齒輪類零件常見焊接失效問題分析研究

摘 要：文章講述了變速器齒輪束焊焊縫尺寸、形狀要求，介紹了齒輪束焊加工中常見的焊接缺陷及相應(yīng)防治措施，并結(jié)合焊接失效實(shí)例分析等方面進(jìn)行了分析研究，總結(jié)了齒輪與結(jié)合齒焊接結(jié)構(gòu)主要參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)選原則，為后續(xù)設(shè)計(jì)齒輪與結(jié)合齒焊接結(jié)構(gòu)以及解決類似焊接失效問題提供了改進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞：變速器 齒輪 焊接缺陷 失效分析 激光焊接 束焊

1 前言

齒輪束焊主要涉及激光束焊接、電子束焊接，兩者同為高能束焊且焊縫同屬熔合焊縫；目前齒輪激光束焊/電子束焊是車用變速器承載齒輪與結(jié)合齒進(jìn)行連接的一種主要方法，此種方法的使用范圍很大，應(yīng)用場(chǎng)景很多。以齒輪束焊進(jìn)行零件連接代替花鍵連接結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于結(jié)構(gòu)布置緊湊的零件，生產(chǎn)效率高，成本低。在該技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用過程中，焊縫缺陷時(shí)有發(fā)生，直接影響齒輪總成的使用壽命。針對(duì)焊接缺陷的防治，在生產(chǎn)過程中顯得尤為重要。本文以激光焊接為例，從齒輪束焊焊縫質(zhì)量尺寸要求，齒輪束焊焊縫主要常見缺陷種類及防治措施并結(jié)合某變速器總成齒輪焊接失效實(shí)例分析、驗(yàn)證等方面進(jìn)行分析研究，為后續(xù)解決焊接失效問題提供改進(jìn)方向。

2 變速器齒輪束焊焊縫尺寸/形狀要求

由于各個(gè)組合齒輪（結(jié)合齒與齒輪本體）所要承受的扭矩大小不一致，因此，焊縫的深度及寬度要求也要區(qū)別對(duì)待?？偟脑瓌t：保證焊接強(qiáng)度（最大可承載檔位扭矩可按公式1、2粗略估算，具體焊接深度以試驗(yàn)結(jié)果而定）的前提下，盡可能減小熔深及焊接寬度，減小焊接熱影響區(qū)范圍；焊接焊縫寬度一般應(yīng)不大于2.5mm；焊縫對(duì)中性要求一般不超過0.1mm（焊縫對(duì)中性差，會(huì)導(dǎo)致焊接的有效深度不足，焊接強(qiáng)度降低）。

公式（1）

公式（2）

其中，τ為許用剪切應(yīng)力（Pa）；A為焊縫熔合面積，R為焊縫配合半徑，D為焊縫配合直徑，H為焊縫深度。

焊接工藝調(diào)試階段，需要進(jìn)行充分的工藝試驗(yàn)并剖切檢查焊接的實(shí)物質(zhì)量，確保焊縫深度、焊縫寬度符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證符合要求后最終鎖定焊接工藝參數(shù)。焊接后的焊縫表面要求不能有明顯凹陷或凸起，同時(shí)焊縫應(yīng)均勻連續(xù)，如圖1；激光束焊接和電子束焊接的焊縫剖切面形狀類似，但激光束焊接后的熔合線形似拋物線比較平滑，同時(shí)焊縫根部過渡平順（圖2）。如果兩個(gè)焊接配合零件之間的配合間隙過大會(huì)導(dǎo)致焊接后的焊縫表面整體明顯塌陷；如果兩個(gè)焊接配合零件局部間隙過大會(huì)造成焊接后局部明顯塌陷。根據(jù)焊接類零件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，齒輪與結(jié)合齒焊接配合面應(yīng)滿足以下要求：1.軸向定位配合面要求：齒輪定位端面不允許有翻邊毛刺；齒輪定位端面粗糙度Ra1.6、端跳0.025。2.徑向壓裝配合面要求：徑向配合公差 H7/n6；內(nèi)孔和軸徑 粗糙度Ra1.6、徑跳0.025；外徑面需切碳層處理，單邊硬車余量不低于熱后有效硬化層深度（550HV1）要求上限的1.5倍。

3 齒czh68Da+9ZwOv+ruj75jgGCToUXjjG91DSKPWnzWleY=輪束焊焊接缺陷分析及防治措施

在焊接過程中經(jīng)常出現(xiàn)外部或內(nèi)部的缺陷，本文主要介紹以下幾種常見的焊接缺陷：氣孔、裂紋、熱影響區(qū)過熱軟化問題等[1]。此外，影響激光焊接焊縫質(zhì)量的因素還包括焊深不均勻、熔深及焊寬不滿足設(shè)計(jì)要求，焊縫對(duì)中性差等。

