[發明專利]用于將渦輪增壓器渦輪機葉輪接合至軸的方法和所得組件

有效

• 申請號: 201680008219.3
• 申請日: 2016-01-22
• 公開（公告）號: CN107206542B
• 公開（公告）日: 2020-03-03
• 發明（設計）人: S·科赫;S·艾辛格
• 申請（專利權）人: 博格華納公司
• 主分類號: B23K15/00
• 分類號: B23K15/00;B23K26/282;B23K26/32;B23K33/00;F01D5/02;F01D5/06
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 范莉

一種渦輪增壓器機葉輪(4)和軸(1)組件，其具有延伸至該軸(1)的外周緣的焊接區域接觸表面的截頭錐形幾何形狀。該截頭錐形幾何形狀不僅允許各部件(1,4)在接合期間的連續對中，而且消除沿平面的應力傳播問題。電子束的位置偏移，以使得僅僅截頭錐形接觸表面徑向外部區段通過焊接接合，留下徑向的內部未熔化和未熔合區域用以維持傾斜表面的穩固接觸。

技術領域

本發明提供了一種優選用于渦輪增壓器的渦輪機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對中。

背景技術

渦輪增壓器以極高的旋轉速度(對于大型渦輪增壓器高達80000RPM并且對于小型渦輪增壓器高達300000RPM)操作。取決于發動機中的燃燒類型，驅動渦輪機葉輪的排氣可在從740℃至1050℃的范圍內。因此，渦輪機葉輪和軸是由高強度耐高溫的金屬構成的，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來接合葉輪和軸，在慣性摩擦焊接技術中軸可聯接于飛輪，該飛輪積聚來自以固定速度旋轉所產生的動能，并且該旋轉軸推抵于靜止渦輪機葉輪。摩擦熱量在兩個表面摩擦在一起時產生，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生，該閃光焊覆層須通過焊接后機加工來去除。另外，閃光焊覆層可能被截流在圓柱形接頭內部，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、剛性且昂貴的機械成為必需。

還已知利用電子束焊接過程來接合渦輪機葉輪和軸組件。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。電子束產生具有較小焊接失真的深窄熔融區域。由于具有較小失真的高質量焊接和對于焊接后機加工的較少工作，通常對于高應力渦輪增壓器應用選擇EB。

另一基于能量束的技術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激光器的固態激光器能用于焊接鈦渦輪機葉輪和軸。

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品形狀改變的不期望后果。需要改進此種接合技術，以可靠地生產具有高接合精度的接頭。

另一潛在的危險是在焊接中出現裂縫。由于渦輪機葉輪和軸是剛性的，焊接的收縮在焊接中產生高應力，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，留在焊縫區域中的殘余應力會在上述高熱應力和離心裝載下的渦輪增壓器操作期間引起連接松弛。這進而導致轉子失衡，從而相關聯地發出噪聲并且增大磨損。

美國專利US 6,848,180教示了通過(a)將形成在一個渦輪機葉輪的一個端部處的圓柱形突部裝配到形成在渦輪機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)將渦輪機軸的一個端部在鄰抵部分處鄰抵于渦輪機葉輪來軸向地定位零件來接合葉輪和渦輪機軸是已知的。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，教示一種改進的接合方法，其中渦輪機葉輪的裝配孔的內周界壁的一部分向內漸縮，并且渦輪機軸接合于葉輪的端部具有對應地漸縮的鄰抵部分。接觸漸縮表面確保精確的同軸和軸向定位，并且抑制熔融時的變形。然而，匹配零件的此種設計是復雜的，其中匹配零件具有冗余的尺寸。此外，焊接圍繞傳統的平面鄰抵部分處的接觸區域的周界發生，從而導致如上所述的焊接應力，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葉輪接合于軸的接合技術，該接合技術具有高接合精度并且不具有變形。需要一種接合技術，該接合技術允許能以經濟的方式形成高強度和質量的接頭，這會避免引起接頭中形成應力和裂縫的狀況。

發明內容