1、西安航空职业学院毕业论文K418/42CrMo 异金属连续驱动摩擦焊研究姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘 要：采用连续驱动摩擦焊对 K418/42CrMo 异金属进行了焊接工艺试验，对焊接接头抗拉强度、断口形貌、显微组织等进行分析。结果表明：焊接接头质量良好，抗拉强度达到700MPa 以上，焊缝区域有碳元素从 42CrMo 侧向 K418 侧转移扩散现象。关键词：涡轮增压器；连续驱动摩擦焊；高温合金；K418；42CrMo；涡轮增压器是部分汽车发动机的核心配件之一，其利用发动机所排出废气的惯性冲力来推动并压送空气进入气缸 1，可以使发动机燃烧更多的燃料并提高燃
2、料的利用率，降 低 尾 气对 环 境 的 污 染 ， 能够在只增加汽车较少成本的条件下提高约 20%-30%2的发动机输出功率，是目前唯 一 能 使 发 动 机 在 工 作 效 率 不 变 的 情 况 下 增 加 输 出 功 率 的 装 置 ， 已 经 配 套 应 用于 越 来 越 多 的 汽 车 发 动 机 。涡 轮 增 压 器 工 作 温 度 在 600 以 上 ， 转 速 可 高 达 每 分 钟 几 万 转 甚 至 十 几 万 转 ， 其转子轴一般由铸造 K418 高温合金涡轮与调质态 42CrMo 轴焊接而成。转子轴焊接方式一般为摩擦焊、激光焊、电子束焊等，焊接接头抗拉强度只能达到 6
3、00MPa 左右。为提高转子轴焊接质量和整体寿命，本文在对摩擦焊接工艺参数进行优化的基础上，通过对焊接接头抗拉强度、断口形貌、金相组织等分析，以期提高涡轮增压器转子轴的焊接效率和可靠性。1 试验方法试验材料采用铸造 K418 高温合金涡轮和调质态 42CrMo 轴，使用光谱仪测定化学成分见表 1 和表 2。摩擦焊设备采用 C-20A-2 型摩擦焊机，其最大顶锻力 200kN，最高转速2000r/min，总功率为 30KW。焊前用酒精对 K418/42CrMo 待焊面进行清洗，焊接面直接对接不留间隙，以保证同心度。焊接过程为连续驱动摩擦焊，工艺参数采用强规范。分别施加级、级摩擦压力进行焊接，焊接
4、完成后顶锻保压一定时间，焊后进行去应力退火处理。使用万能试验机测量焊接接头抗拉强度；使用扫描电镜进行断口分析；对 K418、42CrMo、焊缝分别取样检测金相，使用王水腐蚀 K418，使用 4%硝酸酒精腐蚀 42CrMo 和焊缝，通过光学显微镜观察焊缝组织。表 1 K418 化学成分（质量分数，% ）Tab.1 Chemical composition of K418(wt,%)元素 C Cr Al Ti Mo Nb Si Mn Fe Ni标准值 30.08-0.16 11.50-13.50 5.50-6.40 0.50-1.00 3.80-4.80 1.80-2.50 0.50 0.50 1
5、.00 余量实测值0.097 12.628 5.689 0.872 4.395 2.083 0.095 0.079 0.325 73.737表 2 42CrMo 化学成分（质量分数，%）Tab.2 Chemical composition of 42CrMo(wt,%)元素 C Cr Mo Mn Si Ni Cu S P Fe标准值 0.38-0.45 0.90-1.20 0.15-0.25 0.50-0.80 0.17-0.37 0.030 0.030 0.035 0.035 余量实测值 0.392 0.966 0.176 0.657 0.262 0.027 0.019 0.008 0.00
6、9 97.4842 试验结果与分析2.1 焊接接头形貌K418 涡轮与 42CrMo 轴焊接对中较好，焊接区沿焊面有均匀一致的飞边。这是因为焊接过程中顶锻压力较大，焊缝处温度较高，而 K418 高温合金耐热性远高于 42CrMo，因此42CrMo 软化并最终形成变形飞边。2.2 焊接接头力学性能对采用强规范所得焊接接头分别进行拉伸试验，结果表明：采用优化后的强规范工艺拉伸断裂区在 K418 涡轮上，抗拉强度高于 700MPa；而弱规范断裂区大多在焊接面上且抗拉强度一般在 450-600MPa 范围内。2.3 拉伸断口形貌a bc d图 1 拉伸断口扫描电镜照片Fig.1 SEM picture
