空心工件的慣性焊接制造技術

本文介紹了一種利用慣性焊接連接超耐熱合金工件的幾何形狀。在第一和第二兩個空心超耐熱合金工件相連接時，其中第一工件的內徑和外徑較第二工件的內徑和外徑為小。形成一種錯開的接頭幾何形狀，其結果形成彎曲的Ｓ形焊接區有效地控制了殘留的焊接槽口。（*該技術在2009年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及對空心工件的慣性焊接。本專利技術還涉及高強度超耐熱合金工件的慣性焊接以及用粉末冶金制造出的高強度超耐熱合金物件的慣性焊接。慣性焊接是一種用來連接兩根通常是圍繞著一根旋轉軸線相對稱的金屬工件的方法。這種工件可以是實心的也可以是空心的。例如，慣性焊接可以用來來將兩構件連接在一起形成一個如曲軸或焊接的空心管組件之類的制品。慣性焊接法在例如美國專利3，234，644;3，235，162;3，462，826;3，591，068和4，365，136中都有描述，將它們參考結合在本文中。簡短地說，在慣性焊接中，待焊接的兩工件被放置和固定在這樣一個位置，使它們的對稱軸線重合，待焊接的兩個面處于平行的關系。其中的一個工件保持靜止，而另一個則固定在一個旋轉的飛輪上。這個轉動的工件和飛輪的組合體被加速到一個預定的轉速，然后將旋轉的工件強制壓在靜止的工件上。飛輪的幾何形狀、質量和轉速決定可達到的動能，而這些動能由被焊接的兩工件之間的摩擦消耗掉(轉換成熱能)。兩個工件被壓在一起，所消耗的動能足以引起工件的局部軟化。當飛輪停止轉動時，作用在兩工件之間的力仍保持著或者增大了，使得兩工件的軟化部分連接在一起。兩工件之間的力使焊接區內引起塑性或超塑性變形。由于熱導入工件內部所以焊接區的冷卻相當快。慣性焊接過程是在焊接區域排出大量的材料的條件下進行的，因此，自然地除去了有害的表面污染物。焊接區顯示出較多的鍛造特性，而不是鑄造的特性。其它形式的焊接，例如激光焊、電子束焊和電熔焊所產生的焊接區都是先熔化了又重新固化的，因此，具有鑄造的特性，這種特性一般不如由慣性焊接區呈現的鍛造特性理想。慣性焊接是摩擦焊接的一種形式。另外一種摩擦焊接的形式在于由電動機不斷驅動以產生摩擦熱而不是利用貯存在飛輪中的能量。在本文中，慣性焊接一詞包括其它形式的旋轉摩擦焊接。慣性焊接發展很快，在重型設備制造工業中廣泛用于連接鐵和鋼之類的黑色金屬材料。最近用于對超耐熱合金的連接也獲得相當成功。超耐熱合金材料的連接比黑色金屬材料的連接要求高得多，因為超耐熱合金的軟化溫度較高而且更耐于高溫變形。對“粉末加工”的超耐熱合金的慣性焊接是所有慣性焊接應用中最困難的。被連接工件由焊接過程加以軟化的區域是很有限的，在焊接區內頂鍛或變形的量也同樣是有限的。因此，在超耐熱合金(特別是由粉末加工制出的超耐熱合金)的慣性焊接中，通常在焊接區內都可以觀察到一個殘余槽口。這種槽口在慣性焊接黑色金屬材料時很少發現。不幸的是，在粉末加工的鎳超耐熱合金的情況中，焊接區槽口總是向內伸展，在被焊接部件的原有直徑之內。因此，即使在焊接頂鍛部分由機械加工除去之后，通常仍舊遺留下一個槽口，要除去這個槽口需要經機械切削至小于焊接工件原有的直徑。如果這個槽口沒有完全被除去，它將成為一個應力集中處，并在焊接工件以后的應用期間，甚至在隨后的熱處理中都將成為斷裂引發部位。這個槽口問題在高強度的超耐熱合金，即屈服強度在1000°F時超過100Ksi(千磅/平方英寸)的超耐熱合金以及用粉末合金技術生產出來的超耐熱合金材料中危害性特大。在初期用慣性焊接加工出超耐熱合金工件的時候槽口問題可以用增加一些經濟成本來予以解決，如把原始部件尺寸制得大一些，以便對焊接組合件進行機械切削至一足夠除去這槽口的尺寸。不幸的是，在用慣性焊接修補一件受損的工件時，這一方法一般就不實用。這是因為工件的未受損壞的部分已經被機械切削至一個特定的直徑，通常是一個最低設計直徑，如果再將其減小就不免會削弱這部位的強度。因此，在超耐熱合金工件上設法除去受損部分換以一個新的部分時，慣性焊接接頭往往成為制成的工件的弱點，因為該焊接區槽口不是其本身削弱該工件，就是必須將工件切削至其尺寸以下。即便是在原有的加工情況下，使用加大尺寸的工件也可能會超出現有的慣性焊接機的工作能力。