利用控制兩個構(gòu)件的成型部材料配合地連接所述構(gòu)件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于在連接區(qū)域(8)中材料配合地連接兩個構(gòu)件(2)、尤其是兩個旋轉(zhuǎn)的軸部件(2)的方法，其中相鄰于連接區(qū)域(8)定位用于控制構(gòu)件(2)的表面幾何形狀的成型部(10)，其中這兩個構(gòu)件(2)彼此焊接并且其中執(zhí)行熱后處理以有針對性地引入固有壓應(yīng)力，所述固有壓應(yīng)力的分布通過被控制的表面幾何形狀來共同確定。
【專利說明】利用控制兩個構(gòu)件的成型部材料配合地連接所述構(gòu)件的方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于在連接區(qū)域中材料配合地連接兩個構(gòu)件、尤其兩個旋轉(zhuǎn)的軸 部件的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 如果構(gòu)件通過焊接進(jìn)而經(jīng)由焊縫彼此材料配合地連接，那么由此改變構(gòu)件在連接 區(qū)域中的材料特性。材料特性的這種改變歸因于焊接過程期間的熱作用，由此與其相關(guān)的 區(qū)域也稱作為熱影響區(qū)。通常，材料特性的改變是不利的，從而是不期望的。
[0003] 在建立渦輪機(jī)軸的區(qū)段之間的焊接連接的情況下，例如在焊縫區(qū)域中形成高的固 有拉伸應(yīng)力，所述固有拉伸應(yīng)力在設(shè)計構(gòu)件和焊接連接時在規(guī)劃階段被考慮在內(nèi)或者通過 后處理彼此焊接的構(gòu)件來降低。極其常見的用于后處理的方法例如提出：通過滾壓處理或 噴丸處理將固有壓應(yīng)力在表面附近引入到彼此焊接的構(gòu)件中，所述固有壓應(yīng)力抵消現(xiàn)有的 固有拉伸應(yīng)力。然而用于后處理彼此焊接的構(gòu)件的這種方法是相當(dāng)耗費(fèi)的并且僅在表面附 近的區(qū)域中起作用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 以上述內(nèi)容為前提，基于本發(fā)明的目的是：提出一種替選的用于材料配合地連接 兩個構(gòu)件的方法。
[0005] 該目的根據(jù)本發(fā)明通過具有權(quán)利要求1的特征的方法來實(shí)現(xiàn)。
[0006] 本發(fā)明用于在連接區(qū)域中材料配合地連接兩個構(gòu)件、尤其是兩個旋轉(zhuǎn)的軸部件、 也就是說例如兩個渦輪機(jī)軸部件，其中相鄰于連接區(qū)域定位用于控制構(gòu)件的表面幾何形 狀的成型部，其中這兩個構(gòu)件彼此焊接并且其中執(zhí)行熱后處理以有針對性地引入固有壓應(yīng) 力，所述固有壓應(yīng)力的分布通過被控制的表面幾何形狀來共同確定。
[0007] 在此，成型部優(yōu)選僅僅用于影響熱后處理的作用。這就是說，成型部不參與材料配 合的連接，并且尤其是在成型部之間不構(gòu)成有焊縫。代替于此，借助于成型部控制借助于熱 后處理所引入的固有壓應(yīng)力的分布，其中固有壓應(yīng)力抵消現(xiàn)有的固有拉伸應(yīng)力進(jìn)而至少部 分地消除其作用?？傮w上，由此得到固有拉伸應(yīng)力和固有壓應(yīng)力的因熱后處理而改變的分 布，所述分布與在熱后處理之前的分布相比是明顯更有利的。表面幾何形狀的控制與熱后 處理的組合因此取代彼此焊接的構(gòu)件的后處理，其中這些構(gòu)件通過滾壓處理或噴丸處理經(jīng) 受簡單的熱后處理和/或表面處理。
[0008] 尤其是在沿著對稱軸線依次排列且彼此焊接的旋轉(zhuǎn)對稱的構(gòu)件中，下述方法變型 形式是有利的，其中設(shè)有環(huán)形的成型部。這例如在渦輪機(jī)軸的轉(zhuǎn)子區(qū)段中是這種情況。
[0009] 此外，所述方法的下述變型形式是適當(dāng)?shù)模浩渲谐尚筒颗c連接區(qū)域間隔并且尤其 是定位在所謂的熱影響區(qū)（WEZ)的邊緣區(qū)域中。這種定位原則上證實(shí)為是有利的，其中合 乎目的的是對于每個材料配合的連接例如通過模型計算以數(shù)值的方式確定成型部的匹配 于構(gòu)件的形狀和定位。
[0010] 首先在具有尤其大的尺寸的構(gòu)件中，下述方法變型形式是有利的：其中熱后處理 局部地在連接區(qū)域中執(zhí)行，因?yàn)榕c遍布彼此焊接的構(gòu)件的整個體積的熱再處理相比由此顯 著地降低了用于熱后處理的耗費(fèi)。
[0011] 此外下述方法變型是有利的，其中將退火過程并且尤其是去應(yīng)力退火過程或者回 火處理設(shè)作為熱后處理。在此，可通過這種熱后處理降低彼此焊接的構(gòu)件中的固有拉伸應(yīng) 力，而在此不引入固有壓應(yīng)力。
