CN1022894C - 控制惯性焊接槽口的方法及其惯性焊接制品 - Google Patents

Abstract

本文公开一种控制对一定材料，如超耐热合金材料的惯性焊接所产生的焊接槽口的尺寸和位置的方法。通过控制被连接工件的尺寸和几何形状，例如使两工件直径的比值为1.2∶1至2.0∶1，就可产生一个弯曲的焊接区，从焊接区域排出的材料造成的焊接槽口按一种方式被引出，将焊接槽口移向被连接工件原始直径之外。所形成的由较大部分和较小部分组成的焊接制件可被机械加工至较小部分的尺寸而不留下任何残留的焊接槽口。

Description

本发明涉及对工件、尤其是管类空心工件的惯性焊接，具体涉及控制惯性焊接槽口的方法。本发明还涉及对高强度超耐热合金工件和由粉末冶金生产出的高强度超耐热合金工件的惯接焊接制品。

惯性焊接是一种用于连接一般绕一旋转轴对称的金属工件的方法。这种工件可以是实心的或空心的。例如，惯性焊接可以用来将两构件连接在一起，形成曲轴或焊接的空心管组件之类的制品。惯性焊接方法已发表在如美国专利3，234，644;3，235，162;3，462，826;3，591，068和4，365，136。将它们参考结合在本文中。

DE-A-3115790公开一种空心工件的摩擦焊接，空心工件具有不同的壁厚，只在一侧上有台阶，焊接完后的顶锻毛剌用机械加工除去，这里提到的工件材料是铝或不锈钢，不存在焊接槽口的问题。

简单地说，在惯性焊接中，被连接的两工件被这样地放置和定位，使它们的对称轴线重合，并且使被连接的表面相互处于平行关系。其中一个工件保持静止，另一工件安装在旋转的飞轮上。该旋转的工件和飞轮的组合件被加速到预定的旋转速度，然后，强制地将旋转工件压靠在静止工件上。飞轮的几何形状、质量和旋转速度决定了可获得的动能，这些动能被两连接工件之间的摩擦消耗掉（转变成热能）。这两个工件被压在一起。该动能足够使工件局部软化。当飞轮停止旋转时，两工件之间的力仍被保持或增大，使两工件的软化部分连接在一起。该两工件之间的力在焊接区内产生塑性或超塑性变形。由于热传入工件，所以焊接区的冷却是十分迅速的。

这是一种具有若干非显而易见的优点的理想方法，这些优点包括该过程是在焊接区域排出大量材料的情况下进行的，因此，自然地除去了所有有害的表面污染。成品工件的焊接区域更具有锻造的而不是铸造的特性。由其它焊接形式例如激光焊接、电子束焊接和电熔接焊接产生的的焊接区域是先熔化再固化的，所以该焊接区域具有铸造的特性，这种特性一般不如通过惯性焊接焊接区域达到的锻造特性来得理想。

惯性焊接是一种摩擦焊的形式。摩擦焊的另一形式依靠连续的电机驱动，以提供摩擦热，而不是利用贮存在飞轮中的能量。此处使用的惯性焊接这名词包括其它一些旋转摩擦焊接的形式。

惯性焊接得到发展并广泛地应用在黑色金属材料、如重型结构设备工业中的铁和钢的连接中。最近，惯性焊接已相当成功地使用在超耐热合金的连接中。这种超耐热合金材料的连接要求比黑色金属材料连接要求的高的多，因为超耐热合金具有更高的软化温度，并且在高温时具有大的多的变形阻力。“粉末加工”的超耐热合金的惯性焊接是所有惯性焊接应用中最困难的一种。工件被连接区域，即通过焊接过程软化的部分是有限的，并且在焊接区域的顶锻或变形程度也同样是有限的。因此，在超耐热合金的惯性焊接中（特别是粉末加工的超耐热合金）在焊接区域一般可见到残留槽口。这种槽口在黑色金属材料的惯性焊接中是不常见的。

遗憾的是，在粉末加工的镍超耐热合金的情况中，其焊接区域槽口总是向内延伸，超过惯性焊接区的深度。因此，即使焊接顶锻部分通过机械加工除去之后，一般仍有槽口遗留在那里，除去这个槽口要求的机械加工使被连接工件小于原始直径。如果该槽口没有完全被除去，它将作为应力集中处，并且该焊接工件在以后的使用中，甚至在随后的热处理时成为断裂引发位置。这种槽口问题在高强度超耐热合金〔即，1000°F时屈服强度超过100Ksi（千磅/平方英寸）〕和由粉末冶金工 艺生产的超耐热合金材料中是特别有害的。超耐热合金的定义为通过γ′相（Ni    Al）析出强化的镍基合金。

