本發(fā)明提供了一種優(yōu)選用于渦輪增壓器的渦輪機(jī)葉輪和軸之間接觸表面的新型幾何形狀，以允許各零件在焊接過程期間的持續(xù)對中。

背景技術(shù)：

渦輪增壓器以極高的旋轉(zhuǎn)速度(對于大型渦輪增壓器高達(dá)80000rpm并且對于小型渦輪增壓器高達(dá)300000rpm)操作。取決于發(fā)動機(jī)中的燃燒類型，驅(qū)動渦輪機(jī)葉輪的排氣可在從740℃至1050℃的范圍內(nèi)。因此，渦輪機(jī)葉輪和軸是由高強(qiáng)度耐高溫的金屬構(gòu)成的，所述金屬能夠承受離心裝載和溫度變化，而不會遭受顯著變形，顯著變形會改變平衡，引入噪聲，縮短組裝壽命等等。

已知使用慣性摩擦焊接技術(shù)來接合葉輪和軸，在慣性摩擦焊接技術(shù)中軸可聯(lián)接于飛輪，該飛輪積聚來自以固定速度旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的動能，并且該旋轉(zhuǎn)軸推抵于靜止渦輪機(jī)葉輪。摩擦熱量在兩個表面摩擦在一起時(shí)產(chǎn)生，以形成焊接。在慣性摩擦焊接過程中包括的各種限制包括閃光焊覆層的產(chǎn)生，該閃光焊覆層須通過焊接后機(jī)加工來去除。另外，閃光焊覆層可能被截流在圓柱形接頭內(nèi)部，從而在接合操作之后需要較大的勞力來平衡葉輪軸組件。此外，高推力壓力使得使用大型、剛性且昂貴的機(jī)械成為必需。

還已知利用電子束焊接過程來接合渦輪機(jī)葉輪和軸組件。電子束(eb)利用高功率密度電子束，其在真空中聚焦在接頭上。電子束產(chǎn)生具有較小焊接失真的深窄熔融區(qū)域。由于具有較小失真的高質(zhì)量焊接和對于焊接后機(jī)加工的較少工作，通常對于高應(yīng)力渦輪增壓器應(yīng)用選擇eb。

另一基于能量束的技術(shù)包含一個或多個激光束來輸送足以將各部件焊接在一起的能量。諸如co2激光器的氣體激光器和諸如nd:yag激光器的固態(tài)激光器能用于焊接鈦渦輪機(jī)葉輪和軸。

不管是使用電子束焊接還是激光束焊接，由激光束熔化的材料在固化之后的冷卻期間收縮，這可能具有諸如變形和產(chǎn)品形狀改變的不期望后果。需要改進(jìn)此種接合技術(shù)，以可靠地生產(chǎn)具有高接合精度的接頭。

另一潛在的危險(xiǎn)是在焊接中出現(xiàn)裂縫。由于渦輪機(jī)葉輪和軸是剛性的，焊接的收縮在焊接中產(chǎn)生高應(yīng)力，這會引起沿著焊縫的表面的橫向裂縫(圖6a)或者沿焊接深度方向的縱向裂縫(圖6b)。此外，留在焊縫區(qū)域中的殘余應(yīng)力會在上述高熱應(yīng)力和離心裝載下的渦輪增壓器操作期間引起連接松弛。這進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失衡，從而相關(guān)聯(lián)地發(fā)出噪聲并且增大磨損。

美國專利us6,848,180教示了通過(a)將形成在一個渦輪機(jī)葉輪的一個端部處的圓柱形突部裝配到形成在渦輪機(jī)葉輪中的用以徑向地定位零件(即，同軸定位)的裝配孔中、以及(b)將渦輪機(jī)軸的一個端部在鄰抵部分處鄰抵于渦輪機(jī)葉輪來軸向地定位零件來接合葉輪和渦輪機(jī)軸是已知的。這些零件通過鄰抵部分的整個周界的電子束焊接來熔合。在該專利中，教示一種改進(jìn)的接合方法，其中渦輪機(jī)葉輪的裝配孔的內(nèi)周界壁的一部分向內(nèi)漸縮，并且渦輪機(jī)軸接合于葉輪的端部具有對應(yīng)地漸縮的鄰抵部分。接觸漸縮表面確保精確的同軸和軸向定位，并且抑制熔融時(shí)的變形。然而，匹配零件的此種設(shè)計(jì)是復(fù)雜的，其中匹配零件具有冗余的尺寸。此外，焊接圍繞傳統(tǒng)的平面鄰抵部分處的接觸區(qū)域的周界發(fā)生，從而導(dǎo)致如上所述的焊接應(yīng)力，這可能引起彎曲變形。

