CN102151995B

CN102151995B - 汽车变速器齿轮激光焊缝闭合方法

Info

Publication number: CN102151995B
Application number: CN201110075491.2A
Authority: CN
Inventors: 魏伟; 姚远; 郑培和; 陈明; 李潇一; 秦芳; 孔德举
Original assignee: FAW Group Corp
Current assignee: FAW Group Corp
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: CN102151995A

Abstract

本发明涉及一种汽车变速器齿轮激光焊缝闭合方法，其步骤是选择激光焊接时间为控制参数，根据焊缝起始段、中间段、结尾段状态将时间分成5个时间段，重点控制焊缝起始段、焊缝结尾段时间参数，结合根据焊缝直径、焊接速度计算所得的激光焊接时间，形成最终的时间控制参数，据此形成闭合良好的汽车变速器齿轮激光焊缝，以减小或避免汽车变速器齿轮激光焊缝闭合缺陷，满足激光焊缝的强度要求。同时，有利于减小齿轮总成的焊接变形，提高齿轮总成的使用性能。

Description

汽车变速器齿轮激光焊缝闭合方法

技术领域

本发明涉及一种汽车变速器齿轮激光焊缝闭合方法，属于激光焊接领域。

背景技术

汽车变速器齿轮的设计制造过程中，为提高工艺性和生产效率、降低工艺成本，经常将复合齿轮设计成齿轮、锥体（或接合齿）独立的分体件分别加工，然后再复合形成齿轮总成。其复合连接方法主要有花键连接、电子束焊接、激光焊接。其中变速器齿轮激光焊接技术的发展较快，在变速器设计及制造中具有一定优势；齿轮连接面加工成光滑外圆柱面，锥体（或接合齿）连接面加工成光滑内圆柱面，用热压或冷压法使两个零件通过连接面压合在一起，形成端接的焊接结构。激光器输出的一定模式的激光束经导光***中各镜片反射1、聚焦2后，成为功率密度极高的光束，照射至齿轮焊接部位，使焊缝圆周上很小的区域内金属被快速加热熔化焊接在一起；此过程中，齿轮3在激光加工机回转工作台的带动下，绕其回转轴旋转，在焊接部4位形成闭合的圆周形焊缝；齿轮激光焊缝闭合处易产生焊接缺陷，因此，齿轮激光焊缝应闭合良好，以使焊缝均匀，焊缝强度等满足一定要求。而焊逢闭合良好的关键是要控制焊缝首尾重合区尺寸，以使焊缝按要求重合，避免出现焊缝未重合、焊缝重合区尺寸不足、焊缝重合区尺寸过大等焊缝尺寸缺陷，以克服由此所造成的焊缝强度下降（焊缝未重合、焊缝重合区尺寸不足）、齿轮总成焊接变形增大（焊缝重合区尺寸过大）等弊病；目前，汽车变速器齿轮激光焊接时，一般仅从焊缝表面状态确定焊缝闭合与否，易造成偏差，影响焊接质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车变速器齿轮激光焊缝闭合方法，以克服汽车变速器齿轮激光焊缝闭合缺陷，避免其对焊接强度的不利影响；同时，有利于减小齿轮总成的焊接变形，提高齿轮总成的使用性能。