因此，本发明的一个目的是提供一种在惯性焊接中控制焊接区槽口的深度和位置的方法。

本发明的另一目的是提供一种惯性焊接高强度（和/或粉末冶金加工的）超耐热合金的方法，它能尽量减少焊接区槽口的有害影响。

本发明的再一个目的是提供一种用上述方法制造出来的惯性焊接制品。

根据本发明，通过使两被连接工件具有完全不同的尺寸来控制由惯性焊接产生的槽口的大小和位置。不同的尺寸就实心材料而言是指具有不同的直径，就空心工件而言是指具有不同的壁厚。

根据本发明，一种在惯性焊接具有不同直径的金属工件中控制焊接槽口的方法，其中;使两工件直径的比值为1.2∶1至2.0∶1。

两被连接工件的相对尺寸对来自焊接区域的热流具有显著的影响，通过在两连接工件之间按不同比例分配热流，出现了焊接接头几何形状的显著改进和控制。具体地说，较小的工件达到较高的温度，这是因为离开焊接区域进入薄工件的热流少于进入较厚工件的热流。因此，薄工件受到更大的变形，并使焊接区排出更多材料，促使焊接区槽口的位置相对于当该二个工件具有相同尺寸的情况下的可能位置移动，较厚的工件也提供压应力，该压应力改变了焊接槽口的几何形状。根据本发明生产的制件中，焊接区域呈现出明显的弧度，相对于较薄的构件凹入。

本发明的上述和其它的特点和优点从下面结合附图的说明中更能了解清楚。

图1示意性地显示了二个具有相同直径的实心工件的普通惯性焊接。图1A显示连接之前的两工件，图1B显示连接之后的两工件和焊接区 域内出现的槽口。该焊接区基本上是平的。

图2是显示二个相同壁厚的空心工件之间的实际惯性焊接接头的断面宏观照片，显示了焊接区内的槽口问题。

图3显示了二实心工件之间的接头的几何参数。

图4显示了二空心工件之间的接头的几何参数。

图5是根据本发明在两空心工件间的焊接接头的宏观照片。

图6是本发明产生的焊接工件的示意图，显示了弯曲的焊接区。

本发明通过参考说明现有技术和本发明所列举的图和照片组成的附图来描述。图1示意性地表示了两个具有一般几何形状的实心超耐热合金工件在惯性焊接前后的情况。图1A显示焊接前的工件。图1B显示惯性焊接后的工件，显示出焊接区的槽口10，槽口伸入至工件内一段低于工件原始直径的距离。因此，焊接区面积小于被连接工件的面积。图2是相同壁厚工件在惯性焊接之后放大32倍的宏观照片。该照片显示出焊接区和伸入被连接工件原始直径范围内的槽口。请注意该焊接区是平的。

本发明的实质是在惯性焊接中两构件采用不同的配合几何尺寸。这与现有技术相反，据我们所知，在现有技术中两个相同或相似合金的焊接构件采用了相似的配合几何尺寸。

本发明焊接区在焊接前的几何尺寸在图3和图4中表示并就其进行讨论。图3显示根据本发明将一实心工件连接到另一实心工件上。在图3中，工件A准备连接到工件B上，工件A的直径Da小于工件B的直径Db。两工件必须相互对称定位，意思是工件A的中心线CLa必须与工件B的中心线CLb重合。这是惯性焊接的常规要求。假设CLa与CLb重合，两工件具有不同的半径，△R和△R′等于Db减Da再除以2。显然，当CLb和CLa重合时，△R和△R′是相等的，并等于上述值。

图4显示根据本发明连接管子之类的空心工件的接头几何尺寸。同样是工件A连接在工件B上，工件A和工件B都是分别具有中心线CLa 和CLb的空心工件。这二条中心线同样地最好是重合。工件A的壁厚为Ta，工件B的壁厚Tb较大。工件A的内径为Ida，外径为Oda，而工件B的内径为Idb，外径为Odb。S和S′表示将工件B惯性焊接在工件A上形成的台阶。

本发明的要点是提供不同的尺寸，对实心工件而言是直径，对空心工件而言是壁厚，以便控制残留焊接区槽口的位置和范围，并产生弯曲的焊接区。

这种不同的几何尺寸在焊接区域的每边上产生“台阶”。实现本发明所必需的台阶的尺寸随所用的材料而不同。必要的厚度比和台阶的尺寸（图3和图4中的△R、△R′或S、S′）随材料而变化，最好是由本领域有经验的技工通过常规实验来决定。

对于一个具体的例子，粒度尺寸在美国标准试验手册（ASTM）上为10.5或更细的粉末冶金镍基超耐热合金（取自市场上供应的称作IN100的超耐热合金，具有标定的组分：12%的铬，18%的钴，3.2%的钼，4.3%的钛，5%的铝，0.8%的钒，0.02%的硼，0.06%的锆，余额为镍），该合金经过一个热处理，包括一种在2065°F的固溶处理，同一温度下的油淬火处理和随后包括暴露在1600°F、1800°F、1200°F和1400°F的低温热处理，在1300°F时具有最小的屈服强度为150Ksi，在图3中的Db和Da的比或在图4中的Tb和Ta的比约为1.5至1.7左右。因此，根据图4，这种材料的空心工件的连接中，壁厚为0.200英寸的薄工件可以顺利地连接在壁厚为0.300至0.340英寸的厚工件上。

