控制惯性焊接槽口的方法及其惯性焊接制品技术

本文公开一种控制对一定材料，如超耐热合金材料的惯性焊接所产生的焊接槽口的尺寸和位置的方法。通过控制被连接工件的尺寸和几何形状，产生了一个弯曲的焊接区，从焊接区域排出的材料造成的焊接槽口按一种方式被引出，将焊接槽口移向被连接工件原始直径之外。所形成的由较大部分和较小部分组成的焊接制件可被机械加工至较小部分的尺寸而不留下任何残留的焊接槽口。（*该技术在2009年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及对工件、尤其是管类空心工件的惯性焊接。本专利技术还涉及对高强度超耐热合金工件的惯性焊接和对由粉末冶金生产出的高强度超耐热合金工件的焊接。本专利技术也涉及用惯性焊接来修理超耐热合金制品。惯性焊接是一种用于连接一般绕一旋转轴对称的金属工件的方法。这种工件可以是实心的或空心的。例如，惯性焊接可以用来将两构件连接在一起，形成曲轴或焊接的空心管组件之类的制品。惯性焊接方法已发表在如美国专利3，234，644;3，235，162;3，462，826;3，591，068和4，365，136。将它们参考结合在本文中。简单地说，在惯性焊接中，被连接的两工件被这样地放置和定位，使它们的对称轴线重合，并且使被连接的表面相互处于平行关系。其中一个工件保持静止，另一工件安装在旋转的飞轮上。该旋转的工件和飞轮的组合件被加速到预定的旋转速度，然后，强制地将旋转工件压靠在静止工件上。飞轮的几何形状、质量和旋转速度决定了可获得的动能，这些动能被两连接工件之间的摩擦消耗掉(转变成热能)。这两个工件被压在一起。该动能足够使工件局部软化。当飞轮停止旋转时，两工件之间的力仍被保持或增大，使两工件的软化部分连接在一起。该两工件之间的力在焊接区内产生塑性或超塑性变形。由于热传入工件，所以焊接区的冷却是十分迅速的。这是一种具有若干非显而易见的优点的理想方法，这些优点包括该过程是在焊接区域排出大量材料的情况下进行的，因此，自然地除去了所有有害的表面污染。成品工件的焊接区域更具有锻造的而不是铸造的特性。由其它焊接形式例如激光焊接、电子束焊接和电熔接焊接产生的焊接区域是先熔化再固化的，所以该焊接区域具有铸造的特性，这种特性一般不如通过惯性焊接焊接区域达到的锻造特性来得理想。惯性焊接是一种摩擦焊的形式。摩擦焊的另一形式依靠连续的电机驱动，以提供摩擦热，而不是利用贮存在飞轮中的能量。此处使用的惯性焊接这名词包括其它一些旋转摩擦焊接的形式。惯性焊接得到发展并广泛地应用在黑色金属材料、如重型结构设备工业中的铁和钢的连接中。最近，惯性焊接已相当成功地使用在超耐热合金的连接中。这种超耐热合金材料的连接要求比黑色金属材料连接要求的高的多，因为超耐热合金具有更高的软化温度，并且在高温时具有大的多的变形阻力。“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一种。工件被连接区域，即通过焊接过程软化的部分是有限的，并且在焊接区域的顶锻或变形程度也同样是有限的。因此，在超耐热合金的惯性焊接中(特别是粉末加工的超耐热合金)在焊接区域一般可见到残留槽口。这种槽口在黑色金属材料的惯性焊接中是不常见的。遗憾的是，在粉末加工的镍超耐热合金的情况中，其焊接区域槽口总是向内延伸，超过惯性焊接区的深度。因此，即使焊接顶锻部分通过机械加工除去之后，一般仍有槽口遗留在那里，除去这个槽口要求的机械加工使被连接工件小于原始直径。如果该槽口没有完全被除去，它将作为应力集中处，并且该焊接工件在以后的使用中，甚至在随后的热处理时成为断裂引发位置。这种槽口问题在高强度超耐热合金〔即，1000°F时屈服强度超过100Ksi(千磅/平方英寸)〕和由粉末冶金工艺生产的超耐热合金材料中是特别有害的。超耐热合金的定义为通过γ′相(Ni3Al)析出强化的镍基合金。因此，本专利技术的一个目的是介绍一种用于惯性焊接材料和控制焊接区槽口的深度和位置的方法。本专利技术的另一目的是公开一种惯性焊接高强度(和/或粉末冶金加工的)超耐热合金的方法能尽量减少焊接区槽口的有害影响。最后，本专利技术的一个目的是公开一种利用惯性焊接修理超耐热合金制品的方法。根据本专利技术，通过使两被连接工件具有完全不同的尺寸来控制由惯性焊接产生的槽口的大小和位置。