一种涡轮增压器的涡轮转子激光复合加工方法
【专利摘要】本发明公开了一种涡轮增压器的涡轮转子激光复合加工方法，包括以下步骤：(1)对涡轮与转子轴进行超声波清洗，去除工件表面杂质与油迹；(2)对涡轮与转子轴的连接处进行激光焊接加工，激光功率密度设置为106?107W/cm2；(3)对涡轮转子中的转子轴与浮动轴承配合的轴颈外圆工作外表面进行激光表面淬火处理，以在转子轴与浮动轴承配合的轴颈外圆工作外表面形成淬硬层，激光功率密度设置为104?106W/cm2。本发明的有益效果在于：1、焊接速度快，热影响区小，焊接变形小，且焊接抗拉强度好；2、提高转子轴的表面力学性能与抗磨性能；3、可免除涡轮转子传统的退火、淬火、精磨轴等工序，提高生产效率，降低加工成本。
【专利说明】
一种涡轮増压器的涡轮转子激光复合加工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及涡轮增压器领域，特别涉及一种涡轮增压器的涡轮转子激光复合加工 方法。
【背景技术】
[0002] 涡轮转子涡轮增压器是的最为关键的零部件之一，在涡轮增压器中，涡轮转子的 作用是通过涡轮吸收来自汽车尾气的能量并经过转子轴传递给叶轮，并承受来自涡端、压 端与轴承的交变负荷、振动以及摩擦力作用。随着现代发动机强化程度不断增强，特别各国 对环境法规要求越来越严格，导致涡轮增压器工作转速与压比不断提高（目前涡轮增压器 转子轴最高工作转速已超过每分钟25万转，压比超过4)，其承受的轴向、径向交变负荷与振 动也越来越复杂，这对涡轮增压器涡轮转子轴的设计、制造提出了更高的要求。
[0003] 传统的涡轮转子制造流程为:毛坯、摩擦焊、退火、粗车、淬火、精车、精磨轴、清洗、 动平衡、入库。摩擦焊是将涡轮与转子轴进行物理上连接起来，摩擦焊具有劳动生产率高、 生产成本低等优点，但其存在转子轴材料利用率较低、焊接强度不均匀以及需进行后续退 火去应力处理的不足;淬火工序主要为采用高频淬火对转子轴与浮动轴承配合的轴颈外圆 工作面进行淬硬，提高表面硬度，但在此处理过程中不仅需要专用配套的热处理设备，投资 大、资源占用多、能耗高、污染重，而且还需进行后续精磨轴工序。
[0004] 激光加工技术是利用激光束与工件相互作用的特性，对材料进行焊接、表面处理 等的一门加工技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车制造、航空航天、船舶制 造、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染等 方面起到越来越重要的作用。
[0005] 虽然，目前有中国专利公开号为CN101480760A(【公开日】为2009年7月15日）公开了 一种激光焊接涡轮盘与转轴的方法，但是该方法的激光功率较低，使得涡轮转盘和转轴的 连接强度受限，而且该方法也没有对转轴进行处理，所以生产出来的涡轮增压器的转子还 是不符合要求。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于针对现有技术的不足和缺陷，提供一种涡轮增压器的涡轮转子 激光复合加工方法，以解决上述问题。
[0007] 本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
[0008] -种涡轮增压器的涡轮转子激光复合加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009] (1)对涡轮与转子轴进行超声波清洗，去除工件表面杂质与油迹；
[0010] (2)对涡轮与转子轴的连接处进行激光焊接加工，激光功率密度设置为106_10、/ cm2 ；
[0011] (3)对涡轮转子中的转子轴与浮动轴承配合的轴颈外圆工作外表面进行激光表面 淬火处理，以在转子轴与浮动轴承配合的轴颈外圆工作外表面形成淬硬层，激光功率密度 设置为 l〇4-l〇6W/cm2。
