差速器半軸齒輪和堵蓋組件激光焊接質量優化

摘 要：通過激光焊接工藝將差速器半軸齒輪和堵蓋緊密結合在一起，保證半軸齒輪和堵蓋組能儲油并防止潤滑油泄漏，是差速器半軸齒輪生產制造中的重要手段。本文探討了通過優化母材過盈量、采用焊接母材切碳處理、預防焊接開裂等關鍵技術，實現了差速器半軸齒輪和堵蓋組件激光焊接質量的顯著提升。

關鍵詞：激光焊接 半軸齒輪 堵蓋 焊接質量

1 緒論

差速器半軸齒輪和堵蓋是汽車差速器系統中的兩個重要部件，它們各自具有獨特的功能和作用，同時也存在著密切的聯系和相互影響。在差速器的裝配過程中，堵蓋需要被安裝在差速器半軸齒輪的開口處，以封閉開口并防止潤滑油泄漏。此外，堵蓋的密封性能也直接影響到差速器半軸齒輪的工作效果和差速器的整體性能。因此，對差速器半軸齒輪和堵蓋組件激光焊接過程的研究和質量優化至關重要。

2 差速器半軸齒輪和堵蓋組件

差速器半軸齒輪和堵蓋組件，半軸齒輪材料為20CrMoH，配對堵蓋材料為20CrMoH，材料成分符合 EN10084標準要求。激光焊接的高能量密度和精確控制特性也有助于在20CrMoH材料上形成高質量、高強度的焊縫。半軸齒輪和堵蓋采用過盈配合，過盈量控制在0.01～0.04mm，經激光焊接后成為差速器半軸齒輪和堵蓋組件，如圖1所示。

3 激光焊接的過程研究和質量優化

3.1 母材過盈量的優化

激光焊接母材的過盈量是指焊接母材在焊接前存在的間隙或配合公差，它對激光焊接件的表面質量有著重要影響。如果焊接母材之間的間隙過大，激光束可能會穿過間隙而不能有效熔化母材，導致焊縫出現明顯的咬邊、凹陷等缺陷，這些缺陷會嚴重影響激光焊接件的表面質量和整體性能；如果焊接母材的配合公差不合理，也可能導致焊縫形狀不穩定，出現焊接缺陷；錯邊過大或裝配不嚴等問題都可能導致焊縫表面質量下降。

在焊接直徑與聚焦量、焊接圈數（預熱、焊接、緩冷）、焊接功率及工件自身的清潔度、環境溫濕度穩定的情況下，對母材之間的過盈量進行了合理選擇，如表1所示。

根據表1的壓裝試驗數據，得出：雙邊過盈量范圍0.01-0.04時，壓力值滿足3-6kN；堵蓋外圓直徑圖紙要求Φ34（+0.06/+0.03）mm，

通過機加工來控制堵蓋直徑Φ34（+0.05/+

0.035）mm；半軸齒輪沉孔直徑圖紙要求Φ34（+0.025/0）mm，通過機加工控制半軸齒輪沉孔直徑Φ34（+0.025/+0.01）mm。

以上壓裝試驗雙邊過盈量范圍0.01-0.04時，滿足壓裝力3-6kN的要求。但在實際生產時，壓裝過程中會有因過盈壓裝而產生外翻鐵絲，在外面的鐵絲可以人工去除，但壓縫中鐵絲無法去除，導致的結果就是焊接時出現飛濺，焊渣掉落在齒面上很難去除，飛濺的地方就會出現焊接不連續、凹坑等缺陷，不能滿足客戶要求，造成齒輪報廢。

通過頂出力試驗實際驗證，如表2所示，在滿足氣密檢、頂出力試驗（≥40000N）的要求下，壓裝力3-6kN僅作一個參考值，不硬性規定，避免了以上飛濺導致齒輪報廢的不足。

過盈量越大，壓裝力越大，壓裝過程出現的鐵絲會越多，出現焊接飛濺的可能性越大；過盈量越小，壓裝力越小，焊接熔深越淺，堵蓋頂出試驗失敗的可能性越大。經過多次反復試驗，對母材過盈量進行了優化，如表3所示，合理的過盈量，解決了焊接飛濺、凹坑、不連續、熔深不夠、堵蓋頂出力不足的問題。

優化后，雙邊過盈量在0.025-0.03范圍內，壓配之后，半軸齒輪和堵蓋兩壓配件之間沒有鐵絲或鐵屑等異物，激光焊接過程不再出現飛濺的現象，解決了焊接外觀的問題；優化后，壓裝力為1.5-6kN的范圍內，當壓裝力在1.68kN時，其頂出力為46350N（要求≥40000N），滿足客戶需求。

3.2 焊接母材質量的優化

半軸齒輪制造過程需要滲碳處理，導致含碳量過高。為了優化焊接質量，使半軸齒輪和堵蓋焊接母材的組織成分無限制接近，實際生產中運用了切碳工藝即針對滲碳后齒輪表面高碳層的去除工藝，由于滲碳處理會使齒輪表面形成一層高碳組織，這層組織雖然硬度高、耐磨性好，但在某些情況下（如焊接部位）可能會帶來不利的影響，如增加焊接難度、降低焊接質量等。因此，在滲碳熱處理后，將焊接部位的高碳層去除，以同種低碳合金鋼的形式進行焊接，成為一種合理的選擇。半軸齒輪滲碳熱處理后把焊接部位——前端沉孔的表面高碳層機加工切掉，這樣堵蓋與半軸齒輪前端沉孔就都是同種低碳合金鋼了。

具體優化措施：圖紙硬化層深度要求0.8-1.2mm，滲碳層為0.95-1.35mm。把半軸齒輪前端沉孔直徑由￠34±0.1mm，調整為￠31±0.1mm，滲碳熱處理后再機加工，單邊去除1.5mm左右的滲碳層，保證焊接基體一致。

