液力變矩器泵輪總成MAG自動(dòng)焊工藝

牛偉強(qiáng)，呂浩，唐春，陳科，猶安模，霍春梅

（重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司民品技術(shù)中心，重慶402760）

0 前言

液力變矩器是應(yīng)用于AT和CVT等自動(dòng)檔變速器轎車中的一個(gè)關(guān)鍵零部件,其工作原理是利用液體的流動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩平穩(wěn)地傳遞給自動(dòng)變速器。由于液力變矩器的技術(shù)含量高，制造難度大，涉及沖壓、焊接、機(jī)加、裝配等多項(xiàng)專業(yè)技術(shù)，所以前期投入大、利潤低，目前國內(nèi)對它的開發(fā)和應(yīng)用還依賴于進(jìn)口，因此液力變矩器的開發(fā)制造對推動(dòng)我國汽車傳動(dòng)行業(yè)的發(fā)展有著極其重要的作用。

在液力變矩器泵輪總成焊接過程中，因其零部件加工精度累計(jì)誤差較大（如釬焊變形、沖壓變形等因素），直接影響了泵輪總成軸套尺寸φ45mm的合格率，具體表在：變形方向不確定，尺寸不穩(wěn)定、一致性差，徑向跳動(dòng)大、超差和報(bào)廢率高等。嚴(yán)重影響了生產(chǎn)進(jìn)度和生產(chǎn)效率，極大地增加了焊接工藝技術(shù)難度。在不具備電子束焊、激光焊及微束等離焊等先進(jìn)工藝方法設(shè)備條件的前提下，針對以上技術(shù)難題，在不增加高額投資基礎(chǔ)上，開展了MAG自動(dòng)焊接泵輪總成工藝研究，提高了泵輪總成焊接工藝水平，降低了成本，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

1 泵輪總成結(jié)構(gòu)、材料及技術(shù)要求

1.1 泵輪總成及軸套結(jié)構(gòu)

泵輪總成由內(nèi)環(huán)、葉片、泵輪外殼及軸套組成。內(nèi)環(huán)、葉片、泵輪外殼為沖壓成形件；軸套為模鍛坯件，經(jīng)車削、熱處理、銑削和精磨形成半成品，軸套結(jié)構(gòu)又分為撥叉形、平頂形和整體形，文中僅以撥叉形結(jié)構(gòu)為研究對象，如見圖1所示；內(nèi)環(huán)、葉片、泵輪外殼裝配后經(jīng)釬焊、車削形成泵輪組件，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

軸套與泵輪組件經(jīng)裝配稱為泵輪總成，焊接結(jié)構(gòu)為Y形帶鎖底結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

1.2 泵輪外殼及軸套材料

泵輪外殼材料：鋼板3.5-Q/BQB 301—2002；軸套材料：45-GB/T 699—1999。

圖1 撥叉形結(jié)構(gòu)軸套示意圖

圖2 泵輪外殼組件示意圖

圖3 泵輪總成結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 焊接技術(shù)要求

設(shè)計(jì)要求焊縫為Ⅱ級焊縫，焊接后軸套徑向跳動(dòng)＜0.02mm，直徑滿足φ45mm公差要求，熔深符合表1各項(xiàng)要求，抗拉強(qiáng)度≥母材強(qiáng)度的80%，且5萬km公路試驗(yàn)焊縫無裂紋和斷裂現(xiàn)象。

表1 不同部位熔深要求

2 泵輪總成焊接工藝分析

2.1 焊接性分析

焊接性是說明材料對焊接的適應(yīng)性，用以衡量材料在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的難易程度和該接頭能否在使用條件下可靠地運(yùn)行。通常是從工藝焊接性和使用焊接性去考察材料對焊接的適應(yīng)能力。上述材料經(jīng)計(jì)算CE＜0.45%（IIW），說明其焊接性良好，無需采用特殊工藝措施也能保證焊縫的力學(xué)性能及使用可靠性。

2.2 過程變形分析

由焊接物理理論知道，泵輪總成焊接時(shí)，無論是哪種熱傳導(dǎo)方式輸入零件，焊接熱循環(huán)和焊接應(yīng)力對軸套頸部尺寸φ45mm產(chǎn)生影響是必然的，其過程極為復(fù)雜。借助于仿真軟件模擬其過程變化將有助于焊接工藝研究、改善和提高。圖4為溫度對軸套尺寸精度變化的影響。隨著溫度的增高，軸套變形增大，熱源離軸套越近變形也越大；反之，遠(yuǎn)離熱源則焊接熱循環(huán)、焊接應(yīng)力對軸套尺寸的影響減小，軸套變形隨之減小。這一研究表明，焊接熱循環(huán)及產(chǎn)生的焊接應(yīng)力是影響軸套變形的根源。

圖4 應(yīng)變趨勢示意圖

2.3 焊接工藝分析

MAG焊與電子束或激光焊相比，存在能量密度小、電弧難控制、熱影響區(qū)大及焊接變形大等問題。工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用MAG焊焊接泵輪總成，軸套頸部最高溫度達(dá)450℃以上，所以溫度對軸套頸部尺寸的影響程度非常大。批量生產(chǎn)中因溫度的影響，軸套頸部變形尺寸在0.02～0.2mm之間波動(dòng)，不合格品率達(dá)到了80%，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度要求。

2.4 軸套工藝尺寸分析

3 工藝試驗(yàn)對比分析

根據(jù)上述分析可知，軸套變形的主要原因是焊接熱應(yīng)力變形和工藝不合理。為了提高泵輪總成焊接精度，有效地控制焊接熱應(yīng)力對軸套頸部的影響，應(yīng)用單機(jī)器人MAG自動(dòng)焊進(jìn)行了如下工藝試驗(yàn)。采用TIG焊定位，對稱焊4點(diǎn)，長6mm，寬4mm。焊接工藝參數(shù)如表2所示，焊接試驗(yàn)試件50件。焊后進(jìn)行了3坐標(biāo)檢測。不同工藝試驗(yàn)方案如表3所示。

