文章就汽車工業(yè)變速箱、混合動力系統(tǒng)中，齒輪的最新激光焊接工藝的研究應(yīng)用，以及近年來的新進展，取得了對于傳統(tǒng)電子束焊接的優(yōu)勢。

　　1 激光焊接的特點

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

　　從應(yīng)用來看，激光焊接的優(yōu)勢十分明顯，主要表現(xiàn)在三個方面：

　　1 激光焊接不產(chǎn)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(huán)境，而電子束焊接必須在極高的真空環(huán)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(huán)境，抽真空成為影響設(shè)備節(jié)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(chǎn)節(jié)拍，而激光焊接的節(jié)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(yè)內(nèi)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(qū)對端面跳動進行檢測，以此評估變形量，從圖 3 的數(shù)據(jù)可以看出，激光焊接的端面變形更小，數(shù)據(jù)一致性也更好。

圖 3 激光焊接和電子束焊接的變形量

　　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(jié)構(gòu)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(qū)域的連接十分脆弱，在該區(qū)域也容易產(chǎn)生微觀裂紋，造成產(chǎn)品不能使用。傳統(tǒng)的實驗室方法是在齒輪進行滲碳淬火前對需要焊接的區(qū)域涂抹防滲劑，但這種辦法在大批量生產(chǎn)中就不適合了。

　　目前行業(yè)內(nèi)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(qū)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(yù)熱處理：由于滲碳層和齒輪基體之間還存在熱影響區(qū)域，通過機械是不能完全去除的，而直接焊接容易產(chǎn)生裂紋，焊前預(yù)熱可以很好地減少此問題的發(fā)生，其基本原理是通過降低焊接時溫度差引起的熱應(yīng)力來減少和消除內(nèi)應(yīng)力，避免裂紋發(fā)生，焊前預(yù)熱過程要求加熱過程均勻，不同的廠家對預(yù)熱溫度有不同的要求，但一般都在 140℃或 160℃左右，預(yù)熱時間 5-10S。

　　3 差速器焊接

　　差速器是汽車中不可缺少的部件，傳統(tǒng)的設(shè)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(yīng)用激光焊接后，通過簡化工件結(jié)構(gòu)如圖 4，齒圈的工藝路線就大為優(yōu)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?？梢钥闯?，應(yīng)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。

圖 4 可焊接差速器結(jié)構(gòu)

　　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(yīng)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(nèi)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(yù)熱處理：殼體的材料(球墨鑄鐵)是含碳量很高的材料，齒圈經(jīng)過滲碳淬火處理，基于防止焊接裂紋的目的，焊接前必須經(jīng)預(yù)熱處理。

　　4 激光焊接工藝及設(shè)備

　　目前，激光焊接的工藝主要包括：清洗-壓裝-預(yù)熱(可選)-焊接-(超聲波)探傷。清洗即需要去除焊接表面的雜質(zhì)，保證表面清潔度，如果有雜質(zhì)，在焊接時容易產(chǎn)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(jié)合在一期;預(yù)熱是可選的，熱前焊接一般不需要預(yù)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(yù)熱了;焊接則是通過激光的熱量使零件焊接區(qū)融化后凝固，由于溫度很高，激光焊接時會產(chǎn)生大量的煙霧和焊渣，在設(shè)備上最好選配除煙霧系統(tǒng)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(nèi)的氣孔數(shù)量來對焊接質(zhì)量進行判斷，以保證焊縫可以滿足設(shè)計扭矩。

　　在世界范圍內(nèi)，包括 EMAG、Felsomat、Arnold、FIVES 是全球主要的激光焊接設(shè)備生產(chǎn)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(xiàn)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。

圖 5 EMAG 激光焊接線

　　5 結(jié)束語

　　必須看到，激光焊接特別是配備固固體光纖激光發(fā)生器的激光焊接設(shè)備已經(jīng)表現(xiàn)出了很大的技術(shù)優(yōu)勢和可應(yīng)用性，有極好的發(fā)展前途。因此，探索和研究怎樣更好的應(yīng)用激光焊接保證產(chǎn)品質(zhì)量和擴大激光焊接的應(yīng)用范圍等大有可為。