經過切碳后，焊接過程中的飛濺物明顯減少，如圖2所示。同一件產品的熔深差值明顯縮小，由以前的0.30mm的差值減少至0.10mm；同批件產品的熔深差值也縮小至0.20mm，焊接穩定性提高。

3.3 焊接部位防裂工藝的優化

激光焊接過程中產生的裂紋是一個重要的問題，它可能導致焊接部位的強度和密封性能下降。為杜絕激光焊接過程中裂紋的產生，有效識別差速器半軸齒輪延期裂紋及堵蓋泄漏而采取了以下優化措施。

3.3.1 采用切碳工藝

半軸齒輪前端沉孔采用切碳工藝，在去除高碳層后，焊接部位與堵蓋的材料均為同種低碳合金鋼，有利于減少冷脆性傾向，有利于降低焊接難度，提高焊接質量，確保焊接部位的強度和韌性。

3.3.2 控制激光焊接中的環境

為了確保激光焊接的質量和穩定性，需要對焊接環境特別是工件自身的清潔度、溫濕度等進行一定的控制。

將清洗后的差速器半軸齒輪和堵蓋置于恒溫室中24小時后進行焊接，這一做法旨在確保焊接前的材料處于穩定且適宜的環境條件，從而提高焊接質量和可靠性。

恒溫室內的溫度設定為20±2℃。這一溫度范圍是為了確保材料在焊接前處于相對穩定的熱狀態，避免由于溫度波動導致的材料性能變化。穩定的溫度有助于減少焊接過程中產生的熱應力和變形，提高焊接部位的質量和強度。

恒溫室內的濕度要求≤55%。低濕度環境有助于減少材料表面的水分含量，避免焊接時產生氣孔、裂紋等缺陷。濕度控制還可以防止材料在焊接過程中因吸濕而導致的性能下降，確保焊接部位的可靠性和耐久性。

同時，在激光焊接車間內安裝溫濕度監控設備，實時監測并記錄焊接環境的溫度和濕度數據。如果焊接環境的濕度過高，可以采取除濕措施，如使用除濕機、通風換氣等。將焊接材料保存在干燥、通風良好的環境中，避免其受潮。定期對激光焊接設備進行維護和保養，確保其處于良好的工作狀態。

3.3.3 增加靜置工藝，防止“延遲裂紋”的產生

延遲裂紋是在焊接過程完成后，經過一段時間才產生的裂紋，這種裂紋具有潛伏期、緩慢擴展期和突然斷裂期三個階段，并且與焊縫金屬中的氫含量、應力狀態以及材料的淬硬傾向密切相關。焊接后，合金中含有氫會導致其延展性降低，并且氫含量越高，這種現象越明顯。由于氫原子半徑較小，可以在金屬中自由游走，當一定量的擴散氫在晶粒之間聚集，變成分子后的氫元素壓力變大，繼而誘發裂紋。由于一定量的擴散氫擴散和聚集需要一段時間（應在48小時內），因此被稱為“延遲裂紋”。

為防止焊接后產生的“延遲裂紋”，在原有工序中增加48小時靜置工藝的措施是非常必要的。延遲裂紋通常發生在焊接完成后的幾小時、幾天甚至更長時間內，因此，通過靜置觀察可以有效發現并及時處理這些潛在的裂紋，確保產品的質量和可靠性。

齒輪組件激光焊接工序的優化：準備壓裝焊接48小時靜置標識氣密檢位移試驗（頂出力試驗）。

（1）48小時靜置工藝

為達到“靜置48小時”，發現是否存在“延遲裂紋”，設計制造了靜置區料倉。每只齒輪的焊接時間約為70秒，可在保證焊接質量的前提下，縮短焊接時間，提高生產效率；合理安排工作時間，每天實際工作時間為14小時，可以確保生產線的連續性和穩定性；在兩天的工作時間內，可以焊接1440只齒輪，可以確保在靜置區料倉中有足夠的齒輪進行靜置觀察。

（2）靜置區料倉布局與容量

1）布局設計

靜置區料倉分為兩排，每排設有三個料倉（層），這樣的布局不僅節省了空間，還方便了工人的操作和管理。

2）容量計算

每個料倉內設有6只料盤，每只料盤可裝載6×7=42只焊接齒輪。

因此，整個靜置區料倉的總容量為：2排×3層/排×6料盤/層×42只齒輪/料盤=1512只焊接齒輪。

兩天可焊接1440只齒輪，而靜置區料倉的總容量為1512只齒輪，完全能夠容納兩天內焊接的所有齒輪，完全能滿足“靜置48小時”的要求，并留有額外的空間以備不時之需。

3）料倉管理

標記與記錄：焊接完成后，將齒輪放入指定的料盤，并在料盤或齒輪上進行標記和記錄，以便追溯和檢查。

定期檢查：在靜置過程中，定期對齒輪進行檢查和觀察，以發現潛在的延遲裂紋或其他質量問題。

環境控制：靜置區料倉應保持干燥、清潔，并控制適宜的溫度和通風條件，以確保齒輪在靜置過程中的穩定性和安全性。

4 結論

通過將雙邊過盈量在0.025-0.03范圍內；針對滲碳后齒輪表面高碳層運用切碳工藝；將清洗后的差速器半軸齒輪和堵蓋置于恒溫室中24小時后進行焊接，恒溫室內的溫度設定為20±2℃，濕度要求≤55%；增加48小時靜置工藝，防止“延遲裂紋”的產生，保證了激光焊接差速器半軸齒輪和堵蓋組件的焊接質量，進一步推廣激光焊接技術在齒輪上的應用提供一些參照。

參考文獻：

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