7、 of tensile fracture图 1 为拉伸断口扫描电镜照片，从图中可以看出：K418 断口为典型的粗大树枝晶组织，树枝晶生长充分，断裂面上有撕裂痕迹，断口表面基本为枝晶组织断裂，没有明显的剪切唇区域，无典型的韧窝或解理形态 4。断裂起源于试样内部，断裂面存在一些撕裂棱和冰糖状断口 5，无明显塑性变形，为典型的沿晶脆性断裂。2.4 金相组织a bc d图 2 金相组织照片Fig.2 Picture of microstructure图 2a、b 分别为 K418 高温合金 100 倍和 400 倍照片，其晶粒非常粗大，组织为 +碳化物，弥散分布在 相基体上。图 2c 是焊接面 100
8、 倍照片，左侧是 K418，右侧是42CrMo。从图中可以看出，焊接面两侧异种金属互相渗合，冶金结合面积大。在 42CrMo 侧靠近焊缝约 2.0-2.5mm 处肉眼可见一条浅色带，金相显微镜下观测此处组织为回火索氏体+铁素体（见图 2d，100 倍） ，其余组织为回火索氏体。在 K418 侧近焊缝区域未见相关文献中提到的碳化物带 6，但是碳化物较 K418 基体略粗大且相对较多。这是因为焊接面两侧成分、组织、物理性能等差异较大，42CrMo 的含碳量明显高于 K418，而 K418 中含有大量的Cr、Mo 、Nb 以及一定量的 Ti 等强碳化物形成元素，同时 K418 的 相基体碳溶解度较大
9、。焊接过程中瞬时产生了大量的热量，提供给碳元素足够的扩散能，42CrMo 一侧施加了较大的顶锻压力，促使碳在摩擦焊过程中由 42CrMo 侧向 K418 侧扩散 7。由于焊接时间很短，碳元素向 K418 侧扩散距离与数量受到限制，过饱和的碳元素在焊接面 K418 侧以碳化物形式析出，42CrMo 侧则出现了一条含铁素体区域。3 结论（1）连续驱动摩擦焊具有节能、高效等优点，焊缝处缺陷较少。（2）对 K418/42CrMo 异金属连续驱动摩擦焊强规范进行参数优化，焊接接头质量良好，抗拉强度达到 700MPa 以上，效果优于弱规范。（3）焊缝区域发生碳元素从 42CrMo 侧向 K418 侧转移扩
10、散现象，导致 42CrMo 侧出现铁素体组织，K418 侧出现粗大碳化物。参考文献1 曹孝瑾.涡轮增压器与柴油机的匹配 M.北京：国防工业出版社，19842 岳 珠 峰 ， 于 庆 民 ， 温 志 勋 ， 等 .镍 基 单 晶 涡 轮 叶 片 结 构 强 度 设 计 M.北 京 ： 科 学 出 版 社 ， 20083 HB 7763-2005， 航 空 发 动 机 用 等 轴 晶 铸 造 高 温 合 金 锭 规 范 S.20054 杜 随 更 ， 傅 莉 ， 王 晋 伟 ， 等 .K418 高 温 合 金 与 42CrMo 钢 异 种 金 属 摩 擦 焊 接 头 碳 化 物 带 形 成 机 制
11、J.中 国 有 色 金 属 学 报 ， 2003， 13（ 2） ： 323-3275 刘 秀 波 ， 虞 钢 ， 庞 铭 ， 等 .K418 高 温 合 金 和 42CrMo 合 金 钢 的 激 光 焊 接 J.中 国 有 色 金 属 学 报 ，2008， 18（ 3） ： 444-4486 杜 随 更 ， 王 忠 平 ， 曹 营 ， 等 .相 对 摩 擦 速 度 对 异 种 金 属 摩 擦 焊 接 接 头 的 影 响 J.中 国 机 械 工 程 ，2003， 14（ 22） ： 1908-19107 陈大军，徐晓菱，徐元，等. K418 涡轮盘与 42CrMo 轴异种材料惯性摩擦焊研究 J.焊 接 ，2008， （ 6） ： 58-60致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