（1）自然條件下單機(jī)器人MAG自動(dòng)連續(xù)焊接，泵輪總成輪軸套頸部尺寸變形大、波動(dòng)大，超差廢品率達(dá)100%。

（2）采用銅制實(shí)心熱交換焊接夾具（圖5），單機(jī)器人MAG自動(dòng)連續(xù)焊接，泵輪總成軸套頸部尺寸范圍在0.015～0.03mm以內(nèi)變動(dòng)，尺寸一致性不好，波動(dòng)較大，超差廢品率達(dá)10%。

表2 單機(jī)器人MAG自動(dòng)焊工藝參數(shù)

表3 不同工藝試驗(yàn)方案對比

（3）采用內(nèi)循環(huán)水冷熱交換焊接夾具（圖6），單機(jī)器人MAG自動(dòng)連續(xù)焊接，泵輪總成軸套頸部尺寸范圍在0.005～0.012mm以內(nèi)，尺寸一致性好，波動(dòng)小，合格品達(dá)到99%。

圖5 銅制實(shí)心熱交換裝置示意圖

圖6 循環(huán)水冷熱交換裝置示意圖

4 雙機(jī)器人MAG自動(dòng)焊工藝

圖7為單工位帶內(nèi)循環(huán)水冷雙機(jī)器人系統(tǒng)，其工作原理為人工裝夾泵輪軸套、泵輪殼，自動(dòng)壓緊，開啟按鈕，雙機(jī)器人呈對稱焊接姿態(tài)，焊槍下移至工件焊縫中心與焊縫水平面呈73°短路起弧，外部軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)185°完成焊接，雙機(jī)器人回到原點(diǎn)，重復(fù)以上動(dòng)作直到連續(xù)焊完下一件泵輪總成。

4.1 工藝過程

雙機(jī)器人MAG自動(dòng)焊接工藝過程：零件清洗烘干→自動(dòng)或手動(dòng)裝配零件→零件自動(dòng)夾緊→雙機(jī)器人對稱同步焊接→松開夾緊氣缸頂出零件→自動(dòng)或手動(dòng)轉(zhuǎn)入下道工序。

4.2 焊接工藝

4.2.1 焊接設(shè)備

雙IRB 1410型機(jī)器人，雙PHOENIX DRIVE 4ROB 2WE送絲機(jī)、雙Alpha Q 332 RC puls coldArc焊接電源、雙水冷機(jī)及2把水冷焊槍。

4.2.2 焊前準(zhǔn)備

（1）設(shè)備、程序、夾具、水冷系統(tǒng)、噴嘴、電極、送絲機(jī)構(gòu)等檢查及泵輪總成輸入、焊接參數(shù)及程序調(diào)試。

（2）泵輪組件和泵輪軸套采用自動(dòng)清洗機(jī)清洗并烘干。

（3）泵輪組件、泵輪軸采用彈性夾具定位。

（4）零件由傳送小車輸入到泵輪總成焊接工位，自動(dòng)裝配或人工裝配泵輪組件和泵輪軸套并壓緊。

4.2.3 焊接

（1）按圖8焊接順序連續(xù)旋轉(zhuǎn)185°，完成泵輪軸套焊接，焊接參數(shù)如表4所示。

（2）松開氣缸人工轉(zhuǎn)入下道工序。

圖8 焊接方向

表4 雙機(jī)器人MAG自動(dòng)焊工藝參數(shù)

4.2.4 檢測

焊縫外觀檢查，要求100%用電子圓度儀檢測軸套頸部尺寸，經(jīng)50件檢查，軸套頸部尺寸全部合格，焊縫外觀一致性優(yōu)于工藝試驗(yàn)焊接方法，單件效率＜45 s，廢品損失每百萬件中小于400件。

4.3 效果對比

采用不同工藝方法的焊后變形如圖9所示，經(jīng)對比，采用具有水冷控制的熱交換裝置，雙機(jī)器人同步對稱MAG自動(dòng)連續(xù)焊接軸套工藝獲得了令人滿意的效果，其變形量和高能束焊接工藝相當(dāng)，焊接效率比單機(jī)器人成倍增長。

圖9 不同焊接工藝下的變形率對比

研究結(jié)果表明，采用具有水冷控制的熱交換裝置，雙機(jī)器人、一次裝夾，精確定位、同步對稱焊接工藝滿足了泵輪總成焊接的要求。目前，該方法已應(yīng)用于液力變矩器泵輪總成的批量焊接生產(chǎn)。

5 結(jié)論

（1）該方法解決了泵輪總成焊接過程焊接熱循環(huán)、溫度場及熱傳導(dǎo)對軸套尺寸精度的影響所造成的液力變矩器泵輪軸套焊接變形不合格、生產(chǎn)效率降低、廢品率增大、成本提高、產(chǎn)能降低等一系列問題。

（2）工藝研究表明，在不具備昂貴的高能束焊接設(shè)備條件下，采用合理的工藝方法，利用循環(huán)水冷熱交換系統(tǒng)，克服了焊接熱變形對終端尺寸的影響，為類似結(jié)構(gòu)的焊接工藝及過程控制提供了參考數(shù)據(jù)。

（3）該工藝方法能夠應(yīng)用于液力變矩器泵輪總成批量生產(chǎn)。

［1］ 陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］ 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)焊接手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］ 胡繩蓀.焊接自動(dòng)化技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］ 吳金杰.焊接工程師專業(yè)技能入門與精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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