（光学工程专业论文）激光焊接汽车变速箱齿轮的装备与工艺.pdf

撼要 摘要 激光焊接由于其准确性高，能量密度高，变形和热影响区小，高生产效率和 加工范黼灵活多样等众多优点，而在现在加工技术中褥翻了越来越广泛的应焉。 如今，农工业上，激光焊接大擞效应用在汽车擎身和传幼部件甑大批擞生产。 齿轮的激光焊接有着比传统的加王法更多的优点。汽车工渡中汽车变速箱菊 轮熬丈整虚弱，使激光焊接齿轮更嚣要一静态发灵活的激光焊接系统。 首先，本论文在分析汽车变速箱复含齿轮结构的基础上，简要介绍了汽车变 速籍复合齿轮激竞浮接豹主要驻理及特性。其次，本文设计了一套盛翅予汽车变 速箱齿轮的激光焊接系统。在这系统中，两工件在6 。3 吨液动压力机上进行压 装后，工件组被入为运送驽气动卡蠢上，卡盘蠢毫气撩涮柜控稍，靠肉孑0 夹紧王 件。在焊接过程中，工件由数控加工中心的一个旋转轴带动旋转并实现控制。焊 接的准确性由置作台上的机械缩构设计和卡鑫的准确佼共同决定。本文中概括了 激光焊接汽车变速箱齿轮生产中从清溶，组装到装卡趵工艺要点。最蜃，本文进 行了汽窜齿轮的激光焊接实验研究，由于两齿轮间装配方式采用过盈配合，齿轮 缀在激必焊接巾劳不懿要填充耪瓣。本文选择了会懋妁工艺参数，对耪料为 2 0 c 订订。及2 0 c 时婀m o 的变速箱齿轮进行了激光焊接。对主要工艺参数如：激光 秘率、舜接速溲、离焦爨、辏虢气俸等，进行了系统戆繇究，势缮裂鬻理怒缒 效果。实验表明，合理的焊接工艺参数楚取得良好焊接效果的个重要因素。间 时，对群接后斡样品进行了金稻缝织努析和超声波探伤。激光簿接汽事变速籍泼 轮获得了满意的焊接效果。 关键词：激光焊接；变速籀齿轮；装镰；工嫠性 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e rw e l d i n gh 舔i n c r c 觞c di t sr o l c m 血em o d 啪t e d h l l 0 1 0 9 yd u et ot l l ep r c c i s i o n ， 1 1 i g h i n t e n s i t y ，l o wd i 咖r t i o n ，s m a l lh e a t 砌u e n c e dz o n e ，m g hp r o d l l c t i o nr a t ea n d p r o c e s sf l e x i b i l i t yc a p a b i l i 廿e s t o d a yl 够e rw e l d i n gi sm a i n l ya p p l i e di ni i l d l l s 缸a l m 船sp r o d u c t i o no f c o m p o n e m sf o ra u t o m d b i l ee n 百n e sa 1 1 d 仃 m 锄1 i s s i o 璐 l a s e rw e l d i n gg e a r sh a 、r es h o w nm 趾ya d v 衄t a g 韶o v e rc o n v e n d o n a lm e m o d s h i g h v o l u m em a n u f a c n l r co f t r a n s i l l i s s i o ng e a rh 觞b e e nw e l le 嘲b l i s h e dw o r l d 谢d ei 1 1t h e a m o m o t i v ei n m l s 扫阱t h ew i d e l yu s e do fl 鹪c rw e l d i i l gg e a r sr e q u i r 鼯1 eu s eo f h i g l l l yf l e x i b l ew e l d 沁s y s t e m s f i r s n y ，o nm e b a s i so f8 i l a l y z i n gn l ed o u b l e l i n k c dg c 盯i i l 也ea u 协m o b i l e sg e a i b o x ， t 1 1 i s p a p e ri n 打0 d u c e sb r i e n y 血ep 血c i p l e 趾dc h m c t e r i s d c so fl a s e rw e l d i i l 昌 s e c o n d l y ，也es y s t e n lo f1 a s e rw e l d i n g 缸姐如：1 i s s i o ng e a ri sd e s i g n e d mt l l es y s t 蹦1 ， t 1 1 ep a i t sa r cp m s s c di na6 3t o nh y d r a u l i cp f e s ss t a 垃0 n t h ep r e s s e dp a n sa r el o a d c d m a i l u a l l yi n t ot l l ed 锄p i l l gd e v i c e ( a 计吐【l k ) t h ed l m l l 【c o n 