緱俊杰
(昆明云內(nèi)動力股份有限公司無錫分公司,江蘇 無錫 214000)
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(gè)行業(yè)的認(rèn)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(gè)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(qiáng)烈,需要十分嚴(yán)格的措施來防止X射線和強(qiáng)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(shí)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(shí)間普遍達(dá)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(gè)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(yàn)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(jìn)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1 真空中和空氣中的電子束流
圖2 焊接齒輪組件
近年來,隨著對齒輪精度要求的提高,磨齒、珩齒工藝開始進(jìn)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(shí)驗(yàn)室方法是在齒輪進(jìn)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(xiàng):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(gè)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(jī)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(shí)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(shí)間5-10S。
圖3 激光焊接和電子束焊接的變形量
差速器是汽車中不可缺少的部件,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是將齒圈和殼體以高強(qiáng)度螺栓進(jìn)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(jī)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(yán)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(shí)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(shí)零件加工中需要重點(diǎn)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?yàn)椴扇『附雍竽X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(diǎn):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?yàn)闉榱吮WC防銹和耐腐蝕性,有的廠家在差速器的殼體表面進(jìn)行了磷化處理,而磷是一種有害元素,激光清洗的一個(gè)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(diǎn)(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(qiáng)度,目前國內(nèi)外普遍認(rèn)可的是采用填絲焊接,使用特定材料制備的焊絲進(jìn)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。
圖4 可焊接差速器結(jié)構(gòu)
圖5 EMAG激光焊接線
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(shí)容易產(chǎn)生氣孔等問題;壓裝是通過機(jī)械力的作用使兩個(gè)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(shí)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(jìn)行判斷,以保證焊縫可以滿足設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)一次上料即完成全部工序,操作者只需要進(jìn)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。
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(kuò)大激光焊接的應(yīng)用范圍等大有可為。
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