汽車變速器齒輪的激光焊接技術(shù)

采用激光焊接技術(shù)，可使汽車變速器齒輪的體積縮小，簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及制造工藝，提高生產(chǎn)效率。簡述了齒輪激光焊接的原理、特點、設(shè)備構(gòu)成及焊接工藝與質(zhì)量等。目前，該技術(shù)的應(yīng)用主要取決于激光器的性價比。通過對焊縫的表面與微觀狀態(tài)、焊縫強(qiáng)度、齒輪扭矩等進(jìn)行測試可控制焊接質(zhì)量。

在汽車變速器齒輪的設(shè)計制造中，為了減小齒輪冷加工及熱加工的難度，提高生產(chǎn)效率，經(jīng)常將齒輪分為各自獨立的兩個部分分別加工，然后將兩部分復(fù)合在一起，形成一個整體，構(gòu)成復(fù)合齒輪，也稱齒輪總成，如齒輪與錐體（接合齒）構(gòu)成的齒輪總成。

復(fù)合齒輪的連接主要有兩種方式：花鍵連接與束焊連接。花鍵連接是通過內(nèi)、外花鍵實現(xiàn)連接，其空刀槽較大，齒輪軸向尺寸大，生產(chǎn)效率低：束焊連接主要是電子束焊和激光焊，它以光滑圓柱體配合連接形式代替花鍵連接，使空刀槽減小，齒輪體積縮小，車輛減重，生產(chǎn)效率顯著提高。其中，變速器齒輪激光焊接技術(shù)的發(fā)展較快，它也是激光加工的一項重要技術(shù)。

采用激光焊接技術(shù)進(jìn)行齒輪總成的連接，可提高變速器齒輪的產(chǎn)品精度，簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及制造工藝，能方便地滿足產(chǎn)品開發(fā)與試制中零部件結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整及樣件制造的需要，并有利于設(shè)計人員對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布局，不斷提高產(chǎn)品開發(fā)與制造水平：同時，由于激光焊接的齒輪結(jié)構(gòu)緊湊，精度和可靠性提高，可減少車輛故障率，并提高車輛操縱靈活性，提高產(chǎn)品信譽(yù)。該技術(shù)的生產(chǎn)效率高，具有較好的應(yīng)用效果。

齒輪激光焊接的原理及特點

1 原理
激光器輸出的一定模式的激光束經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)中各鏡片反射、聚焦后，成為功率密度極高的光束，照射至齒輪焊接部位，使焊縫圓周上很小的區(qū)域內(nèi)金屬被快速加熱熔化焊接在一起。此過程中，齒輪在激光加工機(jī)回轉(zhuǎn)工作臺的帶動下，繞其回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在焊接部位形成閉合的圓形焊縫。

1.2特點
用高能密度激光束進(jìn)行焊接，齒輪的激光焊縫深度比較大，其激光焊接一般為深熔焊接；激光焊接為無接觸加工，速度快，焊縫熱影響區(qū)小，焊接齒輪變形小，焊接后的齒輪加工量少，甚至不需要加工；焊接強(qiáng)度較高，焊縫一般具有相當(dāng)或優(yōu)于母材的力學(xué)性能，使齒輪可以傳遞較大的扭矩；焊接的精確性高，焊接過程中不需要填充焊絲；與其它束焊法相比，齒輪的激光焊接不需要真空室，焊接在自然環(huán)境下進(jìn)行，直觀性強(qiáng)，且不產(chǎn)生X射線。

焊接設(shè)備

1 設(shè)備組成
齒輪激光焊接設(shè)備主要由激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機(jī)床、控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)等組成。激光器一般為大功率二氧化碳激光器，主要用基?；虻碗A模激光束進(jìn)行焊接；導(dǎo)光系統(tǒng)中裝有光欄、氦-氖激光準(zhǔn)直裝置、反射式聚焦鏡等；加工機(jī)床具有輸送機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)工作臺、精密定位組合夾具；控制系統(tǒng)包括PLC系統(tǒng)控制、驅(qū)動系統(tǒng) 、電控柜等；檢測系統(tǒng)主要由齒輪焊縫超聲波探傷機(jī)等組成。

2.2設(shè)備分析
在齒輪激光焊接設(shè)備中，主要設(shè)備為激光器，其性價比直接影響齒輪激光焊接技術(shù)的研究與應(yīng)用程度。

目前，阻礙激光加工應(yīng)用的訂問題就是激光加工設(shè)備一次性投稿較大，單位時間加工成本高；其次，激光 加工技術(shù)是多學(xué)科交叉的新技術(shù)，涉及的專業(yè)較多，有與此相差加工技術(shù)的配合、銜接等問題。

