專利名稱：采用錯(cuò)壁幾何形狀改進(jìn)慣性焊接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對空心工件的慣性焊接。本發(fā)明還涉及高強(qiáng)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(qiáng)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(zhuǎn)軸線相對稱的金屬工件的方法。這種工件可以是實(shí)心的也可以是空心的。例如，慣性焊接可以用來來將兩構(gòu)件連接在一起形成一個(gè)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(jié)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(gè)位置，使它們的對稱軸線重合，待焊接的兩個(gè)面處于平行的關(guān)系。其中的一個(gè)工件保持靜止，而另一個(gè)則固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的飛輪上。這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的工件和飛輪的組合體被加速到一個(gè)預(yù)定的轉(zhuǎn)速，然后將旋轉(zhuǎn)的工件強(qiáng)制壓在靜止的工件上。飛輪的幾何形狀、質(zhì)量和轉(zhuǎn)速?zèng)Q定可達(dá)到的動(dòng)能，而這些動(dòng)能由被焊接的兩工件之間的摩擦消耗掉(轉(zhuǎn)換成熱能)。兩個(gè)工件被壓在一起，所消耗的動(dòng)能足以引起工件的局部軟化。當(dāng)飛輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(qū)內(nèi)引起塑性或超塑性變形。由于熱導(dǎo)入工件內(nèi)部所以焊接區(qū)的冷卻相當(dāng)快。
慣性焊接過程是在焊接區(qū)域排出大量的材料的條件下進(jìn)行的，因此，自然地除去了有害的表面污染物。焊接區(qū)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(chǎn)生的焊接區(qū)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(qū)呈現(xiàn)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(dòng)機(jī)不斷驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)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(zhuǎn)摩擦焊接。
慣性焊接發(fā)展很快，在重型設(shè)備制造工業(yè)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(dāng)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?yàn)槌蜔岷辖鸬能浕瘻囟容^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(yīng)用中最困難的。被連接工件由焊接過程加以軟化的區(qū)域是很有限的，在焊接區(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)都可以觀察到一個(gè)殘余槽口。這種槽口在慣性焊接黑色金屬材料時(shí)很少發(fā)現(xiàn)。
不幸的是，在粉末加工的鎳超耐熱合金的情況中，焊接區(qū)槽口總是向內(nèi)伸展，在被焊接部件的原有直徑之內(nèi)。因此，即使在焊接頂鍛部分由機(jī)械加工除去之后，通常仍舊遺留下一個(gè)槽口，要除去這個(gè)槽口需要經(jīng)機(jī)械切削至小于焊接工件原有的直徑。如果這個(gè)槽口沒有完全被除去，它將成為一個(gè)應(yīng)力集中處，并在焊接工件以后的應(yīng)用期間，甚至在隨后的熱處理中都將成為斷裂引發(fā)部位。這個(gè)槽口問題在高強(qiáng)度的超耐熱合金，即屈服強(qiáng)度在1000°F時(shí)超過100Ksi(千磅/平方英寸)的超耐熱合金以及用粉末合金技術(shù)生產(chǎn)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(shí)候槽口問題可以用增加一些經(jīng)濟(jì)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(jìn)行機(jī)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(bǔ)一件受損的工件時(shí)，這一方法一般就不實(shí)用。