毕业论文范文——K41842CrMo异金属连续驱动摩擦焊研究

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600MPa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CCrAlTiMoNbSiMnFeNi标准值30.08-0.1611.50-13.505.50-6.400.50-1.003.80-4.801.80-2.500.500.501.00余量实测值0.09712.6285.6890.8724.3952.0830.0950.0790.32573.737表2 42CrMo化学成分（质量分数，%）Tab.2 Chemical composition of 42CrMo(wt,%)元素CCrMoMnSiNiCuSPFe标准值0.38-0.450.90-1.200.15-0.250.50-0.800.17-0.370.0300.0300.0350.035余量实测值0.3920.9660.1760.6570.2620.0270.0190.0080.00997.4842 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 b c d图1 拉伸断口扫描电镜照片Fig.1 SEM picture 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 b c 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。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