涡轮增压器传动轴摩擦焊界面特征与质量控制

摘要

涡轮增压器是发动机的重要部件,能够提高发动机升功率,提高燃油经济型,改善发动机的排放,通常是由K418镍基高温合金和42CrMo合金钢焊接而成,属于典型的异种材料焊接。两种材料之间的化学成分和机械性能存在很大差异,较难进行焊接,虽然激光焊和电子束焊能够实现两者的焊接,但是成本较高,推广性差。现在常用惯性摩擦焊来焊接 K418/42CrMo,具有高效化、成本低等特性,但是在同尺寸惯性摩擦焊接K418/42CrMo时会存在芯部焊接热量不足、焊缝热量分布不均匀及焊接质量不可控等问题。本课题提出通过界面约束来改善K418/42CrMo异种材料惯性摩擦焊接头性能进而控制焊接质量,焊后对所得接头进行微观组织观察、能谱分析、拉伸测试及显微硬度测试,具体研究内容及主要结论如下:
　　①分析了在主轴转速为3000 rpm、摩擦压力为4MPa、顶锻压强为15MPa及界面约束分别为1mm、2mm、3mm、4mm和4.5mm情况下焊缝的宏观变形规律及微观特征,并且分析了界面约束和惯性摩擦焊接过程中材料流动之间的作用机理。
　　②界面约束下的K418/42CrMo惯性摩擦焊接头显微硬度值总体呈近似“Z”形分布,接头的硬度最高点出现在变形区,最低点出现在热影响区位置。其硬度提升区域宽度随着界面约束从1mm增加到4.5mm呈上升趋势。接头显微硬度变化在界面两侧各有特点,在42CrMo侧是发生了动态再结晶,晶粒细化实现提高, K418侧由类淬火作用及机械硬化实现提高。
　　③分析了异种金属K418/42CrMo惯性摩擦焊接接头出现界面结合不均匀的问题。通过调整工艺参数,在界面约束为4mm时,塑性材料流动趋于平缓,焊接热量增多,接头不会出现该现象。
　　④在不同界面约束下焊接接头界面发生了元素的扩散,随着界面约束的增加,其元素扩散宽度呈整体上升趋势,在界面约束为3mm时,由于材料流动的紊乱及焊缝保留热量的减少使元素扩散宽度出现了下降。
　　⑤分析了惯性摩擦焊接过程中塑性42CrMo的流动动规律及 K418的变形规律,提出了不同界面约束下两种塑性材料流动模型,揭示了界面约束对惯性摩擦焊焊接过程材料流动的作用机理。