差速器半軸齒輪和堵蓋組件激光焊接質(zhì)量優(yōu)化

摘 要：通過激光焊接工藝將差速器半軸齒輪和堵蓋緊密結(jié)合在一起，保證半軸齒輪和堵蓋組能儲油并防止?jié)櫥托孤遣钏倨靼胼S齒輪生產(chǎn)制造中的重要手段。本文探討了通過優(yōu)化母材過盈量、采用焊接母材切碳處理、預(yù)防焊接開裂等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了差速器半軸齒輪和堵蓋組件激光焊接質(zhì)量的顯著提升。

關(guān)鍵詞：激光焊接 半軸齒輪 堵蓋 焊接質(zhì)量

1 緒論

差速器半軸齒輪和堵蓋是汽車差速器系統(tǒng)中的兩個重要部件，它們各自具有獨(dú)特的功能和作用，同時也存在著密切的聯(lián)系和相互影響。在差速器的裝配過程中，堵蓋需要被安裝在差速器半軸齒輪的開口處，以封閉開口并防止?jié)櫥托孤４送猓律w的密封性能也直接影響到差速器半軸齒輪的工作效果和差速器的整體性能。因此，對差速器半軸齒輪和堵蓋組件激光焊接過程的研究和質(zhì)量優(yōu)化至關(guān)重要。

2 差速器半軸齒輪和堵蓋組件

差速器半軸齒輪和堵蓋組件，半軸齒輪材料為20CrMoH，配對堵蓋材料為20CrMoH，材料成分符合 EN10084標(biāo)準(zhǔn)要求。激光焊接的高能量密度和精確控制特性也有助于在20CrMoH材料上形成高質(zhì)量、高強(qiáng)度的焊縫。半軸齒輪和堵蓋采用過盈配合，過盈量控制在0.01～0.04mm，經(jīng)激光焊接后成為差速器半軸齒輪和堵蓋組件，如圖1所示。

3 激光焊接的過程研究和質(zhì)量優(yōu)化

3.1 母材過盈量的優(yōu)化

激光焊接母材的過盈量是指焊接母材在焊接前存在的間隙或配合公差，它對激光焊接件的表面質(zhì)量有著重要影響。如果焊接母材之間的間隙過大，激光束可能會穿過間隙而不能有效熔化母材，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)明顯的咬邊、凹陷等缺陷，這些缺陷會嚴(yán)重影響激光焊接件的表面質(zhì)量和整體性能；如果焊接母材的配合公差不合理，也可能導(dǎo)致焊縫形狀不穩(wěn)定，出現(xiàn)焊接缺陷；錯邊過大或裝配不嚴(yán)等問題都可能導(dǎo)致焊縫表面質(zhì)量下降。

在焊接直徑與聚焦量、焊接圈數(shù)（預(yù)熱、焊接、緩冷）、焊接功率及工件自身的清潔度、環(huán)境溫濕度穩(wěn)定的情況下，對母材之間的過盈量進(jìn)行了合理選擇，如表1所示。

根據(jù)表1的壓裝試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出：雙邊過盈量范圍0.01-0.04時，壓力值滿足3-6kN；堵蓋外圓直徑圖紙要求Φ34（+0.06/+0.03）mm，

通過機(jī)加工來控制堵蓋直徑Φ34（+0.05/+

0.035）mm；半軸齒輪沉孔直徑圖紙要求Φ34（+0.025/0）mm，通過機(jī)加工控制半軸齒輪沉孔直徑Φ34（+0.025/+0.01）mm。

以上壓裝試驗(yàn)雙邊過盈量范圍0.01-0.04時，滿足壓裝力3-6kN的要求。但在實(shí)際生產(chǎn)時，壓裝過程中會有因過盈壓裝而產(chǎn)生外翻鐵絲，在外面的鐵絲可以人工去除，但壓縫中鐵絲無法去除，導(dǎo)致的結(jié)果就是焊接時出現(xiàn)飛濺，焊渣掉落在齒面上很難去除，飛濺的地方就會出現(xiàn)焊接不連續(xù)、凹坑等缺陷，不能滿足客戶要求，造成齒輪報廢。

通過頂出力試驗(yàn)實(shí)際驗(yàn)證，如表2所示，在滿足氣密檢、頂出力試驗(yàn)（≥40000N）的要求下，壓裝力3-6kN僅作一個參考值，不硬性規(guī)定，避免了以上飛濺導(dǎo)致齒輪報廢的不足。