不同的尺寸就实心材料而言是指具有不同的直径，就空心工件而言是指具有不同的壁厚。两被连接工件的相对尺寸对来自焊接区域的热流具有显著的影响，通过在两连接工件之间按不同比例分配热流，出现了焊接接头几何形状的显著改进和控制。具体地说，较小的工件达到较高的温度，这是因为离开焊接区域进入薄工件的热流少于进入较厚工件的热流。因此，薄工件受到更大的变形，并使焊接区排出更多材料，促使焊接区槽口的位置相对于当该二个工件具有相同尺寸的情况下的可能位置移动，较厚的工件也提供压应力，该压应力改变了焊接槽口的几何形状。根据本专利技术生产的制件中，焊接区域呈现出明显的弧度，相对于较薄的构件凹入。本专利技术的上述和其它的特点和优点从下面结合附图的说明中更能了解清楚。附图说明图1示意性地显示了二个具有相同直径的实心工件的普通惯性焊接。图1A显示连接之前的两工件，图1B显示连接之后的两工件和焊接区域内出现的槽口。该焊接区基本上是平的。图2是显示二个相同壁厚的空心工件之间的实际惯性焊接接头的断面宏观照片，显示了焊接区内的槽口问题。图3显示了二实心工件之间的接头的几何参数。图4显示了二空心工件之间的接头的几何参数。图5是根据本专利技术在两空心工件间的焊接接头的宏观照片。图6是本专利技术产生的焊接工件的示意图，显示了弯曲的焊接区。本专利技术通过参考说明现有技术和本专利技术所列举的图和照片组成的附图来描述。图1示意性地表示了两个具有一般几何形状的实心超耐热合金工件在惯性焊接前后的情况。图1A显示焊接前的工件。图1B显示惯性焊接后的工件，显示出焊接区的槽口10，槽口伸入至工件内一段低于工件原始直径的距离。因此，焊接区面积小于被连接工件的面积。图2是相同壁厚工件在惯性焊接之后放大32倍的宏观照片。该照片显示出焊接区和伸入被连接工件原始直径范围内的槽口。请注意该焊接区是平的。本专利技术的实质是在惯性焊接中两构件采用不同的配合几何尺寸。这与现有技术相反，据我们所知，在现有技术中两个相同或相似合金的焊接构件采用了相似的配合几何尺寸。本专利技术焊接区在焊接前的几何尺寸在图3和图4中表示并就其进行讨论。图3显示根据本专利技术将一实心工件连接到另一实心工件上。在图3中，工件A准备连接到工件B上，工件A的直径Da小于工件B的直径Db。两工件必须相互对称定位，意思是工件A的中心线CLa必须与工件B的中心线CLb重合。这是惯性焊接的常规要求。假设CLa与CLb重合，两工件具有不同的半径，△R和△R′等于Db减Da再除以2。显然，当CLb和CLa重合时，△R和△R′是相等的，并等于上述值。图4显示根据本专利技术连接管子之类的空心工件的接头几何尺寸。同样是工件A连接在工件B上，工件A和工件B都是分别具有中心线CLa和CLb的空心工件。这二条中心线同样地最好是重合。工件A的壁厚为Ta，工件B的壁厚Tb较大。工件A的内径为Ida，外径为Oda，而工件B的内径为Idb，外径为Odb。S和S′表示将工件B惯性焊接在工件A上形成的台阶。本专利技术的要点是提供不同的尺寸，对实心工件而言是直径，对空心工件而言是壁厚，以便控制残留焊接区槽口的位置和范围，并产生弯曲的焊接区。这种不同的几何尺寸在焊接区域的每边上产生“台阶”。实现本专利技术所必需的台阶的尺寸随所用的材料而不同。必要的厚度比和台阶的尺寸(图3和图4中的△R、△R′或S、S′)随材料而变化，最好是由本领域有经验的技工通过常规实验来决定。对于一个具体的例子，粒度尺寸在美国标准试验手册(ASTM)上为10.5或更细的粉末冶金镍基超耐热合金(取自市场上供本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过惯性焊接连接金属工件的方法，其特征在于它包括：提供两工件，它们具有不同的直径，其比值约在１．２：１至２．０：１，由此，残留的焊接槽口将不会穿入较小工件的直径范围之内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰克桑福德思罗尔，丹尼斯克里斯托弗斯图尔特，恩里奇埃德加蒙特罗，
申请(专利权)人：联合工艺公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]