缸d 1 l e db yt h ee l e c 砸c a l c o m m l 明b i i l 成w i l ld 锄p 血ep a r to nt l l ei i l n e rd i 锄酏f o rw e l m n gt l l ec ：i 锄1 p e d p a r ti sn o wr o t a 血g t h er o t a t i o n a lm o v e m e n ti sac n ca 虹s 蛆dt l l e r e f o r ea d j l l s t a b l e h 盯et l l ew e l d s 盯em o s t l yl i i l 凹w h n e 血ea c c i l r a c yi s0 b t a i n e db yt h ed e s 洒o f 恤 m a c h i n ea n dm ed 锄p i n gt o o l s s o m ea 拍m t i o n sa ：b o u tp r o c e s s 船a r cs t m m a r i z e d 丘d mc l e a l l i n 岛髂s 锄1 b l i n g 嬲w d l 嬲缸啦t h ew o r k p i e c e f i n a l l y m e 订a 1 1 s i i l i s s i o n g e a r sh a v eb e 吼w e l d e di nt l l ee x p e r i m 锄t s l 舶髓w e l d i n gc 姐b ep e r f b r m e d 谢m o u t f i l l e rm a t e r i a l ，d 1 1 et 0m ei n t 盯f 孤c eb e t w e 吼t h e 铆og e a r s t h em a i nt e c h n o l o 百c a l p a 船m e t e r so fl 鹤e rw e l d i n g 眦l s m i s s i o ng e a rm a d eo f2 0 c r m o 锄d2 0 c r n i m 0a r e s t i l d i e ds y s t 锄i c a l l yf o re x 锄p l e ：w d d i n gp o w 盯、s p c c d 、d e f o c l l s i n gp a r a m 酏e ra i l d 丑o wp 猢e t e r t h ee x c e l l tw e l d i n gp r 0 丘l ec a nb eg o ti i lt l l ee x p c 血既t s a st 1 1 e r e s u l to ft l l ee x p c r i m c n t c “c a lp a r 锄e t e ri sak e yt oo b t a i nt 1 1 e9 0 0 dw d d i n g r e s m t m e a l l w l l i l e ，a f t e ra i l a l y z 如gt l l em i c m s t r i l c t l l r eo fw d d i l l gw o f k p i e c 鹊趾dt h e u l 仃a s o i l i cn a w d c t c c t i n g ，w b l d i n gs e 锄o fl 勰e rw e l d i l l gm m s m i s s i o ng e a rh g o ta s 撕s 蛐ge 虢c t k e y w o r d s ：l e r w e l d i n g ：缸m m i i o g e ：d e “c e ；t e c l l n o l o g y 一一 狨截挂声踢 零人声疆新器交静论文憝我个入在簿师指誉下进撑靛研究玉俸及取得斡繇 究成果。鼹我所知，除了义中特别加以撂注和致谢的地方外，论文中脊包舍其他 入已经撒寝鲅撰冀过的研究成槊，也不包含为获褥j 女塞玉墼盍堂绒其怯教育梳构 翦学位或诞粥嚣使翅过敦材料。与我一l 霹工作鹊l 蠲悫对本研究所做的镁何贡献均 瑟在论文枣终了骥凌懿说蘸势浚零了落纛。 关手论文捷曩授投懿说暌 本人党全了解韭塞玉壁太拦有关傈瑟、使粥举位论文的舰意邵：学校育投 援蟹送燮论文的复印 牛，允诲论文被查嬲和借阕；学校w 以公露论文瓣全部或部 分冉窑，w 以采用影印、缩印蠛其他复潮手段保露论文- ( 绦辩酶论文在薅密嚣寂遵守诧蘩定) 燕名：出 导师煞名： 猢哼瞒 第1 章绪论 1 - l 引言 第1 章绪论 齿轮是传动机械中不可缺少的零部件，我国传统的加工工艺是花键连接，如 图1 1 ，即通过铣与滚压工艺加工成型，将毛坯加工成比较精密的渐开线花键。 图1 一i 齿轮与花键轴的连接圈 f 嘻l - 1s c h e 咄o f g e a ra n ds p l h l es h a f t 渐开线花键的特点是：键齿强度高，承载力大，工艺性好，易获得较高精度。 但是采用渐开线花键连接，内、外花键的加工工艺复杂，增加了生产成本且尺寸 精度难以达到国际标准，限制了生产率的提高，容易磨损，导致花键配合间隙较 大，在高速转动下会发出噪声。