3.1 氣孔

焊接過程中，原本溶解在金屬中的氣體因冶金反應(yīng)等因素的影響而析出，在金屬熔融再冷凝時(shí)沒有及時(shí)溢出熔池從而殘留在金屬中形成氣孔缺陷[1]。焊縫中的氣孔會(huì)削弱焊縫的有效工作斷面，同時(shí)導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低焊縫金屬的塑性。焊接過程產(chǎn)生氣孔的氣體主要是氫和一氧化碳；氫氣孔一般在焊縫靠近表面處；一氧化碳?xì)饪孜挥诤缚p內(nèi)部。產(chǎn)生焊接氣孔的原因很多，主要包括：母材中硫含量過高；焊接位置銹斑嚴(yán)重，清潔度不良，雜質(zhì)多；焊接工藝規(guī)范及電流種類選取不合適等；針對(duì)產(chǎn)生的原因，制定相應(yīng)的防治措施：控制母材含硫量；做好零件防銹處理，焊前清洗并烘干處理，保證清潔度及減少雜質(zhì)；降低焊接冷卻速度及焊接速度，保證合適的熔池存在時(shí)間，利于氣體排出。

3.2 焊接裂紋

在焊接過程中所產(chǎn)生的裂紋是多種多樣的，本文從產(chǎn)生裂紋的本質(zhì)上主要介紹熱裂紋、冷裂紋的產(chǎn)生機(jī)理及防治措施。

3.2.1 熱裂紋

高溫條件下容易導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生，熱裂紋的典型特點(diǎn)是沿著原奧氏體的晶界展開；產(chǎn)生熱裂紋的形態(tài)，溫度區(qū)間和主要原因由于原材料成分及工藝參數(shù)的不同而不同。目前，避免熱裂紋產(chǎn)生的防治措施主要從兩方面著手：1.原材料冶金方面，控制雜質(zhì)元素的含量，主要是限制硫、磷、碳、鎳等的含量（此類元素可形成低熔點(diǎn)共晶，而且互相促進(jìn)偏析）；2.焊接工藝方面，一般采用焊前預(yù)熱，焊間使用合適的線能量，焊后緩冷，減緩冷卻速度。

3.2.2 冷裂紋

冷裂紋是焊接生產(chǎn)中較為嚴(yán)重且發(fā)生概率較高的一種裂紋，往往在焊后冷卻到較低的溫度（鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度附近）下產(chǎn)生，產(chǎn)生部位通常位于焊接熱影響區(qū)范圍內(nèi)。產(chǎn)生冷裂紋的主要影響因素包括過大的拘束應(yīng)力以及熱影響區(qū)容易產(chǎn)生淬硬組織（冷裂傾向大）。其中，拘束應(yīng)力分類情況：冷卻過程中的熱應(yīng)力；不均勻加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力；金屬結(jié)晶、相變時(shí)由于體積的變化而引起的組織應(yīng)力；結(jié)構(gòu)自身拘束條件（結(jié)構(gòu)的剛度、焊縫的位置、焊接的順序、構(gòu)件自重以及夾具的松緊程度等）所造成的應(yīng)力。

公式（3）

鋼的淬硬傾向主要取決于化學(xué)成分，其中碳含量影響最明顯，通常根據(jù)碳當(dāng)量來估算鋼的冷裂敏感性（適用于部分合金，國際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式參照公式3［2］），當(dāng)碳當(dāng)量大于0.4%，尤其是超過0.6%時(shí)，淬硬傾向大；在焊縫熱影響區(qū)易產(chǎn)生大量高碳粗大馬氏體組織并伴有晶格缺陷，脆硬性大，再加上冷卻速度過快的話，更容易產(chǎn)生裂紋；在齒輪材料特定的情況下，可以通過焊前預(yù)熱，焊間控制熱輸入---減小溫度梯度，焊后緩冷/緊急熱處理 （降低冷卻速度，減小/消除焊接應(yīng)力，提高抗裂紋性能），來避免冷裂紋的產(chǎn)生。

3.3 焊接熱影響區(qū)過熱軟化問題

除了前述冷裂紋（高碳馬氏體脆化）通常發(fā)生在熱影響區(qū)范圍，焊接熱影響區(qū)涉及的另一主要問題為：熱影響區(qū)高溫過熱導(dǎo)致組織回火軟化，強(qiáng)度降低，但熱影響區(qū)過熱導(dǎo)致材料組織回火后強(qiáng)度降低，因焊接后無法再調(diào)質(zhì)處理而無法解決強(qiáng)度降低問題[1]。為解決焊接熱影響區(qū)過熱產(chǎn)生的問題，理想的焊接熱循環(huán)應(yīng)是短的高溫停留時(shí)間、慢的冷卻速度；在定義焊接工藝參數(shù)時(shí)，在滿足焊接質(zhì)量要求的前提下，應(yīng)盡量考慮采用小的線能量，短的受熱時(shí)間，控制高溫?zé)嵊绊憛^(qū)溫度在回火溫度以下至少50攝氏度。