[0012] 此外，下述方法變型形式是有利的，其中執(zhí)行熱后處理，在所述熱后處理期間，彼 此焊接的構(gòu)件在子步驟中用液體、尤其是用油或水來噴射。在此目的是：迫使在彼此焊接 的構(gòu)件中的表面附近產(chǎn)生明顯的溫度梯度，其中由此在相應(yīng)的區(qū)域中加強(qiáng)地引入固有壓應(yīng) 力。在此，尤其有利的是：在溫度等于或低于用于去應(yīng)力退火過程的維持階段的溫度的情況 下啟動用液體噴射構(gòu)件的子步驟。熱后處理的該子步驟因此適當(dāng)?shù)卦O(shè)置在去應(yīng)力退火過程 的維持階段結(jié)束時進(jìn)而在該情況下是受控的冷卻階段的一部分。
[0013] 取決于彼此焊接的構(gòu)件的應(yīng)用目的，此外有利的是：在熱后處理之后機(jī)械地移除 成型部。這尤其當(dāng)通過由與其相關(guān)聯(lián)的重量降低實(shí)現(xiàn)正面效果時或者當(dāng)如在渦輪機(jī)軸部件 的情況中那樣由此避免對運(yùn)行方式、在這里為流動特性的不利的影響時是適用的。
[0014] 此外，下述方法變型形式是優(yōu)選的，其中執(zhí)行熱后處理，在所述熱后處理期間在一 個子步驟中即在噴射處理期間用水來噴射彼此焊接的構(gòu)件，并且其中在熱處理之后機(jī)械地 移除成型部。在此，成型部優(yōu)選或僅僅用于轉(zhuǎn)移在焊縫區(qū)域中因噴射處理而產(chǎn)生的固有壓 應(yīng)力。這就是說，成型部不參與材料配合的連接，并且尤其是在成型部之間不構(gòu)成有焊縫。 借助于成型部預(yù)設(shè)借助于噴射處理引入的固有壓應(yīng)力的分布，其中固有壓應(yīng)力抵消現(xiàn)有的 固有拉伸應(yīng)力進(jìn)而至少部分地消除其作用。通過移除成型部，最大的固有壓應(yīng)力移置焊縫 區(qū)域中?？傮w上，由此得到固有拉伸應(yīng)力和固有壓應(yīng)力的改變的分布，所述分布與不經(jīng)過成 型部噴射處理和不經(jīng)過成型部的移除的分布相比是明顯更有利的。由此，實(shí)現(xiàn)固有壓應(yīng)力 的顯著的深度效應(yīng)?？刂票砻鎺缀涡螤羁刂坪鸵瞥尚筒颗c熱后處理的組合因此取代彼此 焊接的構(gòu)件的后處理，其中這些構(gòu)件通過滾壓處理或噴丸處理經(jīng)受簡單的熱后處理和/或 表面處理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 下面根據(jù)示意性的附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中示出：
[0016] 圖1在剖面圖中部分地示出具有成型部的渦輪機(jī)軸的兩個彼此焊接的轉(zhuǎn)子區(qū)段， 以及
[0017] 圖2在剖面圖中部分地示出在移除成型部之后的渦輪機(jī)軸的轉(zhuǎn)子區(qū)段。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 在全部附圖中，彼此相應(yīng)的部件總是設(shè)有相同的附圖標(biāo)記。
[0019] 在此提出的用于材料配合地連接兩個構(gòu)件的方法例如設(shè)置為用于以不可松開的 方式使渦輪機(jī)軸4的轉(zhuǎn)子區(qū)段2彼此連接，如這在圖1中能夠示意性地且部分地可見。在 渦輪機(jī)軸4的制造過程期間，這些轉(zhuǎn)子區(qū)段2沿著對稱軸線6依次排列并且經(jīng)由至少一個 主要橫向于對稱軸線6延伸的焊縫8彼此連接。
[0020] 在此，轉(zhuǎn)子區(qū)段2的焊接例如通過窄間隙焊接來實(shí)現(xiàn)，其中與焊接方法的類型無 關(guān)地在焊接方法期間將固有拉伸應(yīng)力引入連接區(qū)域中、即焊縫8的和緊鄰的區(qū)域中，所述 固有拉伸應(yīng)力降低材料配合的連接的負(fù)荷能力進(jìn)而對渦輪機(jī)軸4的預(yù)期壽命產(chǎn)生負(fù)面的 作用。
[0021] 為了提高材料配合的連接的耐抗能力，之后再次降低在連接區(qū)域中、即在焊縫8 的和緊鄰的區(qū)域中起作用的固有拉伸應(yīng)力。為此，在焊接過程之后執(zhí)行熱后處理，其中由此 有針對性地引入固有壓應(yīng)力，所述固有壓應(yīng)力抵消固有拉伸應(yīng)力。然而根據(jù)在此提出的方 法的熱后處理超越焊接連接的實(shí)質(zhì)上已知的簡單的熱后處理、如在簡單的去應(yīng)力退火過程 中那樣。
