汽車傳動件弧焊技術研究

摘要：作為汽車內部關鍵的零部件，傳動件通常采用MAG焊接方法。然而，該部件的故障表現往往為焊縫開裂。雖然隨著技術的不斷進步，焊縫強度有所提升，但整體質量仍無法滿足市場需求。本論文以傳動齒輪為研究對象，針對焊縫疲勞強度進行研究，并提出多項改進措施并進行大量試驗，旨在解決傳動齒輪焊縫開裂問題，實現汽車整體壽命的進一步提升。

關鍵詞：傳動件；MAG焊接；疲勞強度；焊接缺陷

中國分類號：U466 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2023.03.006

1引言

國內焊接類型的齒輪傳動件較多。通過市場跟蹤和競品分析，發現該類型傳動件發生的故障主要集中在打齒、焊縫開裂、齒面點蝕，其中焊縫開裂在售后問題中最為突出。

焊接類齒輪傳動件在制造過程中，需要經歷鍛造、滾齒、磨齒、熱裝和焊接等工藝過程。這些工藝難免會產生殘余應力、變形、焊接缺陷、時效應變等問題，而這些問題都發生在焊縫坡口附近，使得焊接接頭成為結構件的薄弱環節。因此，對于傳動齒輪的疲勞壽命問題，焊縫尤為重要。

國內傳動齒輪焊接的現狀問題為：售后焊縫開裂故障較高、焊縫強度安全系數不明確、焊縫失效分析經驗不足以及焊接工藝不成熟等。如何保證焊縫強度滿足實際工況需求是解決問題的難點。

影響焊縫疲勞強度的因素很多。本文從焊材選擇、坡口設計和焊接工藝3個方面入手，通過應用合適的焊材、優化焊縫結構、優化焊接工藝參數以及控制焊接缺陷等措施，結合大量試驗進行對比分析，得出合理提升方案，最終使傳動齒輪壽命顯著提升。

2傳動齒輪焊縫受力分析

通過模擬分析可知，傳動齒輪通常承受來自軸向兩側的壓應力、拉應力，以及沿著圓周方向的剪切力。此外，軸向壓應力與拉應力交替出現。

3焊縫質量提升方案

3.1合理匹配焊材

行業內傳動齒輪母材普遍采用20CrNiMo，因其良好的綜合力學性能多年來一直受到各大制造廠家的青睞。20CrNiMo的化學成分及力學性能如表1、表2所示。

由傳動齒輪結構焊縫受力分析可知，其在實際工況中承受交變載荷。為保證疲勞壽命，選擇焊材時應采用低強匹配原則，即焊材的抗拉強度、屈服強度需低于母材。可選焊材型號范圍包括50 kg、60 kg、70 kg、80 kg和90 kg。由于焊材抗拉強度與沖擊韌性成反比，且塑韌性對延遲裂紋的產生和擴展有一定的作用，因此選擇具有較高塑性和韌性的焊材可以延長疲勞壽命及提高疲勞強度。考慮到高強度焊絲會導致成本上升，綜合考慮，我們選擇價格較低、韌性和塑性相對較高的50 kg焊材。

在焊接過程中，考慮到S、P等有害元素對塑韌性的影響，必須嚴格控制焊材相關成分。這樣可以避免在焊接過程中出現過多的缺陷，并保證焊縫具備一定的機械性能，特別是具有良好的塑性和韌性。

3.2優化坡口設計

隨著應力集中的增大，焊縫疲勞強度會降低。因此，在設計齒輪軸焊縫時，應盡量減少應力集中，并降低焊縫的余高。焊接接頭中，其應力集中主要發生在焊縫與母材過渡的焊趾處以及焊縫底部未焊透處。焊趾處的應力集中隨著過渡半徑r的增大而減小，隨著焊接過渡角e的減小而減小。余高越大、r越小、e越大，焊縫的疲勞強度就越差，如圖1所示。因此，必須設法降低焊縫的余高，并確保焊縫寬度覆蓋焊道，避免咬邊，如圖2所示。

