一、概述
小型化、輕量化以及換擋舒適感是汽車變速箱追求的目標(biāo)，這也使得汽車變速箱內(nèi)部零部件必須更加緊湊，由此也帶來了齒輪零件加工的一些難題。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，一些汽車變速箱傳動(dòng)齒輪的結(jié)合齒與主嚙合齒輪之間端面沒有間隙或間隙很小，這樣會(huì)造成結(jié)合齒的齒形加工或主嚙合齒輪的齒形加工被另一部分所干涉，因此通常會(huì)把這兩部分分開加工，加工后再焊接成組件來達(dá)到其使用效果。激光焊接技術(shù)具有高效率、低成本及高適用性等特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于汽車變速箱齒輪與結(jié)合齒圈連接。汽車齒輪組件在使用過程中需要傳遞交變動(dòng)力承載高負(fù)荷扭矩，因此優(yōu)良穩(wěn)定的焊縫質(zhì)量是避免齒輪組件早期疲勞失效的關(guān)鍵因素之一。齒輪組件在使用過程中出現(xiàn)早期脫焊失效主要是由于焊縫存在以下缺陷所致：虛焊、微裂紋、氣泡、焊縫組織不良以及有效焊接熔深不足等。而影響焊縫質(zhì)量的因素主要有：光束質(zhì)量(能量、光斑尺寸和模式、波長(zhǎng)、偏振等);焊接特性(焊接速度、聚焦位置、接頭幾何尺寸、間隙等);保護(hù)氣特性(成分、保護(hù)方式、壓力、流速等);材料特性(成分、表面狀態(tài)等)。本文就優(yōu)化焊接前工件表面清潔度、焊接過程中保護(hù)氣體流量、焊接收弧階段等過程參數(shù)，從而得到優(yōu)良可靠的焊縫質(zhì)量進(jìn)行了研究。
二、試驗(yàn)材料與設(shè)備
某主動(dòng)齒輪母體材料為 20MnCr5 ，配對(duì)齒圈材料為 16MnCrS5 ，材料成分符合 EN10084標(biāo)準(zhǔn)要求。主動(dòng)齒輪主要工藝流程：鍛造成形→等溫正火→精車→齒形加工→超聲波清洗→壓配→焊接;配對(duì)齒圈主要工藝流程：沖壓成形→正火→超聲波清洗→壓配→激光焊接。齒輪和齒圈采用過盈配合，過盈量控制在0.01~0.03mm，經(jīng)激光焊接后成為齒輪組件(見圖1);焊接參數(shù)見表1。
焊接前清洗采用超聲波振洗烘干，清洗后表面清潔度采用達(dá)因筆表征;激光發(fā)生器為德國(guó) Rofin-Sinar公司生產(chǎn)的CO2軸流式激光器，功率0~5kW可調(diào);焊接過程中采用純度為99.99% 的氬氣作為保護(hù)氣;焊接后工件內(nèi)部缺陷采用超聲波探傷儀進(jìn)行檢測(cè)，能準(zhǔn)確識(shí)別微米級(jí)以上氣孔;焊縫橫斷面金相試樣經(jīng)過鑲嵌、預(yù)磨、拋光和腐蝕等工序后，采用蔡司金相顯微鏡進(jìn)行觀察，腐蝕試劑為4%的硝酸酒精溶液。
三、結(jié)果與分析
(1)表面清潔度對(duì)焊縫質(zhì)量影響采用表面張力測(cè)試筆(以下簡(jiǎn)稱達(dá)因筆)來檢測(cè)工件表面清潔度。達(dá)因筆能夠分析出不同固體的表面能、親水性、潤(rùn)濕度等微小變化。測(cè)試時(shí)，首先選擇一個(gè)中間值測(cè)試筆作起點(diǎn)，如果在2s內(nèi)測(cè)試筆潤(rùn)濕基材表面，那么需要選一更大值的測(cè)試筆進(jìn)行第二次測(cè)試，以此類推，直到測(cè)試結(jié)果在2s內(nèi)改縮成水珠狀，則這次測(cè)試之前一次的值就被視為基材的表面能，并以此作標(biāo)準(zhǔn)比較(見圖2)，達(dá)因等級(jí)數(shù)值越大，表示清潔度越高。該方法直觀便捷，適合大批量生產(chǎn)過程控制。