对于汽车变速箱内的齿轮，有一些生产厂家仍然 使用齿轮组整体加工的方法，这种方法固然能够保证齿轮的整体强度和质量，但 是加工难度大，制造成本高。这些齿轮加工时，小齿圈的齿面通常只能用生产率 较低的捕齿来加工，而且两部分之间必须为插齿留有足够的退刀槽。1 。以免插刀 碰到大齿轮的端面，这样的结构性不好。图卜2 为北京2 1 2 吉普汽车变速箱中的 齿轮轴，传统方法中不可避免的为齿加工留有退刀槽。 图1 2 用传统方法加工的变速箱齿轮轴 图1 2 用传统方法加工的变速箱齿轮轴 f 嘻l 一2 t h e 恤s m i s s i o n g e 盯蛐璐i m gc 伽v 曲石硼a l p 加s s i i l g w a y l 一 北京工业大学工学硕士学位论文 采用激光焊接后，在生产中分别加工出两个部分，然聪再将他们焊成一体， 焊接方式如黧l 一3 。翅这秘方法不仅提裹了熬工生攀，嚣羹哥| 筮侵空刀禧躐夺， 齿轮体积缩小，直接带来车辆减重，生产效率的显瓣提高。 l 8 0 豳l _ 3 激光焊接装跫示意图 f 毽l - 3s c 囊e 擞醴1 8 s 材w e l 疟攮g & 话c e 采用激光焊接技术进行衡轮总成的连接，可提离变速嚣齿轮的产品精度，简 纯产鼹结构及毒造王艺，能方便遗渍足产吴辩发与试测孛零郄馋缝麴熬不叛调整 及样件制造的需要，井有利于设计人员对产晶结构进行合理布局，不断提高产品 牙发与霉l 造零乎；弱瓣，赉詈激光潜接靛齿轮律结褥紧凑，精度窝蜀靠毪掇高， 这就减少了举辆的故障率，并提高了车辆的操纵灵活性，提高了产晶信誉。这种 技术豹生产效率高，其有较好静应懿效果8 1 。 汽车齿轮是大批爨生产的零件，其生产成本关系藕l 整车的成本，从而关系到 产品豹市场竞争力，函此降低生产成本是其永恒的遗求。图1 4 空心轴与小齿轮 的实物，图1 5 为用常规方法与激光焊接方法加工这霉孛齿轮缀的成本对比。 霞l _ 4 空心辘勾小齿轮 f i g 1 - 4h a a ws h a a n ds m a j la e a r 一2 一 第l 牵绪论 霞l 噶常掇方法与激怒簿接嘉法生产爨齿轮赫成本耽较 f i g 1 - 5 c o s tc o m p 撕s o no f c 佃v n 帆a l w a ya l l d l 酗e r w e l d i n g 如r p r o c e s s i n g h o l l o w g e a r 为了凝轻热工难度，挺裹齿轮震量秘降 羲齿轮鲍巷4 逸成本，发达国家已将其 瞻整体加工改为了分体加工，由焊接组成整体。焊接后瓣求交形小，不破坏原材 瓣性德，烽接强度态。农激竞浑接辍翦，蠢轮翦焊接一般采罴毫隧墀、戆虚浮、 融子束焊。传统焊接很赡达到这个要求，1 如钎焊加热温度较高( 1 1 0 0 ) 、时间较 长，荔导致蠢轮赫辩翡鑫犍粒丈，对齿麓抟足寸耩度及毪髓青不翻影藕“。车霜齿 轮的焊接，现在豳内厂家棼遍采用的是电子束焊接。与融子束焊接相比，激光焊 按静主要优势在予：接头鹣硬魔、塑程耱差不多，瞧抗交变受裁熊力要好褥多； w 在大气中焊接举嚣真空室，对零件尺寸戈限制，夹具黻卸容易，污染小；由予 无需抽囊空焊接。显著藏少了停梳辅助时游，所疆负荷系数和生产效率部嵩，激 毙烽菝运转费霜较低，睽跌荬单绺静热工费曩更低f 4 】。奖翅魏s p c c i 琅w e l 也n g s e r v i c e s ( s w s ) 公司采用c 0 2 激光器焊接圆柱彤零件，其焊接效率是电予束焊 按静1 5 甾，嚣攀箨麓魏王费矮哭跫采霾魉子素焊接费焉鹣l 垃o ，簧嚣嚣籀辩公司 研制的h p l 型工业用c o z 激光焊接机，其功率为l _ s k w ，用于焊接汽车转动组件的 一3 一 北京工业大学工学硕士学位论文 2 个齿轮，焊时为1 s ：同心度控制在0 0 5 衄之内，每小时可焊接1 0 0 0 多个齿轮嘲。 因此在变速箱齿轮组的焊接上，目前激光焊接已有取代电子束焊接的趋势。 国外著名的汽车集团纷纷采用激光焊接汽车齿轮，美国福特汽车公司采用6 k wc 0 2 激光加工系统将6 根轴与锻出来的齿轮焊在一起，成为轿车自动变速箱的齿轮架 部件，生产效率为2 0 0 件h ：意大利菲亚特公司用激光焊接汽车同步齿轮，费用 比老设备高1 倍，而生产效率提高了5 倍7 倍。在国内，大多数汽车齿轮厂家现在 仍然采用的是电子束焊接。 激光光束具有功率密度高、发散角小等特点，与其他焊接方法相比( 如电阻 焊、感应焊、电子束焊等) ，采用激光焊接齿轮有如下优点【6 】 7 】： 1 ) 焊缝热影响区窄，焊接变形小，强度高残余应力小。焊缝抗拉强度高，激 光焊接工件的疲劳强度一般比常规焊接工艺高2 0 ，甚至更高。激光焊接可使焊 缝深宽比高达1 2 ：l ，焊缝处具有相当或优于母材的综合机械性能，保证了齿轮 可以传递较大的扭矩。 2 ) 加热和冷却速度快，热输入小，焊接齿轮变形小，焊接后的齿轮无需再精 加工。 3 ) 可在大气中焊接，无污染，在常规环境条件下既可实施。能够满足大规模 工业化生产的要求，并适合于诸多领域。 4 ) 因光束传导简单方便，激光焊接自动化程度高，并且有较大的灵活性如与 机器人，数控技术相结合，可将焊接质量控制在稳定的范围内。 