专利名称：采用错壁几何形状改进惯性焊接的制作方法
技术领域：
本发明涉及对空心工件的惯性焊接。本发明还涉及高强度超耐热合金工件的惯性焊接以及用粉末冶金制造出的高强度超耐热合金物件的惯性焊接。
惯性焊接是一种用来连接两根通常是围绕着一根旋转轴线相对称的金属工件的方法。这种工件可以是实心的也可以是空心的。例如，惯性焊接可以用来来将两构件连接在一起形成一个如曲轴或焊接的空心管组件之类的制品。惯性焊接法在例如美国专利3，234，644;3，235，162;3，462，826;3，591，068和4，365，136中都有描述，将它们参考结合在本文中。
简短地说，在惯性焊接中，待焊接的两工件被放置和固定在这样一个位置，使它们的对称轴线重合，待焊接的两个面处于平行的关系。其中的一个工件保持静止，而另一个则固定在一个旋转的飞轮上。这个转动的工件和飞轮的组合体被加速到一个预定的转速，然后将旋转的工件强制压在静止的工件上。飞轮的几何形状、质量和转速决定可达到的动能，而这些动能由被焊接的两工件之间的摩擦消耗掉(转换成热能)。两个工件被压在一起，所消耗的动能足以引起工件的局部软化。当飞轮停止转动时，作用在两工件之间的力仍保持着或者增大了，使得两工件的软化部分连接在一起。两工件之间的力使焊接区内引起塑性或超塑性变形。由于热导入工件内部所以焊接区的冷却相当快。
惯性焊接过程是在焊接区域排出大量的材料的条件下进行的，因此，自然地除去了有害的表面污染物。焊接区显示出较多的锻造特性，而不是铸造的特性。其它形式的焊接，例如激光焊、电子束焊和电熔焊所产生的焊接区都是先熔化了又重新固化的，因此，具有铸造的特性，这种特性一般不如由惯性焊接区呈现的锻造特性理想。
惯性焊接是摩擦焊接的一种形式。另外一种摩擦焊接的形式在于由电动机不断驱动以产生摩擦热而不是利用贮存在飞轮中的能量。在本文中，惯性焊接一词包括其它形式的旋转摩擦焊接。
惯性焊接发展很快，在重型设备制造工业中广泛用于连接铁和钢之类的黑色金属材料。最近用于对超耐热合金的连接也获得相当成功。超耐热合金材料的连接比黑色金属材料的连接要求高得多，因为超耐热合金的软化温度较高而且更耐于高温变形。对“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。被连接工件由焊接过程加以软化的区域是很有限的，在焊接区内顶锻或变形的量也同样是有限的。因此，在超耐热合金(特别是由粉末加工制出的超耐热合金)的惯性焊接中，通常在焊接区内都可以观察到一个残余槽口。这种槽口在惯性焊接黑色金属材料时很少发现。
不幸的是，在粉末加工的镍超耐热合金的情况中，焊接区槽口总是向内伸展，在被焊接部件的原有直径之内。因此，即使在焊接顶锻部分由机械加工除去之后，通常仍旧遗留下一个槽口，要除去这个槽口需要经机械切削至小于焊接工件原有的直径。如果这个槽口没有完全被除去，它将成为一个应力集中处，并在焊接工件以后的应用期间，甚至在随后的热处理中都将成为断裂引发部位。这个槽口问题在高强度的超耐热合金，即屈服强度在1000°F时超过100Ksi(千磅/平方英寸)的超耐热合金以及用粉末合金技术生产出来的超耐热合金材料中危害性特大。
在初期用惯性焊接加工出超耐热合金工件的时候槽口问题可以用增加一些经济成本来予以解决，如把原始部件尺寸制得大一些，以便对焊接组合件进行机械切削至一足够除去这槽口的尺寸。不幸的是，在用惯性焊接修补一件受损的工件时，这一方法一般就不实用。这是因为工件的未受损坏的部分已经被机械切削至一个特定的直径，通常是一个最低设计直径，如果再将其减小就不免会削弱这部位的强度。因此，在超耐热合金工件上设法除去受损部分换以一个新的部分时，惯性焊接接头往往成为制成的工件的弱点，因为该焊接区槽口不是其本身削弱该工件，就是必须将工件切削至其尺寸以下。