[0012] 在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(1)中采用无水乙醇进行超声波清洗。
[0013] 在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(2)中的涡轮与转子轴的连接处的焊缝 宽度为l-2mm，焊接深度为3-7mm，此时焊缝区域的拉伸强度优于或等于原母材，无焊接裂 纹，其中激光焊接参数为:离焦量为30-80mm，焊接速度为50-1 OOmm/s。
[0014] 在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(2)中的转子轴是毛坯轴或者完成机加 后的成品轴。
[0015] 在本发明的一个优选实施例中，所述步骤(3)中的淬硬层厚度为0.3-0.8mm，硬度 为50-54HRC，其中对转子轴的淬硬层通过对加工区域的逐点扫描完成，扫描速度为120-200mm/s，相邻扫描点存在重叠区域，重叠率为30 %-80 %。
[0016] 由于采用了如上的技术方案，本发明的有益效果在于：
[0017] 1、本发明通过激光焊接涡轮增压器的涡轮转子，焊接速度快，热影响区小，焊接变 形小，且焊接抗拉强度好，转子轴材料利用率高，无污染，无噪声；2通过激光表面淬火处理 涡轮转子的转子轴与浮动轴承配合的轴颈外圆工作外表面，形成一层淬硬层，提高转子轴 的表面力学性能与抗磨性能;3、对涡轮转子的激光焊接与激光表面淬火处理可免除涡轮转 子传统的退火、淬火、精磨轴等工序，提高生产效率，降低加工成本，提高产品竞争力。
【附图说明】
[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0019] 图1是本发明一种实施例加工后的涡轮转子的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进 一步阐述本发明。
[0021] 参见图1所示的一种涡轮增压器的涡轮转子100,包括涡轮10与转子轴20。结合以 下各实施例进行说明。
[0022] 实施例1
[0023] -种涡轮增压器的涡轮转子激光复合加工方法，包括以下步骤：
[0024] (1)采用无水乙醇对涡轮10与转子轴20进行超声波清洗，去除工件表面杂质与油 迹；
[0025] (2)对涡轮10与转子轴20的连接处进行激光焊接加工，激光功率密度设置为106W/ cm2 (对应的激光功率密度在融化区间），涡轮10与转子轴20的连接处的焊缝1宽度为1mm，焊 接深度为3mm，此时焊缝1区域的拉伸强度优于或等于原母材，无焊接裂纹，其中激光焊接参 数为:离焦量为30mm，焊接速度为50mm/s，转子轴20是完成机加后的成品轴。
[0026] (3)对涡轮转子100中的转子轴20与浮动轴承配合的轴颈外圆工作外表面21进行 激光表面淬火处理，以在转子轴20与浮动轴承配合的轴颈外圆工作外表面21形成淬硬层 21a，激光功率密度设置为104W/cm2(对应的激光功率密度在局部熔化或蒸发区间），淬硬层 21a厚度为0.3mm，硬度为50HRC，其中对转子轴20的淬硬层21a通过对加工区域的逐点扫描 完成，扫描速度为120mm/s，相邻扫描点存在重叠区域，重叠率为30%。
[0027] 步骤(2)与步骤(3)中的激光焊接与激光表面淬火加工处理是在同一台光纤激光 器上进行。
[0028] 实施例2
[0029] -种涡轮增压器的涡轮转子激光复合加工方法，包括以下步骤：
[0030] (1)采用无水乙醇对涡轮10与转子轴20进行超声波清洗，去除工件表面杂质与油 迹；
[0031] (2)对涡轮10与转子轴20的连接处进行激光焊接加工，激光功率密度设置为5 X 106W/cm2(对应的激光功率密度在融化区间），涡轮10与转子轴20的连接处的焊缝1宽度为 1.5mm，焊接深度为5mm，此时焊缝1区域的拉伸强度优于或等于原母材，无焊接裂纹，其中激 光焊接参数为:离焦量为55mm，焊接速度为75mm/s，转子轴20是完成机加后的成品轴；