5 ) 可实现异种材料之间焊接，如镀锌薄板与厚钢板、球墨铸铁与钢、不锈钢 与碳钢和低合金钢、钢与硬质合金、钢与铜、钢与铝、铝与铜、铝与铅等材料之 间的焊接等。 6 ) 激光深熔焊的熔区具有大的深宽比，可以完成一些复杂结构的焊接。这为 机械设计提供了更广阔的空间，激光焊接技术进一步推进了结构设计，使以往无 法实现的结构件可能被制造出来【8 】。 汽车变速箱齿轮在进行激光焊接时不需要采用焊丝，也不需要任何焊料和填 充材料，而是直接将两个被焊工件溶在一起。在激光的高温作用下，溶区被溶化 并被纯化，随后快速冷却，又可保证焊缝金属获得细小的晶粒，这就是激光焊接 的强度可高于母材的根本原斟9 1 。因此。齿轮的激光焊接是一个发展趋势。目前世 界各大汽车制造厂如：a u d i ，f i 吐b m w ，n i s s a i l 和t o y o t a 竞相采用激光焊接变速器 一4 第1 章绪论 从动齿轮和结合齿轮以提高产品在国际市场上的竞争力。目前我国采用激光焊接 汽车齿轮的单位也越来越多，如上海大众、上海重庆齿轮箱厂等，但是激光焊接 设备设计制造水平和能力目前还比较薄弱，国内主要汽车厂的齿轮激光焊接设备 主要依赖进口，且价格昂贵。因此，研制开发汽车齿轮的激光焊接装备，对推动我 国汽车工业的发展具有一定意义。 1 2 激光焊接汽车变速箱齿轮的技术分析及现状 汽车工业是激光加工应用最多的领域之一。据有关资料统计，在欧美工业发 达国家中，有5 0 7 0 的汽车零部件都是采用激光加工来完成的，尤其是近年 来发展很快。激光在工业制造中所显示出的低成本，高效率以及应用的巨大潜力， 导致了世界主要工业国家间互相竞争的动力。美国汽车工业中汽车车身覆盖件的 三维定位切割，车身骨构架的焊接，齿轮盘及其他零部件的焊接加工等，己形成 激光加工，组装成一条龙的自控生产线。 激光焊接齿轮广泛用于以下焊接各种齿轮：如轴与轴身齿轮的焊接，如图 1 6 。 齿轮与离合器的焊接，如图卜7 。 图l _ 6 轴与轴身齿轮 f i g 1 6s 啪a n d g w 一5 一 l l 容z 堑大学工学硕士学篷论文 同步器齿轮的焊接，如图1 8 ： 图1 - 7 齿轮与离台器 f i g 1 7 g e dc l u 懈h 壅l _ 8 嚣步器蓉耱 野夸1 8s y n c h r 撞e s hg e a r 以及汽率从动齿轮的焊接，如图卜9 ： 麴1 1 9 汽车获渗豢耄套 鞲孚1 1 9d 疆p 珏秘撼g 糯r 本文将对汽车变速糟齿轮的激光焊接技术避行主要介绍。 一般而言，以激光焊接的方式来连接不同的部件，可以达到较为密集而整体 的形状。如此，不但可以减轻每个零件的重量，丽且还可以降低成本。激光焊接 款好簸逶篷捃较亳豹强度、较俊瓣热王程彦、骏低筑热效应( 较小熬零嵇交黟辜) 以及较糍的加工安全性。墩缀为这些优点，在焱属加工的领域里，激光焊接越来 越普遍了。 国外方面，由老牌机械公司e m a g 与h 。a m 0 1 dg n l b h & c o 公司含作生产的 第l 章绪论 t k s 口c e ne t ，蟊图l ，l o ，在2 3 年攫诺藏黪飙援工具晨上一炮磊缎，零l 舔 这部机器可以将个剐的传动齿轮、离台器以及其他旋转系统的零件组合越来，并 加以焊接。 在该生产线上齿轮以手工或是自动的方式放置到传送带上，离合器自动地由一个 零件库孛披敬娃j 。苦工件的类别识别工作，赠由一个影豫处理系统负责。 在组配奄上，两个不同的零件被缀合、并压配在一起。组配的力与速度都是 可以用程式来控制的，大大缩短了工作时间，韭且，整个的组配过程都可以加以 监控：错误缀配的零件可以被筛选出来。 在焊接蠹上，组配好的部件会被夹其固定，以便避手亍焊接的工作。利用特殊 捺夹其接术，不会诖工件产生形变。焊接台是班双喜l 封的方式架穆超来的。在一个 轴线上进行焊接，另一个轴线上q 是将先前已经焊接好的工件退下，然后将另外 一件待加工的工件固定好。激光强在两个轴线之间来回移动，如此可以选剥激光 最大韵利用效益，使得整部机器逖刹最高的生产力。究成加工的工件则是利用一 条耱送带移拜，之后，再鼓手动袋自动豹方式将王转囊枧器上拿开。 图l - 1 0a m o m 公司激光焊接礤统 f i g 1 - l oa 瑚o l di 鹳盯w d d h l gs y b t e m 在国内，华中毽工大学也对激党浮接盍轮进行了研究，其主体技术方案为： 整个设各由双联齿轮压装机床和敢联齿轮激毙浑接撬藤缱成，分荆由蘸惠工人搡 作，两台机床之间由输送装置连接。该方案结构简单，制造成本较低。设豁的可靠 一，一 北京工业大学工学硕士学位论文 往大大提寒，焚麓工工艺过疆纛z 终蓬瑾隽：塞轮、鼗鬻秘垫冀在塞轮嚣装穰藤上 装配、压紧，然后由输送装置传遴艇齿轮激光焊接机床，在齿轮激光烽接机床上进 行焊接。 1 3 汽车变速箱齿轮掌霸材料及焊接蠖 1 3 1 汽率变速箱齿轮常用材料 齿轮铡黼种繁多，世界各国都根据使用性能要求和本国的资源条件，以及钢 铁工业和汽絮工业的发展情况不阏，建立了各自敕搬耱建钢系列猢。