過盈量越大，壓裝力越大，壓裝過程出現(xiàn)的鐵絲會越多，出現(xiàn)焊接飛濺的可能性越大；過盈量越小，壓裝力越小，焊接熔深越淺，堵蓋頂出試驗(yàn)失敗的可能性越大。經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)，對母材過盈量進(jìn)行了優(yōu)化，如表3所示，合理的過盈量，解決了焊接飛濺、凹坑、不連續(xù)、熔深不夠、堵蓋頂出力不足的問題。

優(yōu)化后，雙邊過盈量在0.025-0.03范圍內(nèi)，壓配之后，半軸齒輪和堵蓋兩壓配件之間沒有鐵絲或鐵屑等異物，激光焊接過程不再出現(xiàn)飛濺的現(xiàn)象，解決了焊接外觀的問題；優(yōu)化后，壓裝力為1.5-6kN的范圍內(nèi)，當(dāng)壓裝力在1.68kN時，其頂出力為46350N（要求≥40000N），滿足客戶需求。

3.2 焊接母材質(zhì)量的優(yōu)化

半軸齒輪制造過程需要滲碳處理，導(dǎo)致含碳量過高。為了優(yōu)化焊接質(zhì)量，使半軸齒輪和堵蓋焊接母材的組織成分無限制接近，實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用了切碳工藝即針對滲碳后齒輪表面高碳層的去除工藝，由于滲碳處理會使齒輪表面形成一層高碳組織，這層組織雖然硬度高、耐磨性好，但在某些情況下（如焊接部位）可能會帶來不利的影響，如增加焊接難度、降低焊接質(zhì)量等。因此，在滲碳熱處理后，將焊接部位的高碳層去除，以同種低碳合金鋼的形式進(jìn)行焊接，成為一種合理的選擇。半軸齒輪滲碳熱處理后把焊接部位——前端沉孔的表面高碳層機(jī)加工切掉，這樣堵蓋與半軸齒輪前端沉孔就都是同種低碳合金鋼了。

具體優(yōu)化措施：圖紙硬化層深度要求0.8-1.2mm，滲碳層為0.95-1.35mm。把半軸齒輪前端沉孔直徑由￠34±0.1mm，調(diào)整為￠31±0.1mm，滲碳熱處理后再機(jī)加工，單邊去除1.5mm左右的滲碳層，保證焊接基體一致。

經(jīng)過切碳后，焊接過程中的飛濺物明顯減少，如圖2所示。同一件產(chǎn)品的熔深差值明顯縮小，由以前的0.30mm的差值減少至0.10mm；同批件產(chǎn)品的熔深差值也縮小至0.20mm，焊接穩(wěn)定性提高。

3.3 焊接部位防裂工藝的優(yōu)化

激光焊接過程中產(chǎn)生的裂紋是一個重要的問題，它可能導(dǎo)致焊接部位的強(qiáng)度和密封性能下降。為杜絕激光焊接過程中裂紋的產(chǎn)生，有效識別差速器半軸齒輪延期裂紋及堵蓋泄漏而采取了以下優(yōu)化措施。

3.3.1 采用切碳工藝

半軸齒輪前端沉孔采用切碳工藝，在去除高碳層后，焊接部位與堵蓋的材料均為同種低碳合金鋼，有利于減少冷脆性傾向，有利于降低焊接難度，提高焊接質(zhì)量，確保焊接部位的強(qiáng)度和韌性。

3.3.2 控制激光焊接中的環(huán)境

為了確保激光焊接的質(zhì)量和穩(wěn)定性，需要對焊接環(huán)境特別是工件自身的清潔度、溫濕度等進(jìn)行一定的控制。

將清洗后的差速器半軸齒輪和堵蓋置于恒溫室中24小時后進(jìn)行焊接，這一做法旨在確保焊接前的材料處于穩(wěn)定且適宜的環(huán)境條件，從而提高焊接質(zhì)量和可靠性。

恒溫室內(nèi)的溫度設(shè)定為20±2℃。這一溫度范圍是為了確保材料在焊接前處于相對穩(wěn)定的熱狀態(tài)，避免由于溫度波動導(dǎo)致的材料性能變化。穩(wěn)定的溫度有助于減少焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力和變形，提高焊接部位的質(zhì)量和強(qiáng)度。

恒溫室內(nèi)的濕度要求≤55%。低濕度環(huán)境有助于減少材料表面的水分含量，避免焊接時產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。濕度控制還可以防止材料在焊接過程中因吸濕而導(dǎo)致的性能下降，確保焊接部位的可靠性和耐久性。

