控制慣性焊接槽口的方法及其慣性焊接制品技術

本文公開一種控制對一定材料，如超耐熱合金材料的慣性焊接所產生的焊接槽口的尺寸和位置的方法。通過控制被連接工件的尺寸和幾何形狀，產生了一個彎曲的焊接區，從焊接區域排出的材料造成的焊接槽口按一種方式被引出，將焊接槽口移向被連接工件原始直徑之外。所形成的由較大部分和較小部分組成的焊接制件可被機械加工至較小部分的尺寸而不留下任何殘留的焊接槽口。（*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】
本專利技術涉及對工件、尤其是管類空心工件的慣性焊接。本專利技術還涉及對高強度超耐熱合金工件的慣性焊接和對由粉末冶金生產出的高強度超耐熱合金工件的焊接。本專利技術也涉及用慣性焊接來修理超耐熱合金制品。慣性焊接是一種用于連接一般繞一旋轉軸對稱的金屬工件的方法。這種工件可以是實心的或空心的。例如，慣性焊接可以用來將兩構件連接在一起，形成曲軸或焊接的空心管組件之類的制品。慣性焊接方法已發表在如美國專利3，234，644;3，235，162;3，462，826;3，591，068和4，365，136。將它們參考結合在本文中。簡單地說，在慣性焊接中，被連接的兩工件被這樣地放置和定位，使它們的對稱軸線重合，并且使被連接的表面相互處于平行關系。其中一個工件保持靜止，另一工件安裝在旋轉的飛輪上。該旋轉的工件和飛輪的組合件被加速到預定的旋轉速度，然后，強制地將旋轉工件壓靠在靜止工件上。飛輪的幾何形狀、質量和旋轉速度決定了可獲得的動能，這些動能被兩連接工件之間的摩擦消耗掉(轉變成熱能)。這兩個工件被壓在一起。該動能足夠使工件局部軟化。當飛輪停止旋轉時，兩工件之間的力仍被保持或增大，使兩工件的軟化部分連接在一起。該兩工件之間的力在焊接區內產生塑性或超塑性變形。由于熱傳入工件，所以焊接區的冷卻是十分迅速的。這是一種具有若干非顯而易見的優點的理想方法，這些優點包括該過程是在焊接區域排出大量材料的情況下進行的，因此，自然地除去了所有有害的表面污染。成品工件的焊接區域更具有鍛造的而不是鑄造的特性。由其它焊接形式例如激光焊接、電子束焊接和電熔接焊接產生的焊接區域是先熔化再固化的，所以該焊接區域具有鑄造的特性，這種特性一般不如通過慣性焊接焊接區域達到的鍛造特性來得理想。慣性焊接是一種摩擦焊的形式。摩擦焊的另一形式依靠連續的電機驅動，以提供摩擦熱，而不是利用貯存在飛輪中的能量。此處使用的慣性焊接這名詞包括其它一些旋轉摩擦焊接的形式。慣性焊接得到發展并廣泛地應用在黑色金屬材料、如重型結構設備工業中的鐵和鋼的連接中。最近，慣性焊接已相當成功地使用在超耐熱合金的連接中。這種超耐熱合金材料的連接要求比黑色金屬材料連接要求的高的多，因為超耐熱合金具有更高的軟化溫度，并且在高溫時具有大的多的變形阻力。“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一種。工件被連接區域，即通過焊接過程軟化的部分是有限的，并且在焊接區域的頂鍛或變形程度也同樣是有限的。因此，在超耐熱合金的慣性焊接中(特別是粉末加工的超耐熱合金)在焊接區域一般可見到殘留槽口。這種槽口在黑色金屬材料的慣性焊接中是不常見的。遺憾的是，在粉末加工的鎳超耐熱合金的情況中，其焊接區域槽口總是向內延伸，超過慣性焊接區的深度。因此，即使焊接頂鍛部分通過機械加工除去之后，一般仍有槽口遺留在那里，除去這個槽口要求的機械加工使被連接工件小于原始直徑。如果該槽口沒有完全被除去，它將作為應力集中處，并且該焊接工件在以后的使用中，甚至在隨后的熱處理時成為斷裂引發位置。這種槽口問題在高強度超耐熱合金〔即，1000°F時屈服強度超過100Ksi(千磅/平方英寸)〕和由粉末冶金工藝生產的超耐熱合金材料中是特別有害的。超耐熱合金的定義為通過γ′相(Ni3Al)析出強化的鎳基合金。因此，本專利技術的一個目的是介紹一種用于慣性焊接材料和控制焊接區槽口的深度和位置的方法。本專利技術的另一目的是公開一種慣性焊接高強度(和/或粉末冶金加工的)超耐熱合金的方法能盡量減少焊接區槽口的有害影響。最后，本專利技術的一個目的是公開一種利用慣性焊接修理超耐熱合金制品的方法。根據本專利技術，通過使兩被連接工件具有完全不同的尺寸來控制由慣性焊接產生的槽口的大小和位置。