本发明一般适用于两个公称直径（内外直径的平均值）基本上相等的工件，因而图4中表示的外台阶S和内台阶S′一般是基本相等。然而，内外具有不同的台阶完全属于本发明的范围之内，只要二个台阶都落在上述最佳台阶尺寸范围之内，即对上述特定合金的比例是1.5至1.7。例如，连接一0.200英寸壁厚的工件，能顺利连接的工件壁厚范 围为从0.300至0.340英寸。对具有相同公称直径的工件而言，其最佳台阶尺寸范围是0.050至0.070英寸。显然，惯性焊接工件的一个台阶尺寸S为0.050英寸，另一个台阶尺寸S′为0.070英寸时，属于本发明范围之内。

作为另一个例子，与上述提出的相同组分的材料（基于IN100），但给予不同的热处理，这种热处理在高温时，提供了较低的屈服强度和较大的伸长率，就具有理想的薄厚工件比1.3至1.5。正如上述说明的，熟练的技工基于这里提供的资料通过很少的几次实验就能决定其它一些超耐热合金材料所要求的比例。我们认为，有用的范围在1.2∶1和2.0∶1之间。

本发明适合于同一超耐热合金制成的工件的焊接。本发明也适合于等效超耐热合金的焊接。等效这个术语意味着这些合金具有类似的高温特性。众所周知，超耐热合金的高温特性（接近和超过再结晶温度的特性）可以通过各种条件来控制，包括组分、粒度尺寸和预先的热处理。这里等效这个术语意味着被连接合金的蠕变强度在该合金的再结晶温度和熔化温度之间的中值温度测量时，彼此在30%之内。作为等效的惯性焊接必须有彼此在100°F以内的再结晶温度和熔化温度。

图5是放大20倍的宏观照片，它显示了根据本发明所制成的惯性焊接区，其焊接区槽口没有穿入较薄工件的原始直径范围内。

图5显示了本发明工件惯性焊接的显著特点。从图5中可以看到，该惯性焊接区具有一明显的弯曲度。图5与图2对比，图2是显示普通惯性焊接的另一张宏观照片，其焊接区是平的，即在同一平面上。图5中显示的弯曲惯性焊接区是本发明的一个重要特征，弯曲的程度可使熟练技工用以将本发明适用于不同的材料或其它的变化条件。正是由于惯性焊接区是弯曲的，可使材料直接排出，并有助于控制残留焊接槽口的位置和大小。

如图6所示，从弯曲的惯性焊接区画出的一条切线与焊接工件的中心线（旋转轴线）将形成一小于90°的α角度。图5宏观照片上测出的角度α大约为70°。另一种定义本发明的方法是说本发明的优点可以观察到，从弯曲焊接区末端点（槽口区）画出的弯曲焊接区的切线与焊接工件的中心线所形成的角度α约为50°至80°。

本发明在焊接修理损坏的工件，例如燃气涡发动机部件方面用途是很广的。这种损坏的出现可能是使用的结果，也可能是在制造时机械加工失误的结果。总的步骤是通过机械加工从未损坏部分除去损坏部分，然后，通过惯性焊接用合适几何形状的未损坏部分替换损坏部分。明显的要求是任何残留的焊接区槽口不能减少该工件的强度或实用性。如前所述，在先有技术中实施的惯性焊接不能满足这个要求（当焊接高强度和/或粉末冶金法所制的惯性超耐热合金时），因为焊接区的槽口会向焊接工件的加工到尺寸的原始未损坏部分的原始直径内延伸。可替换的但每个都不太理想的方法是允许在焊接区存在一槽口和/或将工件的整个直径减少到原始设计值以下。根据本发明可以迅速地观察到，较厚壁的工件可以被焊在加工到尺寸的薄壁件上，并且可使焊接区槽口位于原始直径的外面，因此允许工件的加大修理部分被机械加工到原设计尺寸从而完全除去焊接槽口。

尽管本发明已经就详细的实施例进行了描述，可以理解，熟悉本技术的人员可以做出各种形式和细节方面的变化，而不离开本发明权利要求的精神和范围。

Claims (6)

1、一种在惯性焊接具有不同直径的金属工件中控制焊接槽口的方法，其特征在于：使两工件直径的比值为1.2∶1至2.0∶1。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于被焊接的工件是粉末冶金超耐热合金。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于被焊接的工件是空心的，并且工件的壁厚比约从1.2∶1至2.0∶1。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于被焊接的工件是粉末冶金超耐热合金。

5、根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于所述被焊接的工件是高强度超耐热合金工件。

6、一种按权利要求1所述方法制造的惯性焊接制品，其特征在于：所述的制品具有一弯曲的焊接区，从工件焊接区引出端画出的所述切于弯曲焊接区的切线与所述旋转轴之间的角度约为从50°至80°。

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