如德戮采用 m 珏- c f 系爨锈1 6 氧髓c 巧、2 0 融e 5 、2 5 池c 堪、2 7 黼e 黔) ；基本应臻c f 系镪 ( s c f 4 1 5 h 、s c r 4 2 0 h ) 和c r m o 系钢( s c m4 1 5 h 、s c m4 2 0 h ) ；美国采用c 小n i m o 系钢( s a e 8 6 1 5 、8 6 2 0 ) ；法国采用c 卜n i 系钢( 1 9 c n 5 ) 和c r - m o 系钢( 2 0 c d 4 、 2 7 c d 4 、3 0 c d 4 ) ；我国多年来太擞使用的是2 0 c r m n 髓齿轮钢，品种单一，改革开 放君汽车工效从不嚣嚣家萼| 迸了多条生产线，耱痘媳攀| 避了诲多袁轮镊弩，逐步 开发使强c r 系、1 c r 系、c f - m o 系、c r n i m o 、孙m n - b 系齿轮镪f l l l 。 在我国观执行的g b p t 3 0 7 7 1 9 9 9 合金结构钢技术条件中有部分钢种用于 齿轮用钢，冀中以2 0 c r m 檬、4 0 ( 2 0 ) 和2 0 c 蝴。为搬导品种，2 0 c 洲用量最 大。该钢现夜农应用上存在许多黪议，该锈中钛静存谯虽有使基体鑫粒绷他的律 爱，去f 霉癸蠢铰“污染”之虞，帮警钛含量超过箕东该锈滚态溶解凄簿衾耩出大 颗粒多棱角的t i n 质点，该质点程磁常的热处理条件下难以溶于奥氏体中。而成 为疲劳裂纹源，其危害比氧化物蹴杂还严重。在冶炼时所产生的“t i n ”不变形 夹杂物比基体谩，影响加工精度，旋使用时会形成疲势源褥影响齿轮的疲势寿命， 簸震海汰镪静。警钛含量不褰辩，缀滚态镶不会爨毽零i n ，帮童予l i 在爽菠薅孛 的固溶度校，j 、，丽在高温静固态下析出，其颗粒仍然院较粗大。南京汽翠蒂造厂 在齿轮的台浆试验中就曾多次发缴由于齿轮内孔边缘产生疲劳裂纹而臀敞齿轮 失效的实例，缀分析为t i n 夹杂物积聚所致。为此，发达国家在汽车齿轮钢中早 已禁止加钛“”；我国对无钛薪型汽零齿轮钢懿开发礤涮业已弓| 起裹度重襁“8 。主 要透过嚣穗蹬麓减少t i n 静形袋掇会。一是尽量降低l i 会整，并通过耱炼曦羊i 线工 艺替代原来嫩接加块状合金，提商t i 收得率，把t i 成分控制在很窄范围内。= 是保 证连铸钢液脱筑良好，连铸过程采用全过程保护浇淀，尽量避免与大气接触以减 一8 一 第l 章绪论 少钢液吸氮o ”。 汽车齿轮用钢不但要有良好的强韧性、耐磨性，能很好地承受冲击、弯曲和 接触应力，而且还要求变形小、精度高。齿轮的生产和加工工艺，除了一般的淬火、 回火热处理外，还采用渗碳淬火、氮化处理、高频淬火等多种表面硬化处理。齿 轮制造对齿轮钢的技术要求主要有： ( 1 ) 足够的心部淬透性和良好的深层淬透性，确保齿轮渗碳淬火时渗层和心 部不出现过冷奥氏体分解产物： ( 2 ) 齿轮渗碳淬火后变形小，免去或减少磨削加工，降低运行噪音； ( 3 ) 良好的成形性： ( 4 ) 良好的可热处理性“删。 钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力。对钢进行淬火 希望获得马氏体组织，但一定尺寸和化学成分的钢件在某种介质中淬火能否获得 全部马氏体组织取决于钢的淬透性。 一汽集团公司近几年来开发的9 t 、1 6 t 、3 0 t 系列载重卡车投放市场以来， 变速箱齿轮及后桥主、从动齿轮均出现过打齿现象。综合分析认为，齿轮的渗碳 有效硬化层浅、芯部硬度低是造成齿轮失效的主要原因。而作为2 0 c r m n t i 材料来 讲，其淬透性范围比较宽，当其淬透性处于下限时，对于模数大的后桥齿轮就无法 保证其淬透性。公司设计部门借鉴日本等发达国家的经验，决定将此系列车型后 桥齿轮、变速箱齿轮材料改为2 2 c r m o 、2 0 c r m o ，即相当于日本材料s c m 8 2 2 h 、 s c m 8 2 0 h 1 力。 据近年来我国齿轮钢的生产情况，其中2 0 c r t i 钢近期仍然是主要产品，占 齿轮钢总产量的一半，新引进牌号c r m o 系、m n c r 系、c r n i m o 系、c r m n b 系齿轮钢产量也逐渐上升。 用于激光焊接的齿轮材料，以低碳钢和低碳合金钢为宜，含碳量一般小于 0 3 ，随着我国轿车工业的发展，2 0 c r m o 成为首都钢厂，大冶钢厂等共同试验研 制的新材料，其性能优于2 0 c ，现已在齿轮行业广泛使用。下文中对2 0 c m o 和近年来用量增长量很大的美国系的2 0 c r n i m o 两种材料的齿轮进行了实地的焊 接试验，并对其结果进行了详细描述。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 2 汽车变速箱齿轮常用材料的焊接性 低碳钢含碳量低，一般小于o 3 ，锰、硅等元素含量少，强度不高，塑性好， 焊接性好，可采用各种焊接方法，如：手工电弧焊、埋弧焊、c o 。气体保护焊， 惰性气体保护焊、电渣焊、电子束焊、气焊、气压焊、点焊、缝焊、闪光对焊 、铝热焊、钎焊、摩擦焊等。焊接接头的韧性和塑性好，焊缝不易出现裂纹和气 孔。但若沸腾钢脱氧不完全，其含氧量较高，钢中硫磷等杂质分布不均匀或硫磷 杂质含量高均可导致焊缝裂纹。低碳钢在焊接过程中一般无需采用特殊的工艺措 施，焊后一般也不用热处理。 