另外，還有一些焊接接頭幾何形狀至今對慣性焊接還是困難的。這些成問題的幾何形狀之一在制造錐形工件，如空心錐形體工件中碰到。這個問題在燃氣渦輪發動機中將一根軸連接到一個輪盤上時也會遇到。因此，本專利技術的一個目的就是提供一種慣性焊接工件和控制焊接區槽口的深度及位置的方法。本專利技術的另一個目的是提出一種慣性焊接高強度(和/或粉末冶金加工的)超耐熱合金并盡量減少焊接區槽口的有害影響的方法。最后，本專利技術的一個目的是提出一種用于將兩工件慣性焊接在一起，以形成一個錐形轂的幾何形狀。超耐熱合金是主要由Ni3Al析出強化的鎳基合金。高強度的超耐熱合金，即其屈服強度在1000°F時超過100ksi的熱合金。根據本專利技術，慣性焊接區槽口的大小和位置是由使被連接的兩工件具有完全不同的壁直徑來加以控制的。通過改變被連接空心工件的壁直徑，在焊接區內可制成臺階，這些臺階影響由焊接過程產生的熱流，因而影響焊接區幾何形狀和從焊接區排出的材料，因而又影響焊接區槽口的位置和大小。具體地說，本專利技術的焊接接頭幾何形狀可以縮小槽口的范圍并移動其位置，從而使其危害性較通常的慣性焊接大大地減少。本專利技術上述的以及其它的特點和優點將通過以下的描述和附圖而更加明顯。附圖說明圖1示意性地顯示了普通空心工件的焊接接頭幾何形狀。圖2是具有圖1所示幾何形狀的焊接材料的顯微照片。圖3是根據本專利技術的焊接接頭的幾何形狀。圖4是利用圖3中的幾何形狀制成的焊接接頭的顯微照片。圖5是本專利技術焊接區的另一種幾何形狀。圖6是具有圖5所示幾何形狀的工件焊成的焊接區的顯微照片。本專利技術的主要方面是改變焊接接頭的幾何形狀以控制熱流和由接頭處排擠出的物料，從而使排出的物料不致在焊接加工部件的最終尺寸外層范圍內形成一個槽。本專利技術的方法還適用于加工制造錐體或其他錐形的空心工件。本專利技術可以通過參見圖3來理解，其中顯示出兩個工件直徑如何彼此相互錯開，從而在兩個被連接的工件之間形成偏置，并在靠近焊接區接頭的內徑和外徑處形成兩個臺階。如下面還要談到的，這對于熱的流動和軟化物料的排出都含有重要意義。圖1顯示了空心工件常規的接頭幾何形狀。被連接的兩工件圍繞著所示的中心線是相對稱的，其厚度也是相同的，被連接的兩部分互相對中。因此，橫跨焊接區平面的焊接區是對稱的，假定兩工件的材料相同，那么從焊接區排出的材料也是對稱的。圖1中的對稱情況導致一個基本上是平的焊接區。圖2是按圖1中所示的幾何形狀制成的試驗性接頭的放大照片圖，顯示出焊接槽口和排擠出的材料。應當特別注意到焊接槽口是向里凹入原有工件的尺寸范圍之內的(內徑和外徑都是)。這就意味著焊接區的面積要較原有工件的設計面積為小。這種接頭或者槽口對接頭的強度及耐用性是非常有害的。可以看出圖2中的焊接區基本上是平的，與原有的兩工件之間的交接面相應。圖3顯示了本專利技術的接頭幾何形狀。如圖3所示，空心工件A的半徑小于空心工件B的半徑。更具體地說，外半徑ORa較外半徑ORb為小，而內半徑IRa較內半徑IRb為小。A的平均半徑值較B的平均半徑值小，其中所謂平均半徑即是(OR+IR)/2。這些幾何尺寸的差異在兩工件之間的交接面處造成了兩個臺階，在接合工件的內直徑處有一個臺階SI和在接合工件的外直徑處有一個臺階SO。內臺階SI在接合平面上位于外臺階SO的相對側。這種臺階幾何形狀使焊接過程中的熱流發生變化，以及在焊接區加熱和冷卻期間的應力發生變化。圖4表示形成的焊本文檔來自技高網...

【技術保護點】
空心高強度超耐熱合金工件的慣性焊接方法，它包括：提供一個被連接的第一工件，該第一工件具有一個內徑，一個外徑和一條中心線，提供一個被連接的第二工件，該第二工件具有一個內徑、一個外徑和一條中心線，其特征在于第一工件的內徑小于第二工件 的內徑，第一工件的外徑小于第二工件的外徑，因而當第一工件和第二工件放置在一起，使其各自的中心線恰好重合時，在兩工件之間的交接面處形成徑向的臺階，這樣，在焊接時使之形成一個Ｓ形彎曲的焊接區。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：杰克桑福德思羅爾，
申請(專利權)人：聯合工藝公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]