本发明的技术方案是这样实现的：汽车变速器齿轮激光焊缝闭合方法，其特征在于具体的加工步骤为：将锥体与齿轮沿连接面压装在一起，准备进行激光焊接；将上述压装件装夹在可倾数控回转工作台的定位夹具上，使齿轮在激光焊接过程中按激光束、齿轮转速和保护气合理匹配的要求进行旋转，以实现不同的焊接速度；采用反射式聚焦结构的导光***，将聚焦后的激光束传输至齿轮焊接焊缝区中心，离焦量为-3~+1mm；激光焊接过程中，激光器输出激光功率1.5~5.5KW；焊接速度0.8~5.3m/min，焊接速率与齿轮旋转速率相同；焊接过程中采用氮气、氩气或氦气中一种及压缩空气等气体在焊接过程中对焊接熔池及光学元件进行保护，气体流量6~15L/min；根据焊缝直径及焊接速度，计算出齿轮激光焊接时间t；根据电控***的反应时间及光闸的动作时间、激光功率密度、焊接速度、焊缝厚度、焊缝宽度、焊缝长度、焊件体积等确定时间参数t₁、t₂、t₃、t₄；计算出修正时间△t=t₁+ t₂－t₃+ t₄；齿轮总成激光焊接时间为t+△t，将此时间值输入设备控制***中，完成齿轮总成的焊接，形成闭合良好的激光焊缝；所述的焊接时间参数的焊缝起始段时间为：焊缝起始点滞后于设备启动时间t₁，对应焊缝长度l₁；焊缝开始形成到稳定熔深的时间t₂，对应焊缝长度l₂；焊缝结尾段为：由于热累积作用，焊缝结束滞后时间t₃，对应焊缝长度l₃；焊缝熔深开始降低到焊缝终止的时间t₄，对应焊缝长度l₄；焊缝中间段时间为：均匀厚度焊缝的焊接时间（不考虑l₃，）t₀，对应焊缝长度l₀；焊缝表面首尾重合长度：理想重合长度：l₄的起始点恰好是l₂的终点，即焊缝表面的重合长度为l₂+ l₄；所述的焊缝长度即焊缝表面重合条件为： l₄起点未超过l₂终点：实际有效焊缝长度应为l = l₀+ l₃；设l₄′为l₄起点与l₂终点间的距离，则l₄′为焊缝闭合处焊缝有效厚度不足区段长度；焊缝表面重合长度l_f为l₂起点与l₄终点间的距离；l₄起点超过l₂终点：实际有效焊缝长度为l = l₀+ l₂+ l₃－l₄′；其中l₄′为l₄起点与l₂终点间的距离，也是焊缝正常厚度重合长度（因l₄必然存在，若使焊缝无厚度不足区段，此时焊缝正常厚度重合长度应以l₂终点为起点，以l₄起点为终点）；焊缝表面重合长度为l_f= l₄+ l₄′+ l₂；所述的焊缝重合长度控制方法如下：一般变速器齿轮激光焊接都采用连续二氧化碳激光器；根据其激光功率、光束模式、聚焦光斑尺寸、离焦量、焊接速度、齿轮结构和体积、保护气种类与吹气方式等研究出控制焊缝重合长度的方法；采用时间控制：整个齿轮总成激光焊接时间：t+△t

t——计算所得齿轮焊接时间；

△t——修正时间，△t=t₁+ t₂－t₃+ t₄；

△t中各时间点的确定方法：

t₁：取决于电控***的反应时间及光闸的动作时间

t₂：取决于激光功率密度、焊接速度、焊缝厚度和宽度（焊缝横截面面积）、焊件体积、预处理等；t₃：激光功率密度、焊接速度、焊缝厚度和宽度（焊缝横截面面积）、焊件体积、焊缝长度等；t4：激光功率密度、焊接速度、焊缝厚度和宽度（焊缝横截面面积）、焊件体积、焊缝长度等；根据焊缝长度、焊缝厚度和焊缝宽度等确定各时间段的值以及各时间段的重要程度；以确定恰好形成焊缝闭合的时间条件，并根据实际情况，控制主要时间段以简化控制步骤，结合实验与检测数据对比方法，确定齿轮激光焊接的时间△t值，使l₄′的值越小越好，实现焊缝的良好闭合。

本发明的积极效果是：减小或避免汽车变速器齿轮激光焊缝闭合缺陷。满足激光焊缝的强度要求。同时，有利于减小齿轮总成的焊接变形，提高齿轮总成的使用性能。

附图说明

图1为本发明的反射式聚焦结构的导光***示意图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明做进一步的描述：