圖3是表面清潔度符合不同達(dá)因等級(jí)得到的工件焊接表面狀態(tài)。清潔度符合達(dá)因等級(jí)≥36 要求的工件焊接后外觀無明顯缺陷，焊道均勻，焊縫表面呈現(xiàn)典型的魚鱗狀;但清潔度僅符合達(dá)因等級(jí)32要求的工件焊后表面有輕微氣孔;清潔度小于達(dá)因等級(jí) 28的工件焊后表面存在大量氣孔，部分氣孔連在一起成為鏈狀氣孔，且焊道有焊瘤。這是因?yàn)楸缓附用娼?jīng)過前面多工序加工，在工件表面殘留有油污、水分或灰塵等污染物，這些污染物在焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生以下不良后果：焊接時(shí)焊道上存在的污染物汽化從熔池中溢出，導(dǎo)致大量的飛濺從而在工件表面留下表面氣孔或焊瘤;二是來不及溢出的水氣或油氣在焊縫內(nèi)部產(chǎn)生大量氣孔。
圖4顯示了不同表面清潔度 條件下焊后檢測(cè)趨勢(shì)。最大單缺陷L 單指表示圓周方向長(zhǎng)度最大的缺陷，L 單=L單/(2πR)×100%;累計(jì)缺陷L累指累計(jì)內(nèi)部單缺陷長(zhǎng)度之和，L累=L累/(2πR)×100%;R為焊縫半徑。圖4中檢測(cè)結(jié)果顯示，符合清潔度對(duì)焊接接頭質(zhì)量影響規(guī)律：清潔度越高，缺陷越少，在本試驗(yàn)條件下清潔度符合達(dá)因等級(jí)36號(hào)及以上時(shí)，氣孔和飛濺可降為0。結(jié)合圖3和圖4結(jié)果分析，生產(chǎn)過程控制可采用36號(hào)達(dá)因筆來嚴(yán)格控制齒輪組件焊前表面清潔度。
(2)保護(hù)氣體流量對(duì)焊縫質(zhì)量影響焊接試驗(yàn)采用純度為 99.99%的氬氣、單向側(cè)吹方式進(jìn)行保護(hù)。采用惰性氣體進(jìn)行焊接保護(hù)主要基于兩個(gè)目的：一是焊接過程中處于非真空狀態(tài)，由于焊縫區(qū)受熱高溫容易被空氣氧化從而導(dǎo)致力學(xué)性能惡化，合適流量的保護(hù)氣可防止焊縫表面被氧化;二是保護(hù)激光聚焦系統(tǒng)免受金屬蒸氣污染和液體熔滴的濺射。氬氣比較便宜且密度大，保護(hù)效果較好;但氬氣在高溫受熱時(shí)同樣容易電離形成等離子體可能屏蔽部分光束能量對(duì)焊縫質(zhì)量不利。
焊縫表面形狀在一定程度上可反映焊接工藝的合理性及焊縫的可靠性。焊縫的表面形態(tài)主要考察焊縫平整性、連續(xù)性、宏觀氣孔與裂紋等方面。圖5顯示了不同保護(hù)氣流量條件下得到的焊接表面狀態(tài)，從圖5中可以看到：過小的保護(hù)氣體流量防護(hù)效果不佳，焊縫表面有鏈狀氣孔且焊道煙塵多;氬氣流量為10L/ min時(shí)，焊接表面連續(xù)、平整，無宏觀裂紋;保護(hù)氣體流量在 20L/min以上時(shí)，焊接出現(xiàn)鏈狀氣孔、焊瘤，焊瘤金屬流向與氬氣吹氣方向相似。
焊接金相解剖檢測(cè)氬氣流量對(duì)焊接指標(biāo)的影響得到如圖6 所示趨勢(shì)圖。圖中顯示隨氬氣流量的增大，有效焊接熔深減小、接熔池向一側(cè)發(fā)生偏移越多;但氬氣流量對(duì)焊接堆高、各區(qū)顯微硬度影響甚微。這可從以下機(jī)理得到解釋：當(dāng)氬氣流量小于 30L/min時(shí)，由于氬氣電離程度較大，一部分自由電子通過吸收光子能量而被加速，在本試驗(yàn)條件下，激光能量密度在6×106 W/cm2 以上，有足夠的能量使其電離從而電子密度便雪崩式增長(zhǎng)形成致密等離子體，氬氣流量越大，致密等離子體密度越高。由于等離子體云位于熔池上方的激光傳輸通道上，它對(duì)激光會(huì)產(chǎn)生折射、散射及吸收。致密的等離子體通過吸收和散射激光，使入射到工件的激光能量減少，導(dǎo)致熔深變淺;另外，由于等離子體對(duì)激光的折射，改變了激光能量在工件上的作用區(qū)，使焊縫整體偏移;當(dāng)氬氣流速在30L/min以上時(shí)，焊縫偏移主要源于流速過大吹動(dòng)熔融金屬偏向一側(cè)。
