變速器齒輪電子束焊和激光焊對比

A.緒論

汽車變速器齒輪在變速或行駛中易受到衝擊，離合器上齒輪和變速器齒輪間的焊接處的強度要高。同時，不會產生焊接變形導致的噪音。 變速器齒輪要求高強度、高精度焊接。

電子束焊滿足高強度、高精度的條件，被廣泛應用。電子束焊的焊縫形貌是扁平狀，相比於激光焊接有橫嚮應力少和母材表面熱傳導少的特徵。從很薄的薄膜至幾百毫米的焊接都可進行。電子束容易被大氣中的導電粒子分散，所以必須在5×10-2torr以上高真空狀態進行焊接，但電子束焊為抽真空，需要大量的時間，制約生產效率提高，也因真空狀態不同導致焊接的質量不同的缺點。

隨之可代替的激光焊接方法克服電子束的缺點，受到矚目。也被海外的汽車製造商驗證並使用。

表1】電子束焊接與激光束焊接的特徵

為提高變速器零配件的焊接效率，電子束焊接與激光焊接做了對比，驗證變速器零配件焊接領域裡激光焊接工藝方法的合理性。

B．試驗方法

工件：手動變速器變速器齒輪

激光焊接

1) 4KW ND:YAG f=200， Spot Size=0.6mm

2) 2.5KW CO2f=200， Spot Size=0.3mm

電子束焊接

40KV 低電壓型加速電壓

對相同焊接深度條件下的焊縫寬度，焊縫高度，變形量等比較分析

【圖1】手動變速器變速器齒輪和離合器齒輪

圖1的試驗中使用的Manual Transmission的變速器齒輪由離合器齒輪和變速器齒輪組成。

2種材料在焊接之前經過了清洗、烘乾及壓裝工序，使用的材質是ASCM17H1(參照表2)。

C.結果及考察

焊接端面、變形疲勞強度、熱變形方面對電子束焊接和激光焊接進行結果分析。

1. 焊接端面分析

把熱變形試驗樣件焊接方法做的分析列表看【表3】

焊接深度因各焊接方法的熱傳導而不同,Nd：YAG激光的焊縫寬度最大。

CO2激光焊和電子光束Spot大小是0.3mm，Nd：YAG激光0.6mm時，焊縫寬度因光束Spot大小而變化。

【表3】焊接方式不同的情況下焊接端面及試驗條件

【圖2】是受熱影響監測範圍從焊縫表面至0.2mm深度測量的結果，所以得出受熱影響範圍大小不會因焊接方法而不同。

焊接深度(mm)【圖2】焊接深度導致受熱影響範圍對比

2. 變形疲勞強度

【圖3】是監測變形疲勞強度的樣件，為了測量焊接部位的破壞強度，以10mm間距焊接了3處，焊接深度為3.0mm。樣件疲勞強度試驗條件按發動機最大輸出扭矩3倍以上的動態扭矩100萬Cycle，結果與電子束焊接相同。

【圖3】變形疲勞強度試驗樣件

3. 熱變形試驗

如【圖4】，為掌握變速器齒輪的熱傳導特性，利用熱成像攝影機監測了激光焊接前後0.5s~10s之間的變化。焊接時產生的熱量傳到離合器齒輪Taper處內側後，逐漸向離合器齒輪和變速器齒輪的齒牙散去。

單位：秒/S【圖4】激光焊接後溫度分布

熱變形監測部位是Taper角度、Taper高度、變速器齒輪內徑、齒牙，如【圖5】，按焊接方法焊接了15個樣件，各抽選10個進行測量

A:Taper角度 B:變速齒輪內徑 C:Taper高度 D:齒牙

【圖5】變速器齒輪的熱變形測量部位

考慮到最後加工公差是CO2激光焊的熱變形特性表現最好，Nd:YAG相比電子束焊，散布高、50%左右超出了加工公差範圍。雖然電子束焊有加工余度，但相比CO2激光焊，散布大。

■：電子束焊 ●：CO2激光 ▲：Nd:YAG激光焊 Taper角度（分）

【圖6】變速器齒輪的Taper角度變化導致的熱變形分布

D.結論

電子束焊接、CO2激光焊、Nd:YAG激光焊接特性試驗對比結果

1） 焊接深度

電子束焊以最少的熱量達到最深的深度，Nd:YAG激光在芯部焊接上比CO2焊接不利，受熱影響部位與焊接方法無關。

2） 疲勞強度

與焊接方法無關，可得到類似的強度

3） 熱變形

按焊接方法測量結果CO2激光焊結果與電子束焊結果類似，Nd:YAG激光焊結果與CO2激光焊相比，存在能量吸收率高的特性，導致熱變形大。

通過電子束焊和CO2及Nd:YAG激光焊接的特性對比結果，對於變速器的齒輪焊接，使用激光焊接更為有利。

--end--

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！