增压涡轮的焊接工艺设计.docx

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增压涡轮的焊接工艺设计

录

1、增压涡轮器件焊接性分析………………………………1

1.1增压涡轮简介………………………………………………1

1.2增压涡轮器件结构…………………………………………1

1.3增压涡轮器件材料…………………………………………1

1.4增压涡轮器件工作环境……………………………………3

2、焊接工艺的选择……………………………………………3

2.1焊接方式的选择……………………………………………3

2.2钎料的选择…………………………………………………4

2.3钎剂的选择…………………………………………………6

2.4装配及固定…………………………………………………6

2.5工艺参数的选择……………………………………………7

2.6焊前处理……………………………………………………7

2.7焊后处理……………………………………………………7

3、接头界面结构分析…………………………………………7

4、心得体会……………………………………………………8

5、参考资料……………………………………………………8

1、增压涡轮器件焊接性分析

1.1增压涡轮简介

涡轮增压的英文名字为Turbo，一般来说，如果我们在轿车尾部看到Turbo或者T，即表明该车采用的发动机是涡轮增压发动机了。

涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。

它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。

当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。

涡轮增压器有机械增压系统、气波增压系统、废气涡轮增压系统、复合增压系统。

（此次设计的涡轮增压器为废气涡轮增压）

1.2增压涡轮的结构

以废气涡轮增压系统为例，增压器与发动机无任何机械联系，实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。

它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。

当发动机转速增快，废气排出速度与祸轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量就可以增加发动机的输出功率。

一般而言，加装废气涡轮增压器后的发动机功率及扭矩要增大20%—30%。

但是废气涡轮增压器技术也有其必须注意的地方，那就是泵轮和涡轮由一根轴相连，也就是转子，发动机排出的废气驱动泵轮，泵轮带动涡轮旋转，涡轮转动后给进气系统增压。

增压器安装在发动机的排气一侧，所以增压器的工作温度很高，而且增压器在工作时转子的转速非常高，可达到每分钟十几万转，如此高的转速和温度使得常见的机械滚针或滚珠轴承无法为转子工作，因此涡轮增压器普遍采用全浮动轴承，由机油来进行润滑，还有冷却液为增压器进行冷却。

如图，涡轮器件由叶轮与轴相连组成。

1.3增压涡轮器件的材料

TiAl合金

钛铝合金其密度远小于高温合金，而室温和高温比强度（强度／密度）却好，窒温韧性也比陶瓷材料好。

因为适用于制造航空航天用机体的结构材料、发动机部件或汽车用发动机部件等，并有希望大幅度地轻量化和改善其性能，将倬为下一世纪的轻量化耐热材擘尊而受到人们的关注。

这种钵铝台金的代表化台物是Ti捌A1的原予比为l：

1的TIA1台金铸造用的锭材在室温下的抗拉强度为600MPa900℃下的抗拉强度为400MPa。

陈这些数据外，由于密度为3．8g／cm3。

，其比强度比因科镍台金713C好。

而且常温延伸率

（2）比淘瓷还好，是一种富有延性的材料。

其延性随温度升高而增加，用其塑性加工成为可能。

而且机械加工也比较容易地进行。

此外虽然焊接连接相当困难，但用扩散接台和钎焊等方法的连接仍是可能曲，是结构材料所需的成形加工性材料。

钛铝合金除丁TiAl之外还有钛量多的Ti3A1和铝量多的TiA13其中TjsA1由于铁量多、密度（4．2g／cm3）比TiA1重，抗氧化性差。

但加入Nb等化台物后延性变好，在美国是利用其超塑性加工作为制造发动机部仕的材料，另一方面TiA1s是含铝量最多的钛铝合金其密度（3．3g／cm。

）比TiAl还轻，姓一种抗氧化性好的材料，但由于固溶范围非常狭窄叉难于制作，延性也不好，所以该合金现在还处于旨在提高延性的基础研究阶段。

即使是这样，上述3种钛铝含金既有长处也有短处，是各具所长的材料。

在所报告用这种TjAl台金制作汽车用部件到开发讽轮增压器转子柏例子中，还报告了将在航空航天领域内应用的研究开发。

由于TjA1的密度（3．8g／cm）比Tj8A1还轻，抗氧化性好，作为下一世纪轻质耐热材料用于制造航空航天用机体结构材料和发动机部件等是最有希望的，人们对这方面的开发给予了极大的关注。

