[发明专利]一种球面摩擦焊接连接结构与连接方法

说明书

技术领域

本发明属于机械结构连接技术领域，具体涉及一种球面摩擦焊接连接结构与连接方法。

背景技术

涡轮是涡轮增压器的核心零部件之一，目前，增压器涡轮主要采用铸造镍基高温合金K418材料，由于K418合金的密度比较大，由K418合金铸造成型的涡轮转动惯量也比较大，导致涡轮增压发动机的瞬态响应性较差。为提高涡轮增压发动机的瞬态响应性，涡轮可以采用比强度较高的钛铝合金代替K418合金。钛铝合金密度仅为K418合金密度的43％，采用钛铝合金制造的增压器涡轮可以显著降低涡轮增压器转子的转动惯量，改善发动机的瞬态响应性。但是，由于钛铝合金属于金属间化合物，受材料性能的影响以及增压器涡轮铸造成型工艺的制约，由钛铝合金铸造成型的增压器涡轮普遍存在心部性能较差的问题。为提高钛铝合金涡轮心部强度，涡轮轮毂可以采用合金棒材加工而成，涡轮轮盘可以采用铸造成型，然后将轮毂和轮盘连接在一起形成完整的涡轮。

但是，受增压器涡轮的空间尺寸限制以及为满足涡轮心部强度要求，涡轮轮毂与轮盘之间的连接很难采用螺纹连接、过盈连接、铆接等连接方式实现可靠连接。例如，如果采用螺纹连接方式实现涡轮轮毂与轮盘的连接，轮毂与轮盘的连接部位将存在螺纹接合面，由于该接合面只能承受径向压应力，而不能承受径向拉压力，增压器涡轮工作时在离心载荷作用下涡轮轮毂与轮盘的连接部位接合面将承受较大的径向拉应力作用，在该径向拉应力作用下涡轮会从轮毂与轮盘的连接部位发生开裂。如果采用铆接连接方式，涡轮轮毂与轮盘的连接部位也不能承受径向拉应力。如果采用过盈连接方式，涡轮的轮毂与轮盘连接部位同样不能承受径向拉应力，并且连接部位产生的过盈力会使涡轮承受较大的预应力作用，降低涡轮的可靠性。

发明内容

本发明为解决构件之间的连接问题，提出一种球面摩擦焊接连接结构与连接方法。

连接结构由从构件和主构件组成，其中，从构件上有凸出的外球面结构，主构件上有凹进去的内球面结构，从构件和主构件通过凸出的外球面和凹进去的内球面之间的摩擦焊接连接在一起。通过分析连接结构的结构特点与应力空间分布特征，合理设计外球面结构与内球面结构的尺寸参数。根据连接结构组成构件即从构件和主构件的材料性能参数以及外球面结构与内球面结构的尺寸参数，确定摩擦焊接工艺参数，采用摩擦焊接的方式通过凸出的外球面和凹进去的内球面之间的摩擦焊接将从构件和主构件连接在一起。

本发明的技术方案：

一种球面摩擦焊接连接结构，包括从构件1和主构件2，所述从构件1上有凸出的外球面结构，所述从构件1的外球面角度θ₁是指外球面和通过球心并平分外球面的平面相交所形成的圆弧对应的角度，外球面角度θ₁的取值范围为0＜θ₁＜180°，所述主构件2上有凹进去的内球面结构，所述主构件2的内球面角度θ₂是指内球面和通过球心并平分内球面的平面相交所形成的圆弧对应的角度，内球面角度θ₂的取值范围为0＜θ₂＜180°；所述从构件1的外球面半径R₁与主构件2的内球面半径R₂相等；所述从构件1和主构件2采用摩擦焊接工艺，通过从构件1外球面A和主构件2内球面B之间的摩擦焊连接在一起，形成完整的连接结构。

一种球面摩擦焊接连接方法，包括以下步骤：

a、确定连接结构在工作时的应力空间分布特征：采用有限元仿真计算方法确定连接结构在工作时的应力空间分布特征；

b、确定连接结构的组成构件外球面与内球面的尺寸参数：根据连接结构的结构特点与应力空间分布特征，确定从构件1的外球面和主构件2的内球面尺寸参数，其中，从构件1的外球面角度θ₁是指外球面和通过球心并平分外球面的平面相交所形成的圆弧对应的角度，从构件1的外球面角度θ₁取值范围为0＜θ₁＜180°，主构件2的内球面角度θ₂是指内球面和通过球心并平分内球面的平面相交所形成的圆弧对应的角度，主构件2的内球面角度θ₂取值范围为0＜θ₂＜180°，从构件1的外球面半径R₁与主构件2的内球面半径R₂相等，从构件1的外球面角度θ₁大于主构件2的内球面角度θ₂；