4 焊接熱影響區(qū)過熱問題案例分析

4.1 故障問題描述

售后市場(chǎng)反饋某變速器總成存在行駛及怠速異響問題，行駛里程公里數(shù)不等；針對(duì)返回的問題故障箱進(jìn)行拆解發(fā)現(xiàn)，某檔位從動(dòng)齒總成內(nèi)孔表面有裂紋，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)：內(nèi)孔表面靠近焊縫處存在明顯點(diǎn)蝕痕跡，如圖3。

4.2 失效原因分析

經(jīng)金相理化檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，焊縫所對(duì)應(yīng)的內(nèi)孔位置1處的硬度及硬化層深數(shù)值明顯小于2/3/4處（檢測(cè)位置如圖4），檢測(cè)結(jié)果見表1；同時(shí)結(jié)合掃描電鏡斷口分析，靠近焊縫一端的內(nèi)孔表面有明顯點(diǎn)蝕現(xiàn)象，且表面有明顯的裂紋（圖5）。綜合各方面因素分析研究，得出引起此次失效的直接原因?yàn)椋糊X輪在受力運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于內(nèi)孔表面硬度及硬化層深不達(dá)標(biāo)，在與滾針接觸作用下，產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象，長期運(yùn)轉(zhuǎn)后，點(diǎn)蝕越發(fā)嚴(yán)重，繼而引發(fā)裂紋，最終疲勞失效；導(dǎo)致問題發(fā)生的根本原因?yàn)椋?.設(shè)計(jì)焊深時(shí)僅考慮焊接強(qiáng)度未考慮焊接熱影響，焊寬焊深過大且焊接熱影響區(qū)過熱（受齒輪結(jié)構(gòu)限制，內(nèi)孔壁厚偏薄，易受焊接熱的影響），大量的焊接熱輻射引起附近內(nèi)孔回火軟化，導(dǎo)致靠近焊縫一側(cè)內(nèi)孔附近硬度降低，強(qiáng)度下降；2.設(shè)計(jì)時(shí)未考慮規(guī)定熱影響風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域硬度檢測(cè)要求，導(dǎo)致不合格零件流出。

4.3 措施驗(yàn)證效果及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

根據(jù)原因分析，制定了對(duì)應(yīng)的解決措施：1.減小焊接熱影響：焊深3mmMin改為2-3mm，焊寬2.5mmMax改為2mmMax；2.焊接區(qū)域附近內(nèi)孔表面增加理化檢測(cè)要求。在焊接工藝充分驗(yàn)證完成后制作零件，完成了2臺(tái)耐久及1臺(tái)強(qiáng)化耐久（循環(huán)次數(shù)增加到1.8倍），試驗(yàn)后進(jìn)行拆解檢測(cè)：樣件顯微鏡檢查內(nèi)孔表面無點(diǎn)蝕、無裂紋。

通過對(duì)此案例的分析研究，總結(jié)齒輪與結(jié)合齒焊接結(jié)構(gòu)主要參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)選原則：1.焊接直徑：在總成布置允許的前提下，優(yōu)先按允許的最大焊接直徑進(jìn)行設(shè)計(jì)（有利于傳遞更大的載荷）；2.焊接深度：在滿足理論焊接強(qiáng)度的前提下，應(yīng)設(shè)計(jì)較小的焊深（有利于焊接工藝及其缺陷的過程控制），同時(shí)規(guī)定焊縫深度公差1mm以內(nèi)。3.焊縫位置：焊接位置應(yīng)避開硬化層深區(qū)域，同時(shí)要求遠(yuǎn)離零件功能區(qū)域如齒面、內(nèi)孔等，避免焊接熱影響對(duì)功能區(qū)域的硬度、精度產(chǎn)生不利影響。

5 結(jié)束語

隨著齒輪束焊在齒輪焊接加工中應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在結(jié)構(gòu)緊湊的齒輪總成零件上，焊接缺陷的防治顯得越發(fā)重要。本文針對(duì)焊接質(zhì)量尺寸形狀要求以及主要缺陷的防治等方面進(jìn)行了相關(guān)闡述，同時(shí)結(jié)合失效實(shí)例進(jìn)行了分析研究及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，說明了齒輪與結(jié)合齒焊接結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為后續(xù)設(shè)計(jì)齒輪與結(jié)合齒焊接結(jié)構(gòu)以及解決類似焊接失效問題提供了一種解決方法。

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