实例1：

对CAS5—25变速箱二速齿轮总成进行激光焊接加工，其步骤为

（1）将锥体与齿轮沿连接面压装在一起，准备进行激光焊接。

（2）将上述压装件装夹在可倾数控回转工作台的定位夹具上，使齿轮在激光焊接过程中按要求进行旋转，以实现不同的焊接速度。

（3）采用反射式聚焦结构的导光***将聚焦后的激光束传输至齿轮焊接焊缝区中心，离焦量为0mm。

（4）激光焊接过程中，激光器输出激光功率2KW；焊接速度1.2m/min；

（5）焊接过程中采用氮气、氩气或氦气中一种及压缩空气等气体在焊接过程中对焊接熔池及光学元件进行保护，气体流量6L/min。

（6）根据焊缝直径及焊接速度，计算出齿轮激光焊接时间t。

齿轮焊缝直径：R=60mm，焊接速度V=1.2m/min=20mm/s，

齿轮激光焊接时间t =πR／V = 3.14×60／20 = 9.42秒。

（7）根据电控***的反应时间及光闸的动作时间、激光功率密度、焊接速度、焊缝厚度、焊缝宽度、焊缝长度、焊件体积等确定时间参数t₁、 t₂、t₃、 t₄。

t₁ = 0.5秒；t₂ = 0.4秒；t₃ = 0.5秒；t₄= 0.3秒。

（8）计算修正时间，△t = t₁+ t₂－t₃+ t₄=0.5+ 0.4－0.5+0.3=0.7秒；

（9）齿轮总成激光焊接时间为t+△t= 9.42+0.7=10.12秒，将此时间值输入设备控制***中，完成齿轮总成的焊接，形成闭合良好的激光焊缝。

参数确定方法如下：

（a）控制参数

因激光焊接的速度较快，其时间参数对焊接过程的影响相对较明显。因此，选时间作为控制参数。

（b）焊缝起始段时间：

焊缝起始点滞后于设备启动时间t₁，对应焊缝长度l₁；

焊缝开始形成到稳定熔深的时间t₂，对应焊缝长度l₂；

（c）焊缝结尾段：

由于热累积作用，焊缝结束滞后时间t₃，对应焊缝长度l₃；

焊缝熔深开始降低到焊缝终止的时间t₄，对应焊缝长度l₄；

（d）焊缝中间段时间

均匀厚度焊缝的焊接时间（不考虑l₃，）t₀，对应焊缝长度l₀；

（e）焊缝表面首尾重合长度：

理想重合长度：l₄的起始点恰好是l₂的终点，即焊缝表面的重合长度为l₂+ l₄；由于多方面因素的影响，实际表面重合长度与理想重合长度会有一定偏差。采用何种控制方法，缩小此偏差，使焊缝成形均匀，也是本发明的目的之一。

（f）实施条件：

因用肉眼可观察到焊缝表面重合与否，且首先应保证焊缝表面重合。因此根据实际情况，只研究焊缝表面重合条件下的焊缝实际闭合状况。

（g）有关焊缝长度（焊缝表面重合条件下）：

① l₄起点未超过l₂终点：

实际有效焊缝长度应为l = l₀+ l₃；

设l₄′为l₄起点与l₂终点间的距离，则l₄′为焊缝闭合处焊缝有效厚度不足区段长度；焊缝表面重合长度l_f为l₂起点与l₄终点间的距离。

② l₄起点超过l₂终点：

实际有效焊缝长度为l = l₀+ l₂+ l₃－l₄′；

其中l₄′为l₄起点与l₂终点间的距离，也是焊缝正常厚度重合长度（因l₄必然存在，若使焊缝无厚度不足区段，此时焊缝正常厚度重合长度应以l₂终点为起点，以l₄起点为终点）；

焊缝表面重合长度为l_f= l₄+ l₄′+ l₂

（h）焊缝重合长度控制方法

一般变速器齿轮激光焊接都采用连续二氧化碳激光器。根据其激光功率、光束模式、聚焦光斑尺寸、离焦量、焊接速度、齿轮结构和体积、保护气种类与吹气方式等研究出控制焊缝重合长度的方法。

采用时间控制：整个齿轮总成激光焊接时间：t+△t

t——计算所得齿轮焊接时间；

△t——修正时间，△t=t₁+ t₂－t₃+ t₄；

△t中各时间点的确定方法：

根据电控***的反应时间及光闸的动作时间确定t₁ = 0.5秒。

根据激光功率密度、焊接速度、焊缝厚度和宽度（焊缝横截面面积）、齿轮焊件体积、预处理等确定t₂ = 0.4秒。

根据激光功率密度、焊接速度、焊缝厚度和宽度（焊缝横截面面积）、齿轮焊件体积、焊缝长度等确定t₃ = 0.5秒。

根据激光功率密度、焊接速度、焊缝厚度和宽度（焊缝横截面面积）、焊件体积、焊缝长度等确定t₄ = 0.3秒。

根据焊缝长度、焊缝厚度和焊缝宽度等确定各时间段的值以及各时间段的重要程度。以确定恰好形成焊缝闭合的时间条件，并根据实际情况，控制主要时间段以简化控制步骤，结合实验与检测数据对比方法，确定齿轮激光焊接的时间△t值，使l₄′的值越小越好，实现焊缝的良好闭合。

