激光焊接在汽车变速器齿轮中的应用和发展前景

陈兵华

近年来，激光焊接技术在变速器齿轮焊接中的优势日益明显，得到了越来越多的关注，是未来发展的主要趋势。

由于机床加工技术的局限性，形状、结构复杂的齿轮组件很难甚至无法整体加工成单件。为了提高生产效率，通常是加工成两个或两个以上的单件再经焊接工艺组合成一个组件。在运用激光焊接之前，齿轮的焊接一般采用电阻焊、感应焊、电子束焊等工艺方法。

与上述焊接工艺相比，激光焊接齿轮无需在真空中进行，而且可避免焊接变形，保证了焊后的齿轮无需再进行精加工。不仅如此，激光焊接可使焊缝深宽比高达10∶1，且焊缝处具有相当或优于母材的综合力学性能，保证了齿轮可以传递较大的扭矩。因此，齿轮的激光焊接已成为当今发展的一个大趋势。目前世界各大汽车制造厂竞相采用激光焊接变速器复合齿轮以提高产品在国际市场上的竞争力，我国采用激光焊接汽车齿轮的单位也越来越多。图1为多种齿轮的激光焊接照片。

激光焊接的原理是通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。它属于非接触式焊接，主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、叠焊及密封焊等，深宽比高，焊缝宽度小，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理，焊缝质量高、无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化。

图1 变速器齿轮激光焊接

激光焊接变速器齿轮的工作原理如图2所示。激光器产生激光束水平送出，通过两个45°平面反射镜传输到45°角的反射式曲面聚焦镜上，由曲面聚焦镜垂直聚焦照射在被装夹在数控回转工作台上正在旋转的齿轮上进行焊接。

激光焊接以其能量密度高，加热范围小，焊接及热影响区域窄，焊接速度快，深宽比大，焊接变形小等诸多优点，在汽车工业生产中得到广泛应用。当然，焊件需使用夹具时，必须确保焊件的最终位置与激光束将冲击的焊点对准；另外，设备昂贵也制约了激光焊接的实际应用。激光焊接根据激光发生器，可分为CO2气体激光发生器和固体光纤激光发生器两类。固体光纤发生器激光焊接因其动态功率范围大，焊接速度快，焊接深宽比更优，激光器功耗小，无工作介质消耗，体积小、结构紧凑，易于扩展升级，工作环境高容忍度，免维护，使用寿命长等优点是今后的发展趋势。

激光焊接变速器齿轮工艺顺序为：①焊接清洗：一般安排在焊接的前一道工序完成。试验中选择无水乙醇代替工业清洁剂用于焊前表面的清洁。②压装：清洗后的齿轮首先要进行压装，压装是通过压机把要焊接的两个零件压配后紧密结合在一起。入射激光光斑和组对间隙的偏移要求非常准确。由于激光束的聚焦光斑很小，所以焊缝需要高精度定位，其位置偏离的最大允许值要依聚焦光斑的半径来定, 一般≤ 0.1 mm。③预热（可选）：为了避免产生焊接裂纹，根据零件材料及加工状态，有时需要在焊前进行预热，特别是对含碳量高或经过热处理渗碳淬火后的零件。④激光焊接，图3为焊后齿轮。焊缝截面如图4所示。⑤焊后检测：一般将焊缝切开进行显微观察或者采用超声波探伤检测。目视检查要求焊接飞溅较少，本试验工作面飞溅少，内部气孔和缩孔较少。

激光焊接特别是固体光纤激光发生器的激光焊接因其技术优势，是未来的激光焊接发展趋势。我国激光焊接设备设计制造水平和能力目前还比较薄弱，国内主要汽车厂的齿轮激光焊接设备主要依赖进口，价格昂贵。少量民族企业已经起步发展并占据部分市场，这对降低成本促进激光焊接的应用有着良好的推动作用。在激光焊接齿轮方面，工艺已日趋完善，可以控制焊缝气孔和裂纹达到工业要求，方法稳定可靠，效率高，虽然初期投资较大，但加工成本比机械加工要少50%。激光焊接有着传统焊接无法取代的优势，必将成为变速器齿轮焊接的主流产品。

图2 激光焊机工作原理

图3 焊后齿轮

图4 焊缝截面