在發(fā)動(dòng)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(shí) 轉(zhuǎn)

4、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(dòng)軸承， 由機(jī) 油來進(jìn)行潤(rùn)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(dòng)機(jī) 部件或汽車用發(fā)動(dòng)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(tái)金的代表化臺(tái)物是 Ti捌A1的原予比為I : 1的TIA1臺(tái)金 鑄造 用的

5、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(tái)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(tái)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等化臺(tái)物后延性變好，在美 國是利用

6、其超塑性加工作為制造發(fā) 動(dòng)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)cm0.07C.C3Cxiq-7V10.32.81AA梅氏1T200Q220D00泊松比0 託0,24C,30藥裂輸性CMPa1 13673* H氮他S打NJ因 VI 費(fèi)合金NM3Cr-4Mn-&Al-窄叉難于 制作，延 性也不好， 所以該合 金現(xiàn)在還 處于旨在 提高延性A1NicSi血1 VI0 I1TrnMo.nte0.030D,01 ： D.01044 MOV抗掠圧度禍Ili沖率40Q1-141 D(3 . 3g/cm=)比TiAl還輕，姓一種抗氧化性好的材料，但由于固溶

7、范圍非常狹的基礎(chǔ)研究階段即使是這樣，上述3種鈦鋁含金既有長(zhǎng)處也有短處，是各具所長(zhǎng)的材料。在所報(bào)告用這種TjAl臺(tái)金制作汽車用部件到開發(fā)諷輪增壓器轉(zhuǎn)子柏例子中，還報(bào)告了將在航空航天領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的研究開發(fā)。由于TjA1的密度(3 . 8g/cm )比Tj 8A1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(dòng)機(jī)部件等是最有希望 的，人們對(duì)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(zhēng)取發(fā)動(dòng)機(jī)大功率進(jìn)展中，要求部件耐熱溫度提高和運(yùn)動(dòng)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

8、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，

9、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(shí)變形小，高溫時(shí)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(dòng)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(shí)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

10、轉(zhuǎn)。 普遍采用全浮動(dòng)軸承， 由機(jī)油來進(jìn)行潤(rùn)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。熔焊方法可以對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)固

11、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(duì)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(rùn)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(shí)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

12、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(gè)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(duì)于增壓渦輪器件的焊接，考慮工業(yè)自動(dòng)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

13、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(duì)釬料的基本要求為符合釬焊工藝要求和獲得優(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(rùn)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)

14、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 n40Cu2S-Zn60Cd40 S-Cd95Ag5等它

15、們釬焊接頭的抗剪強(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(zhǎng)，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(duì)鈦的潤(rùn)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(shí)，有良好的填充間隙能力，對(duì)母材無不良影 響。下圖為常用銀基釬料的化

16、學(xué)成分和主要性能B-AfiT2f2lCikB-GtTjlCwZnE1ASC2U45651Hlinti弘越汕ITlAgCuM-KCuZlHI-4mAscar-r251CuZnHU：?DlBlAgCuSJ-37CUZnHIME-AanHlAcCdlSLfi-li優(yōu)學(xué)威冷軽攢必CuCd一一2S1-20l一341一53+1令重lb 冷 1IS1銀星軒評(píng)的氏學(xué)成弗和主要性譲害埼度范(110 00.022鑒-釘：0JO42U.OSfr677 -77S0(1?74?*775n価q115850二丨(1貯0.072對(duì)于軸40Cr鋼，采用銀基釬料，主要采用 B-Ag45CuZn B-Ag40CuZnCd B-Ag

17、50CuZnC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，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(rùn)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(gè)：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(shí)

18、不受周圍大氣中有害氣體影響。3、使液態(tài)釬料有合適流動(dòng)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(shí)釬劑已經(jīng)失去活性。銀基釬料時(shí)，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(shí)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(shí)，必須控制釬焊的最高溫度和保 溫時(shí)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(gè)孔，渦輪端部加工出 一個(gè)凸軸，使凸軸

19、與孔間隙配合，且間隙保證在0.05m m以內(nèi)，軸與渦輪之間接觸面的間隙保證在,以同時(shí)滿足同軸度的要求以及焊接時(shí)釬料的填 充（如圖1）。焊接時(shí)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22.5工藝參數(shù)的選擇感應(yīng)加熱焊接時(shí)，工藝參數(shù)包括加熱頻率、加熱溫度、保溫時(shí)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(duì)電壓電流的調(diào)節(jié)，保證加熱溫 度。保溫時(shí)間在之間?？刂柒F焊溫度和保溫時(shí)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

20、焊接時(shí)，真空度在 0.133Pa或更高條件下。使用 氬氣保護(hù)焊時(shí)，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(chǔ) 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 2030ml硝酸、3040ml鹽酸溶液，清洗510min。 硝酸弄得低時(shí)基體金屬可能會(huì)吸氫。 對(duì)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焊后處理釬焊后焊縫表面的殘?jiān)仨毲謇砀蓛簦捎脵C(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(duì)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(duì)獲得優(yōu)異性能的接頭有重要意義，Al、Ti元素從鈦鋁合金