激光焊接在汽車行業的新進展

緱俊杰

（昆明云內動力股份有限公司無錫分公司，江蘇 無錫 214000）

1 激光焊接的特點

激光焊接是目前在汽車行業蓬勃發展的一種新技術，正在越來越多的被使用。相對于傳統的電子束焊接，激光焊接擁有很大的技術和成本優勢，其代替電子束焊接的趨勢正在得到整個行業的認可。

從應用來看，激光焊接的優勢十分明顯，主要表現在三個方面：1激光焊接不產生電磁輻射，而電子束焊接在是在高電壓下工作的，X射線在高壓下十分強烈，需要十分嚴格的措施來防止X射線和強電磁對人體的傷害，但即使如此，亦不能完全避免；2激光焊接不需要真空環境，而電子束焊接必須在極高的真空環境下工作，如圖1所示，分別是真空中和空氣中的電子束流，焊接時需要不低于 10-4Pa真空環境，抽真空成為影響設備節拍的最主要因素，在焊接變速箱齒輪的工廠，對于使用超過一年以上的真空泵，抽真空時間普遍達到1-3分鐘，這極大的影響了生產節拍，而激光焊接的節拍一般在10-15秒左右；3激光焊接變形小，如圖2，這是一個典型的變速箱齒輪，目前業內普遍采用焊接的辦法，在焊接變形試驗中，分別用電子束焊接和激光焊接加工此零件，然后在主要熱影響區對端面跳動進行檢測，以此評估變形量，從圖3的數據可以看出，激光焊接的端面變形更小，數據一致性也更好。

圖1 真空中和空氣中的電子束流

圖2 焊接齒輪組件

2 熱后焊接

近年來，隨著對齒輪精度要求的提高，磨齒、珩齒工藝開始進入普及的快車道，對于圖2這種結構的齒輪，熱后焊接就不可避免了。不同于熱前焊接的是，對于常用的齒輪鋼種如20CrMnTiH或20MnCr5等，除了焊接氣孔和焊縫有效長度等缺陷外，由于滲碳層的存在，使焊接區域的連接十分脆弱，在該區域也容易產生微觀裂紋，造成產品不能使用。傳統的實驗室方法是在齒輪進行滲碳淬火前對需要焊接的區域涂抹防滲劑，但這種辦法在大批量生產中就不適合了。目前行業內采取的焊前措施主要有兩項：1去除滲碳層：通過熱后車削滲碳層的辦法來改善接合區域焊接性能，對于一個典型的變速箱齒輪，一般要去除不低于1mm的余量；2預熱處理：由于滲碳層和齒輪基體之間還存在熱影響區域，通過機械是不能完全去除的，而直接焊接容易產生裂紋，焊前預熱可以很好地減少此問題的發生，其基本原理是通過降低焊接時溫度差引起的熱應力來減少和消除內應力，避免裂紋發生，焊前預熱過程要求加熱過程均勻，不同的廠家對預熱溫度有不同的要求，但一般都在140℃或160℃左右，預熱時間5-10S。

圖3 激光焊接和電子束焊接的變形量

3 差速器焊接

差速器是汽車中不可缺少的部件，傳統的設計方案是將齒圈和殼體以高強度螺栓進行連接。如齒圈的一種常見加工路線為：精車-鉆孔-滾齒-熱處理-熱后車-磨齒等。機械加工完成后，在裝配工序，還有壓裝（殼體）-螺栓擰緊的工序，其中螺栓擰緊有嚴格的扭矩要求。

但在應用激光焊接后，通過簡化工件結構如圖 4，齒圈的工藝路線就大為優化了，其工藝路線可以是：精車-滾齒-熱處理--熱后車-激光焊接-磨齒，不需要裝配工序，同時殼體加工也減少了鉆孔工序。可以看出，應用激光焊接后，減少了工序流程，同時零件加工中需要重點控制的過程特性也減少了（如螺栓孔的位置度，螺栓安裝的扭矩等）。且因為采取焊接后磨齒代替了磨齒后裝配，在同樣的加工精度下，極大地提高了齒圈的裝配精度。

對于如圖 4這種差速器，其焊接也有一些新的特點：1激光清洗：一般焊前清洗使用的是水基清洗劑，但由于差速器的殼體材料多為球墨鑄鐵，其焊前清洗應采用激光清洗，為什么呢？這是因為為了保證防銹和耐腐蝕性，有的廠家在差速器的殼體表面進行了磷化處理，而磷是一種有害元素，激光清洗的一個重要目的是去磷化，這是水基清洗劑所不能的； 2異種材料焊接：焊接過程中存在異種材料焊接的特點（殼體的材料多采用球墨鑄鐵，齒圈多采用低碳合金鋼），而異種金屬材料焊接容易生成硬而脆的金屬化合物，因此必須盡量增加異種金屬材料之間焊接強度，目前國內外普遍認可的是采用填絲焊接，使用特定材料制備的焊絲進行填充；3預熱處理：殼體的材料（球墨鑄鐵）是含碳量很高的材料，齒圈經過滲碳淬火處理，基于防止焊接裂紋的目的，焊接前必須經預熱處理。

圖4 可焊接差速器結構

圖5 EMAG激光焊接線

4 激光焊接工藝及設備

目前，激光焊接的工藝主要包括：清洗-壓裝-預熱（可選）-焊接-（超聲波）探傷。清洗即需要去除焊接表面的雜質，保證表面清潔度，如果有雜質，在焊接時容易產生氣孔等問題；壓裝是通過機械力的作用使兩個零件緊密的結合在一期；預熱是可選的，熱前焊接一般不需要預熱，但為了避免焊接裂紋，含碳量高的零件和熱后焊接就需要預熱了；焊接則是通過激光的熱量使零件焊接區融化后凝固，由于溫度很高，激光焊接時會產生大量的煙霧和焊渣，在設備上最好選配除煙霧系統和去焊渣裝置。（超聲波）探傷則主要通過檢查焊縫完整率和焊縫內的氣孔數量來對焊接質量進行判斷，以保證焊縫可以滿足設計扭矩。

在世界范圍內，包括EMAG、Felsomat、Arnold、FIVES是全球主要的激光焊接設備生產商，以EMAG的ELC系列激光焊接線為例（如圖5），其能夠滿足從清洗、壓裝、焊接到探傷的一整套工序流程，配備自動化料道，可以實現一次上料即完成全部工序，操作者只需要進行簡單的上料、下料操作，減少了人的因素對焊接過程的影響。

5 結束語

必須看到，激光焊接特別是配備固固體光纖激光發生器的激光焊接設備已經表現出了很大的技術優勢和可應用性，有極好的發展前途。因此，探索和研究怎樣更好的應用激光焊接保證產品質量和擴大激光焊接的應用范圍等大有可為。

參考文獻

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