专利名称：齿轮激光焊接加工方法
技术领域：
本发明涉及的是一种焊接技术领域的方法，具体的说，是涉及一种齿轮激光焊接加工方法。
背景技术：
工业二氧化碳盘形激光器，是一种典型的连续发射激光的仪器，输出功率高达3500W，波长为10.6μm，采用激光深熔焊接机理，使激光热源中心加热温度达到金属沸点而形成等离子蒸汽，使金属融化和汽化的焊接。过程是一束能量密度极高的激光入射到待焊接工件的表面上，一部分被工件表面反射，剩余部分被工件吸收而使工件产生加热，熔化和汽化，继而在汽化膨胀压力作用下在工件内部形成一个“匙孔”。小孔内的金属蒸汽继续在高功率密度的激光作用下产生电离，从而在小孔内部及上部形成一定浓度的高温等离子体。小孔和等离子体的形成改变了激光对材料作用的机理。在小孔和等离子体形成之前，激光的能量主要是通过热传到方式向工件内部传递，焊接过程属于传导型焊接。而一旦小孔和等离子体形成之后，激光的能量则主要依靠小孔效应而直接被工件内部所吸收，焊接过程变为深熔焊接。
现有的二氧化碳盘形激光器技术主要用于一般低碳钢的焊接，对于含碳量比较高(＞0.25％)的合金结构钢等含碳高的新材料的焊接性能比较差。
经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号CN01805376.9，名称为激光焊接方法。该专利步骤为以第一激光强度在至少一个零件上形成至少一个熔化物，和——下一个步骤为所述至少一个熔化物以高于所述第一激光强度的第二激光强度被推向另一个零件，从而所述至少一个零件和所述另一个零件被焊接在一起。但是该专利仍然是针对普通钢材，没有专门探讨针对含碳量比较高的合金结构钢等新材料的焊接。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种齿轮激光焊接加工方法，使其用于含碳量比较高的合金结构钢等材料的焊接，并能避免金相中出现的气泡、深层浅、裂缝、齿轮变形等现象。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过对焊接的基本参数(包括离焦量、深熔焊功率、深熔焊线速度)的调整，在工艺过程中增加预焊、后焊步骤，来确保焊接含碳量比较高的合金结构钢等新材料的熔深及焊后扭矩达到技术要求，具体步骤为机加工过程控制、焊前清洗、焊前清洁、预焊、深熔焊、后焊、保护气体流量控制。
1、焊接的基本参数调整为离焦量-1mm深熔焊功率(发生器输出功率)3000W深熔焊线速度1800mm/min。
2、机加工过程控制控制焊接端面光整、无毛刺，粗糙度值低于Ra1.6，圆度偏差小于0.05mm，以保证后道的焊接质量。
3、焊前清洗清洁度要求非常高，不允许含有油污的工件以水溶性清洗剂为介质的清洗剂很难达到这一清洁度要求，现采用三氯乙烯清洗机，它主要利用含氯有机溶剂的强溶脂能力特点来溶解去除工件表面的油污，提高工件表面的清洁度。同时三氯乙烯蒸汽密度大，蒸发潜热小，沸点适中，易于进行气相除油，所以清洗后的工件不需要进行烘干。
4、焊前清洁为保险起见，在焊接前用高挥发的丙酮再次清洁需焊接的部位并用干净的抹布擦拭，确保焊接表面无水、无油。
5、预焊对于焊接过程中功率偏低的问题增加预焊工步，控制预焊功率(发生器输出功率)为深熔焊功率的25％左右，预焊线速度2400mm/min，使工件深熔焊前先进行传导焊的预热工步，提高焊深的同时也减小焊接变形。
6、深熔焊深熔焊功率为3000W，线速度为2000mm/min。
7、后焊工件的材料和尺寸都无法改变，为了降低深熔焊的冷却速度，减小焊接压力，避免焊接裂纹的产生，采用后焊工艺。后焊功率为深熔焊功率的50％左右，后焊线速度1800mm/min。
