涡轮转子的制作方法
【专利摘要】本发明其目的在于，实现以低成本的装置抑制焊接后的转子轴的歪斜，提高成品率，并且可大量生产的涡轮转子，使涡轮叶轮(12)和转子轴(14)在与凹凸部(12a、14a)嵌合的状态下旋转，从激光束发生装置(30)沿周向在接合面(16)照射激光束L，焊接接合部(16)。接着，使激光束L偏光，利用激光束L对包含焊接部的转子轴侧区域X进行回火处理。对于焊接时发生的局部角度分布的残留应力R1，通过进行回火，遍及整周产生残留应力R2。由此，抑制冷却后的转子轴(14)的歪斜。
【专利说明】涡轮转子
【技术领域】
[0001]本发明涉及例如用于机动车用涡轮增压机，去除制造时的残留应力，可防止工作中转子轴的轴心歪斜的涡轮转子。
【背景技术】
[0002]构成机动车用涡轮增压机的涡轮转子因涡轮叶轮需要耐热性，所以使用不同的材料分别制作由耐热材料制作的涡轮叶轮、和没有必要特别使用耐热材料的转子轴，通过电子束焊接等将两者结合。即，如图5所示，现有的涡轮转子100使电子束E与轴向呈直角方向接触涡轮叶轮102和转子轴104的接合面106的同时使两者旋转，遍及整周焊接接合部106。
[0003]该情况下，因对两者进行圆周焊接，所以在焊接部产生偏向周向的残留应力。因此，在转子轴104上产生双点划线所示的倾斜(歪斜)104:'，在涡轮叶轮的外周产生轴心歪斜Λ σ (参照图5)。焊接后，虽然通过机械加工修正歪斜，但残留应力没有去除。因此，在涡轮增压机工作时，因涡轮转子被加热，所以焊接时的残留应力释放，在涡轮转子100产生再歪斜。如果歪斜发生，则存在在工作时，在涡轮转子上产生不平衡力，产生噪音及振动这类问题。
[0004]专利文献I及2中公开有使用电子束焊接涡轮叶轮和转子轴的方法。专利文献I中公开的焊接方法将由耐热金属形成的涡轮叶轮和转子轴连接，其中，将涡轮叶轮和转子轴一边接合一边使其旋转，在其接合部照射电子束进行焊接。之后，一边从接合部在转子轴侧进行规定的幅宽扫描一边照射电子束，对因焊接时的热影响而固化的接合部附近的转子轴进行回火。
[0005]另一方面，专利文献2中公开的焊接方法中，在涡轮叶轮和转子轴的接合部的周围，在周向上隔开等角度的多个点设置电子束照射装置，进行来自多点的等角度同时焊接。由此，抑制因伴随焊接时的溶融金属的凝固而产生的收缩应力而转子轴产生歪斜。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:(日本)特开平7 - 286528号公报
[0009]专利文献2:(日本)特开2001 — 254627号公报
[0010]发明所要解决的课题
[0011]如上述，专利文献I中，以在接合部照射电子束进行焊接后，在因热影响而变硬的接合部的轴侧附近一边扫描一边照射电子束进行回火，由此，可连续地进行焊接处理的所谓生产技术的解决为目的，不以消除转子轴的歪斜为目的。
[0012]而且，如专利文献1，只进行转子轴侧区域的回火，不能消除转子轴的歪斜。因此，如果在焊接后转子轴产生歪斜，则涡轮转子的成品率降低。另外，如果通过机械加工修正轴心歪斜，则需要焊接工序和机械加工工序这二个工序，使涡轮转子的生产性大幅降低。
[0013]另一方面，专利文献2的焊接方法中，认为对在周向偏向的残留应力抑制有效，但需要多台电子束装置，具有高成本这类问题。
【发明内容】
[0014]本发明是鉴于该现有的技术问题而创立的，其目的在于，实现以低成本的装置，抑制焊接后的转子轴的歪斜提高成品率，并且提高涡轮转子的生产性而可大量生产的涡轮转子。
[0015]用于解决课题的技术方案
[0016]本发明提供一种涡轮转子，通过对接焊，将由耐热金属构成的涡轮叶轮和由碳素钢构成的转子轴连接而成，其特征在于，
[0017]所述涡轮叶轮和转子轴为从热释放波束发生装置向其接合部照射热释放波束进行焊接而形成的结构，