不管是使用電子束焊接還是激光束焊接，由激光束熔化的材料在固化之后的冷卻期間收縮，這可能取決于狀況而引起變形和形狀變化。需要提供一種用于將渦輪機(jī)葉輪接合于軸的接合技術(shù)，該接合技術(shù)具有高接合精度并且不具有變形。需要一種接合技術(shù)，該接合技術(shù)允許能以經(jīng)濟(jì)的方式形成高強(qiáng)度和質(zhì)量的接頭，這會避免引起接頭中形成應(yīng)力和裂縫的狀況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明部分地基于如下認(rèn)識做出：在渦輪機(jī)葉輪和軸之間焊接接頭處的接觸表面的常規(guī)平面幾何形狀一方面由于焊接期間變形引入錯位可能性，并且另一方面在接頭的二維平面中引入應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生有利于裂縫形成的狀況。

本發(fā)明提供了一種在渦輪機(jī)葉輪和軸之間接觸表面的新型幾何形狀，這允許各零件在焊接過程期間的連續(xù)對中，并且同時(shí)允許在三維空間中的應(yīng)力耗散，由此所產(chǎn)生的接頭是高度精確的并且不易失真或開裂。

本發(fā)明通過改變渦輪機(jī)葉輪和軸之間焊接區(qū)域接觸表面的幾何形狀、也就是從平面幾何形狀至傾斜或漸縮(橫截面觀察)或截頭錐形(三維觀察)幾何形狀的外周界周向接觸面積而做出。截頭錐形幾何形狀不僅允許各零件在接合期間的連續(xù)對中，而且消除由于焊接非平面接觸表面而沿平面的應(yīng)力傳播問題。本發(fā)明進(jìn)一步需要修改電子束，以使得焊接即不像常規(guī)那樣深也不窄。最后，電子束的位置偏移，以使得截頭錐形接觸表面區(qū)域的外部或周界區(qū)段通過焊接接合，留下內(nèi)部未熔化和未焊接區(qū)域，用以通過焊接過程維持傾斜表面的穩(wěn)固接觸。

附圖說明

通過舉例的方式而不是限制的方式在附圖中示出了本發(fā)明，在附圖中類似的附圖標(biāo)記指示類似的零件，且在附圖中：

圖1示出常規(guī)接頭，其中渦輪機(jī)葉輪和渦輪機(jī)軸沿著垂直于軸軸線的平面接合在一起；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的渦輪機(jī)葉輪與軸在焊接之前利用截頭錐形接觸表面的匹配；

圖3示出渦輪機(jī)葉輪與軸根據(jù)本發(fā)明在焊接之后利用截頭錐形接觸表面的匹配；

圖4是從圖3剖取的焊接的放大圖示，其示出軸中的焊接根部；

圖5示出在渦輪機(jī)葉輪中具有焊接根部的替代實(shí)施例；

圖6a、圖6b示出通過常規(guī)的電子束或激光焊接形成的焊接中可能的應(yīng)力和裂縫形成；以及

圖7示出如何通過改變電子束的特性來改變焊接的形狀。

具體實(shí)施方式

例如下文更詳細(xì)解釋地是，當(dāng)電子束或激光束用于將渦輪機(jī)葉輪熔合至軸時(shí)，束在焊接接頭處垂直于軸和葉輪的旋轉(zhuǎn)軸線徑向地引導(dǎo)，并且軸和葉輪旋轉(zhuǎn)以使得在軸和葉輪轉(zhuǎn)動時(shí)圍繞整個周界接觸區(qū)域形成焊接。電子通過電子槍產(chǎn)生、加速至高速度、由電場成形為束、進(jìn)一步準(zhǔn)直或變?yōu)槠叫星胰缓笸ㄟ^電磁透鏡聚焦。這允許產(chǎn)生極其深且窄的焊接(參見圖7，焊接“d”、“e”以及“f”)。由于束垂直于軸瞄準(zhǔn)，常規(guī)的深且窄焊接產(chǎn)生平面的盤形接頭區(qū)域，并且因此渦輪機(jī)葉輪和軸接觸表面定形成在該平面盤形區(qū)域中彼此接觸，即在該周界接觸區(qū)域處的軸和葉輪接觸表面是平面的。

