汽车变速器齿轮的激光焊接技术

国际金属加工网 2019年11月06日

采用激光焊接技术,可使汽车变速器齿轮的体积缩小,简化产品结构及制造工艺,提高生产效率。简述了齿轮激光焊接的原理、特点、设备构成及焊接工艺与质量等。目前,该技术的应用主要取决于激光器的性价比。通过对焊缝的表面与微观状态、焊缝强度、齿轮扭矩等进行测试可控制焊接质量。

汽车变速器齿轮的设计制造中,为了减小齿轮冷加工及热加工的难度,提高生产效率,经常将齿轮分为各自独立的两个部分分别加工,然后将两部分复合在一起,形成一个整体,构成复合齿轮,也称齿轮总成,如齿轮与锥体(接合齿)构成的齿轮总成。

复合齿轮的连接主要有两种方式:花键连接与束焊连接。花键连接是通过内、外花键实现连接,其空刀槽较大,齿轮轴向尺寸大,生产效率低:束焊连接主要是电子束焊和激光焊,它以光滑圆柱体配合连接形式代替花键连接,使空刀槽减小,齿轮体积缩小,车辆减重,生产效率显著提高。其中,变速器齿轮激光焊接技术的发展较快,它也是激光加工的一项重要技术。

采用激光焊接技术进行齿轮总成的连接,可提高变速器齿轮的产品精度,简化产品结构及制造工艺,能方便地满足产品开发与试制中零部件结构的不断调整及样件制造的需要,并有利于设计人员对产品结构进行合理布局,不断提高产品开发与制造水平:同时,由于激光焊接的齿轮结构紧凑,精度和可靠性提高,可减少车辆故障率,并提高车辆操纵灵活性,提高产品信誉。该技术的生产效率高,具有较好的应用效果。

齿轮激光焊接的原理及特点

1、 原理

激光器输出的一定模式的激光束经导光系统中各镜片反射、聚焦后,成为功率密度极高的光束,照射至齿轮焊接部位,使焊缝圆周上很小的区域内金属被快速加热熔化焊接在一起。此过程中,齿轮在激光加工机回转工作台的带动下,绕其回转轴旋转,在焊接部位形成闭合的圆形焊缝。2、特点

用高能密度激光束进行焊接,齿轮的激光焊缝深度比较大,其激光焊接一般为深熔焊接;激光焊接为无接触加工,速度快,焊缝热影响区小,焊接齿轮变形小,焊接后的齿轮加工量少,甚至不需要加工;焊接强度较高,焊缝一般具有相当或优于母材的力学性能,使齿轮可以传递较大的扭矩;焊接的精确性高,焊接过程中不需要填充焊丝;与其它束焊法相比,齿轮的激光焊接不需要真空室,焊接在自然环境下进行,直观性强,且不产生X射线。

焊接设备

1 、设备组成

齿轮激光焊接设备主要由激光器、导光系统、加工机床、控制系统和检测系统等组成。激光器一般为大功率二氧化碳激光器,主要用基模或低阶模激光束进行焊接;导光系统中装有光栏、氦-氖激光准直装置、反射式聚焦镜等;加工机床具有输送机构、回转工作台、精密定位组合夹具;控制系统包括PLC系统控制、驱动系统 、电控柜等;检测系统主要由齿轮焊缝超声波探伤机等组成。

2、 设备分析

在齿轮激光焊接设备中,主要设备为激光器,其性价比直接影响齿轮激光焊接技术的研究与应用程度。

目前,阻碍激光加工应用的订问题就是激光加工设备一次性投稿较大,单位时间加工成本高;其次,激光 加工技术是多学科交叉的新技术,涉及的专业较多,有与此相差加工技术的配合、衔接等问题。

解决上述问题必须靠激光界和汽车界共同努力。从国外激光加工应用现状看,激光器正向着低价格、小型华、多品种方面发展。较大规模工业激光器进入汽车界后,诸如设备投入回收期、加工质量及生产率等问题,随着激光加工快捷、高效、高质量和高度柔性的现实而得以解决。美国福特汽车公司、通用汽车公司、克莱斯勒汽车公司,意大利菲亚特汽车公司,德国奔驰汽车公司等都在生产中较大规模地应用变速器齿轮激光焊接技术。

