電子束焊接在齒輪焊接中的應用

楚大鋒 唐磊 鄭曉笛

（上海汽車變速器有限公司，上海 201807）

1 前言

電子束焊接是汽車變速器用齒輪常用連接方法之一[1]，與普通焊接方法不同的是其為高能束自熔焊接，通常不需要填充金屬物使兩種零件實現原子間的結合。因為電子束焊接具有功率密度高、焊接速度快、工件變形小、焊接過程處于真空環境不受外界空氣及雜質影響等優勢，目前已在航空航天、汽車等行業中被廣泛應用。

齒輪類零件一般都選用低合金結構鋼作為原材料，材料的化學成分不同，熱處理狀態不同，焊接性會有明顯差異。電子束焊接實施過程需要考慮諸多因素[2]，如碳含量，焊接零件結構設計，焊接工藝等等。

2 電子束焊接簡介

電子束焊接（Electron Beam Welding，EBW），是利用加速和聚焦的電子束轟擊置于真空或非真空中的焊件所產生的熱能進行焊接的方法。

電子通常是以熱發射或場發射的方式從陰極逸出。在30～200 kV 電壓作用下，電子被加速至0.5 倍左右光速向陽極運動。電場加速后的電子再通過電磁場的聚焦作用形成能量密度極高的電子束，這種高速運動的電子束轟擊到工件表面時，電子的巨大動能將轉化為熱能，使焊縫處工件金屬熔化，形成熔池，從而實現對工件的焊接。電子束焊接是會在被焊接工件上“鉆”出一個鎖形小孔，稱為“匙孔”[3]。匙孔被液態金屬包圍，隨著電子束和工件的相對移動，液態金屬沿小孔周圍流向熔池后部，逐漸冷卻形成焊縫。

圖1 所示為常用的三極電子槍槍體示意[3]，其電極系統由陰極和陽極組成。陰極處于高的負電壓，它與接地的陽極直接形成電子束的加速電場。通過調節偏壓電位的大小、形狀及位置可以調整電子束流的大小和改變電子束的形狀。

圖1 三極電子槍槍體結構示意[3]

電子束焊接有諸多優點：功率密度高，可達104～109 W/cm2；可通過電場、磁場對電子束作快速、精確的控制；電子束斑點尺寸極小，功率密度大，穿透能力強，焊縫的深寬比大；焊接速度可達1 000 mm/min 并可形成自上而下寬度均勻的焊縫；高溫作用時間短，合金元素燒損少，避免焊接接頭晶粒長大，焊接接頭力學性能，特別適合對傳動扭矩和尺寸精度要求高的齒輪類零件焊接。

3 電子束焊接焊縫質量的主要影響因素：

焊接質量的影響因素主要包括：母材的碳含量與碳當量，P、S 等雜質元素含量，鋼材的熱處理狀態（對齒輪類零件主要分為滲碳淬火熱處理前和滲碳淬火熱處理后），焊接工藝參數，焊接結構設計，零件清洗狀態，配合零件的過盈量等，下面對其中5 種因素做簡要介紹。

3.1 鋼材的碳含量與碳當量

隨著含碳量的提高，材料的焊接性能會明顯下降。一般認為碳當量＜0.4%時，鋼材焊接性能良好，一般不需要進行預熱；碳當量＞0.4%時，尤其是超過0.6%時，隨著CE的升高，鋼材冷裂傾向就會明顯增加。國際焊接學會推薦的碳當量CE(IIW)計算公式如下[4](式中的元素素符號均表示該元素的質量分數)。

3.2 過盈量

相配合零件過盈量的選擇不僅影響產品焊接質量，還影響零件的壓裝質量。過盈量大易造成零件壓裝不到位，配合面毛糙等不良現象。一般過盈量的選擇不超過0.05 mm，壓配力不超過30 kN。

3.3 焊接速度及功率

焊接速度和功率的配合主要影響著的焊接線能量，速度慢功率大相應可以得到更深的焊接深度，同時焊接的寬度也將增加，導致焊接變形大。反之速度快功率低工件焊接變形小，深度和寬度降低。