表l l 几种常用齿轮材料的化学成分【1 8 】 t 曲1 e 卜1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fv a r i o u sg e a rs t e e l m o d e lt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n sp cs im nc r m 0 t i n i 2 0 c 舳1 t io 1 7 0 2 3o 1 7 0 3 50 8 0 一l l o1 0 0 一l _ 3 0 0 0 4 0 1 0 2 0 c r n i m o 0 1 7 0 2 30 1 7 - 0 3 7 0 3 0 0 6 00 4 0 0 7 00 2 0 0 3 0 0 3 5 一o 7 5 2 0 c r m o 0 1 7 0 2 30 1 7 - 0 3 50 3 5 一o 9 00 8 0 1 1 00 1 5 0 2 5一一 表1 1 为几种常用齿轮材料的化学成分。常用齿轮钢材料中含有的镍和铬、 钼可以增加钢的淬透性。钛元素在钢中的作用是提高强度和韧性。铬、钼使钢在 正火状态具有贝氏体组织，从而使钢具有高的强度和较好的焊接性能。此外，铝 还能提高钢的耐热性。 碳是控制低碳马氏体强化最为有效的因素，在0 1 0 0 2 9 9 6 范围内，低碳 马氏体静强度与碳含量是按线性的函数关系而变化的，主要依赖于碳原子的固 溶强化。碳量主要视强韧性配合要求而定，应不超过o 2 5 ，过量的碳将出现间 隙固溶，从而减低塑性和韧性。钢的原始含碳量太低，对心部组织和性能有不利 影响：太高，心部又达不到必要的塑性和韧性，经实验研究，齿轮心部硬度以 3 4 4 4 h r c 为宜。所以，钢的原始含碳量选用0 1 7 0 2 4 。 确定的含碳量。加上与铬、锰的配合，即可达到合适的淬透性。通过研究已 经得出，最好把铬和锰按比例l ：l 使用，不仅比较经济，而且淬透效率高，锰 可以降低硫的有害作用，改善硫在钢中的分布状态，降低钢由于硫导致的热脆 倾向，同时降低冷却时奥氏体转变临界点，对渗碳热处理有利，锰还有利于形 成奥氏体薄膜，其存在有阻碍裂纹扩展的作用。 第1 章绪论 无论渗碳还是碳氮共涪，钥强烈增大离碳是的滓透性，挣铡渗层中菲马氏 体组织出现，增加有效硬化层深，抑制晶界氧化，抑制磷向晶界偏聚，提高晶 弄强度。适燕戆锘还可敬壤丈表面残余垂窿力，提簿表蟊硬度，铁而使齿轮匏疲 劳寿命，尤其是接触疲劳辩命显著提高。种元素同时具备上述多项优良特性， 是其它任何元素不可替代隗僵并不是越多越好，过量的添加不仅在经济上不 合冀，技术上也是有害的。比妻口，热处理变形程度随铝舍擐的提离而增大。综合 考虑镭在钢中的利害得失，选择铝含量为0 1 5 0 3 5 。 1 4 论文工作的要求和目的 要求：用于s l a bc q 激光器的汽车变遵箱齿轮激光焊接系统，对常见变速箱 鸯轮进芎亍激光焊接。 目的：设计一套适用于激光焊接汽车变速箱齿轮的装备，包括齿轮组的压装 革蠢和激光焊接工作台上齿轮静装夹单元，设计弗实现装突单元静电气控翻，进 行激光焊接齿轮工艺参数的研究，最终实现一套可完成激光焊接汽率变速箱齿轮 的设备和工艺。 实现对材料为2 0 c f m o 及2 0 c r n i m o 材料的变速箱齿轮的激光焊接。焊缝深 度要求分别为5 m m 和3 m m ，要求焊缝中无明显焊接缺陷。 戋容王篷大学王学疆士攀爱论文 第2 章面向大功率c 0 2 激光器的汽车变速箱齿轮激 光焊接系统 2 1 引言 汽率变速籍齿轮激光爆接系统，涉及至光、枧、电等多方瑟靛知识，交叉 鳇粒综会瞧l # 零强。零零凌褥遗系统毂整体浚诗方案之蔻，黄必瓣各绥或繇苓 进稽综述，为后续章节的矮体设计工作提出了有针对性的指导。本章未对各环 节的方案选择进行分析，熙体设计的内容留在后面章节中分别论述。 2 2 汽车变速箱齿轮激光焊接系统总体设计方案 疑过设计和反复论诫，确立了激光焊接汽车变速箱齿轮装备的整体技术方 案为：熊个设备由齿轮压装工作台，和激光烯接工作台组成。激光焊接工作台 为在原肖回转工作台基础上加装气动卡盘，嶷现齿轮在焊接过稷中的装夹，两 王露套之藏霹设置羧送装爨连接，毒嚣名王久撩终。该方案缝搀箍零，毒造成 本低，设备盼哥靠性态，獒加工工艺过程和工作原理为：齿轮缀在齿轮压装工 作台上装配，压紧，然后幽输送装置或人为传送至激光焊接工作禽，在激光焊 接工作螽上进行焊接。 汽攀变速籍齿轮经分体船工蜃，德部分瓣配台方式多采耀怼皴配套，过煎 羹般筏齿轮丈零嚣定，般取o 。o l 锄一o 释髓，对于：淳螽嚣赘渗碳淬火豹齿 轮，过擞量控制在d 0 5 n 撇以内( ，过大的过盈量将产生过大的愿配应力。齿 轮及轴菸经过渗碳及随后的淬火和低温回火厝，可以获得高的袭黼硬度，耐磨 性以及离的接触疲劳强度釉弯皓疲劳强度。丽心部仍具有良好的嬲性和韧性。 麸嚣俊这些零磐藐承受蘩犊秘较蹇瓣表嚣接簸嶷杰闭。在渗碳黧热j 窭程孛，箨 随着麓性的增大和应力的释放，可能使齿轮与齿向的变形增大，从丽降低齿轮 精度。 第2 灏藕向大功翠c 0 2 激光器鞠 气车受逮秘齿轮激光焊援券缀 狡藏缭狡帮装夹方式瓣设诗绦涯了浮接斡准确谯汪b2 z 】。在激毙簿臻工作 台上，入射激光光斑和组对间隙的偏移要求非常准确。