国内变速器齿轮激光焊接设备正处于生产应用开发阶段,已有相应公司推出了成套设备,其与国外的差距在于激光器的一些性能指标还需要进一步完善和提高。如激光器不具备“T”型功率功能,不能通过调节功率来有效控制激光焊接起点及终点状态;激光器高质量光束的额定焊接功率还有待加强,以适应不同结构、尺寸齿轮的焊接需要。

3 焊接工艺

3.1、 焊件焊前清洗与压装

激光焊接对焊件的清洗程度有一定要求,清洗的洁净度直接影响着焊缝的质量。焊缝处如果存在油污、铁锈及其它杂质,则易产生气孔等缺陷。

生产中应采用机械化清洗方式,采用浸洗、喷淋或二者相结合的方法进行清洗,常规清洗设备即可满足要求。

清洗后的齿轮焊件焊前应进行压装(将需焊接的焊件压合在一起)。压装时,要注意压配面机械加工的公差配合及压配精度。目前方法有冷压法、热压法,冷压法所需压装力比热压法大,生产中可根据实际情况选择压装方法。

3.2、焊接保护

为了保证获得较深的焊缝深度,同时防止焊缝被氧化,激光焊接时需采用保护气将焊缝上部的等离子云吹散开,并隔离大气中过量氧气的影响,使激光束正常入射至焊接熔地,焊接过程得以连续、均匀地进行;同时,保护气也具有保护聚焦镜不被沸腾的气、液物反喷污染等作用。

惰性气体、二氧化碳、氮气、氩气等在激光焊接时可用作保护气。实际应用中,考虑到工业生产耗气量大,完全用惰性气体尤其是氦气成本太高,可视情况选择保护气。如齿轮激光焊接时,保护聚焦系统的气帘可用用空气,其它吹气采用氩气或氮气等。

3.3焊接参数

激光焊接一般采用基模或低阶激光束,齿轮焊接的主要工艺参数是激光功率、焊接速度和离焦量。对一定的光斑直径,离焦量一定时,焊接熔深随光束功率提高而增加,随焊接速度的增加而降低;离含量对焊接熔深、熔宽和焊缝形状影响很大,甚至可以决定激光焊接的形式。实际应用中,通过调整设备,使各参数合理匹配,注意焊接过程中的监控,可达到稳定的生产的目的。

功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度,在微秒时间范围内,表层即可加热至沸点,产生大量汽化。因此,高功率密度对于材料去除加工,如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度,表层温度达到沸点需要经历数毫秒,在表层汽化前,底层达到熔点,易形成良好的熔融焊接。因此,在传导型激光焊接中,功率密度在范围在104~106W/cm2。

焊接质量

4.1表面质量

齿轮激光焊接时,会出现的表面缺陷主要有宏观气孔、凹坑、宏观裂纹、焊偏和焊缝宽度偏大等,一般可用肉眼或放大镜进行检测。此项检查方便易行,在生产过程中应随时进行,发现问题要从设备、工艺上分析原因,及时纠正。

4.2微观质量

微观缺陷有微观气孔、微裂纹、虚焊和焊缝浅等。生产中,需用探伤设备进行检测,并与焊件焊缝的解剖抽检相结合,以使焊接质量不受影响。

4.3焊缝性能

目前,齿轮激光焊接一般在热前进行,按与齿轮焊接前相同的材料及热处理状态制备拉伸试样,采用正常激光焊接工艺 焊接后,进行拉伸试验,断裂都发生在母材部位,即激光焊缝的抗拉强度高于母材。

4.4齿轮扭矩

确定齿轮激光焊接焊缝实际所承受的扭矩主要通过静扭试验,并与理论分析相结合,确定激光焊接的不同变速器齿轮应传递的扭矩。其中,齿轮的激光焊缝熔深对其传递扭矩的景点较大。


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