增壓渦輪的焊接工藝的設(shè)計(jì)說明

1、.錄111.111.211.311.43232.132.242.362.462.572.672.77374858.1、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(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

2、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

3、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)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

4、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。.這種缽鋁臺金的代表化臺物是 Ti 捌 A1 的原予比為 l ： 1 的 TIA1 臺金 鑄造用的錠材在室溫下的抗拉強(qiáng)度為 600MPa 900下的抗拉強(qiáng)度為 400MPa。陳這些數(shù)據(jù)外， 由于密度為 38g 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

5、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(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(3 3gcm。) 比 TiAl 還輕，姓一種抗氧化性好的材料，但由于固溶范圍非常狹窄叉難于制作，延性也不好，所以該合金現(xiàn)在還處于

6、旨在提高延性的基礎(chǔ)研究階段。即使是這樣，上述 3 種鈦鋁含金既有長處也有短處，是各具所長的材料。在所報(bào)告用這種TjAl 臺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 8gcm ) 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(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

7、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

8、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(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 2000m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 600左右，增壓器轉(zhuǎn)子以 8321040r min 的高速旋

9、轉(zhuǎn)。 普遍采用全浮動(dòng)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。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

10、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(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）可以釬焊任意組合的金屬材料，可以釬

11、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。.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。如右圖，對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)行釬焊。感應(yīng)加熱焊接操作流程如下圖所示。2.2 釬料的選擇釬料又稱焊料， 是釬焊過程中

12、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)

13、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 450的釬料稱為軟釬料如鎵基、鉍基、銦基、錫基、鉛基、鎘基、鋅基等合金。(2) 熔點(diǎn)高于 450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-Zn58Sn40Cu2、S-Zn60Cd40、S-Cd95Ag5等

14、它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，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(shí)，有良好的填充間隙能力， 對母材無不良影響。下圖為常用銀基

15、釬料的化學(xué)成分和主要性能。.對于軸 40Cr 鋼，采用銀基釬料，主要采用 B-Ag45CuZn、B-Ag40CuZnCd、B-Ag50CuZnCd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)。釬料與母材的濕潤能力與釬料的本性固然有很大關(guān)系， 但與釬劑的作

16、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)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

17、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，使凸軸與孔間隙配合，且間隙保證在 0.05mm以內(nèi)，軸與渦輪之間接觸面的間隙保證在 0.02-0.05mm，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1圖2.2.5 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

18、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(shí)間在 0.8-1.4ks 之間。控制釬焊溫度和保溫時(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 538C 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

19、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)宄Ｓ没瘜W(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(gè)反