解決上述問題必須靠激光界和汽車界共同努力。從國外激光加工應(yīng)用現(xiàn)狀看，激光器正向著低價格、小型華、多品種方面發(fā)展。較大規(guī)模工業(yè)激光器進(jìn)入汽車界后，諸如設(shè)備投入回收期、加工質(zhì)量及生產(chǎn)率等問題，隨著激光加工快捷、高效、高質(zhì)量和高度柔性的現(xiàn)實而得以解決。美國福特汽車公司、通用汽車公司、克萊斯勒汽車公司，意大利菲亞特汽車公司，德國奔馳汽車公司等都在生產(chǎn)中較大規(guī)模地應(yīng)用變速器齒輪激光焊接技術(shù)。

國內(nèi)變速器齒輪激光焊接設(shè)備正處于生產(chǎn)應(yīng)用開發(fā)階段，已有相應(yīng)公司推出了成套設(shè)備，其與國外的差距在于激光器的一些性能指標(biāo)還需要進(jìn)一步完善和提高。如激光器不具備“T”型功率功能，不能通過調(diào)節(jié)功率來有效控制激光焊接起點及終點狀態(tài)；激光器高質(zhì)量光束的額定焊接功率還有待加強(qiáng)，以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)、尺寸齒輪的焊接需要。

焊接工藝

1 焊件焊前清洗與壓裝
激光焊接對焊件的清洗程度有一定要求，清洗的潔凈度直接影響著焊縫的質(zhì)量。焊縫處如果存在油污、鐵銹及其它雜質(zhì)，則易產(chǎn)生氣孔等缺陷。

生產(chǎn)中應(yīng)采用機(jī)械化清洗方式，采用浸洗、噴淋或二者相結(jié)合的方法進(jìn)行清洗，常規(guī)清洗設(shè)備即可滿足要求。

清洗后的齒輪焊件焊前應(yīng)進(jìn)行壓裝（將需焊接的焊件壓合在一起）。壓裝時，要注意壓配面機(jī)械加工的公差配合及壓配精度。目前方法有冷壓法、熱壓法，冷壓法所需壓裝力比熱壓法大，生產(chǎn)中可根據(jù)實際情況選擇壓裝方法。

3.2焊接保護(hù)
為了保證獲得較深的焊縫深度，同時防止焊縫被氧化，激光焊接時需采用保護(hù)氣將焊縫上部的等離子云吹散開，并隔離大氣中過量氧氣的影響，使激光束正常入射至焊接熔地，焊接過程得以連續(xù)、均勻地進(jìn)行；同時，保護(hù)氣也具有保護(hù)聚焦鏡不被沸騰的氣、液物反噴污染等作用。

惰性氣體、二氧化碳、氮氣等在激光焊接時可用作保護(hù)氣。實際應(yīng)用中，考慮到工業(yè)生產(chǎn)耗氣量大，完全用惰性氣體尤其是氦氣成本太高，可視情況選擇保護(hù)氣。如齒輪激光焊接時，保護(hù)聚焦系統(tǒng)的氣簾可用用空氣，其它吹氣采用氬氣或氮氣等。

3.3焊接參數(shù)
激光焊接一般采用基?；虻碗A激光束，齒輪焊接的主要工藝參數(shù)是激光功率、焊接速度和離焦量。對一定的光斑直徑，離焦量一定時，焊接熔深隨光束功率提高而增加，隨焊接速度的增加而降低；離含量對焊接熔深、熔寬和焊縫形狀影響很大，甚至可以決定激光焊接的形式。實際應(yīng)用中，通過調(diào)整設(shè)備，使各參數(shù)合理匹配，注意焊接過程中的監(jiān)控，可達(dá)到穩(wěn)定的生產(chǎn)的目的。

焊接質(zhì)量

4.1表面質(zhì)量
齒輪激光焊接時，會出現(xiàn)的表面缺陷主要有宏觀氣孔、凹坑、宏觀裂紋、焊偏和焊縫寬度偏大等，一般可用肉眼或放大鏡進(jìn)行檢測。此項檢查方便易行，在生產(chǎn)過程中應(yīng)隨時進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)問題要從設(shè)備、工藝上分析原因，及時糾正。

4.2微觀質(zhì)量
微觀缺陷有微觀氣孔、微裂紋、虛焊和焊縫淺等。生產(chǎn)中，需用探傷設(shè)備進(jìn)行檢測，并與焊件焊縫的解剖抽檢相結(jié)合，以使焊接質(zhì)量不受影響。

4.3焊縫性能
目前，齒輪激光焊接一般在熱前進(jìn)行，按與齒輪焊接前相同的材料及熱處理狀態(tài)制備拉伸試樣，采用正常激光焊接工藝 焊接后，進(jìn)行拉伸試驗，斷裂都發(fā)生在母材部位，即激光焊縫的抗拉強(qiáng)度高于母材。

4.4齒輪扭矩
確定齒輪激光焊接焊縫實際所承受的扭矩主要通過靜扭試驗，并與理論分析相結(jié)合，確定激光焊接的不同變速器齒輪應(yīng)傳遞的扭矩。其中，齒輪的激光焊縫熔深對其傳遞扭矩的景點較大。