電子束焊接技術(shù)在汽車齒輪及深熔零件焊接中的應(yīng)用

周明文，王 楠，李 彬，劉國山，王子國，郝明學(xué)，蔡金生，張 雷

(中國第一汽車股份有限公司 技術(shù)中心，吉林 長春 130011)

0 前言

真空電子束焊縫質(zhì)量好、精度高、穿透深度深、易控制，適用于大批量生產(chǎn)，其焊縫熱影響區(qū)小，變形少，可作為最后加工工序或僅留精加工余量。但電子束焊接一般需要工件在高真空條件下焊接，工件尺寸和形狀受到真空室的限制，且每個(gè)焊接循環(huán)內(nèi)都需抽真空、充氣，影響了生產(chǎn)效率。在汽車工業(yè)領(lǐng)域，電子束焊接主要應(yīng)用于變速箱齒輪、后橋橋殼、行星齒輪框架等。由于電子束焊縫深寬比大，同樣適用于深熔零件的焊接。

1 真空電子束焊接技術(shù)的特點(diǎn)[1]

電子束焊接是在真空條件下，利用電子槍產(chǎn)生的電子經(jīng)加速、聚焦，形成高能量密度極細(xì)束流，高速?zèng)_擊到工件表面，并在極短的時(shí)間內(nèi)將電子的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)換為熱能，使工件被沖擊部位的材料達(dá)到幾千攝氏度，致使材料局部熔化或蒸發(fā)，達(dá)到焊接的目的。與傳統(tǒng)焊接工藝相比，真空電子束焊接一般不需要填充焊絲或其他材料，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）電子束能量密度高達(dá) 106～109W/cm2，可焊接一般電弧焊難以實(shí)現(xiàn)的焊縫。

（2）電子束焊接是在真空中進(jìn)行，焊縫的化學(xué)成分穩(wěn)定且純凈，接頭強(qiáng)度高，焊縫質(zhì)量高。

（3）電子束焊接速度快，效率高，適合大批量生產(chǎn)。

（4）電子束焊接熱影響區(qū)小，變形小。

（5）電子束焊縫深寬比大，其深寬比很容易達(dá)到 10∶1。

（6）電子束可焊接幾乎所有的金屬材料，包括不同種金屬和難熔金屬。

（7）焊接過程中可以采用掃描攪拌，有利于焊接過程中氣體的排出。

但是，真空電子束焊的缺點(diǎn)也十分明顯：

（1）需要高真空環(huán)境以防止電子散射，設(shè)備復(fù)雜，焊件尺寸和形狀受到真空室的限制。

（2）由于真空室的存在，每次循環(huán)周期都必須有抽真空、充氣過程，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

（3）由于電子帶電，會(huì)受磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)影響，要求電子束焊工件焊前去磁處理。

（4）存在X射線問題，需對(duì)操作人員實(shí)施保護(hù)。

（5）對(duì)工件裝配質(zhì)量要求嚴(yán)格，同時(shí)工件表面清潔的要求也較高。

2 電子束焊汽車齒輪優(yōu)點(diǎn)及存在問題

電子束焊汽車齒輪結(jié)構(gòu)緊湊、精度高。焊接過程可能出現(xiàn)焊接裂紋、飛濺、氣孔、焊偏、焊穿、下凹、錯(cuò)邊、咬邊、夾雜等焊接缺陷。為保證電子束焊接質(zhì)量，對(duì)一汽生產(chǎn)的一種輕型汽車的二聯(lián)齒輪進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)齒輪材料為20CrMnTi，主要生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)工藝流程