[0032] (3)对涡轮转子100中的转子轴20与浮动轴承配合的轴颈外圆工作外表面21进行 激光表面淬火处理，以在转子轴20与浮动轴承配合的轴颈外圆工作外表面21形成淬硬层 21a，激光功率密度设置为105W/cm2(对应的激光功率密度在局部熔化或蒸发区间），淬硬层 21a厚度为0.55mm，硬度为52HRC，其中对转子轴20的淬硬层21a通过对加工区域的逐点扫描 完成，扫描速度为160mm/s，相邻扫描点存在重叠区域，重叠率为55%。
[0033] 步骤(2)与步骤(3)中的激光焊接与激光表面淬火加工处理是在同一台光纤激光 器上进行。
[0034] 实施例3
[0035] -种涡轮增压器的涡轮转子激光复合加工方法，包括以下步骤：
[0036] (1)采用无水乙醇对涡轮10与转子轴20进行超声波清洗，去除工件表面杂质与油 迹；
[0037] (2)对涡轮10与转子轴20的连接处进行激光焊接加工，激光功率密度设置为10、/ cm2 (对应的激光功率密度在融化区间），涡轮10与转子轴20的连接处的焊缝1宽度为2mm，焊 接深度为7mm，此时焊缝1区域的拉伸强度优于或等于原母材，无焊接裂纹，其中激光焊接参 数为:离焦量为80mm，焊接速度为100mm/ S，转子轴20是完成机加后的成品轴；
[0038] (3)对涡轮转子100中的转子轴20与浮动轴承配合的轴颈外圆工作外表面21进行 激光表面淬火处理，以在转子轴20与浮动轴承配合的轴颈外圆工作外表面21形成淬硬层 21a，激光功率密度设置为106W/cm2(对应的激光功率密度在局部熔化或蒸发区间），淬硬层 21a厚度为0.8mm，硬度为54HRC，其中对转子轴20的淬硬层21a通过对加工区域的逐点扫描 完成，扫描速度为200mm/s，相邻扫描点存在重叠区域，重叠率为80%。
[0039] 步骤(2)与步骤(3)中的激光焊接与激光表面淬火加工处理是在同一台光纤激光 器上进行。
[0040] 参见上述各实施例与现有技术的涡轮转子的性能对比可参见下表1所示：
[0041] 表1
[0042]
[0043] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
【主权项】
1. 一种涡轮增压器的涡轮转子激光复合加工方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 对涡轮与转子轴进行超声波清洗，去除工件表面杂质与油迹； (2) 对涡轮与转子轴的连接处进行激光焊接加工，激光功率密度设置为106-107W/cm2; (3) 对涡轮转子中的转子轴与浮动轴承配合的轴颈外圆工作外表面进行激光表面淬火 处理，以在转子轴与浮动轴承配合的轴颈外圆工作外表面形成淬硬层，激光功率密度设置 为 104-106W/cm2〇2. 如权利要求1所述的一种涡轮增压器的涡轮转子激光复合加工方法，其特征在于，所 述步骤(1)中采用无水乙醇进行超声波清洗。3. 如权利要求1所述的一种涡轮增压器的涡轮转子激光复合加工方法，其特征在于，所 述步骤(2)中的涡轮与转子轴的连接处的焊缝宽度为1-2_，焊接深度为3-7_，此时焊缝区 域的拉伸强度优于或等于原母材，无焊接裂纹，其中激光焊接参数为:离焦量为30-80mm，焊 接速度为50-100mm/s。4. 如权利要求1所述的一种涡轮增压器的涡轮转子激光复合加工方法，其特征在于，所 述步骤(2)中的转子轴是毛坯轴或者完成机加后的成品轴。5. 如权利要求1所述的一种涡轮增压器的涡轮转子激光复合加工方法，其特征在于，所 述步骤(3)中的淬硬层厚度为0.3-0.8mm，硬度为50-54HRC，其中对转子轴的淬硬层通过对 加工区域的逐点扫描完成，扫描速度为120-200mm/s，相邻扫描点存在重叠区域，重叠率为 30%-80%〇
【文档编号】B23K26/24GK106001923SQ201610423755
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】程云荣, 张爱明, 杨国旗
【申请人】湖南天雁机械有限责任公司