例如圖1中所示，常規(guī)的軸1具有圓柱形對中突部2，該圓柱形對中突部能插入到渦輪機(jī)葉輪4中的圓柱形容座3中，且留下間隙6。對于軸向位置，葉輪和軸沿著鄰抵區(qū)域5接觸，其中接觸表面處于垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的平面7a中。出于上述原因，本發(fā)明已被認(rèn)為是形成接頭的理想方法。

本發(fā)明基于如下發(fā)現(xiàn)做出：限制在該狹窄平面接頭區(qū)域中的不期望應(yīng)力能通過在焊接之前將接觸表面的設(shè)計(jì)改變?yōu)閳D2中示出的傾斜或截頭錐形配置7b而較大程度地耗散。軸1的周界接觸區(qū)域較佳地相對于徑向以至少5°、更佳地至少10°、最佳地近似15-25°、較佳地小于30°且不超過45°的角度略微傾斜。形成在渦輪機(jī)葉輪4上的匹配接觸表面是鈍角并且與形成在軸上的接觸表面的角度互補(bǔ)，以使得這些表面彼此齊平地鄰抵。

另一方面，減縮可以是在相反方向上，且斜面在接觸區(qū)域處形成在渦輪機(jī)葉輪上，并且軸設(shè)有如圖5所示與徑向平面成鈍角的相互接觸表面。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，焊接的根部處于渦輪機(jī)葉輪中，該渦輪機(jī)葉輪通常具有較硬的材料。

在任一情形中，接觸表面易于通過常規(guī)的技術(shù)形成，并且該設(shè)計(jì)并不需要對匹配零件進(jìn)行負(fù)載且冗余地定尺寸。

焊接設(shè)備的幾何形狀配置并不改變，以使得eb或激光束持續(xù)垂直于旋轉(zhuǎn)軸線撞擊軸和葉輪。然而，本發(fā)明對傾斜或截頭錐形接觸區(qū)域的焊接會需要(a)焊縫朝向軸(圖4)或朝向葉輪(圖5)軸向地偏移，以及(b)替代深且窄的焊接(圖7，焊接“d”、“e”以及“f”)，控制束以產(chǎn)生具有比常規(guī)的深且窄焊接更寬且較小深度(圖7，焊接“c”；圖4和5)的焊接。較佳地是，熔體的穿透深度是在焊接表面處熔體寬度的2-3倍。接觸區(qū)域的傾斜度以及焊接的形狀和位置彼此調(diào)節(jié)，以使得焊接近似將外周界熔化接觸區(qū)域的1/3至3/4、較佳地約周界接觸區(qū)域的約1/2至2/3，但并不熔化清洗接觸區(qū)域的完整長度。參照圖4，其中放大地示出圖3的焊接8，且軸和葉輪以及接觸區(qū)域的外直徑在熔化之前的形狀以虛線示出。在熔化之后，渦輪機(jī)葉輪和軸的金屬變得熔合到焊接8中。例如能觀察到的是，接觸區(qū)域的徑向內(nèi)部區(qū)段“y”并不熔化，而僅僅接觸區(qū)域的徑向外部區(qū)段“x”熔化(其中“x”+“y”＝接觸區(qū)域)。這樣，維持還未焊接的傾斜表面的穩(wěn)固接觸的區(qū)域。同時(shí)，根部凹口(升高應(yīng)力的位置)位于軸(圖4)或渦輪機(jī)葉輪(圖5)的材料中。此外，渦輪機(jī)葉輪的并且用于徑向地定位零件的常規(guī)圓柱形對中表面也有助于使得這些部件在焊接過程期間可靠地對中。

軸可由與渦輪機(jī)葉輪相同的材料形成，或者可由不同的材料形成。例如，渦輪機(jī)葉輪和軸兩者可由鈦合金形成，或者軸可由諸如aisi8740鋼的合金鋼形成，并且渦輪機(jī)葉輪由諸如超合金inconel713的鎳基合金形成。中間或釬焊復(fù)合物可設(shè)置在渦輪機(jī)葉輪和軸之間以促進(jìn)焊接和粘結(jié)。