同時，在激光焊接車間內(nèi)安裝溫濕度監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時監(jiān)測并記錄焊接環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)。如果焊接環(huán)境的濕度過高，可以采取除濕措施，如使用除濕機(jī)、通風(fēng)換氣等。將焊接材料保存在干燥、通風(fēng)良好的環(huán)境中，避免其受潮。定期對激光焊接設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，確保其處于良好的工作狀態(tài)。

3.3.3 增加靜置工藝，防止“延遲裂紋”的產(chǎn)生

延遲裂紋是在焊接過程完成后，經(jīng)過一段時間才產(chǎn)生的裂紋，這種裂紋具有潛伏期、緩慢擴(kuò)展期和突然斷裂期三個階段，并且與焊縫金屬中的氫含量、應(yīng)力狀態(tài)以及材料的淬硬傾向密切相關(guān)。焊接后，合金中含有氫會導(dǎo)致其延展性降低，并且氫含量越高，這種現(xiàn)象越明顯。由于氫原子半徑較小，可以在金屬中自由游走，當(dāng)一定量的擴(kuò)散氫在晶粒之間聚集，變成分子后的氫元素壓力變大，繼而誘發(fā)裂紋。由于一定量的擴(kuò)散氫擴(kuò)散和聚集需要一段時間（應(yīng)在48小時內(nèi)），因此被稱為“延遲裂紋”。

為防止焊接后產(chǎn)生的“延遲裂紋”，在原有工序中增加48小時靜置工藝的措施是非常必要的。延遲裂紋通常發(fā)生在焊接完成后的幾小時、幾天甚至更長時間內(nèi)，因此，通過靜置觀察可以有效發(fā)現(xiàn)并及時處理這些潛在的裂紋，確保產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

齒輪組件激光焊接工序的優(yōu)化：準(zhǔn)備壓裝焊接48小時靜置標(biāo)識氣密檢位移試驗(yàn)（頂出力試驗(yàn)）。

（1）48小時靜置工藝

為達(dá)到“靜置48小時”，發(fā)現(xiàn)是否存在“延遲裂紋”，設(shè)計(jì)制造了靜置區(qū)料倉。每只齒輪的焊接時間約為70秒，可在保證焊接質(zhì)量的前提下，縮短焊接時間，提高生產(chǎn)效率；合理安排工作時間，每天實(shí)際工作時間為14小時，可以確保生產(chǎn)線的連續(xù)性和穩(wěn)定性；在兩天的工作時間內(nèi)，可以焊接1440只齒輪，可以確保在靜置區(qū)料倉中有足夠的齒輪進(jìn)行靜置觀察。

（2）靜置區(qū)料倉布局與容量

1）布局設(shè)計(jì)

靜置區(qū)料倉分為兩排，每排設(shè)有三個料倉（層），這樣的布局不僅節(jié)省了空間，還方便了工人的操作和管理。

2）容量計(jì)算

每個料倉內(nèi)設(shè)有6只料盤，每只料盤可裝載6×7=42只焊接齒輪。

因此，整個靜置區(qū)料倉的總?cè)萘繛椋?排×3層/排×6料盤/層×42只齒輪/料盤=1512只焊接齒輪。

兩天可焊接1440只齒輪，而靜置區(qū)料倉的總?cè)萘繛?512只齒輪，完全能夠容納兩天內(nèi)焊接的所有齒輪，完全能滿足“靜置48小時”的要求，并留有額外的空間以備不時之需。

3）料倉管理

標(biāo)記與記錄：焊接完成后，將齒輪放入指定的料盤，并在料盤或齒輪上進(jìn)行標(biāo)記和記錄，以便追溯和檢查。

定期檢查：在靜置過程中，定期對齒輪進(jìn)行檢查和觀察，以發(fā)現(xiàn)潛在的延遲裂紋或其他質(zhì)量問題。

環(huán)境控制：靜置區(qū)料倉應(yīng)保持干燥、清潔，并控制適宜的溫度和通風(fēng)條件，以確保齒輪在靜置過程中的穩(wěn)定性和安全性。

4 結(jié)論

通過將雙邊過盈量在0.025-0.03范圍內(nèi)；針對滲碳后齒輪表面高碳層運(yùn)用切碳工藝；將清洗后的差速器半軸齒輪和堵蓋置于恒溫室中24小時后進(jìn)行焊接，恒溫室內(nèi)的溫度設(shè)定為20±2℃，濕度要求≤55%；增加48小時靜置工藝，防止“延遲裂紋”的產(chǎn)生，保證了激光焊接差速器半軸齒輪和堵蓋組件的焊接質(zhì)量，進(jìn)一步推廣激光焊接技術(shù)在齒輪上的應(yīng)用提供一些參照。

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