8、保护气体流量控制焊接过程中采用氩气作为保护气体防止透镜污染和焊缝氧化，同时吹走焊接时产生的等离子体云，使深熔焊中激光能顺利直达原有熔深。如果没有保护气吹入，等离子体云阻断入射激光，不能形成稳定的小孔激光的能量主要是通过等离子体的辐射吸收而在小孔上部释放，穿透到小孔底部释放的能量减小，因此焊缝深度减小，小孔形状呈“钉子头”形。当气流量达到最佳值，可以得到一深孔，下部细窄，上部较宽，等离子体被抑制，使得沿小孔深度方向单位长度内释放的能量几乎不变，所以小孔及焊接深度均增大，焊缝截面形状约为两边平行。但是气流量过大时，小孔被吹大，融化金属被吹走，将不能产生连续焊缝。为达到焊深要求并改变原有的“钉子头”形，氩气的流量控制在35-45Nl/min，熔缝出现漂亮的锥形。
本发明方法使二氧化碳激光焊机扩大了应用，使之既能正常焊接原有的零件，还能焊接各种系列的档位齿轮，可以很大程度上避免缺陷的存在。而且解决了焊接气泡、裂缝、焊缝形状差等问题。
图1为本发明激光的聚焦原理2为本发明焊接深宽比原理图具体实施方式
如图1所示，激光聚焦焦距f＝250mm，根据激光的聚焦图推算。当工件表面置于激光聚焦镜焦面上时，光斑直径d＝f×θ，发散角θ不变，减小f，光斑直径d也会减小，功率密度提高，但是随着f的降低，焦深b也减小，直接影响焊接深度。由此通过调节焊件表面在焦深b范围的位置——离焦量，也将改变有效热作用深度，从而影响焊缝成形。现场试验时控制焊接功率和线速度不变，调节工作台的Z轴距离改变离焦量确定合适的熔深。将离焦量设定为-1mm，可以得到最大的熔深，以此为依据调节焊接时Z轴的距离。
焊接深度与焊接功率成正比关系，随着焊接功率的增大熔深也长，但是也由此加剧工件变形。如何控制工件焊接后孔径变形是焊接成功的另一个技术关键，曾发现在外发焊接加工后孔径变形很大，热处理后磨加工已经没有磨余量，造成批量的零件报废，因此合理控制焊接功率很重要。当控制激光发生器的输出功率为3000W时得到工件的熔深为4.3mm，符合工艺要求。对于焊后工件的变形也作了统计，平均变形量为0.015mm，最大变形量为0.037mm，在要求的0.05mm公差内。
如图2所示，为本发明焊接深宽比原理图。激光焊接的焊缝成型主要由激光功率及焊速确定，焊接功率的增大，熔深加大，但焊接线速度与熔深成反比，为了达到熔深要求，将线速度相应放慢，但焊速的降低，又直接促使熔宽变大，影响焊接质量。由此引入深宽比的概念，焊缝深宽比a是指焊缝深度H与焊缝在待焊工件A表面铺开的宽度L之比。为了获得较高的焊缝强度，避免焊缝过热组织区域过大引起较大残余热应力和组织应力在焊接和后续热处理过程中产生裂纹等缺陷，应严格控制工艺参数，尽可能获得较大的深宽比，一般情况下，激光焊接焊缝区域必须确保深宽比a＝H/L≥2.5。根据深宽比的要求，找到最佳的比例2.80，出现于1800mm/min的线速度。
焊接的基本参数调整为离焦量-1mm深熔焊功率(发生器输出功率)3000W深熔焊线速度1800mm/min。
以下结合本发明方法提供以下实施例实例1某汽车五档齿轮组件，零件材料齿轮/结合齿环材料均采用平均碳含量0.25％合金钢25MnCr5焊缝直径φ48H7/r6焊接质量焊缝深度≥4mm、焊缝宽≤2.5mm、深宽比≥2.5，对中性±0.3mm，焊接后零件扭距≥164Nm零件变形内孔直径变化≤0.05mm采用本发明的参数和工艺流程，1、焊接的基本参数调整为离焦量-1mm深熔焊功率(发生器输出功率)3000W深熔焊线速度1800mm/min。
2、机加工过程控制控制焊接端面光整、无毛刺，粗糙度值低于Ra1.6，圆度偏差小于0.05mm。
3、焊前清洗采用三氯乙烯清洗剂。
4、焊前清洁用高挥发的丙酮再次清洁需焊接的部位并用干净的抹布擦拭。