較佳地是，軸由比渦輪機(jī)葉輪較低熔點(diǎn)的金屬制成，以使得軸會在渦輪機(jī)葉輪之前開始熔化?？蛇x地是，軸的外表面緊鄰于接觸區(qū)域設(shè)有小塊額外材料，該材料在渦輪機(jī)葉輪熔化之前熔化，并且填充接觸區(qū)域中的任何間隙。額外材料在平衡之前在焊接后操作中去除。

束的調(diào)節(jié)以產(chǎn)生焊接的期望寬度和深度落在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的范圍內(nèi)。電子束的有效性取決于許多因素。最重要的是所要焊接材料的物理特性，尤其是它們能在低壓力狀況下熔化的簡易型。

單個電子的熱量貢獻(xiàn)極小，但電子能通過極高的電壓加速，并且通過增多它們的數(shù)量(束電流)，束的功率能增大至任何期望的數(shù)值。通過將束聚焦在固體對象的表面上，能達(dá)到高至10⁴直至10⁷w/mm²的平面功率密度數(shù)值。由于電子將它們的能量傳遞至固體的極薄層中的熱量，在該體積中的功率密度會極其高。電子的動能轉(zhuǎn)換成熱量的小體積中的體積功率密度能達(dá)到10⁵-10⁷w/mm³量級的數(shù)值。因此，該體積中的溫度以10⁸-10⁹k/s極其快速地升高。

能控制電子束，以產(chǎn)生如圖4中所示的各種焊接形狀。雖然常規(guī)的“垂直”平面接頭較佳地eb焊接至具有圖6中焊接形狀“d”、“e”或“f”的接頭，但目前的焊接較佳地具有更類似于圖6中焊接形狀“c”的形狀。

該區(qū)域由束影響的大小和形狀取決于：

(1)束功率，束的功率[w]是加速電壓[kv]和束電流[ma]的積，這些參數(shù)能易于測量并且能精確地控制。該功率以通常最高可達(dá)到的恒定加速電壓由束電流控制。

(2)功率密度(束的聚焦)，在束與工件的入射點(diǎn)處的功率密度取決于如下因素，例如陰極上電子源的大小、加速電鏡和聚焦磁透鏡的光學(xué)質(zhì)量、束的對準(zhǔn)、加速電壓的數(shù)值以及焦距。所有這些因素(除了焦距)均取決于機(jī)器的設(shè)計(jì)。

(3)焊接速度，焊接設(shè)備的構(gòu)造應(yīng)使得能夠以足夠?qū)挼姆秶?、例如?和50mm/s之間調(diào)節(jié)工件相對于束的相對運(yùn)動速度。

(4)材料特性，并且在一些情形中還取決于

(5)接頭的幾何形狀(形狀和尺寸)。

束的最終效果取決于這些參數(shù)的特定組合。

束以低功率密度或者在極短時(shí)間上的動作導(dǎo)致僅僅熔化薄表面層。

散焦光束并不穿透，并且以低焊接速度的材料僅僅通過從表面的熱傳導(dǎo)而加熱，從而產(chǎn)生半球形的熔化區(qū)域。

在高功率密度和低速度下，產(chǎn)生較深且略呈錐形的熔化區(qū)域。

在極高功率密度的情形中，束(良好聚焦)與其總體功率成比例地更深地穿透。

在焊接和退火之后對渦輪機(jī)葉輪和軸之間接觸表面的新幾何形狀的測試確認(rèn)實(shí)踐中初始不平衡得以改進(jìn)。

雖然渦輪機(jī)葉輪和軸之間接觸表面的新幾何形狀已在這里相對于適合于汽車或火車工業(yè)的實(shí)施例進(jìn)行相當(dāng)詳細(xì)地描述，但顯而易見的是，所接合的渦輪機(jī)葉輪和軸及其生產(chǎn)過程適合于用在各種其它應(yīng)用中，例如飛行器或燃料電池驅(qū)動車輛。雖然在一定程度上具體地參照渦輪增壓器的由汽車內(nèi)燃機(jī)排氣驅(qū)動的渦輪機(jī)葉輪和軸并以其較佳的形式描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解的是，較佳形式的本發(fā)明僅僅借助示例做出并且結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和組合的組成可采取各種變化，而不會偏離本發(fā)明的精神和范圍。