关在汽车领域争取发动机大功率进展中，要求部件耐热温度提高和运动部件轻量化。

钛铝合金从具有轻质耐热的特性来看，可蛆认为是完垒有希望使用的材料。

为了得到汽车甩部件开发研究的例子，作者用精密铸造法制作了涡轮增压器转子作为提高响应性的研究例子。

过去汽车用涡轮增压器转子主要是采用因科镍合金7I3C，近年来也采用了重量轻响应性好为目的的陶瓷制品（sN4等）。

为此进行了TiAl适用性的研究，图1表示拉仲特性，表2表示物理特性，TiA1的高温比强度要比因科镍合金718C或陶瓷的高，室温延性也比陶瓷的好而且热膨胀系数与金属相、近，与金属轴连接部的热应力也小。

40Cr钢

40cr钢材化学成分和力学性能

成分：

碳0.37～0.45％，硅0.17～0.37％，锰0.5～0.8，铬0.8～1.1％

退火硬度：

小于207HBS

正火硬度：

小于250HBS

调质处理：

试样直径：

25mm，850度淬火加热油淬，520度回火后：

抗拉1000兆帕，屈服800兆帕，延伸9％，断面收缩45％，冲击韧性588.3千焦/平方米

40Cr钢强度，淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久强度。

用于制造要求较高强度或调质界面更大的锻件，如机车牵引用的大齿轮，增压传动齿轮、后轴，受载荷极大的连杆及弹簧夹，也可用于2000m以下深井钻杆接头与打捞工具等。

1.4增压涡轮器件工作环境

增压器的工作环境异常恶劣，温度很高，而且增压器在工作时转子的转速非常高，增压器废气涡轮端的温度在600℃左右，增压器转子以832－1040r／min的高速旋转。

普遍采用全浮动轴承，由机油来进行润滑，还要有冷却液为增压器进行冷却。

2、焊接工艺的选择

2.1焊接方式的选择

钛铝合金的连接技术涉及到熔体和固体焊接如钎焊、扩散焊、摩擦焊接等。

熔焊方法可以对钛铝合金自身进行连接，但是熔焊的工艺性较差，钛铝合金的本质脆性使得很难获得完整的熔焊接头。

经过多年的研究，对于钛铝合金熔焊来说，已经可以获得完整无裂纹的接头，但所获得的接头易产生凝固裂纹，淬硬倾向较大。

因而力学性能普遍较差，与熔焊方法相比，固态连接方法热输入量小，焊接热循环过程控制相对容易。

通过试验可以设计出符合钛铝合金性能的连接工艺参数，从而改善连接质量。

因此国内外对固态连接进行了大量研究，所采用的连接方法包括钎焊、扩散焊、摩擦焊等。

钎焊方法本身具有很多优点，钎焊温度低，对钛铝合金影响小，接头应力小，可以根据连接温度，接头强度要求选择多种填充金属，适合连接难熔化的钛铝合金与40Cr钢。

钎焊是三大焊接方法的一种。

钎焊是采用比焊件金属熔点低的金属钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料、低于焊件熔化温度，利用液态钎料润湿焊件金属，填充接头间隙并与母材金属相互扩散实现连接焊件的一种方法。

