激光焊接在汽車行業(yè)的新進展

緱俊杰

（昆明云內(nèi)動力股份有限公司無錫分公司，江蘇 無錫 214000）

1 激光焊接的特點

激光焊接是目前在汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展的一種新技術，正在越來越多的被使用。相對于傳統(tǒng)的電子束焊接，激光焊接擁有很大的技術和成本優(yōu)勢，其代替電子束焊接的趨勢正在得到整個行業(yè)的認可。

從應用來看，激光焊接的優(yōu)勢十分明顯，主要表現(xiàn)在三個方面：1激光焊接不產(chǎn)生電磁輻射，而電子束焊接在是在高電壓下工作的，X射線在高壓下十分強烈，需要十分嚴格的措施來防止X射線和強電磁對人體的傷害，但即使如此，亦不能完全避免；2激光焊接不需要真空環(huán)境，而電子束焊接必須在極高的真空環(huán)境下工作，如圖1所示，分別是真空中和空氣中的電子束流，焊接時需要不低于 10-4Pa真空環(huán)境，抽真空成為影響設備節(jié)拍的最主要因素，在焊接變速箱齒輪的工廠，對于使用超過一年以上的真空泵，抽真空時間普遍達到1-3分鐘，這極大的影響了生產(chǎn)節(jié)拍，而激光焊接的節(jié)拍一般在10-15秒左右；3激光焊接變形小，如圖2，這是一個典型的變速箱齒輪，目前業(yè)內(nèi)普遍采用焊接的辦法，在焊接變形試驗中，分別用電子束焊接和激光焊接加工此零件，然后在主要熱影響區(qū)對端面跳動進行檢測，以此評估變形量，從圖3的數(shù)據(jù)可以看出，激光焊接的端面變形更小，數(shù)據(jù)一致性也更好。

圖1 真空中和空氣中的電子束流

圖2 焊接齒輪組件

2 熱后焊接

近年來，隨著對齒輪精度要求的提高，磨齒、珩齒工藝開始進入普及的快車道，對于圖2這種結構的齒輪，熱后焊接就不可避免了。不同于熱前焊接的是，對于常用的齒輪鋼種如20CrMnTiH或20MnCr5等，除了焊接氣孔和焊縫有效長度等缺陷外，由于滲碳層的存在，使焊接區(qū)域的連接十分脆弱，在該區(qū)域也容易產(chǎn)生微觀裂紋，造成產(chǎn)品不能使用。傳統(tǒng)的實驗室方法是在齒輪進行滲碳淬火前對需要焊接的區(qū)域涂抹防滲劑，但這種辦法在大批量生產(chǎn)中就不適合了。目前行業(yè)內(nèi)采取的焊前措施主要有兩項：1去除滲碳層：通過熱后車削滲碳層的辦法來改善接合區(qū)域焊接性能，對于一個典型的變速箱齒輪，一般要去除不低于1mm的余量；2預熱處理：由于滲碳層和齒輪基體之間還存在熱影響區(qū)域，通過機械是不能完全去除的，而直接焊接容易產(chǎn)生裂紋，焊前預熱可以很好地減少此問題的發(fā)生，其基本原理是通過降低焊接時溫度差引起的熱應力來減少和消除內(nèi)應力，避免裂紋發(fā)生，焊前預熱過程要求加熱過程均勻，不同的廠家對預熱溫度有不同的要求，但一般都在140℃或160℃左右，預熱時間5-10S。

圖3 激光焊接和電子束焊接的變形量

3 差速器焊接

差速器是汽車中不可缺少的部件，傳統(tǒng)的設計方案是將齒圈和殼體以高強度螺栓進行連接。如齒圈的一種常見加工路線為：精車-鉆孔-滾齒-熱處理-熱后車-磨齒等。機械加工完成后，在裝配工序，還有壓裝（殼體）-螺栓擰緊的工序，其中螺栓擰緊有嚴格的扭矩要求。

但在應用激光焊接后，通過簡化工件結構如圖 4，齒圈的工藝路線就大為優(yōu)化了，其工藝路線可以是：精車-滾齒-熱處理--熱后車-激光焊接-磨齒，不需要裝配工序，同時殼體加工也減少了鉆孔工序?？梢钥闯?，應用激光焊接后，減少了工序流程，同時零件加工中需要重點控制的過程特性也減少了（如螺栓孔的位置度，螺栓安裝的扭矩等）。且因為采取焊接后磨齒代替了磨齒后裝配，在同樣的加工精度下，極大地提高了齒圈的裝配精度。

對于如圖 4這種差速器，其焊接也有一些新的特點：1激光清洗：一般焊前清洗使用的是水基清洗劑，但由于差速器的殼體材料多為球墨鑄鐵，其焊前清洗應采用激光清洗，為什么呢？這是因為為了保證防銹和耐腐蝕性，有的廠家在差速器的殼體表面進行了磷化處理，而磷是一種有害元素，激光清洗的一個重要目的是去磷化，這是水基清洗劑所不能的； 2異種材料焊接：焊接過程中存在異種材料焊接的特點（殼體的材料多采用球墨鑄鐵，齒圈多采用低碳合金鋼），而異種金屬材料焊接容易生成硬而脆的金屬化合物，因此必須盡量增加異種金屬材料之間焊接強度，目前國內(nèi)外普遍認可的是采用填絲焊接，使用特定材料制備的焊絲進行填充；3預熱處理：殼體的材料（球墨鑄鐵）是含碳量很高的材料，齒圈經(jīng)過滲碳淬火處理，基于防止焊接裂紋的目的，焊接前必須經(jīng)預熱處理。

圖4 可焊接差速器結構

圖5 EMAG激光焊接線

4 激光焊接工藝及設備

目前，激光焊接的工藝主要包括：清洗-壓裝-預熱（可選）-焊接-（超聲波）探傷。清洗即需要去除焊接表面的雜質(zhì)，保證表面清潔度，如果有雜質(zhì)，在焊接時容易產(chǎn)生氣孔等問題；壓裝是通過機械力的作用使兩個零件緊密的結合在一期；預熱是可選的，熱前焊接一般不需要預熱，但為了避免焊接裂紋，含碳量高的零件和熱后焊接就需要預熱了；焊接則是通過激光的熱量使零件焊接區(qū)融化后凝固，由于溫度很高，激光焊接時會產(chǎn)生大量的煙霧和焊渣，在設備上最好選配除煙霧系統(tǒng)和去焊渣裝置。（超聲波）探傷則主要通過檢查焊縫完整率和焊縫內(nèi)的氣孔數(shù)量來對焊接質(zhì)量進行判斷，以保證焊縫可以滿足設計扭矩。

在世界范圍內(nèi)，包括EMAG、Felsomat、Arnold、FIVES是全球主要的激光焊接設備生產(chǎn)商，以EMAG的ELC系列激光焊接線為例（如圖5），其能夠滿足從清洗、壓裝、焊接到探傷的一整套工序流程，配備自動化料道，可以實現(xiàn)一次上料即完成全部工序，操作者只需要進行簡單的上料、下料操作，減少了人的因素對焊接過程的影響。

5 結束語

必須看到，激光焊接特別是配備固固體光纖激光發(fā)生器的激光焊接設備已經(jīng)表現(xiàn)出了很大的技術優(yōu)勢和可應用性，有極好的發(fā)展前途。因此，探索和研究怎樣更好的應用激光焊接保證產(chǎn)品質(zhì)量和擴大激光焊接的應用范圍等大有可為。

參考文獻

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