3.4 焦點位置

焦點即能量密度最大的位置，焦點位置通常可分為正離焦和負離焦。焦平面位于工件上方為正離焦，反之為負離焦。

3.5 焊接結構設計

由于零件設計或加工因素可能導致接頭裝配中出現不能排出氣體的密閉空腔，可能導致焊接異常，因此要盡量減小空腔體積，否則應通過排氣孔放氣。

同時壓配結合面長度不應過大，否則易造成變形及焊縫處應力較大，產生焊接裂紋風險。焊接結構設計應避免焊縫離內孔過近，否則焊接應力易引起內孔變形，如時熱處理后焊接，易造成硬化層發生退火，造成影響硬度降低。

4 電子束焊接在齒輪焊接中的實例分析

4.1 零件原材料及基本信息

此手動變速器從動六檔齒輪，所用材料為20CrMnTiH，主要元素含量見表1。

表1 齒輪化學成分（質量分數）%

熱處理后產品理化技術要求見表2。產品焊接后形貌件如圖2 所示，焊接后結合齒端面跳動不大于0.06 mm，焊接后零件四等分剖開檢測焊縫質量。

表2 熱處理后產品技術要求

圖2 從動六檔齒輪形貌

焊接之前對滲碳淬火回火后焊接的齒輪和結合齒做硬車滲碳層處理，按照以往經驗對此零件的車碳層設定為齒輪1.3 mm，結合齒0.8 mm。

4.2 缺陷件剖解分析

如圖3a 所示，缺陷件焊接深度4.8 mm 焊縫寬度1.7 mm，焊接尾部存在0.2 mm 氣縮孔，圍繞氣孔存在長度為0.54 mm 的U 形裂紋，圖3b 為圖3a 缺陷位置放大圖。判定此裂紋為中部裂紋，氣孔可能是清潔度問題造成的。中部裂紋是電子束焊接中一種典型缺陷，解決方案一般為降低焊接速度，減小焊縫深度，延緩熔合區凝固時間，釋放焊接過程應力。

圖3 缺陷件焊縫照片

4.3 通過調整工藝減小焊接深度：

減小焊接束流，降低焊接速度等手段控制焊接深度在2.7～3.2 mm，焊縫形狀如圖4，焊接深度為3.0 mm，寬度2.0 mm，對中為0.14 mm。鎖定工藝參數為：電流11.5 mA，焦點位置745 mm，焊接速度12 mm/s，電流上升時間0.5 s，束流下降時間1.0 s。

圖4 焊縫

小批量（70件）試驗下來，檢測顯示裂紋問題已經解決。但有約30%的零件深度不滿足≥3.0 mm要求，且對中性不穩定。

4.4 增大焊接深度以滿足技術要求

4.4.1 增大電流

選取焊接站四工位中工裝夾具跳動較好的一個（和工件底面接觸的工裝端面跳動0.03 mm，和工件內孔接觸的工裝徑向跳動0.04 mm）進行工藝試驗。同時增大電流至12.5 mA，其他工藝參數同4.3 章節。焊接深度增加至3.6～4.1 mm，滿足技術要求。0°位置試塊，底部發現U 型裂紋，長度為0.35 mm，如圖5a 和圖5b 所示，圖5b 為圖5a 裂紋的放大圖。如圖5c 所示，90°位置試塊，底部依然存在0.36 mm 大小的氣孔。對中有明顯改善，為0.08 mm。通過增大焊接束流，可增大焊接深度。但依然存在焊接裂紋和氣孔。

圖5 增大束流焊縫整體及局部放大照片

4.4.2 調整聚焦電流

調整聚焦電流由745 mA調整為765 mA，其他工藝參數同4.3章節。焊接深度有增加為3.7～4.4 mm，深度滿足技術要求。

焊縫整體形貌照片如圖6，0°位置試塊底部發現一個長度為0.21 mm 的U 形裂紋和一個長度為0.37 mm 的L 形裂紋；90°位置試塊，底部存在0.18 mm 的小氣孔和長度為0.36 mm 的U 形裂紋。增大焦點位置，可提高焊接深度，但依然存在焊接裂紋和氣孔，且焊接深度落差較大，推斷可能和功率穩定性及碳層未去除干凈有關。