這是因?yàn)楣ぜ奈词軗p壞的部分已經(jīng)被機(jī)械切削至一個(gè)特定的直徑，通常是一個(gè)最低設(shè)計(jì)直徑，如果再將其減小就不免會(huì)削弱這部位的強(qiáng)度。因此，在超耐熱合金工件上設(shè)法除去受損部分換以一個(gè)新的部分時(shí)，慣性焊接接頭往往成為制成的工件的弱點(diǎn)，因?yàn)樵摵附訁^(qū)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(huì)超出現(xiàn)有的慣性焊接機(jī)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(gè)問題在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中將一根軸連接到一個(gè)輪盤上時(shí)也會(huì)遇到。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的就是提供一種慣性焊接工件和控制焊接區(qū)槽口的深度及位置的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提出一種慣性焊接高強(qiáng)度(和/或粉末冶金加工的)超耐熱合金并盡量減少焊接區(qū)槽口的有害影響的方法。
最后，本發(fā)明的一個(gè)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(gè)錐形轂的幾何形狀。
超耐熱合金是主要由Ni3Al析出強(qiáng)化的鎳基合金。高強(qiáng)度的超耐熱合金，即其屈服強(qiáng)度在1000°F時(shí)超過100ksi的熱合金。
根據(jù)本發(fā)明，慣性焊接區(qū)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(qū)內(nèi)可制成臺階，這些臺階影響由焊接過程產(chǎn)生的熱流，因而影響焊接區(qū)幾何形狀和從焊接區(qū)排出的材料，因而又影響焊接區(qū)槽口的位置和大小。具體地說，本發(fā)明的焊接接頭幾何形狀可以縮小槽口的范圍并移動(dòng)其位置，從而使其危害性較通常的慣性焊接大大地減少。
本發(fā)明上述的以及其它的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將通過以下的描述和附圖而更加明顯。


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(jù)本發(fā)明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是本發(fā)明焊接區(qū)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(qū)的顯微照片。
本發(fā)明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(nèi)形成一個(gè)槽。本發(fā)明的方法還適用于加工制造錐體或其他錐形的空心工件。
本發(fā)明可以通過參見圖3來理解，其中顯示出兩個(gè)工件直徑如何彼此相互錯(cuò)開，從而在兩個(gè)被連接的工件之間形成偏置，并在靠近焊接區(qū)接頭的內(nèi)徑和外徑處形成兩個(gè)臺階。如下面還要談到的，這對于熱的流動(dòng)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(guī)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(qū)平面的焊接區(qū)是對稱的，假定兩工件的材料相同，那么從焊接區(qū)排出的材料也是對稱的。圖1中的對稱情況導(dǎo)致一個(gè)基本上是平的焊接區(qū)。
圖2是按圖1中所示的幾何形狀制成的試驗(yàn)性接頭的放大照片圖，顯示出焊接槽口和排擠出的材料。應(yīng)當(dāng)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(nèi)的(內(nèi)徑和外徑都是)。這就意味著焊接區(qū)的面積要較原有工件的設(shè)計(jì)面積為小。這種接頭或者槽口對接頭的強(qiáng)度及耐用性是非常有害的?？梢钥闯鰣D2中的焊接區(qū)基本上是平的，與原有的兩工件之間的交接面相應(yīng)。
圖3顯示了本發(fā)明的接頭幾何形狀。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(nèi)半徑IRa較內(nèi)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(gè)臺階，在接合工件的內(nèi)直徑處有一個(gè)臺階SI和在接合工件的外直徑處有一個(gè)臺階SO。內(nèi)臺階SI在接合平面上位于外臺階SO的相對側(cè)。這種臺階幾何形狀使焊接過程中的熱流發(fā)生變化，以及在焊接區(qū)加熱和冷卻期間的應(yīng)力發(fā)生變化。