2.1 電子束焊接齒輪焊前準(zhǔn)備

電子束焊接對(duì)零件的焊接面清洗要求比較高，必須清除干凈水、油、銹、氧化物以及其他雜質(zhì)等。因?yàn)榧词勾嬖谏倭康乃蛴蜐n，都會(huì)影響真空室真空的抽取，導(dǎo)致真空室難以達(dá)到所需的真空度或抽真空時(shí)間加長；另外，在高溫、真空條件下，油漬分解為氣體后其體積膨脹很多，在焊接過程中容易形成氣孔。同時(shí)，由于熔池中氣體體積的急速膨脹造成嚴(yán)重的焊接飛濺，導(dǎo)致焊縫表面出現(xiàn)較大的下凹缺陷。本試驗(yàn)齒輪數(shù)量較少，采用酒精、丙酮擦拭工件來保證焊接件的清潔。

2.2 齒輪裝配[2]

齒輪零件焊前的裝配精度對(duì)電子束的焊接質(zhì)量影響明顯，如過盈量太大或毛刺等原因?qū)е卵b配不到位，則無法確保焊后零件的各項(xiàng)精度指標(biāo)。如果齒輪與結(jié)合齒間配合過松，容易產(chǎn)生收縮過大，出現(xiàn)裂紋、下凹、咬邊等缺陷。為保證焊接質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制機(jī)加工的公差配合和焊前壓配的精度。本試驗(yàn)齒輪總成采用小過渡配合，接合齒加熱后裝配，齒輪、接合齒公差為±0.03 mm。

2.3 焊接夾具對(duì)焊接質(zhì)量的影響

試驗(yàn)齒輪是環(huán)焊縫零件。首先，焊接夾具必須達(dá)到一定的回轉(zhuǎn)精度。經(jīng)百分表檢測(cè)，齒輪焊接夾具端跳 0.03 mm，徑跳 0.04 mm。其次，試驗(yàn)齒輪采用齒輪內(nèi)孔定位，內(nèi)孔與夾具的配合精度也非常重要，配合精度太高，間隙量過小，不僅增加了加工成本，而且裝卸件難度增加，影響生產(chǎn)效率；如果配合間隙過大，又易產(chǎn)生焊縫偏移，影響焊接質(zhì)量。本試驗(yàn)齒輪與夾具間配合間隙為0.2 mm。

2.4 電子束對(duì)中

電子束良好對(duì)中非常重要，對(duì)中不好，易發(fā)生焊縫焊偏，有效焊縫減小，造成齒輪強(qiáng)度下降。試驗(yàn)齒輪采用4倍光學(xué)觀察系統(tǒng)精確定位。

2.5 齒輪的電子束焊接試驗(yàn)

試驗(yàn)齒輪批量生產(chǎn)時(shí)，接合齒出現(xiàn)向上翹曲變形約0.3 mm，不能滿足設(shè)計(jì)要求。如圖2所示，齒輪焊縫處結(jié)構(gòu)為對(duì)接環(huán)焊縫，齒輪裝配時(shí)通過止口定位達(dá)到安裝精度，焊接過程中，接合齒與齒輪止口下部相抵，由于焊縫的收縮作用，焊縫區(qū)收縮，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的焊縫應(yīng)力和焊接變形。該齒輪接合齒尺寸較小、較薄，進(jìn)一步加劇了向上翹曲的變形量。

圖2 齒輪焊接

分析認(rèn)為：如果加大焊縫深度，使焊縫熔深達(dá)到齒輪與接合齒接觸的端面高度，減少接合齒與齒輪止口下部的相抵作用，應(yīng)能減小焊接變形量[2]。根據(jù)分析結(jié)果，采用北京中科華正電氣有限公司EBW-8CH電子束焊機(jī)進(jìn)行了兩種工藝的焊接試驗(yàn)，具體焊接工藝見表1。兩種試驗(yàn)件各焊接總成五件，接合齒變形如圖3所示。試驗(yàn)2齒輪接合齒變形達(dá)到設(shè)計(jì)要求，采用2號(hào)工藝參數(shù)焊接的齒輪總成如圖4所示。

對(duì)兩種試驗(yàn)件進(jìn)行剖切，剖面圖如圖5所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖3 試驗(yàn)1與試驗(yàn)2接合齒翹曲變形對(duì)比