即便是在原有的加工情况下，使用加大尺寸的工件也可能会超出现有的惯性焊接机的工作能力。
另外，还有一些焊接接头几何形状至今对惯性焊接还是困难的。这些成问题的几何形状之一在制造锥形工件，如空心锥形体工件中碰到。这个问题在燃气涡轮发动机中将一根轴连接到一个轮盘上时也会遇到。
因此，本发明的一个目的就是提供一种惯性焊接工件和控制焊接区槽口的深度及位置的方法。
本发明的另一个目的是提出一种惯性焊接高强度(和/或粉末冶金加工的)超耐热合金并尽量减少焊接区槽口的有害影响的方法。
最后，本发明的一个目的是提出一种用于将两工件惯性焊接在一起，以形成一个锥形毂的几何形状。
超耐热合金是主要由Ni3Al析出强化的镍基合金。高强度的超耐热合金，即其屈服强度在1000°F时超过100ksi的热合金。
根据本发明，惯性焊接区槽口的大小和位置是由使被连接的两工件具有完全不同的壁直径来加以控制的。通过改变被连接空心工件的壁直径，在焊接区内可制成台阶，这些台阶影响由焊接过程产生的热流，因而影响焊接区几何形状和从焊接区排出的材料，因而又影响焊接区槽口的位置和大小。具体地说，本发明的焊接接头几何形状可以缩小槽口的范围并移动其位置，从而使其危害性较通常的惯性焊接大大地减少。
本发明上述的以及其它的特点和优点将通过以下的描述和附图而更加明显。
图1示意性地显示了普通空心工件的焊接接头几何形状。
图2是具有图1所示几何形状的焊接材料的显微照片。
图3是根据本发明的焊接接头的几何形状。
图4是利用图3中的几何形状制成的焊接接头的显微照片。
图5是本发明焊接区的另一种几何形状。
图6是具有图5所示几何形状的工件焊成的焊接区的显微照片。
本发明的主要方面是改变焊接接头的几何形状以控制热流和由接头处排挤出的物料，从而使排出的物料不致在焊接加工部件的最终尺寸外层范围内形成一个槽。本发明的方法还适用于加工制造锥体或其他锥形的空心工件。
本发明可以通过参见图3来理解，其中显示出两个工件直径如何彼此相互错开，从而在两个被连接的工件之间形成偏置，并在靠近焊接区接头的内径和外径处形成两个台阶。如下面还要谈到的，这对于热的流动和软化物料的排出都含有重要意义。
图1显示了空心工件常规的接头几何形状。被连接的两工件围绕着所示的中心线是相对称的，其厚度也是相同的，被连接的两部分互相对中。因此，横跨焊接区平面的焊接区是对称的，假定两工件的材料相同，那么从焊接区排出的材料也是对称的。图1中的对称情况导致一个基本上是平的焊接区。
图2是按图1中所示的几何形状制成的试验性接头的放大照片图，显示出焊接槽口和排挤出的材料。应当特别注意到焊接槽口是向里凹入原有工件的尺寸范围之内的(内径和外径都是)。这就意味着焊接区的面积要较原有工件的设计面积为小。这种接头或者槽口对接头的强度及耐用性是非常有害的。可以看出图2中的焊接区基本上是平的，与原有的两工件之间的交接面相应。
图3显示了本发明的接头几何形状。如图3所示，空心工件A的半径小于空心工件B的半径。更具体地说，外半径ORa较外半径ORb为小，而内半径IRa较内半径IRb为小。A的平均半径值较B的平均半径值小，其中所谓平均半径即是(OR+IR)/2。这些几何尺寸的差异在两工件之间的交接面处造成了两个台阶，在接合工件的内直径处有一个台阶SI和在接合工件的外直径处有一个台阶SO。内台阶SI在接合平面上位于外台阶SO的相对侧。这种台阶几何形状使焊接过程中的热流发生变化，以及在焊接区加热和冷却期间的应力发生变化。
