K418涡轮盘与42CrMo轴异种材料惯性摩擦焊研究

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４焊接缺陷处理

对电渣焊焊缝中产生的缺陷应视缺陷的具体情况进行返修。

（１）整条焊缝或者端部焊缝缺陷可采用钻孔的方法进行返修。首先应在两腹板侧精确号孔，因在原焊接位置钻孔，钻孑Ｌ时从两端施钻必须严格控制进给速度，重新电渣焊焊接前在起弧处１００ｍｍ范围内预热８０—１２０℃后焊接，焊接完成后采用超声波检查。

（２）中间部位的局部缺陷可采用碳弧气刨的方法进行返修。从盖板侧清除缺陷，刨制坡口，修整坡口面，磨除气刨渗碳层，采用焊条电弧焊补焊，预热温度１５０℃。焊补时严格在坡口内引弧，熄弧时填满弧坑，多层焊时起收弧接头处错开长度

≥１００

５结论

（１）采用熔嘴电渣焊技术可保证箱型柱隔板４条焊缝熔透的要求。

（２）按选用的焊接工艺参数进行电渣焊焊接，焊接接头的力学性能可以满足相关标准的要求。

（３）电渣焊焊缝缺陷的返修方案切实可行，效果

良好。

参考文献

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械工业出版社，１９９２．５０—１６５．４２—６０．［２］

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２００２．６０５—６３１．

［３］姜焕中．电弧焊及电渣焊［Ｍ］．北京：机械工业出版社，

１９８８．１７９一１８１．２８７—３０５．

ｍｍ。焊后采用高温硅酸铝毯覆盖，进行后热消氢

作者简介：

车

平，１９７５年出生，大学本科学历，工程师。主

处理，其工艺为２００～２５０℃保温２ｈ，复探按照原材标准进行。

要从事桥梁、钢结构的焊接工艺及试验研究。

Ｋ４１８涡轮盘与４２ＣｒＭｏ轴异种材料惯性摩擦焊研究

中国兵器工业第五九研究所（重庆市４０００３９）

陈大军徐晓菱

徐元泽吴玮

摘要采用惯性轴向摩擦焊技术对镍基Ｋ４１８高温合金与４２ＣｒＭｏ调质钢两种异种材料进行了焊接工艺试验，并分析焊接接头的显微组织，测试其力学性能。结果表明，惯性摩擦焊过程中发生摩擦面转移现象，碳原子扩散导致Ｋ４１８侧含有少量非连续网状碳化物，焊接界面两侧硬度均匀过渡，焊接接头抗拉强度均在７５０ＭＰａ以上，整体抗拉强度高，获得了优良的焊接接头，惯性摩擦焊工艺适合于焊接异种材料。

关键词：惯性摩擦焊涡轮异种材料中图分类号：

ＴＧ４２５

０前言

发动机的核心部件，制造过程中的一项关键技术是涡轮盘与主轴的异种材料轴向摩擦焊连接。由于两者化学成分、热物理性能、高温力学性能差异导致焊接性差，涡轮盘与主轴的可靠连接成为难题。文中对惯性轴向摩擦焊技术焊接涡轮盘与主轴进行了研究。

１

由于摩擦焊技术具有节能、高效、环保、连接强度高等优点，因此得到了迅猛的发展和提高。目前摩擦焊技术已应用于航空航天、汽车、船舶、化工等领域，包

括增压器、石油管道、钻杆等多种零部件”５｜。

利用“增压中冷”原理研制的涡轮增压器是高功效

试验材料及方法

试验所用涡轮盘和主轴材料分别为镍基铸态Ｋ４１８

收稿日期：２００７—０４—１１５８

２００８年第６期

高温合金和４２ＣｒＭｏ调质钢，其化学成分见表１。

万方数据　

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表１材料的化学成分【质量分数．％）

试验过程在ＣＴ一２５多功能惯性摩擦焊机上进行，先对涡轮盘与空心主轴焊接界面进行去油污、氧化皮处理后，放人工装内可靠夹持，保证平行度与同心度，根据焊接面积大小利用电机输入足够的能量后，施加一级轴向力２．５×１０３ｋＮ，当转速降到一定值时，焊接界面摩擦温升并处于高温塑性状态，施加二级轴向顶锻摩擦力５×１０３ｋＮ，待焊接过程完成后，持续保压

１０

ｓ。设备配有计算机测控系统，可对摩擦焊过程中的

轴向压力进行闭环控制，实时检测主轴转速、轴向压力等参数变化并记录。试验装置如图１所示。从焊件上线切割切取试样，金相试样的Ｋ４１８与４２ＣｒＭｏ两侧分别采用三酸溶液与硝酸酒精溶液腐蚀，利用光学显微镜分析结合界面微观结构与组织形态；并对焊件热处理后，将焊接接头部位加工到产品尺寸进行力学性能试验。