圖4 采用2號(hào)工藝參數(shù)焊接的齒輪總成

圖5 焊縫剖面

4 深熔零件的電子束焊接

由于電子束焊具有穿透能力強(qiáng)、焊縫深寬比大、焊接速度快、熱影響區(qū)小、焊接變形小的特點(diǎn)，在深熔零件中得到應(yīng)用。圖6所示缸體為一典型電子束焊接事例，該缸體材料為35CrMo，兩側(cè)均有兩個(gè)如圖所示的仿形孔，需焊接兩個(gè)封閉的C型塊，C型塊外形與仿形孔小過盈配合，兩孔邊緣距缸體外表面僅5 mm，而焊縫熔深要求大于10 mm。

圖6 電子束焊接缸體

碳當(dāng)量是判斷鋼材焊接性的依據(jù)，碳當(dāng)量值越高，焊縫及熱影響區(qū)就越容易產(chǎn)生裂紋。材料碳當(dāng)量小于0.4%時(shí)，鋼材焊接性良好，一般不需要預(yù)熱和嚴(yán)格控制線能量；而當(dāng)材料碳當(dāng)量大于0.4%，尤其是超過0.6%時(shí)，隨著CE的升高，鋼材冷裂傾向就會(huì)明顯增加，依據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式[3]CE=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5（單位:%）計(jì)算，缸體碳當(dāng)量CE=0.75%，焊接性較差，必須采取較嚴(yán)格的工藝措施。

4.1 焊前清洗和裝配

缸體上的仿形孔和C型塊均為線切割加工件，存在水、油污及其他臟物，必須嚴(yán)格清洗、烘干，仿形孔和C型塊清洗后，采用丙酮擦拭。然后，將C型塊安裝到仿形孔內(nèi)，兩件采用小過盈配合。

4.2 焊接編程

該缸體仿形孔焊接采用相對(duì)位移方式編程，因?yàn)殚_始焊接時(shí)存在束流上升時(shí)間過程，起始段焊縫熔深較小，所以在完成仿形孔一周焊接時(shí)，不關(guān)閉束流，繼續(xù)按仿形孔向前運(yùn)動(dòng)30 mm再關(guān)閉束流。同樣，關(guān)閉束流后，存在束流下降時(shí)間過程。關(guān)閉束流后，讓工件繼續(xù)按焊縫軌跡運(yùn)動(dòng)30 mm，以避免出現(xiàn)弧坑。

4.3 缸體焊接

為保證焊接質(zhì)量，該缸體電子束焊縫較齒輪焊縫略寬，缸體焊接焦點(diǎn)位于工件表面下方約2 mm，采用300 Hz正弦波電子束掃描焊接，以促進(jìn)氣體排出，具體工藝參數(shù)如表2所示。圖7為該缸體的一處焊縫剖面，其內(nèi)部無氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，且缸體外表面幾乎沒有變形，達(dá)到用戶要求。

5 結(jié)論

（1）電子束焊接工藝對(duì)焊前準(zhǔn)備工作要求較高，焊前嚴(yán)格清洗、合理裝配是保證焊接質(zhì)量的必要條件。

表2 缸體焊接工藝參數(shù)

圖7 缸體的一處焊縫剖面

（2）對(duì)于接合齒較薄的汽車齒輪，接合齒焊透有利于降低焊接變形。

（3）深熔零件電子束焊接時(shí)起弧段熔深較小，收弧前須對(duì)該區(qū)域重熔，且收弧段應(yīng)避免出現(xiàn)弧坑。

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接手冊(cè)（第一卷）—焊接方法及設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[2[ 周廣德，張毓新，陶守林.齒輪及傳動(dòng)類零部件電子束焊接的質(zhì)量控制[A].2001全國荷電粒子源、粒子束學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2001.

[3]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接手冊(cè)（第二卷）—材料的焊接[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.