汽車變速器齒輪的激光焊接技術

科技 08-08

汽車變速器齒輪的激光焊接技術

採用激光焊接技術，可使汽車變速器齒輪的體積縮小，簡化產品結構及製造工藝，提高生產效率。簡述了齒輪激光焊接的原理、特點、設備構成及焊接工藝與質量等。目前，該技術的應用主要取決於激光器的性價比。通過對焊縫的表面與微觀狀態、焊縫強度、齒輪扭矩等進行測試可控制焊接質量。

在汽車變速器齒輪的設計製造中，為了減小齒輪冷加工及熱加工的難度，提高生產效率，經常將齒輪分為各自獨立的兩個部分分別加工，然後將兩部分複合在一起，形成一個整體，構成複合齒輪，也稱齒輪總成，如齒輪與錐體（接合齒）構成的齒輪總成。

複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、外花鍵實現連接，其空刀槽較大，齒輪軸向尺寸大，生產效率低：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，生產效率顯著提高。其中，變速器齒輪激光焊接技術的發展較快，它也是激光加工的一項重要技術。

採用激光焊接技術進行齒輪總成的連接，可提高變速器齒輪的產品精度，簡化產品結構及製造工藝，能方便地滿足產品開發與試製中零部件結構的不斷調整及樣件製造的需要，並有利於設計人員對產品結構進行合理布局，不斷提高產品開發與製造水平：同時，由於激光焊接的齒輪結構緊湊，精度和可靠性提高，可減少車輛故障率，並提高車輛操縱靈活性，提高產品信譽。該技術的生產效率高，具有較好的應用效果。

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導光系統中各鏡片反射、聚焦後，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域內金屬被快速加熱熔化焊接在一起。此過程中，齒輪在激光加工機迴轉工作台的帶動下，繞其迴轉軸旋轉，在焊接部位形成閉合的圓形焊縫。

2、特點

用高能密度激光束進行焊接，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，焊縫熱影響區小，焊接齒輪變形小，焊接後的齒輪加工量少，甚至不需要加工；焊接強度較高，焊縫一般具有相當或優於母材的力學性能，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，焊接在自然環境下進行，直觀性強，且不產生X射線。

焊接設備

1 、設備組成

齒輪激光焊接設備主要由激光器、導光系統、加工機床、控制系統和檢測系統等組成。激光器一般為大功率二氧化碳激光器，主要用基模或低階模激光束進行焊接；導光系統中裝有光欄、氦-氖激光準直裝置、反射式聚焦鏡等；加工機床具有輸送機構、迴轉工作台、精密定位組合夾具；控制系統包括PLC系統控制、驅動系統、電控櫃等；檢測系統主要由齒輪焊縫超聲波探傷機等組成。

2、設備分析

在齒輪激光焊接設備中，主要設備為激光器，其性價比直接影響齒輪激光焊接技術的研究與應用程度。

目前，阻礙激光加工應用的訂問題就是激光加工設備一次性投稿較大，單位時間加工成本高；其次，激光加工技術是多學科交叉的新技術，涉及的專業較多，有與此相差加工技術的配合、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。從國外激光加工應用現狀看，激光器正向著低價格、小型華、多品種方面發展。較大規模工業激光器進入汽車界後，諸如設備投入回收期、加工質量及生產率等問題，隨著激光加工快捷、高效、高質量和高度柔性的現實而得以解決。美國福特汽車公司、通用汽車公司、克萊斯勒汽車公司，義大利菲亞特汽車公司，德國賓士汽車公司等都在生產中較大規模地應用變速器齒輪激光焊接技術。

國內變速器齒輪激光焊接設備正處於生產應用開發階段，已有相應公司推出了成套設備，其與國外的差距在於激光器的一些性能指標還需要進一步完善和提高。如激光器不具備「T」型功率功能，不能通過調節功率來有效控制激光焊接起點及終點狀態；激光器高質量光束的額定焊接功率還有待加強，以適應不同結構、尺寸齒輪的焊接需要。

3 焊接工藝

3.1、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量。焊縫處如果存在油污、鐵鏽及其它雜質，則易產生氣孔等缺陷。

生產中應採用機械化清洗方式，採用浸洗、噴淋或二者相結合的方法進行清洗，常規清洗設備即可滿足要求。

清洗後的齒輪焊件焊前應進行壓裝（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，生產中可根據實際情況選擇壓裝方法。

3.2、焊接保護

為了保證獲得較深的焊縫深度，同時防止焊縫被氧化，激光焊接時需採用保護氣將焊縫上部的等離子云吹散開，並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、均勻地進行；同時，保護氣也具有保護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、氬氣等在激光焊接時可用作保護氣。實際應用中，考慮到工業生產耗氣量大，完全用惰性氣體尤其是氦氣成本太高，可視情況選擇保護氣。如齒輪激光焊接時，保護聚焦系統的氣簾可用用空氣，其它吹氣採用氬氣或氮氣等。

3.3焊接參數

激光焊接一般採用基模或低階激光束，齒輪焊接的主要工藝參數是激光功率、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。實際應用中，通過調整設備，使各參數合理匹配，注意焊接過程中的監控，可達到穩定的生產的目的。

功率密度是激光加工中最關鍵的參數之一。採用較高的功率密度，在微秒時間範圍內，表層即可加熱至沸點，產生大量汽化。因此，高功率密度對於材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。對於較低功率密度，表層溫度達到沸點需要經曆數毫秒，在表層汽化前，底層達到熔點，易形成良好的熔融焊接。因此，在傳導型激光焊接中，功率密度在範圍在104~106W/cm2。