焊縫底部不能有效焊透的問題可以通過鈍邊側移來解決，同時引入J型坡口設計方法，保證焊道一次焊透。在一些需要改變截面的地方，必須設計成平緩過渡，不允許有突變。因此，在焊接軸軸齒、片齒等存在原有錯邊（如圖3所示）問題的情況下，需進行優化，以保證對接坡口頂部平齊，促進焊縫的平滑過渡。

由以上圖表可以看出，焊縫結構經過優化后，焊縫完全焊透，底部鈍邊消失，上部錯邊得到了消除，同時焊縫余高也得到了減小。這使得應力集中處對焊縫疲勞強度的影響降低。此外，優化后軸徑加粗、焊縫位置右移，使得環焊縫受力面積增大，焊縫軸向性增強，從而進一步提高了疲勞強度。經過兩輪臺架試驗，數據顯示，焊縫結構優化后，齒輪疲勞壽命由40萬次提升至60萬次以上，同比提高50％。

3.3優化焊接工藝，控制焊接缺陷

3.3.1控制焊接熱輸入線能量

焊接是一個快速加熱和冷卻的過程，因此過高的焊接熱輸入會導致近縫區過熱，從而出現粗大的魏氏體組織。該組織的力學性能，尤其是塑韌性極差。因此，在焊接時應盡可能采用較小的焊接熱輸入線能量，減小焊件受熱范圍，從而減少焊接殘余應力。結合現場節拍要求，通過反復試驗，目前采用280-350 A的大電流、快速度進行焊接，并且保證焊接熱輸入在合理范圍內，以保障焊接質量。。

3.3.2焊前結合熱裝工步，適當提高預熱溫度

由于20CrNiMo材料碳當量達到了0.6%，需要進行適當的預熱。在焊接過程中，對焊縫兩側進行加熱可以使焊縫區域與結構整體盡可能均勻地冷卻，從而降低焊接殘余應力。經過計算、測量及試驗驗證，現有結構選定80℃的預熱溫度。同時，通過將原齒輪熱裝溫度由120℃提升至150℃后可以滿足要求。

3.3.3焊接保護氣精準配比

使用80％Ar+20％CO2的混合保護氣進行焊接，氣體的壓力、純度、比例和流量對焊縫質量影響較大，因此必須嚴格控制。為了滿足工藝要求，引入了可以滿足要求的氣體配比器，并且使配比精度達到了±1.5%。此外，還采用了工業匯流排并加入了氣壓監控預警系統，有效減小了氣體因素對焊縫質量的影響。具體見表4和圖6。

3.3.4施焊時控制焊縫缺陷

因焊接過程的特殊性，焊接過程必然會出現一些缺陷，例如氣孔、夾渣、焊瘤、裂紋、咬邊、未焊透、未熔合、電弧擦傷等。這些缺陷由于應力集中，對疲勞強度產生很大影響。其中裂紋、未熔合、未焊透等片狀缺陷比其他缺陷對疲勞的影響更大，在運行中可能成為疲勞裂紋源，而導致焊縫破壞。因此，必須嚴格將焊縫缺陷控制在標準范圍內。

焊接時完全避免缺陷產生是不現實的，因此焊接時發現缺陷超標應及時分析原因，并制定工藝措施減少缺陷產生。

4總結

弧焊方法作為一種特殊的焊接工藝，在汽車傳動件制造中起著關鍵作用。在實際生產中，應根據實際情況，從選材、設計、焊接等多方面綜合考慮，采用一定的措施降低應力集中、減少裂紋源等，提高焊縫的疲勞強度。

本文提出以上幾種改進措施，并進行了大量試驗。通過數據對比，證明這些措施使得焊縫疲勞壽命得到大幅提升。這為進一步提高產品質量、降低售后損失提供了方法和思路。

（責任編輯：王作函）