另外，顯微硬度的影響主要來自于冷卻速度，在焊接功率和焊接速度不變的情況下，可能過冷度變化微小，組織無明顯差異。圖7為焊縫組織，可以看到熔合區(qū)板條狀馬氏體和少量的殘余奧氏體;熱影響區(qū)組織主要為板條馬氏體和少量鐵素體;基體組織正火態(tài)片狀珠光體和鐵素體。
(3)焊接收弧對(duì)焊縫質(zhì)量的影響激光焊接原理是通過高能光束在極短時(shí)間內(nèi)使加熱區(qū)金屬汽化，從而在液態(tài)熔池中形成匙孔，當(dāng)工件相對(duì)于激光束移動(dòng)，液態(tài)金屬在小孔后方流動(dòng)、凝固形成焊縫。在焊接收弧階段，由于匙孔底部金屬蒸發(fā)產(chǎn)生的大氣泡不能及時(shí)排出而留在熔池，同時(shí)金屬汽化蒸發(fā)熔融金屬補(bǔ)充不足形成塌陷，甚至底部冷卻過快金屬補(bǔ)充不足導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)等。有文獻(xiàn)指出，典型的能量下降可以在0.3~0.5ms內(nèi)把激光能量從焊接功率降低到最低值，但要獲得理想的匙孔坍塌形狀，就必須優(yōu)化能量下降時(shí)間和下降速度來控制匙孔坍塌引起的局部咬邊并消除氣泡。焊接速度、激光功率及焊接長(zhǎng)度是影響能量下降的因素。焊接功率與合適的焊接速度存在以下關(guān)系：
基于本文試驗(yàn)材料，結(jié)合工業(yè)化生產(chǎn)效率的需要，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，我們?cè)O(shè)計(jì)了焊接收弧工藝進(jìn)行驗(yàn)證見表 2。結(jié)果表明：焊接速度分三段梯次加快，焊接功率分三段梯次降低有利于得到更優(yōu)的焊縫質(zhì)量;焊接速度過快或焊接功率下降過大均不能得到理想的焊接效果。有研究表明，熔池底部產(chǎn)生的較大氣泡并非完全依靠上浮力排出熔池，而是靠金屬的流動(dòng)逐步向表面帶出熔池。因此焊接收弧階段，分階段提高焊接速度、減小焊接功率來逐步降低焊接能量可以實(shí)現(xiàn)：一是金屬流動(dòng)趨向表面利于排氣;二是能量降低減少蒸發(fā)損失，消除凹陷。
焊接速度過快、焊接功率不足會(huì)導(dǎo)致工件能量吸收不夠，難以形成“小孔效應(yīng)”，以致金屬未熔化和自淬速度過快，不僅熔深不夠、強(qiáng)度降低，而且焊縫中的氣體來不及逸出使焊縫氣孔增多;而焊接速度過慢、焊接功率大時(shí)，過量的熱傳導(dǎo)引起焊道向側(cè)向擴(kuò)展，不僅熱影響區(qū)過熱、擴(kuò)大、焊縫金相組織晶粒粗大，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生裂紋，而且焊接速度到達(dá)低限時(shí)，過多的功率吸收還會(huì)引起局部蒸發(fā)損失，出現(xiàn)凹陷。
四、結(jié)語
為獲得良好焊縫狀態(tài)，在本試驗(yàn)條件下，通過優(yōu)化焊接工件表面清潔度、焊接過程保護(hù)氣體流量以及焊接收弧階段能量下降等工藝參數(shù)，可顯著減少焊接缺陷，如氣孔、飛濺、內(nèi)部裂紋等的產(chǎn)生。
(1)焊接前工件表面清潔度越高越好，用達(dá)因筆來表征，必須符合達(dá)因等級(jí)36以上要求。
(2)在一定條件下保護(hù)氣氬氣流量與焊接熔深成反比，但對(duì)焊接組織影響甚微。在本試驗(yàn)條件下氬氣流量應(yīng)控制在10～ 15L/min為宜。流量過小起不到保護(hù)作用;流量過大容易導(dǎo)致焊縫偏移且成本增加。
(3)零件整圈焊接完成后，用階梯式降低能量進(jìn)行收弧：焊接速度分三段梯次加快及焊接功率分三段梯次降低。
參考文獻(xiàn)略.