电机

飞轮旋转夹具

移动夹具

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图１试验装置示意图

２试验结果分析２．１焊接界面形貌

为减少增压器工作中叶轮热传导，增压器采用瑞士ＡＢＢ公司空心主轴技术。图２是Ｋ４１８高温合金与４２ＣｒＭｏ调质钢惯性摩擦焊接头的实物剖面图。整体上看，涡轮盘与主轴对中好；两种材料沿接合面挤出飞

万　

方数据于４２ＣｒＭｏ调质钢，故其变形较小，４２ＣｒＭｏ侧形成大的内外飞边。

图２两种材料惯性摩擦焊接头剖面

在异种材料摩擦焊过程中，由于被焊金属的化学成分、热物理性能、力学性能等差异，形成了焊接区温度的偏态分布，实际摩擦面将从初始两种金属之间转移到导热性差的母材中∞Ｊ。Ｋ４１８与４２ＣｒＭｏ两者热物理性能差异大，Ｋ４１８导热系数小，焊接时摩擦界面Ｋ４１８侧附近区域温度梯度大；而４２ＣｒＭｏ调质钢的导热系数大，近缝区温度低于焊接界面，促使焊接过程摩

擦界面上温度陡变偏态分布。当二级轴向顶锻力加上

后，由于两者间摩擦力突升，摩擦界面温度迅速增高，Ｋ４１８侧近缝变形区由于导热系数小，温度明显高于初始摩擦面转移到Ｋ４１８内部，形成二次摩擦面。图３为惯性摩擦焊接头界面微观结构，左侧为Ｋ４１８高温合金，右侧为４２ＣｒＭｏ调质钢。可以看出焊

接界面两侧异种金属互相嵌入、渗合、交错，界面呈曲面状分布，冶金结合面积增大，热影响区宽度小。在旋流线特征。分析认为在惯性摩擦焊过程中，二级轴向顶锻力大，摩擦界面出现瞬间温升现象，４２ＣｒＭｏ侧近缝区温度显著升高，软化趋向相对增大，在二级大轴向力下形成了一定厚度螺旋状流线的高温顶锻组织塑性变形层，其对提高焊接接头力学性能非常有利。

２００８年第６期

５９

边均匀平整且对称。由于Ｋ４１８高温合金高温强度高４２ＣｒＭｏ侧，并发生动态再结晶及软化，高温强度降低，２．２焊接界面微观组织分析

４２ＣｒＭｏ调质钢一侧，能明显看到惯性摩擦焊特有的螺

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图３惯性摩擦焊接头界面微观结构

图４为焊接界面两侧的微观组织。图４ａ表明，Ｋ４１８侧热影响区是由灰色浑椭圆形（７＋７’）相基体与少量分布在晶界白色非网状碳化物组成。图４ｂ表明，４２ＣｒＭｏ侧热影响区靠焊接界面处有一层淬火组织，该区为细小的回火马氏体组织，其余扭转塑性变形区为马氏体和贝氏体的混合组织。

图４焊接界面两端微观组织

碳化物是由摩擦焊过程中合金元素的相互扩散形成的。在Ｋ４１８与４２ＣｒＭｏ扩散偶中，表ｌ显示４２ＣｒＭｏ侧的含碳量（０．３８％一０．４５％）明显高于Ｋ４１８侧的含碳量（０．０８％～０．１６％）；Ｋ４１８侧含有大量碳化物易形成元素Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ等，对碳元素亲和力很大，同时Ｋ４１８侧基体为（７＋ｙ’）奥氏体相，对碳原子溶解度大（奥氏体碳溶解度为２．１１％），４２ＣｒＭｏ侧基体为铁素

６０

２００８年第６期

万　

方数据体，对碳溶解度小（铁素体碳溶解度为０．０２１８％），这样在界面两侧存在碳原子浓度梯度，使碳在Ｋ４１８侧的化学位低于４２ＣｒＭｏ侧。促使碳在摩擦焊过程中由４２ＣｒＭｏ侧向Ｋ４１８侧扩散。摩擦焊过程中，在摩擦界面产生了大量的扭转塑性变形，位错密度高，晶粒尺寸减小，晶界面积增大，沿晶界和位错发生的“短路扩散”促使了碳元素的扩散。焊接界面始终处于高温阶段，提供给碳元素足够的扩散能，并在高顶锻压力下，晶粒

之间接触界面增大，有利于碳元素扩散。这样在Ｋ４１８侧形成增碳区，增碳区碳原子与Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ等元素形成碳化物。此外，在摩擦焊过程中，摩擦面转移到Ｋ４１８母材内部次生摩擦面上，而次生摩擦面温度最高，碳溶解度增大，诱导碳在次生摩擦面上富集，焊接冷却温度降低过程中，碳溶解度降低，过饱和的碳就会在次生摩擦界面Ｋ４１８侧以碳化物形式析出。由于惯性摩擦焊技术二级压力大、主轴转速下降快，摩擦界面温度具有瞬时温升等工艺特点＂ｊ，焊接时问极短，碳元素向Ｋ４１８侧扩散受到限制，扩散距离短，扩散量少，只能在能量高的晶界处有少量非连续网状的碳化物存在。２．３惯性摩擦焊接头力学性能