钎焊与熔焊相比，有下列优点：

a）钎焊时焊件不熔化。

在大多数情况下，钎焊温度比焊件金属熔点低得多，因此，钎焊后工件组织和机械性能变化小，应力及变形小。

b）可以钎焊任意组合的金属材料，可以钎焊金属与非金属。

c）可以一次完成多个零件的钎焊或套叠式、多层式结构焊件的钎焊。

d）可以钎焊极细极薄的零件，也可以钎焊厚薄及粗细差别很大的零件。

e）可以将某些材料的钎焊接头拆开，重复进行钎焊。

钎焊的不足之处是：

a）钎焊接头的比强度较熔焊低，因此常用搭接接头型式来提高承载能力。

b）钎焊工件连接表面的清理工件和工件装配质量要求都很高。

钎焊，按所用的热源不同，可分为：

火焰钎焊、感应钎焊、烙铁钎焊、

电阻钎焊及炉中钎焊等。

如右图，对于增压涡轮器件的焊接，考虑工业自动化生产过程中各种因素，选择采用感应加热加保护气体进行钎焊。

感应加热焊接操作流程如下图所示。

2.2钎料的选择

钎料又称焊料，是钎焊过程中在低于母材熔点的温度下熔化并填充接头间隙的金属或合金。

对钎料的基本要求

为符合钎焊工艺要求和获得优质的钎焊接头，钎料应满足以下几项基本要求：

（1）钎料应具有合适的熔化温度范围，至少应比母材的熔化温度范围低几十度。

（2）在钎焊温度下，应具有良好的润湿性，以保证充分填满钎缝间隙。

（3）钎料与母材应有扩散作用，以使其形成牢固的结合。

（4）钎料应具有稳定和均匀的成分，尽量减少钎焊过程中合金元素的损失。

（5）所获得的钎焊接头应符合产品的技术要求，满足力学性能、物理化学性能、使用性能方面的要求。

（6）钎料的经济性要好。

应尽量少含或不含稀有金属和贵重金属。

还应保证钎焊的生产率要高。

（7）钎料应具有加工变形能力，以便于制成各种形状。

钎料的分类

1．按照钎料的熔化温度范围分

（1）熔点低于450℃的钎料称为软钎料如镓基、铋基、铟基、锡基、铅基、镉基、锌基等合金。

（2）熔点高于450℃的钎料称为硬钎料（俗称难熔钎料）如铝基、镁基、铜基、银基、锰基、金基、镍基、钯基、钛基等合金。

2．按照钎料的主要合金元素分

钎料按其主要合金元素可分为锡基、铅基、铝基等钎料。

3．按照钎料的制成形状分

钎料按其制成形状可分为丝、棒、片、箔、粉状或特殊形状钎料（例如环形钎料或膏状钎料等）。

钎焊钛及其合金的软钎料有镉基与锌基材料，如S-Zn58Sn40Cu2、S-Zn60Cd40、S-Cd95Ag5等它们钎焊接头的抗剪强度为29.4-49MPa。

由于接头强度低及耐腐蚀性差，则很少进行钛及其合金的软钎焊。

钎焊钛及其合金的硬钎料主要有银基、钛基与钛锆基及铝基三类，其中银钎料使用历史最长，可靠性较好。

银基钎料包括纯银和添加锂、铜、铝、锡及猛等的银基钎料。

银对钛的润湿性很好，在钎缝的界面区形成金属间化合物TiAg，与钛及其他金属的金属间化合物相比它不算太脆。

含锂的银钎料焊成的接头在飞机的高压液压系统中显示出很高的持久度、疲劳强度、抗氧化和耐蚀性能。

含铝的银基钎料如B-Ag95Al，熔点为780-825度，在900度钎焊时，有良好的填充间隙能力，对母材无不良影响。

下图为常用银基钎料的化学成分和主要性能。

对于轴40Cr钢，采用银基钎料，主要采用B-Ag45CuZn、B-Ag40CuZnCd、B-Ag50CuZnCd和B-Ag50CuZn等钎料。

银基钎料的工艺性能好，钎焊温度比铜基钎料低，在钢表面具有良好的辅展性，钎焊接头的强度和塑性都是比较好的。

为了满足钛铝合金叶轮与40Cr钢轴的焊接要求，选择B-Ag50CuZ（熔点677-775度）钎料进行焊接。

2.3钎剂的选择

钎剂定义应该很广泛，包括熔盐、有机物、活性气体、金属蒸汽等，即除去母材和钎料外，泛指第三种用来降低母材和钎料界面张力的所有物质。

钎料与母材的湿润能力与钎料的本性固然有很大关系，但与钎剂的作用相比则次要多了。

焊剂的功能部分可分为三个：

1、去除焊接面的氧化物，降低焊料熔点和表面张力，尽快达到钎焊温度。

2、保护焊缝金属在液态时不受周围大气中有害气体影响。

3、使液态钎料有合适流动速度以填满钎缝。

钎剂的熔点应该低于钎料熔点10-30摄氏度，特殊情况下也可使钎剂的熔点高于钎料。

钎剂的熔点若过低于钎料则过早熔化使钎剂成分由于蒸发、与母材作用等原因使钎料熔化时钎剂已经失去活性。

银基钎料时，钎剂选择含有金属钠、钾、锂的氟化物的特殊混合物。

钎剂和保护气氛同时使用，钎剂采用膏状、粉状与钎料结合等形式使用。

在保护气氛中钎焊，钎料预先放置在接头内，在感应加热时，必须控制钎焊的最高温度和保温时间，以保证适当的熔化，使钎料完全渗入接头。

2.4装配及固定

为了保证涡轮与轴之间的同轴度，在轴端部打一个孔，涡轮端部加工出一个凸轴，使凸轴与孔间隙配合，且间隙保证在0.05mm以内，轴与涡轮之间接触面的间隙保证在0.02-0.05mm，以同时满足同轴度的要求以及焊接时钎料的填充（如图1）。

