激光焊接在汽車變速器齒輪中的應用和發展前景

陳兵華

近年來，激光焊接技術在變速器齒輪焊接中的優勢日益明顯，得到了越來越多的關注，是未來發展的主要趨勢。

由于機床加工技術的局限性，形狀、結構復雜的齒輪組件很難甚至無法整體加工成單件。為了提高生產效率，通常是加工成兩個或兩個以上的單件再經焊接工藝組合成一個組件。在運用激光焊接之前，齒輪的焊接一般采用電阻焊、感應焊、電子束焊等工藝方法。

與上述焊接工藝相比，激光焊接齒輪無需在真空中進行，而且可避免焊接變形，保證了焊后的齒輪無需再進行精加工。不僅如此，激光焊接可使焊縫深寬比高達10∶1，且焊縫處具有相當或優于母材的綜合力學性能，保證了齒輪可以傳遞較大的扭矩。因此，齒輪的激光焊接已成為當今發展的一個大趨勢。目前世界各大汽車制造廠競相采用激光焊接變速器復合齒輪以提高產品在國際市場上的競爭力，我國采用激光焊接汽車齒輪的單位也越來越多。圖1為多種齒輪的激光焊接照片。

激光焊接的原理是通過光學系統將激光束聚焦在很小的區域內，在極短的時間內使被焊處形成一個能量高度集中的熱源區，從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點和焊縫。它屬于非接觸式焊接，主要針對薄壁材料、精密零件的焊接，可實現點焊、對接焊、疊焊及密封焊等，深寬比高，焊縫寬度小，熱影響區小、變形小，焊接速度快，焊縫平整、美觀，焊后無需處理或只需簡單處理，焊縫質量高、無氣孔，可精確控制，聚焦光點小，定位精度高，易實現自動化。

圖1 變速器齒輪激光焊接

激光焊接變速器齒輪的工作原理如圖2所示。激光器產生激光束水平送出，通過兩個45°平面反射鏡傳輸到45°角的反射式曲面聚焦鏡上，由曲面聚焦鏡垂直聚焦照射在被裝夾在數控回轉工作臺上正在旋轉的齒輪上進行焊接。

激光焊接以其能量密度高，加熱范圍小，焊接及熱影響區域窄，焊接速度快，深寬比大，焊接變形小等諸多優點，在汽車工業生產中得到廣泛應用。當然，焊件需使用夾具時，必須確保焊件的最終位置與激光束將沖擊的焊點對準；另外，設備昂貴也制約了激光焊接的實際應用。激光焊接根據激光發生器，可分為CO2氣體激光發生器和固體光纖激光發生器兩類。固體光纖發生器激光焊接因其動態功率范圍大，焊接速度快，焊接深寬比更優，激光器功耗小，無工作介質消耗，體積小、結構緊湊，易于擴展升級，工作環境高容忍度，免維護，使用壽命長等優點是今后的發展趨勢。

激光焊接變速器齒輪工藝順序為：①焊接清洗：一般安排在焊接的前一道工序完成。試驗中選擇無水乙醇代替工業清潔劑用于焊前表面的清潔。②壓裝：清洗后的齒輪首先要進行壓裝，壓裝是通過壓機把要焊接的兩個零件壓配后緊密結合在一起。入射激光光斑和組對間隙的偏移要求非常準確。由于激光束的聚焦光斑很小，所以焊縫需要高精度定位，其位置偏離的最大允許值要依聚焦光斑的半徑來定, 一般≤ 0.1 mm。③預熱（可選）：為了避免產生焊接裂紋，根據零件材料及加工狀態，有時需要在焊前進行預熱，特別是對含碳量高或經過熱處理滲碳淬火后的零件。④激光焊接，圖3為焊后齒輪。焊縫截面如圖4所示。⑤焊后檢測：一般將焊縫切開進行顯微觀察或者采用超聲波探傷檢測。目視檢查要求焊接飛濺較少，本試驗工作面飛濺少，內部氣孔和縮孔較少。

激光焊接特別是固體光纖激光發生器的激光焊接因其技術優勢，是未來的激光焊接發展趨勢。我國激光焊接設備設計制造水平和能力目前還比較薄弱，國內主要汽車廠的齒輪激光焊接設備主要依賴進口，價格昂貴。少量民族企業已經起步發展并占據部分市場，這對降低成本促進激光焊接的應用有著良好的推動作用。在激光焊接齒輪方面，工藝已日趨完善，可以控制焊縫氣孔和裂紋達到工業要求，方法穩定可靠，效率高，雖然初期投資較大，但加工成本比機械加工要少50%。激光焊接有著傳統焊接無法取代的優勢，必將成為變速器齒輪焊接的主流產品。

圖2 激光焊機工作原理

圖3 焊后齒輪

圖4 焊縫截面