5、预焊预焊功率(发生器输出功率)800W，预焊线速度2400mm/min。
6、深熔焊深熔焊功率为3000W，线速度为2000mm/min。
7、后焊后焊功率1500W，后焊线速度1800mm/min。
8、保护气体流量控制氩气的流量控制在35-45Nl/min得到工件的熔深为4.3mm，符合工艺要求。
对于焊后工件的变形也作了统计，平均变形量为0.015mm，最大变形量为0.037mm，在要求的0.05mm公差内。
焊后工件变形进行检验，由孔径平均变形量为0.034mm，最大变形量为0.043mm，在要求的0.05mm公差之内，证实所选用的焊接工艺合适。
由此得到的焊件金相非常规整，没有焊接裂缝和气泡，焊深4.6mm，焊宽1.65mm，深宽比2.78。同时采用T-JNS静扭强度试验台对此进行扭矩测量，五档组件扭矩强度达到500N*m的状态下，荧光探伤没有发现任何的裂纹及断裂的现象，完全符合工艺要求Mmax＝164N*m。
权利要求
1.一种齿轮激光焊接加工方法，其特征在于，通过对焊接的基本参数的调整，以及增加预焊、后焊步骤，来确保焊接合金结构钢的熔深及焊后扭矩达到要求，具体步骤为机加工过程控制、焊前清洗、焊前清洁、预焊、深熔焊、后焊、保护气体流量控制；所述的焊接的基本参数包括离焦量、深熔焊功率、深熔焊线速度。
2.根据权利要求1所述的齿轮激光焊接加工方法，其特征是，所述的焊接的基本参数调整为离焦量为-1mm，深熔焊功率为3000W，深熔焊线速度为1800mm/min。
3.根据权利要求1所述的齿轮激光焊接加工方法，其特征是，所述的机加工过程控制，具体为控制焊接端面光整、无毛刺，粗糙度值低于Ra1.6，圆度偏差小于0.05mm，以保证后道的焊接质量。
4.根据权利要求1所述的齿轮激光焊接加工方法，其特征是，所述的焊前清洗，具体为采用三氯乙烯清洗机，去除工件表面的油污。
5.根据权利要求1所述的齿轮激光焊接加工方法，其特征是，所述的焊前清洁，具体为在焊接前用高挥发的丙酮再次清洁需焊接的部位并用干净的抹布擦拭，确保焊接表面无水、无油。
6.根据权利要求1所述的齿轮激光焊接加工方法，其特征是，所述的预焊，具体为对于焊接过程中功率偏低的问题增加预焊工步，控制预焊功率为深熔焊功率的25％，预焊线速度在2400mm/min。
7.根据权利要求1所述的齿轮激光焊接加工方法，其特征是，所述的深熔焊，具体为深熔焊功率为3000W，线速度为2000mm/min。
8.根据权利要求1所述的齿轮激光焊接加工方法，其特征是，所述的后焊，具体为后焊功率为深熔焊功率的50％，后焊线速度为1800mm/min。
9.根据权利要求1所述的齿轮激光焊接加工方法，其特征是，所述的保护气体流量控制，具体为焊接过程中采用氩气作为保护气体防止透镜污染和焊缝氧化，同时吹走焊接时产生的等离子体云，使深熔焊中激光能顺利直达原有熔深，氩气的流量控制在35-45Nl/min。
全文摘要
一种焊接技术领域的齿轮激光焊接加工方法。本发明通过对焊接的基本参数的调整，以及增加预焊、后焊步骤，来确保焊接合金结构钢的熔深及焊后扭矩达到要求，具体步骤为机加工过程控制、焊前清洗、焊前清洁、预焊、深熔焊、后焊、保护气体流量控制；所述的焊接的基本参数包括离焦量、深熔焊功率、深熔焊线速度。本发明方法使二氧化碳激光焊机扩大了应用，使之既能正常焊接原有的零件，还能焊接各种系列的档位齿轮，可以很大程度上避免缺陷的存在。而且解决了焊接气泡、裂缝、焊缝形状差等问题。
文档编号B23K26/42GK1785576SQ20051011157
公开日2006年6月14日 申请日期2005年12月16日 优先权日2005年12月16日
发明者林叶 申请人:上海汽车股份有限公司