圖6 調整聚焦電流后焊縫整體及局部放大照片

4.5 穩定電壓

通過試驗發現通過焊接工藝參數的調整難以解決焊縫裂紋，對設備情況排查發現此電子束焊接設備沒有配備穩壓裝置，設備的輸入電壓波動將直接影響電子束的功率。工藝參數同4.3 章節，試驗發現零件焊接深度在3.2～3.6 mm。如圖7 所示，焊接深度為3.5 mm，對中0.03 mm，在焊縫的右上側發現有長度為0.5 mm 的微裂紋。增加穩壓裝置后同樣工藝的焊接深度有所增加且穩定性較之前工藝有改善。

圖7 焊縫整體及微裂紋

圖 8焊縫整體及微觀缺陷示意

4.6 焊接件在滲碳淬火時涂防滲劑

熱處理后焊接零件需進行車碳層處理，采用熱處理涂防滲劑加熱后硬車工藝，可以確保焊接面的碳含量與基體保持一致。

熱處理滲碳淬火時增加涂層保護，熱后硬車余量保持不變。焊接后焊縫仍有裂紋存在，如圖8所示，底部發現一個大小為0.2 mm 的氣孔，近尾部處有顯微裂紋，未連成線，但亦有趨勢。試驗說明，氣孔的出現具有偶然性，可能和清潔度及零件壓配尾部氣體未抽干凈有關，涂防滲劑零件焊接后仍存在微裂紋，所以熱后焊接件硬車深度滿足是后可不涂防滲劑，下面對焊接零件結構進行優化試驗。

4.7 優化焊接結構

對裂紋產生的原因進行分析，主要是焊縫應力較大所致。對于滲碳淬火回火后的齒輪零件焊接，母材零件零件剛度大，焊接應力大，本文通過增加尾部倒角，有利于焊接過程應力的釋放，進而降低焊縫裂紋的產生風險。通過在齒輪和（或）結合齒焊接面增加倒角（X和Y），增加倒角同時可以減少壓配面的結合長度（H）并保證壓裝尾部氣體排盡。倒角示意圖如圖9。

圖9 倒角齒輪及結合齒結構示意

4.7.1 齒輪和結合齒兩側倒角

保留4.0 mm 的可焊深度值，剩余長度的齒輪和結合齒側分別倒角。如圖10a 側所示，齒輪側倒角為X=10°，結合齒測倒角為Y=20°；如圖10b，齒輪和結合齒兩側倒角均為X=Y=15°。焊接工藝同4.3 章節，試驗結果顯示2 種狀態零件焊接深度分別為3.9 mm 和3.8 mm；寬度為1.9 mm 和1.7 mm，均無裂紋、氣孔等缺陷。

圖10 不同倒角形式的焊縫

4.7.2 結合齒一側倒角

由于齒輪焊接處單邊厚度（齒輪內孔至增加倒角斜邊的的最小距離）只有4.0 mm，增加倒角后可能會影響齒輪的強度。故取消齒輪側的倒角，保留4.0 mm 的可焊深度值，其余長度的結合齒側倒角17°。焊縫照片見圖10c 所示：焊接深度為4.0 mm；寬度為1.9 mm，無裂紋、氣孔等缺陷。為減小焊接寬度，提升生產效率，增加焊接速度，焊接深度可控制在3.5 mm，寬度在1.6 mm，亦無氣孔、裂紋等缺陷。連續焊接100 件抽檢均滿足焊縫質量要求，使用扭力扳手對零件進行檢測，可承受700 N·m 的扭矩。

5 結論

a.滲碳淬火回火的齒輪零件電子束焊接，通過焊接優化工藝，減小深度有利于消除焊接裂紋；

b.在焊接結構不變時，通過增加束流、調整焦點位置難以消除裂紋產生；

c.滲碳淬火回火件后零件焊接，母材件焊接處車余量足夠，熱處理過程中可不涂防滲劑；

d.優化焊接結構（如增加焊縫尾部倒角）有利于焊接裂紋的消除。