[0018]一边对所述接合部的包含对接焊位置的转子轴侧进行规定的幅宽扫描，一边从所述能量发生装置照射以一定量调节的电磁能或热能，并进行回火以遍及整周产生在焊接时产生的转子轴的局部角度分布的残留应力，在涡轮转子运转时，将在所述涡轮叶轮外周发生的轴心歪斜抑制在0.2mm以下。
[0019]优选的是，用于回火的所述能量发生装置为高频感应加热装置或激光束发生装置，更优选的是，用于回火的所述能量发生装置是高频感应加热装置或激光束发生装置，用于焊接的热释放波束发生装置为激光束或电子束发生装置。
[0020]在本发明的涡轮转子中，相对于由耐热金属构成的涡轮叶轮，转子轴的材质为热传导性相对好且热容量大的碳素钢。由此，与涡轮叶轮相比相对增大焊接后回火带来的转子轴的热膨胀量或热收缩量。因此，在后述的回火中，可以在焊接部产生遍及整周的残留应力。另外，涡轮叶轮和转子轴具有向其接合部照射激光束或电子束(以下，称为热释放波束)进行焊接而形成的结构。
[0021]另外，对接合部的包含对接焊位置的转子轴侧一边进行规定幅宽扫描一边从能量发生装置照射由以一定量调节的电磁能或热能构成的热释放波束(例如高频感应加热装置或激光束)，进行回火以遍及整周产生在焊接时产生的转子轴的局部角度分布的残留应力，而进行制造。
[0022]这样回火的涡轮转子处于残留应力在周向平衡的状态，冷却后也保持其均衡状态。因此，不产生转子轴的歪斜，且即使在运转中被加热，也不会产生歪斜。即，在涡轮转子运转时，可以将在涡轮叶轮外周产生的轴心歪斜Λ σ抑制在0.2mm以下。通过将轴心歪斜Δ σ抑制在0.2_以下，可以将运转时的实质的噪音及轴振动的发生抑制在容许范围内。另外，只要电磁能或热能的扫描宽度与需要回火的区域一致，则就可以通过一次扫描完成回火，可以在短时间进行回火作业。因此，适于涡轮转子的大量生产。
[0023]本
【发明者】等根据各种实验可知，在将接合面沿周向进行焊接时，在焊接的完成侧角度区域残留局部应力。认为其理由是因为，由于转子轴比涡轮叶轮的热膨胀率大，所以在焊接时，因焊接部附近的转子轴的热膨胀而在焊接部作用拉伸力，在焊接的完成侧角度区域，在焊接热中曝露最长时间，所以作用最大的拉伸力。
[0024]因此，涡轮转子回火时，优选在除该完成侧角度区域(约O?90°的区域)之外的区域实施多次的回火处理。例如，进行接合面转I周(360° )或转2周(720° )的焊接后，在使其转约半周(180° )期间慢慢减少输出，对包含焊接部的转子轴侧区域进行转I周或转2周的回火的情况下，可以在270?360°范围省略回火的完成侧角度区域。由此，在除该完成侧区域之外的区域，因转子轴膨胀，所以在被冷却的焊接部产生残留应力，因此，可以在转子轴遍及整周均等地产生残留应力。
[0025]回火可以使用高频加热装置或激光束发生装置。高频加热装置可以小型轻量化，且可进行高效发电，因此，省电，可以低成本化。另外，由于可进行急速高温加热，所以适于大量生产。另外，激光束发生装置可得到高功率密度，热输入少，对周边部的热影响少，能够正确地控制射线的照射位置。另外，像电子束那样的加热，不需要将焊接部的周围保持在真空。因此，可以低成本化，适于大量生产。
[0026]发明效果
[0027]本发明的涡轮转子在进行了涡轮叶轮和转子轴的焊接后，对包含焊接部的焊接部附近的转子轴侧区域进行回火，遍及整周产生在焊接时发生的转子轴的局部角度分布的残留应力，因此，可抑制冷却后及之后的运转时的转子轴的歪斜。因此，能够以低成本制作不产生转子轴的歪斜的涡轮转子。另外，不需要焊接后的机械加工下的修正作业，可以提高成品率，并且可以缩短制作时间，所以适于大量生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1A是使用了本发明的电子束的焊接装置的主视图；
[0029]图1B是使用了本发明的激光束的回火装置的主视图；
[0030]图2(A)是表示上述实施方式的热处理工序的图表，(B)及(C)是热处理工序中的焊接部的剖面图；
[0031]图3是表示上述实施方式的焊接方法及回火方法的说明图；