图4表示形成的焊接区的放大照片。从中可以看到这种错开的接头几何形状产生了一种带有S形明显曲度的焊接区。这种弯曲的焊接区几何形状的结果是从焊接区内直径和外直径处排挤出来的材料与工件的轴线形成一个角度排出，而不是像普通几何形状的惯性焊接操作那样垂直排出。这种材料排出的变化，影响焊接区残余槽口的大小和位置。这意味着焊接区内外的台阶用机械加工方法除掉，可以最小的材料去除量而完全除去焊接槽口，对于超耐热焊接材料，台除的尺寸SI和SO似乎应当约为A的厚度的10至50%，最好为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，只要内、外台阶在上面限定的范围内就行。例如，如果零件A的壁厚为0.200英寸，则台阶可能处于0.020至0.100英寸的范围之间。一个0.200英寸壁厚具有10英寸的内径IDA、10.4英寸的外径ODA和一个10.2英寸的平均直径的工件可以连接到另一个具有0.32英寸的壁厚，9.96英寸的内径，10.6英寸的外径ODB和10.28英寸的平均直径的空心部件上，以产生一个0.1英寸的外台阶和0.02英寸的内台阶，符合于本发明的要求。
图5显示了一个稍有不同的接头几何形状，该几何形状对本发明特别适合，可用于生产某些燃气涡轮发动机的部件。在图5中，工件是互相错开排列的，每个工件都有一面斜壁，如工件A的内壁和工件B的外壁是斜壁，而不是平行的壁。这种几何形状可以用来形成锥形的工件。这种锥形构形在某些燃气蜗轮发动机中是一种普通的设计形状，在这种发动机中，一根轴必须装附于一个质量极小，但转矩传送能力很高的轮盘上。图中虚线表示如何去除最少的材料将惯性焊接好的工件用机械加工方法制成一个空心的锥形工件。
图6是一个惯性焊接的试验性样品的显微照片，其原始的几何形状显示在图5中。从图中可以看出，由于焊接槽口已被移动，因此，制出锥形形状时所要求除去的金属量最少。
虽然本发明根据详细的实施例加以显示和描述，但是应该理解本行业中的技术人员都能在形式和细节上做出各种不同的变化。这些变化没有离开要求保护的本发明。
权利要求
1.空心高强度超耐热合金工件的惯性焊接方法，它包括提供一个被连接的第一工件，该第一工件具有一个内径，一个外径和一条中心线，提供一个被连接的第二工件，该第二工件具有一个内径、一个外径和一条中心线，其特征在于第一工件的内径小于第二工件的内径，第一工件的外径小于第二工件的外径，因而当第一工件和第二工件放置在一起，使其各自的中心线恰好重合时，在两工件之间的交接面处形成径向的台阶，这样，在焊接时使之形成一个S形弯曲的焊接区。
2.用惯性焊接超耐热合金工件以制成锥形工件的方法，它包括下述步骤提供一个被连接的第一工件，该第一工件具有一个内径、一个外径和一条中心线，提供一个被连接的第二工件，该第二工件具有一个内径、一个外径和一条中心线，其特征在于第一工件的内径小于第二工件的内径，第一工件的外径小于第二工件的外径，因而当第一工件和第二工件放置在一起，使其各自的中心线恰好重合时，在工件之间的交接面处形成径向的台阶，这样，在焊接时就形成一个S形弯曲的焊接区，然后将该焊接工件进行机械加工使其成为一个空心的锥形构形。
全文摘要
本文介绍了一种利用惯性焊接连接超耐热合金工件的几何形状。在第一和第二两个空心超耐热合金工件相连接时，其中第一工件的内径和外径较第二工件的内径和外径为小。形成一种错开的接头几何形状，其结果形成弯曲的S形焊接区有效地控制了残留的焊接槽口。
文档编号B23K20/12GK1043651SQ8910937
公开日1990年7月11日 申请日期1989年12月13日 优先权日1988年12月21日
发明者杰克·桑福德·思罗尔 申请人:联合工艺公司