焊接时轴与涡轮及感应线圈的放置如图2。

钎料与钎剂均适量的均匀放置于接触面间。

图1图2

2.5工艺参数的选择

感应加热焊接时，工艺参数包括加热频率、加热温度、保温时间。

加热温度由加热频率及电压与电流控制。

根据钎料的熔点在677到775度，则所选择的加热温度在800-850度之间。

采用高频加热，通过对电压电流的调节，保证加热温度。

保温时间在0.8-1.4ks之间。

控制钎焊温度和保温时间，使钎料流满间隙。

为了防止钎焊接头的氧化及吸氮、吸氢反应，所以在真空或氩气保护中进行焊接。

真空焊接时，真空度在0.133Pa或更高条件下。

使用氩气保护焊时，必须用高纯的氩气，露点必须是-54°C或更低，一般使用制冷存储器中的液态氩。

2.6焊前处理

在钎焊前必须彻底清理表面，进行脱脂及去除氧化膜，加热到538°C以上，钛表面生成大量氧化皮，用机械法、喷砂法或熔融盐浴清理去除。

轻度的氧化膜可用酸洗除去，钛的酸洗液采用体积分数为20%~45%硝酸盐加体积分数为2%氢氟酸水溶液或在室温下每升水中加油20~30ml硝酸、30~40ml盐酸溶液，清洗5~10min。

硝酸弄得低时基体金属可能会吸氢。

对于表面油脂，使用非氯化物的溶剂，如丙酮、酒精或丁酮清除。

2.7焊后处理

钎焊后焊缝表面的残渣必须清理干净，采用机械法或化学清理法讲残渣清除。

用化学法清理后应进行中和钝化，并使焊缝及焊件表面干燥，避免发生氧化或腐蚀。

焊后的焊件还应进行退火处理。

最后检验焊件器件。

3、接头界面结构分析

在钎料已经选定的前提下，接头界面结构对接头综合性能有直接影响。

接头组织，界面结构形成机理的研究对获得优异性能的接头有重要意义，Al、Ti元素从钛铝合金的钎缝中溶解及扩散是形成界面围观结构的主要控制因素，经过等温凝固和固态扩散，在接头中形成了由多个反应组成的界面结构，而且界面结构及其形成机理随连接温度，连接时间以及母材成分有所变化。

如图，是选取钎缝制造的金相图，Ⅳ层主要构成元素为Ag、Cu,其中的花纹为Ag-Cu共晶花纹,白色大块区域含Ag量较高接头界面靠近TiAl一侧的第V层中的黑色区域主要构成元素为Ti、Al、Cu,该黑色区域可能为Ti、Al、Cu之间反应生成的金属间化合物;靠近40Cr的边界处断续的黑点含Ti量较高。

4、心得体会

目前发动机增压涡轮所用的高温合金主要为镍基合金,其密度较大,造成发动机启动、中止响应慢,机动性差等问题。

随着新技术材料的发展，叶轮采用TiAl基金属间化合物具有密度小强度高、刚性好、良好的高温力学性能和抗氧化性。

轴采用40Cr钢，强度、淬透性好，淬火时变形小，高温时有搞蠕变强度和持久强度。

焊接工艺设计是一个综合各种因素的设计过程，它涉及到材料的分析、设备的选用、实际的操作过程、焊前、后的处理、数据分析、焊后检验等。

在各个环节中须认真执行，以获得高质量的焊缝。

5、参考资料

王大志《焊接技术与焊接工艺问答》机械工业出版社

薛松柏《焊接材料手册》机械工业出版社

王运炎《机械工程材料》机械工业出版社

李玉龙,冯吉才,李卓然,何鹏《Ag2Cu2Ti钎料高频感应钎焊TiAl/40Cr》《哈尔滨焊接学报》2004.10第5期

日野春树等《钛铝合金的应用》

兰轩花,张　虹《车用涡轮增压器零部件参数化模型设计》《车用发动机》2004