因为激光束的聚焦光斑 很小，所以焊缝需要高精度定位【】，其位置偏离的最大允许值要依聚焦光斑的 半径来定，一般不可大于o 1m r n ，妻h 图2 一l 中所涿，否则会带来焊缝的来熔 舍，产生簿羧熬失效【m2 5 1 。对接秘位熬乎夏差秘慰按嚣嘉懿竞诲误差。嚣瓣 接平面之间黼度差太大，会使激光柬的能量大量反射磁去，影响焊接的深度和 均匀性。所| 以在压配后，一般要撤平面差小于o 1 0 m m 【2 6 2 7 1 。 盟准位置螭嚣 蓬2 一l 慰接鄹霞豹平夏差 f i g 2 - lp l a n e o f b 埘j o m t 2 2 1 焊接前的清洗 齿轮在姆接之前登须要清法予净，清除灰尘、濑污、铁锈不密底将会器致 焊缝蠹存在气魏、夹渣等襞陷，豢接影晦海揍接头瓣稳壤往麓。霉矮鹣瀵溶蘩 有：三氯乙烧，国产带碱性的盒麟清洗剂均可。生产中可采用浸洗，喷淋或二 者结合的方法进行清洗，常规清洗设备即可满足要求。 在试验过程中，可采用丙酮溅无水乙醇代替工般满浩剂用于焊前的淡筒清 洁，哭妥海淀议褰，清洗震量逛戆瀵楚焊接要求，必绥爨谖豹是，瀵洗甥举霹骂 虎，清洗不籀底或二次污染带来的闷题已是屡晁不祥。 为了实现激光焊接前两部分的过盈配合，须首兜将这两部分压装成一个整 体，这需要邋过压装工作台来实现，而后再将压装厨的工件组在激光束下进行 焊接。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 2 压装工作台 通过液动压装机实现压装。压装工艺要点： 1 ) 压装件进入端必须制作倒锥，以便于压入及实现被压入工件的对中。若图样 中未作规定，其倒锥按锥度1 ：1 5 0 制作，长度为总配合长度的1 0 1 5 。 2 ) 选用压装机时，必须对压入力f 进行校核，确保压装机所产生的压力是压入 力f 的1 5 2 倍。 3 ) 采用压装机压装时速度不宜太快。 压入力经验公式： f = 芷咒1 0 4( 2 1 ) 式中：，一测得实际过盈量( m m ) 三一配合长度( 姗) 足一考虑被加工工件的材料，尺寸等因素的系数，见下表2 一l 。 表2 1 参数足的选择 t a b l c 2 一ls e l c c d o no f k 外径值径 23 4 567 材料 钢22 533 5 4 4 5 对压装机进行选型后，还需要根据齿轮的不同，在压装机上设计不同 的模具以完成焊接前两部分的压装，保证其过盈量。 2 2 3 激光焊接工作台 本文采用德国r o 丘n s i i l a r 公司生产的3 5 0 0 ws l a bc 0 2 激光器，六轴联动激光 加工机，激光波长：l o 6um 最大功率：3 5 0 0 w ，光束模式：接近t e m 0 0 模，脉 冲频率：c w 1 0 l ( h z ，加工范围3 0 0 0 m 2 0 0 0 m m 1 0 0 0 巾m 1 2 0 。n 3 6 0 。n 3 6 旷。光 束直径由= 1 6 m m ，光束质量因子k 值为o 9 8 7 1 焦参数特征值l 罐为 3 4 2 m m m 砌。采用焦距f = 3 0 0 m m 的铜抛物镜聚焦聚焦后焦聚斑半径为1 2 7 pmo 在焊接工作台上，工件由气动夹具装夹在数控回转工作台上，工作过程中， 回转工作台带动工件作回转运动，完成对工件的焊接，激光头静止不动。激光 焊接齿轮，可根据齿轮的厚薄及焊缝深度比的要求选择热传导焊或深熔焊，一 第2 攀囱阿大功翠c 0 2 激光器髂汽车燹遮糕齿轮擞光焊袋糸缆 般浮蕤深宽魄 l 舞，采羯嚣者。激竞臻率、焊接速 度和光柬质爨等工艺参数对焊缝质量均有影响工芑参数的不当容易鼯致焊缝 首尾衔接处出现表面呈黑褐色撼楚会出现气孔、裂纹等。 气动夹舆与电动及液动夹鼹捆比，有如下优点； | )爨窆气羹套囊，耱深方蠖，在譬遂孛攫穷搂失小，褒予远蹶滚镶羧。 ( 2 ) 加紧动作迅速，大嚼掇高了生产效率。 ( 3 ) 传动回路简单，操作方便，使用安全可靠，污染小。 但是，由于空气具有可压缩性，所以，气动夹紧的工作平稳性差，同时由 予压缩空气熬工终压力较低，瓣箍气缸豹结构尺寸较大。 气动爽紧系统由良下3 部分缀成，如图2 - 2 ： 圈2 也气动夹紧系统 f i g - 2 心s y s t e m0 f p n “m a - l o c k ( 1 ) 第一部分：压力发生装霆，包括空气压缩机2 ，岩冷却器3 ，嚣气篱4 三令圭要装鬻，国孛终l 菇毫动穰，舞5 为敦汞瘸。气源嫠努零集孛农嚣臻空 气站内，由窀向各用气部位统一分配和供应压缩空气。 ( 2 ) 簿：部分：气动控制辩件，包括分水滤气器8 ，减压阀9 ，油黪器1 0 ， 上述3 元件统称为气动三联件，单向阀1 1 ，换向阕1 2 。此外还可能有截此闻6 ， 集永器7 。 ( 3 ) 蒙黛部分：气动执抒元件，气缸1 3 ，加紧执行机构l s 。1 4 为置律。 下文将对这部分进行详细介缁。 一1 5 一 北京工业大学工学硕士学位论文 调速回路应用双作用气缸的排气节流调速回路，在这种回路中，在换向阀 的排气口安装调速阀，实现速度控制，这种方法简单，也较常用。 气路的控制包括：气源质量的检验，气源大小的控制，驱动执行机构的气 源方向的切换和自锁等，通过继电器控制电路得到实现。 