[0022] 為了在熱后處理期間實(shí)現(xiàn)被引入到連接區(qū)域中的固有壓應(yīng)力的期望的分布，在之 前的方法步驟中還在焊接轉(zhuǎn)子區(qū)段2之前實(shí)行對轉(zhuǎn)子區(qū)段2的表面幾何形狀的控制。對于 轉(zhuǎn)子區(qū)段2而言，在連接區(qū)域中、即在其中隨后構(gòu)成有焊接連接的區(qū)域中設(shè)有與對稱軸線6 對稱地設(shè)置的環(huán)形的成型部10,借助所述成型部，預(yù)設(shè)表面的被確定為是有利的的幾何形 狀。在此，對有利的表面幾何形狀的確定合乎目的地借助于模型計算在轉(zhuǎn)子區(qū)段2和渦輪 機(jī)軸4的規(guī)劃階段進(jìn)行。在制造轉(zhuǎn)子區(qū)段2時，這樣確定的成型部10從一開始就一起考慮 在內(nèi)。也就是說如果轉(zhuǎn)子區(qū)段2例如為澆注模具，那么成型部10在澆注過程的陰模中就已 經(jīng)被考慮在內(nèi)。
[0023] 通過在連接區(qū)域中借助于成型部10所改變的轉(zhuǎn)子區(qū)段2的成型部表面幾何形狀， 因此在熱后處理期間，固有壓應(yīng)力的通過表面幾何形狀共同確定的分布被引入到彼此焊接 的轉(zhuǎn)子區(qū)段2中，其中所引入的固有壓應(yīng)力根據(jù)疊加原理部分地消除已存在的固有拉伸應(yīng) 力，這整體上引起整個渦輪機(jī)軸4中的固有拉伸應(yīng)力和固有壓應(yīng)力的明顯更有利的分布。 [0024] 在熱后處理期間，在此優(yōu)選地在升溫階段中將連接區(qū)域局部受限制地加熱到在 400°C和800°C之間的溫度上。在緊隨其后的維持階段、例如在所謂的去應(yīng)力退火溫度的水 平上的維持階段之后，在受控的冷卻階段期間用水噴射彼此焊接的轉(zhuǎn)子區(qū)段2,以便因此在 表面附近引起強(qiáng)的溫度梯度，由此在該區(qū)域中加強(qiáng)地構(gòu)建固有壓應(yīng)力。
[0025] 為了成型部使在設(shè)有渦輪軸4的渦輪機(jī)中的流不受到成型部10的負(fù)面的影響，成 型部10在熱后處理之后被機(jī)械地移除，即例如被鋸割。
[0026] 本發(fā)明不限制于在上文中所描述的實(shí)施例。更確切地說，也能夠由本領(lǐng)域技術(shù)人 員從中推導(dǎo)出本發(fā)明的其他的變型形式，而沒有脫離本發(fā)明的主題。特別地，還能夠?qū)⑷?結(jié)合實(shí)施例所描述的單獨(dú)的特征也以其他的方式彼此組合，而沒有脫離本發(fā)明的主題。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于在連接區(qū)域（8)中材料配合地連接兩個構(gòu)件（2)、尤其是兩個旋轉(zhuǎn)的軸部 件⑵的方法， 其中相鄰于所述連接區(qū)域（8)定位用于控制所述構(gòu)件（2)的表面幾何形狀的成型部 (10)， 其中將兩個所述構(gòu)件（2)彼此焊接，并且 其中執(zhí)行熱后處理以有針對性地引入固有壓應(yīng)力，所述固有壓應(yīng)力的分布通過被控制 的所述表面幾何形狀來共同確定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其中設(shè)有環(huán)形的成型部（10)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法， 其中所述成型部（10)與所述連接區(qū)域（8)間隔開。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的方法， 其中局部地在所述連接區(qū)域（8)中執(zhí)行所述熱后處理。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項所述的方法， 其中將退火過程并且尤其是去應(yīng)力退火過程設(shè)置作為熱后處理。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項所述的方法， 其中執(zhí)行熱后處理，其中在子步驟中用液體、尤其是水來噴射彼此焊接的所述構(gòu)件 (10)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法， 其中在溫度等于或低于去應(yīng)力退火過程的維持階段的溫度的情況下啟動用所述液體 噴射所述構(gòu)件（10)的所述子步驟。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項所述的方法， 其中在所述熱后處理之后機(jī)械地移除所述成型部（10)。
【文檔編號】B23K31/02GK104093521SQ201380008320
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月6日
【發(fā)明者】斯特凡·布呂斯克, 博拉·科奇德米爾, 蒂姆·施賴伯, 盛世倫, 弗蘭克·特魯肯米勒, 蒂諾·烏拉威科 申請人:西門子公司