不同的尺寸就實心材料而言是指具有不同的直徑，就空心工件而言是指具有不同的壁厚。兩被連接工件的相對尺寸對來自焊接區域的熱流具有顯著的影響，通過在兩連接工件之間按不同比例分配熱流，出現了焊接接頭幾何形狀的顯著改進和控制。具體地說，較小的工件達到較高的溫度，這是因為離開焊接區域進入薄工件的熱流少于進入較厚工件的熱流。因此，薄工件受到更大的變形，并使焊接區排出更多材料，促使焊接區槽口的位置相對于當該二個工件具有相同尺寸的情況下的可能位置移動，較厚的工件也提供壓應力，該壓應力改變了焊接槽口的幾何形狀。根據本專利技術生產的制件中，焊接區域呈現出明顯的弧度，相對于較薄的構件凹入。本專利技術的上述和其它的特點和優點從下面結合附圖的說明中更能了解清楚。附圖說明圖1示意性地顯示了二個具有相同直徑的實心工件的普通慣性焊接。圖1A顯示連接之前的兩工件，圖1B顯示連接之后的兩工件和焊接區域內出現的槽口。該焊接區基本上是平的。圖2是顯示二個相同壁厚的空心工件之間的實際慣性焊接接頭的斷面宏觀照片，顯示了焊接區內的槽口問題。圖3顯示了二實心工件之間的接頭的幾何參數。圖4顯示了二空心工件之間的接頭的幾何參數。圖5是根據本專利技術在兩空心工件間的焊接接頭的宏觀照片。圖6是本專利技術產生的焊接工件的示意圖，顯示了彎曲的焊接區。本專利技術通過參考說明現有技術和本專利技術所列舉的圖和照片組成的附圖來描述。圖1示意性地表示了兩個具有一般幾何形狀的實心超耐熱合金工件在慣性焊接前后的情況。圖1A顯示焊接前的工件。圖1B顯示慣性焊接后的工件，顯示出焊接區的槽口10，槽口伸入至工件內一段低于工件原始直徑的距離。因此，焊接區面積小于被連接工件的面積。圖2是相同壁厚工件在慣性焊接之后放大32倍的宏觀照片。該照片顯示出焊接區和伸入被連接工件原始直徑范圍內的槽口。請注意該焊接區是平的。本專利技術的實質是在慣性焊接中兩構件采用不同的配合幾何尺寸。這與現有技術相反，據我們所知，在現有技術中兩個相同或相似合金的焊接構件采用了相似的配合幾何尺寸。本專利技術焊接區在焊接前的幾何尺寸在圖3和圖4中表示并就其進行討論。圖3顯示根據本專利技術將一實心工件連接到另一實心工件上。在圖3中，工件A準備連接到工件B上，工件A的直徑Da小于工件B的直徑Db。兩工件必須相互對稱定位，意思是工件A的中心線CLa必須與工件B的中心線CLb重合。這是慣性焊接的常規要求。假設CLa與CLb重合，兩工件具有不同的半徑，△R和△R′等于Db減Da再除以2。顯然，當CLb和CLa重合時，△R和△R′是相等的，并等于上述值。圖4顯示根據本專利技術連接管子之類的空心工件的接頭幾何尺寸。同樣是工件A連接在工件B上，工件A和工件B都是分別具有中心線CLa和CLb的空心工件。這二條中心線同樣地最好是重合。工件A的壁厚為Ta，工件B的壁厚Tb較大。工件A的內徑為Ida，外徑為Oda，而工件B的內徑為Idb，外徑為Odb。S和S′表示將工件B慣性焊接在工件A上形成的臺階。本專利技術的要點是提供不同的尺寸，對實心工件而言是直徑，對空心工件而言是壁厚，以便控制殘留焊接區槽口的位置和范圍，并產生彎曲的焊接區。這種不同的幾何尺寸在焊接區域的每邊上產生“臺階”。實現本專利技術所必需的臺階的尺寸隨所用的材料而不同。必要的厚度比和臺階的尺寸(圖3和圖4中的△R、△R′或S、S′)隨材料而變化，最好是由本領域有經驗的技工通過常規實驗來決定。對于一個具體的例子，粒度尺寸在美國標準試驗手冊(ASTM)上為10.5或更細的粉末冶金鎳基超耐熱合金(取自市場上供本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種通過慣性焊接連接金屬工件的方法，其特征在于它包括：提供兩工件，它們具有不同的直徑，其比值約在１．２：１至２．０：１，由此，殘留的焊接槽口將不會穿入較小工件的直徑范圍之內。

【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，丹尼斯克里斯托弗斯圖爾特，恩里奇埃德加蒙特羅，
申請(專利權)人：聯合工藝公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]