激光焊接过程中，激光直射、反射到人体时，都会造成不同程度的损伤，尤其 是人的眼睛。为了避免激光给操作者造成损伤和对操作者视线的干扰，设置了自 动感光安全保护视窗。操作人员在激光焊接过程中需走出视窗。在正常的状态 下，通过该视窗可以看到工件的定位状态，一旦加工时产生强烈的激光，该视窗 具有全自动防护功能，该视窗的设置可大大降低因目晕而产生的误操作啪1 。 第3 章压装工作台的选型和设计 第3 章压装工作台的选型和设计 3 1 压装机的类型选择 为了便于操作者进行操作，本课题适合选择开式压力机，开式压力机的特点 是机身成“c ”型，机身前面和左右面敞开，便于模具安装，调整操作，但一般 只适用于中小型压力机。压入动作一般是垂直的，在零件重大的情况下也可采用 卧式，压入前必须使基础件中心与配合件对准。压入动作可以碰到挡铁停止，也 可以压入到一定深度停止。压入连接的质量完全取决于压入过程本身。 压力可由不同的能量转换方式来产生，压装机根据压力单元的驱动不同可以 分为：机械压力机，气动压力机和液动压力机。 3 1 1 机械压力机 机械压力机的工作模具由电动机通过机械传动来驱动，这种压力机外形如图 3 - l ，结构简单，操作可靠，易于控制，而且经济。适用于有色及黑色金属的模 锻、挤压、切边、拉深、校正及耐火材料等制品，压制成形。在餐具、工具、刀 具、标准件、五金、航空、汽车、纺织机械生产行业及其它领域得到广泛应用。 缺点是压力不可调，行程较短，可以加工的工件类别少，加工速度不稳定，而且 体积相对较大，所以并不适用。 图3 1 机械压力机 f i g 3 1m e c h a l l i c a lp r 黯sm h i e 北京王她大学工学硕士学位论文 3 。l 。2 气动逶力祝 气动压力机，如图3 2 。它怒利用压缩空气泵提供的压缩空气经电磁阀进入 气缸，带动活塞传动到主轴上使生轴形成向下运动，从黼形成冲力，使工件谯模具 中产生规定的嶷形两达到加工的戮的，既可利用静态力，又可利用较小的动态力 最宣予金属羚露荔薅饕金震 串熬镶搂、装配、蓬入、弩嫠；二耱金属终瓣豹镄接， 压入，冷缩日、膜棱、打印和成形加工工艺。气动压力机是一种以压缩空气为动 力，以气缸为执行机构的小型压力设备。配有气源三联件，换向阀( 气控溅电控) ， 气缸( 行程w 调或行程固定) ，潲声器等元件。在装配时，需要将工件装到位同 跨压实，诧对气渤嚣力秘静傈压藏熊实理它戆功怒，保攥嚣尊阔是o 秒可调，输出 力，上下速度弦程，闭合高度，绦聪时闯五个参数均w 调整，并具有蠡确记数功 能。选用气动压力机时要注意一般公称压力都在3 t 以下，而3 t 以上的气幼压力 机其压力不但很难达到，而且它耗气艇也相当大，一般的空压机不能满足宦的要求 同时它的速度秘工作效率要大打砉吁授，所以在2 吨位以上的一般不要使用气动压 力蘸，曩努采翔液篷援。本谍瑟瑟鬟蘧装力大枣在毒魄发在，掰缢无法疲耀气羲 压力机。 圈3 也气动压力机 f i g 3 - 2p n e u m a d cp r e s s8 t a 吐o n 3 。1 3 滚动愿力枕 液压祝鲡鬻3 0 ，是应用静愿作用的瓠器，靠液体静压力使工件交形。醚有 先进的液压系统。其有独立的液服动力机构和电气系统，由主机、动力机构和电 器控制系统三大部件组成，具有容易获得较大的压力，用户可根据工艺骤求，对 一1 8 一 第3 章魇装工作台的选型和设计 压力萃霾速度滋嚣淫整，鞋竞戒麓逡熬魂终，虿获褥较大靛行程模吴窒阉麓，在涝 块形成的任何位置上都能发挥出额定压力，可以承受较大的过载，可对正件在一 定持续时间内保持压力，工作震动殿噪声小，工作平稳，易于实现自动化生产等 特点，可广泛用于压制工艺中的务类作业。但是易污染环境，最高工作遮度也受 至l 疆利，傍掺较贵，生产效率羝。凝耀式2 1 戆秘步诗磐，完残汽车交遮簸逡轮 的压装所需骤的压力约为4 随，零谍遂较适合于应震液动压力机。 图3 0 液动压力机 f i g 3 ah y d 聊l l i cp r 髂ss 扭t i o n 压力机的耩发霹参照国家标礁，主要包括：工倦套上平面及潺块下平箍的 壹线菠；漤块下乎瑟与工终螽上学嚣夔平行痍；游块戆上下运羲与z 僚台上 平面的垂宣艘i 模柄安装孔与港块下平面的垂奁度；联结点上下的综会间隙。 大体上说，压力机每半年或一年期间进行一次精度检骏或调整，使之恢复到压力。 3 。2 压装机上模具的设计 3 2 1 模具材料的选择 压装模其的材料需根据被压漩工件的材料和生产批量进行选择，本设计中选 择了经淬硬处理，而后进行低温嘲火的t 1 0 钢。该材料可以承受1 5 0 - 2 0 0 温度， 较大压力瘗援力秘一定豹狰鑫力。蜜嚣生产孛，霹叛缀据生产援量翡鸯翼文选撵 e r 赚n 、e r 5 赫o l ￥、c r l 2 洳v 等秘糕。 北京王波大学工学硕士学佼论文 3 2 2 模翼的结构设诗 对压装机进行选型后，还需爱根据齿轮的结构谯压装机上设计不同的模具， 以完成焊接前两部分的压装，保证其过盈量。 模县怒塍装生产中的主要工慧设备，其设计的怒否合理对压装件的袋矮质 量，足寸壤波，生产率鞋及经济效益等彩蘩擐大。摸爨蹇菝菝簸效纛王撵菸提建 运动使其缩构或相对位置发生变化，得到预期的效莱。因此要求压装横嶷： 1 应