圖4表示形成的焊接區(qū)的放大照片。從中可以看到這種錯(cuò)開的接頭幾何形狀產(chǎn)生了一種帶有S形明顯曲度的焊接區(qū)。這種彎曲的焊接區(qū)幾何形狀的結(jié)果是從焊接區(qū)內(nèi)直徑和外直徑處排擠出來的材料與工件的軸線形成一個(gè)角度排出，而不是像普通幾何形狀的慣性焊接操作那樣垂直排出。這種材料排出的變化，影響焊接區(qū)殘余槽口的大小和位置。這意味著焊接區(qū)內(nèi)外的臺階用機(jī)械加工方法除掉，可以最小的材料去除量而完全除去焊接槽口，對于超耐熱焊接材料，臺除的尺寸SI和SO似乎應(yīng)當(dāng)約為A的厚度的10至50%，最好為A厚度的15至40%。A的厚度是(ORa-IRa)。
A和B的壁厚并不一定要相同，只要內(nèi)、外臺階在上面限定的范圍內(nèi)就行。例如，如果零件A的壁厚為0.200英寸，則臺階可能處于0.020至0.100英寸的范圍之間。一個(gè)0.200英寸壁厚具有10英寸的內(nèi)徑IDA、10.4英寸的外徑ODA和一個(gè)10.2英寸的平均直徑的工件可以連接到另一個(gè)具有0.32英寸的壁厚，9.96英寸的內(nèi)徑，10.6英寸的外徑ODB和10.28英寸的平均直徑的空心部件上，以產(chǎn)生一個(gè)0.1英寸的外臺階和0.02英寸的內(nèi)臺階，符合于本發(fā)明的要求。
圖5顯示了一個(gè)稍有不同的接頭幾何形狀，該幾何形狀對本發(fā)明特別適合，可用于生產(chǎn)某些燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的部件。在圖5中，工件是互相錯(cuò)開排列的，每個(gè)工件都有一面斜壁，如工件A的內(nèi)壁和工件B的外壁是斜壁，而不是平行的壁。這種幾何形狀可以用來形成錐形的工件。這種錐形構(gòu)形在某些燃?xì)馕佪啺l(fā)動(dòng)機(jī)中是一種普通的設(shè)計(jì)形狀，在這種發(fā)動(dòng)機(jī)中，一根軸必須裝附于一個(gè)質(zhì)量極小，但轉(zhuǎn)矩傳送能力很高的輪盤上。圖中虛線表示如何去除最少的材料將慣性焊接好的工件用機(jī)械加工方法制成一個(gè)空心的錐形工件。
圖6是一個(gè)慣性焊接的試驗(yàn)性樣品的顯微照片，其原始的幾何形狀顯示在圖5中。從圖中可以看出，由于焊接槽口已被移動(dòng)，因此，制出錐形形狀時(shí)所要求除去的金屬量最少。
雖然本發(fā)明根據(jù)詳細(xì)的實(shí)施例加以顯示和描述，但是應(yīng)該理解本行業(yè)中的技術(shù)人員都能在形式和細(xì)節(jié)上做出各種不同的變化。這些變化沒有離開要求保護(hù)的本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.空心高強(qiáng)度超耐熱合金工件的慣性焊接方法，它包括提供一個(gè)被連接的第一工件，該第一工件具有一個(gè)內(nèi)徑，一個(gè)外徑和一條中心線，提供一個(gè)被連接的第二工件，該第二工件具有一個(gè)內(nèi)徑、一個(gè)外徑和一條中心線，其特征在于第一工件的內(nèi)徑小于第二工件的內(nèi)徑，第一工件的外徑小于第二工件的外徑，因而當(dāng)?shù)谝还ぜ偷诙ぜ胖迷谝黄?，使其各自的中心線恰好重合時(shí)，在兩工件之間的交接面處形成徑向的臺階，這樣，在焊接時(shí)使之形成一個(gè)S形彎曲的焊接區(qū)。
2.用慣性焊接超耐熱合金工件以制成錐形工件的方法，它包括下述步驟提供一個(gè)被連接的第一工件，該第一工件具有一個(gè)內(nèi)徑、一個(gè)外徑和一條中心線，提供一個(gè)被連接的第二工件，該第二工件具有一個(gè)內(nèi)徑、一個(gè)外徑和一條中心線，其特征在于第一工件的內(nèi)徑小于第二工件的內(nèi)徑，第一工件的外徑小于第二工件的外徑，因而當(dāng)?shù)谝还ぜ偷诙ぜ胖迷谝黄?，使其各自的中心線恰好重合時(shí)，在工件之間的交接面處形成徑向的臺階，這樣，在焊接時(shí)就形成一個(gè)S形彎曲的焊接區(qū)，然后將該焊接工件進(jìn)行機(jī)械加工使其成為一個(gè)空心的錐形構(gòu)形。
全文摘要
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(gè)空心超耐熱合金工件相連接時(shí)，其中第一工件的內(nèi)徑和外徑較第二工件的內(nèi)徑和外徑為小。形成一種錯(cuò)開的接頭幾何形狀，其結(jié)果形成彎曲的S形焊接區(qū)有效地控制了殘留的焊接槽口。
文檔編號B23K20/12GK1043651SQ8910937
公開日1990年7月11日 申請日期1989年12月13日 優(yōu)先權(quán)日1988年12月21日
發(fā)明者杰克·桑福德·思羅爾 申請人:聯(lián)合工藝公司