[0032]图4是表示在上述实施方式中照射的激光束的说明图；
[0033]图5是表示现有的涡轮转子的转子轴的歪斜的说明图。
【具体实施方式】
[0034]以下，使用图示的实施方式详细说明本发明。但是，该实施方式所记载的构成零件的尺寸、材质、形状、其相对配置等只要没有特别的特定的记载，就不是将该发明的范围只限定于此的主旨。
[0035]基于图1A?图4说明本发明的一实施方式。图1A表示焊接构成涡轮转子10的涡轮叶轮12和转子轴14的焊接装置。卡盘22与电动机20的输出轴连接，转子轴14的下端安装于卡盘22上。转子轴14与卡盘22 —起通过电动机20旋转。在转子轴14的上端形成有比转子轴14小径的凸部14a，另一方面，在涡轮叶轮12的下面中心形成有与凸部14a嵌合的凹部12a。
[0036]通过这些凹凸部12a、14a相互嵌合，涡轮叶轮12和转子轴14相互定位，且同时旋转。涡轮叶轮12由镍铬铁耐热耐蚀合金等耐热材料构成，转子轴14由碳素钢构成。因此，转子轴14的热传导性比涡轮叶轮12大，且热容量大。
[0037]涡轮叶轮12的上端中心通过卡盘24可旋转地支承，且通过卡盘22，涡轮叶轮12与转子轴14同步旋转。通过凹凸部12a、14a相互接触，形成接合面16。在涡轮叶轮10的定位部位附近设置有电子束发生装置30，从电子束发生装置30朝向接合面16发射电子束L。300是将真空室301内维持在真空的真空阀。
[0038]在该构成中，利用凹凸部12a、14a使涡轮叶轮12和转子轴14嵌合，在该状态下，使电动机20旋转，使涡轮叶轮12及转子轴14旋转。接着，从电子束发生装置30产生电子束L。电子束L通过聚光透镜34在中心侧聚光，朝向接合面16照射。由此，将接合面16的周缘部加热溶融，对接合面16进行焊接。
[0039]图2(A)表示使用上述电子束发生装置30的本实施方式的热处理工序。首先，从室温升温至450?550°C，遍及整周实施预热工序A。
[0040]接着，从电子束发生装置30向接合面16照射电子束L，遍及整周转I周(360° )实施升温至1500?1700°C的焊接工序B，之后，在使其旋转约半周(180° )的期间慢慢减少输出完成焊接。
[0041]图1B是用于对焊接的上述接合面进行回火的回火装置。
[0042]激光发生装置30'在通道32的内部设置有聚光透镜34，激光束L通过聚光透镜34聚光后，向接合面16照射。在通道32上设置有分支通道36，向分支通道36供给氩及氦等保护气体S。在朝向接合面16照射的激光束L的周围，作为防止溶融金属氧化的阻断气体，供给该保护气体S。
[0043]在该装置中进行回火工序C。在回火工序C中，如图1B^所示，利用高频热源或激光束L，包含焊接部，将焊接部附近的转子轴侧区域X在400?750°C的温度下加热后进行空冷。在该回火工序C中使用激光束的情况下，扫描激光束L，对区域X进行转I周(360° )或转2周(720° )回火。该情况下，更优选在完成侧角度区域的O?90°的范围不进行激光束L的照射。激光束L的偏光通过在激光束发生装置30'的内部设置反射镜(图示省略)，使该反射镜反射激光束L实现。
[0044]图3表示进行对接合面16的转I周的焊接，并且之后，进行对包含焊接部的转子轴侧区域X的(转I周(360° ) — 90° )的回火的情况。该情况下，在焊接工序B中，从0°开始点开始照射，照射位置在接合面16的周围旋转I周，直至返回0°位置为止，向接合面16的周缘部照射。接着，在回火工序C，使激光束L在包含焊接部的转子轴侧区域X产生偏光。然后，从0°位置开始激光束L的照射，至270°的范围进行照射。
[0045]图4表示相对于照射对象的激光束L的聚光度的差异。激光束L1表示焊接工序B的聚光度。在焊接工序B中，相对于接合面16，通过聚光透镜34聚光在I点，增大聚光度。由此，可以得到高功率密度，瞬时产生溶融，因此，可进行高速焊接，可以缩短焊接时间。(因此，焊接时与电子束一样，也可使用激光束)