实例2：

对CAS5—25变速箱二速齿轮总成进行激光焊接加工，其步骤为

（3）采用反射式聚焦结构的导光***将聚焦后的激光束传输至齿轮焊接焊缝区中心，离焦量为-1mm。

（4）激光焊接过程中，激光器输出激光功率2.5KW；焊接速度1.5m/min；

（5）焊接过程中采用氮气、氩气或氦气中一种及压缩空气等气体在焊接过程中对焊接熔池及光学元件进行保护，气体流量12L/min。

齿轮焊缝直径：R=60mm，焊接速度V=1.5m/min=30mm/s，

齿轮激光焊接时间t =πR／V = 3.14×60／30 = 6.28秒。

t₁ = 0.45秒；t₂ = 0.45秒；t₃ = 0.5秒；t₄= 0.2秒。

（8）计算修正时间，△t = t₁+ t₂－t₃+ t₄=0.45+ 0.45－0.5+0.2=0.6秒；

（9）齿轮总成激光焊接时间为t+△t = 6.28+0.6=6.88秒，将此时间值输入设备控制***中，完成齿轮总成的焊接，形成闭合良好的激光焊缝。

参数确定方法同实例1。

Claims

1.一种汽车变速器齿轮激光焊缝闭合方法，其特征在于：实现汽车变速器齿轮激光焊缝良好闭合的控制方法；加工步骤为：将锥体与齿轮沿连接面压装在一起，准备进行激光焊接；将上述压装件装夹在可倾数控回转工作台的定位夹具上，使齿轮在激光焊接过程中按要求进行旋转，以实现不同的焊接速度；采用反射式聚焦结构的导光***将聚焦后的激光束传输至齿轮焊接焊缝区中心，离焦量为-3~+1mm ；激光焊接过程中，激光器输出激光功率1.5~5.5KW ；焊接速度0.8~5.3m/min ；焊接过程中采用氮气、氩气或氦气在焊接过程中对焊接熔池及光学元件进行保护，气体流量6~15L/min ；根据焊缝直径及焊接速度，计算出齿轮激光焊接时间t ；根据电控***的反应时间及光闸的动作时间、激光功率密度、焊接速度、焊缝厚度、焊缝宽度、焊缝长度、焊件体积确定时间参数t₁、t₂、t₃、t₄ ；计算出修正时间△ t=t₁+ t₂ － t₃+ t₄ ；齿轮总成激光焊接时间为t+ △ t，将此时间值输入设备控制***中，完成齿轮总成的焊接，形成闭合良好的激光焊缝。

2.根据权利要求1 所述的一种汽车变速器齿轮激光焊缝闭合方法，其特征在于所述的焊接时间参数的焊缝起始段时间为：焊缝起始点滞后于设备启动时间t₁，对应焊缝长度l₁ ；焊缝开始形成到稳定熔深的时间t₂，对应焊缝长度l₂ ；焊缝结尾段为：由于热累积作用，焊缝结束滞后时间t₃，对应焊缝长度l₃ ；焊缝熔深开始降低到焊缝终止的时间t₄，对应焊缝长度l₄ ；焊缝中间段时间为：均匀厚度焊缝的焊接时间t₀，对应焊缝长度l₀ ；焊缝表面首尾重合长度：理想重合长度：l₄ 的起始点恰好是l₂ 的终点，即焊缝表面的重合长度为l₂+ l₄。

3.根据权利要求1 所述的一种汽车变速器齿轮激光焊缝闭合方法，其特征在于所述的焊缝长度即焊缝表面重合条件为：l₄ 起点未超过l₂ 终点：实际有效焊缝长度应为l = l₀+l₃ ；设l₄′为l₄ 起点与l₂ 终点间的距离，则l₄′为焊缝闭合处焊缝有效厚度不足区段长度；焊缝表面重合长度l_f 为l₂ 起点与l₄ 终点间的距离；l₄ 起点超过l₂ 终点：实际有效焊缝长度为l = l₀+ l₂+ l₃ － l₄′ ；其中l₄′为l₄ 起点与l₂ 终点间的距离，也是焊缝正常厚度重合长度即因l₄ 必然存在，若使焊缝无厚度不足区段，此时焊缝正常厚度重合长度应以l₂ 终点为起点，以l₄ 起点为终点；焊缝表面重合长度为l_f = l₄+ l₄′ + l₂ 。

4.根据权利要求1 所述的一种汽车变速器齿轮激光焊缝闭合方法，其特征在于所述的焊缝重合长度控制方法如下：所述的变速器齿轮激光焊接采用连续二氧化碳激光器；根据激光功率、光束模式、聚焦光斑尺寸、离焦量、焊接速度、齿轮结构和体积、保护气种类与吹气方式研究出控制焊缝重合长度的方法；采用时间控制：整个齿轮总成激光焊接时间：t+ △ t

t——计算所得齿轮焊接时间；

△ t——修正时间，△ t=t₁+ t₂ － t₃+ t₄ ；

△ t 中各时间点的确定方法：

t₁ ：取决于电控***的反应时间及光闸的动作时间；

t₂ ：取决于激光功率密度、焊接速度、焊缝厚度和宽度即焊缝横截面面积、焊件体积、预处理；

t₃ ：取决于激光功率密度、焊接速度、焊缝厚度和宽度即焊缝横截面面积、焊件体积、焊缝长度；

t₄ ：取决于激光功率密度、焊接速度、焊缝厚度和宽度即焊缝横截面面积、焊件体积、焊缝长度；根据焊缝长度、焊缝厚度和焊缝宽度确定各时间段的值以及各时间段的重要程度。