激光焊接在汽車變速器齒輪中的應(yīng)用和發(fā)展前景

陳兵華

近年來(lái)，激光焊接技術(shù)在變速器齒輪焊接中的優(yōu)勢(shì)日益明顯，得到了越來(lái)越多的關(guān)注，是未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)。

由于機(jī)床加工技術(shù)的局限性，形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的齒輪組件很難甚至無(wú)法整體加工成單件。為了提高生產(chǎn)效率，通常是加工成兩個(gè)或兩個(gè)以上的單件再經(jīng)焊接工藝組合成一個(gè)組件。在運(yùn)用激光焊接之前，齒輪的焊接一般采用電阻焊、感應(yīng)焊、電子束焊等工藝方法。

與上述焊接工藝相比，激光焊接齒輪無(wú)需在真空中進(jìn)行，而且可避免焊接變形，保證了焊后的齒輪無(wú)需再進(jìn)行精加工。不僅如此，激光焊接可使焊縫深寬比高達(dá)10∶1，且焊縫處具有相當(dāng)或優(yōu)于母材的綜合力學(xué)性能，保證了齒輪可以傳遞較大的扭矩。因此，齒輪的激光焊接已成為當(dāng)今發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì)。目前世界各大汽車制造廠競(jìng)相采用激光焊接變速器復(fù)合齒輪以提高產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，我國(guó)采用激光焊接汽車齒輪的單位也越來(lái)越多。圖1為多種齒輪的激光焊接照片。

激光焊接的原理是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦在很小的區(qū)域內(nèi)，在極短的時(shí)間內(nèi)使被焊處形成一個(gè)能量高度集中的熱源區(qū)，從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點(diǎn)和焊縫。它屬于非接觸式焊接，主要針對(duì)薄壁材料、精密零件的焊接，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊、對(duì)接焊、疊焊及密封焊等，深寬比高，焊縫寬度小，熱影響區(qū)小、變形小，焊接速度快，焊縫平整、美觀，焊后無(wú)需處理或只需簡(jiǎn)單處理，焊縫質(zhì)量高、無(wú)氣孔，可精確控制，聚焦光點(diǎn)小，定位精度高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

圖1 變速器齒輪激光焊接

激光焊接變速器齒輪的工作原理如圖2所示。激光器產(chǎn)生激光束水平送出，通過(guò)兩個(gè)45°平面反射鏡傳輸?shù)?5°角的反射式曲面聚焦鏡上，由曲面聚焦鏡垂直聚焦照射在被裝夾在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上正在旋轉(zhuǎn)的齒輪上進(jìn)行焊接。

激光焊接以其能量密度高，加熱范圍小，焊接及熱影響區(qū)域窄，焊接速度快，深寬比大，焊接變形小等諸多優(yōu)點(diǎn)，在汽車工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)然，焊件需使用夾具時(shí)，必須確保焊件的最終位置與激光束將沖擊的焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)；另外，設(shè)備昂貴也制約了激光焊接的實(shí)際應(yīng)用。激光焊接根據(jù)激光發(fā)生器，可分為CO2氣體激光發(fā)生器和固體光纖激光發(fā)生器兩類。固體光纖發(fā)生器激光焊接因其動(dòng)態(tài)功率范圍大，焊接速度快，焊接深寬比更優(yōu)，激光器功耗小，無(wú)工作介質(zhì)消耗，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，易于擴(kuò)展升級(jí)，工作環(huán)境高容忍度，免維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

激光焊接變速器齒輪工藝順序?yàn)椋孩俸附忧逑矗阂话惆才旁诤附拥那耙坏拦ば蛲瓿?。試?yàn)中選擇無(wú)水乙醇代替工業(yè)清潔劑用于焊前表面的清潔。②壓裝：清洗后的齒輪首先要進(jìn)行壓裝，壓裝是通過(guò)壓機(jī)把要焊接的兩個(gè)零件壓配后緊密結(jié)合在一起。入射激光光斑和組對(duì)間隙的偏移要求非常準(zhǔn)確。由于激光束的聚焦光斑很小，所以焊縫需要高精度定位，其位置偏離的最大允許值要依聚焦光斑的半徑來(lái)定, 一般≤ 0.1 mm。③預(yù)熱（可選）：為了避免產(chǎn)生焊接裂紋，根據(jù)零件材料及加工狀態(tài)，有時(shí)需要在焊前進(jìn)行預(yù)熱，特別是對(duì)含碳量高或經(jīng)過(guò)熱處理滲碳淬火后的零件。④激光焊接，圖3為焊后齒輪。焊縫截面如圖4所示。⑤焊后檢測(cè)：一般將焊縫切開(kāi)進(jìn)行顯微觀察或者采用超聲波探傷檢測(cè)。目視檢查要求焊接飛濺較少，本試驗(yàn)工作面飛濺少，內(nèi)部氣孔和縮孔較少。

激光焊接特別是固體光纖激光發(fā)生器的激光焊接因其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)的激光焊接發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)激光焊接設(shè)備設(shè)計(jì)制造水平和能力目前還比較薄弱，國(guó)內(nèi)主要汽車廠的齒輪激光焊接設(shè)備主要依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴。少量民族企業(yè)已經(jīng)起步發(fā)展并占據(jù)部分市場(chǎng)，這對(duì)降低成本促進(jìn)激光焊接的應(yīng)用有著良好的推動(dòng)作用。在激光焊接齒輪方面，工藝已日趨完善，可以控制焊縫氣孔和裂紋達(dá)到工業(yè)要求，方法穩(wěn)定可靠，效率高，雖然初期投資較大，但加工成本比機(jī)械加工要少50%。激光焊接有著傳統(tǒng)焊接無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì)，必將成為變速器齒輪焊接的主流產(chǎn)品。

圖2 激光焊機(jī)工作原理

圖3 焊后齒輪

圖4 焊縫截面