[0046]本发明中，在回火工序C使用激光束L2。该情况下，使激光束L2的聚光范围如图1B、及图4所示，与包含焊接部的转子轴侧区域X的范围相对应地分散。由此，可以将功率密度降低至得到回火工序C的需要加热温度，并且，通过放大聚光范围，对包含焊接部的转子轴侧区域X通过转I周的照射，可以照射这些区域的全域。通过该方法，使激光束L1或L2朝向接合面16或包含焊接部的转子轴侧区域X照射电子束或激光束。
[0047]图2(B)表不进行焊接工序B后的图2(A)的D点的焊接部40的残留应力的发生状况。如图3所不，以0°为开始点，在进彳丁 I周激光束L的照射时,在270°以后的完成侧角度区域产生残留应力凡。该理由认为，因在焊接的完成侧角度区域，在焊接热中暴露最长时间，所以因焊接部附近的转子轴热膨胀而最大的拉伸力产生作用，该拉伸力在焊接的完成侧角度区域成为局部残留应力。
[0048]因此，在本实施方式中，在回火工序C中不进行该完成侧区域的激光束照射，而在从O。的开始点至270°的侧区域照射激光束L2。由此，在除完成侧角度区域之外的角度区域，转子轴14膨胀，因此，在焊接部40产生残留应力。因此，如图2 (C)所示，可以在焊接部40遍及整周产均等地产生残留应力R2。
[0049]因此，在焊接部40的周向，残留应力R2沿周向处于均衡的状态，因此，冷却后也保持残留应力的均衡状态。因此，不产生转子轴14的歪斜，且即使在运转中被加热，也不会产生歪斜。根据本实施方式，在将涡轮转子10装入机动车用涡轮增压机时，在机动车用涡轮增压机运转时，可以将在涡轮叶轮外周发生的轴心歪斜Λ σ抑制在0.2mm以下。通过将轴心歪斜Λ σ抑制在0.2_以下，可以将运转时的实质噪音及轴振动的发生抑制在容许范围内。
[0050]另外，通过至少使用激光束发生装置30'，得到高功率密度，因此，可进行高速焊接，适于大量生产。另外，热输入少，对周边部的热影响少，可以正确地控制射线的照射位置。另外，如电子束，不需要将焊接部的周围保持在真空，因此，可以低成本化。另外，在回火工序C，使激光束L的聚光范围与包含焊接部的转子轴侧区域X—致，因此，仅使涡轮转子10转I周或转2周，就可以完成回火工序C，可以缩短回火工序C。
[0051]本实施方式是作为回火用的加热装置使用激光束发生装置的例子，但也可以使用高频加热装置替代之。高频加热装置可以使装置小型轻量化，且可进行高效发电，所以省电，可以低成本化。另外，由于可以急速高温加热，所以适于大量生产，并且利用高频磁场，可以高精度非接触地控制加热温度。
[0052]产业上的可利用性
[0053]根据本发明，可以抑制焊接后的转子轴的轴心歪斜，由此，可以提高成品率，并且可以以低成本实现可大量生产的涡轮转子。
【权利要求】
1.一种涡轮转子，通过对接焊，将由耐热金属构成的涡轮叶轮和由碳素钢构成的转子轴连接而成，其特征在于， 所述涡轮叶轮和转子轴为从热释放波束发生装置向其接合部照射热释放波束进行焊接而形成的结构， 一边对所述接合部的包含对接焊位置的转子轴侧进行规定的幅宽扫描，一边从所述能量发生装置照射以一定量调节的电磁能或热能，并进行回火以遍及整周产生在焊接时产生的转子轴的局部角度分布的残留应力，在涡轮转子运转时，将在所述涡轮叶轮外周发生的轴心歪斜抑制在0.2mm以下。
2.如权利要求1所述的涡轮转子，其特征在于， 用于回火的所述能量发生装置为高频感应加热装置或激光束发生装置。
3.如权利要求1所述的涡轮转子，其特征在于， 用于回火的所述能量发生装置是高频感应加热装置或激光束发生装置，用于焊接的热释放波束发生装置为激光束或电子束发生装置。
【文档编号】B23K15/04GK104136737SQ201380011085
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2013年2月26日 优先权日:2012年2月28日
【发明者】大坪瞳, 新井贵, 惠比寿干 申请人:三菱重工业株式会社