图５所示为成分相同的异种材料分别采用惯性摩擦焊技术与连续驱动摩擦焊【６Ｊ（强规范）技术后焊接界面两侧的硬度变化趋势。可以看出，界面两侧洛氏硬度值均在ＨＲＣ３０—４１之间，两种工艺结果相差不大，连续驱动摩擦焊在４２ＣｒＭｏ侧基体上有一个明显的软化区，在Ｋ４１８侧有一个硬化区，焊接界面两侧硬度变化较大，存在硬度梯度。采用惯性摩擦焊技术加工的接头界面，硬度在界面两侧分布梯度小。硬度的均匀过渡对提高焊后焊接接头的整体抗拉强度有利。

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４２ＣｒＭｏ

Ｋ４１８Ｏ一８—６＿４—２

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距焊接界面距离／ｍｍ

图５沿轴向方向的洛氏硬度分布

图６所示为５组采用惯性摩擦焊技术连接的涡轮盘和空心主轴在４８０℃下保温３ｈ热处理后焊接接头抗拉强度。可以看到，焊接接头的抗拉强度均在７５５

ＭＰａ

［下转第６８页］

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示工艺支撑，调节顶紧螺杠使开档尺寸达到９８７＋：ｍｍ。

在下部后尾箱段加一个工艺支撑，根据试验数据调整

后车架装夹到头尾式焊接变位机上焊接，翻转变位机使所有焊缝尽量在平焊位或船形焊位施焊。２．４火焰加热矫正

后车架总体焊接完成且焊缝完全冷却后，先去掉下部后尾箱段一件工艺支撑（图ｌ中Ｂ区），在Ｔ型接头焊缝对应的左／右腹板外侧向上长度约８０ｍｍ，宽２０ｍｍ的范围内，采用氧乙炔火焰线状加热，加热温度不超过８００ｃｃ，每隔１５０ｍｍ左右加热一段，加热后自然冷却，待冷却到室温后，再去掉上部三件工艺支撑。３结

论

顶紧丝杠，使开档尺寸达到９９２＋ｊ

２．３控制焊接顺序

ｒｌｌｌｎ。

由于后车架焊接变形较大，经过多次试验，总结出

如下减小焊接变形的焊接顺序，如图２所示。先焊加

强筋及竖向短焊缝ｌ，增加结构刚性；其次焊横向短焊缝２；最后焊接Ｔ型接头处长焊缝３，要求用对称分段退步焊法，采用小参数焊接（焊接电流控制在２６０Ａ以内），这样会分散内应力，将焊接变形降到最低程度。

综合运用反变形法、刚性固定法、控制焊接顺序和火焰加热矫正等工艺手段，ＺＬＳＯＦ装载机后车架焊接变形得到了有效控制。后车架外开挡尺寸稳定在９８０

±２

ｍｍ范围内，完全满足了设计要求，取得了良好的

效果。

作者简介：

图２焊接顺序

武红利，１９７４年出生，工学学士，工程师。现主要从事工程机械结构件焊接工艺研究。

［上接第６０页］

以上，最高抗拉强度竞达８２５ＭＰａ左右，焊接接头整体抗拉强度高。分析认为，由于惯性摩擦焊技术具有高转速、大顶锻压力、短摩擦时间等工艺特点，焊接界面热影响区小，并且碳元素从４２ＣｒＭｏ侧向Ｋ４１８侧扩散量少，在Ｋ４１８侧基体内形成的脆性碳化物数量少。此外，焊接界面两侧硬度分布均匀，硬度梯度突变小，在拉伸过程中，软化区与硬化区的变形相对均匀，不容易在软、硬焊接界面处产生裂纹。因此，采用惯性摩擦焊技术获得了抗拉强度高的异种材料连接件。

［２］

（２）焊接过程中发生摩擦面转移现象，碳原子扩散导致Ｋ４１８侧含有少量非连续网状碳化物。

（３）焊接界面两侧硬度均匀过渡，焊接接头抗拉强度均在７５０ＭＰａ以上，整体抗拉强度高，惯性摩擦焊工艺适合于焊接性差的异种金属材料焊接。

参考文献

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ａ

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试件编号

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擦焊接头的强化［Ｊ］．西北工业大学学报，２００４，２２（１）：

１１２一１１５．

图６惯性摩擦焊接头抗拉强度

３结论

作者简介：

陈大军，１９７８年出生，硕士，工程师。主要从事惯性摩擦焊技术及先进材料连接研究。

（１）采用惯性摩擦焊技术获得了连接质量良好的Ｋ４１８与４２ＣｒＭｏ异种材料焊接件。

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２００８年第６期

万方数据　

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K418涡轮盘与42CrMo轴异种材料惯性摩擦焊研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

陈大军， 徐晓菱， 徐元泽， 吴玮， Chen Dajun， Xu Xiaoling， Xu Yuanze， Wu Wei中国兵器工业第五九研究所,重庆市,400039焊接

WELDING & JOINING2008(6)

参考文献(6条)

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本文链接：/Periodical_hj200806016.aspx

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