專利名稱：汽車變速器齒輪激光焊縫閉合方法
技術領域：
本發明涉及一種汽車變速器齒輪激光焊縫閉合方法，屬于激光焊接領域。
背景技術：
汽車變速器齒輪的設計制造過程中，為提高工藝性和生產效率、降低工藝成本，經常將復合齒輪設計成齒輪、錐體(或接合齒)獨立的分體件分別加工，然后再復合形成齒輪總成。其復合連接方法主要有花鍵連接、電子束焊接、激光焊接。其中變速器齒輪激光焊接技術的發展較快，在變速器設計及制造中具有一定優勢；齒輪連接面加工成光滑外圓柱面， 錐體(或接合齒)連接面加工成光滑內圓柱面，用熱壓或冷壓法使兩個零件通過連接面壓合在一起，形成端接的焊接結構。激光器輸出的一定模式的激光束經導光系統中各鏡片反射 1、聚焦2后，成為功率密度極高的光束，照射至齒輪焊接部位，使焊縫圓周上很小的區域內金屬被快速加熱熔化焊接在一起；此過程中，齒輪3在激光加工機回轉工作臺的帶動下，繞其回轉軸旋轉，在焊接部4位形成閉合的圓周形焊縫；齒輪激光焊縫閉合處易產生焊接缺陷，因此，齒輪激光焊縫應閉合良好，以使焊縫均勻，焊縫強度等滿足一定要求。而焊逢閉合良好的關鍵是要控制焊縫首尾重合區尺寸，以使焊縫按要求重合，避免出現焊縫未重合、焊縫重合區尺寸不足、焊縫重合區尺寸過大等焊縫尺寸缺陷，以克服由此所造成的焊縫強度下降(焊縫未重合、焊縫重合區尺寸不足)、齒輪總成焊接變形增大(焊縫重合區尺寸過大) 等弊病；目前，汽車變速器齒輪激光焊接時，一般僅從焊縫表面狀態確定焊縫閉合與否，易造成偏差，影響焊接質量。
發明內容
本發明的目的是提供一種汽車變速器齒輪激光焊縫閉合方法，以克服汽車變速器齒輪激光焊縫閉合缺陷，避免其對焊接強度的不利影響；同時，有利于減小齒輪總成的焊接變形，提高齒輪總成的使用性能。本發明的技術方案是這樣實現的汽車變速器齒輪激光焊縫閉合方法，其特征在于具體的加工步驟為將錐體與齒輪沿連接面壓裝在一起，準備進行激光焊接；將上述壓裝件裝夾在可傾數控回轉工作臺的定位夾具上，使齒輪在激光焊接過程中按激光束、齒輪轉速和保護氣合理匹配的要求進行旋轉，以實現不同的焊接速度；采用反射式聚焦結構的導光系統，將聚焦后的激光束傳輸至齒輪焊接焊縫區中心，離焦量為Hlmm;激光焊接過程中，激光器輸出激光功率1. 5^5. 5KW ；焊接速度0. 8^5. 3m/min，焊接速率與齒輪旋轉速率相同；焊接過程中采用氮氣、氬氣或氦氣中一種及壓縮空氣等氣體在焊接過程中對焊接熔池及光學元件進行保護，氣體流量6 15L/min;根據焊縫直徑及焊接速度，計算出齒輪激光焊接時間t ；根據電控系統的反應時間及光閘的動作時間、激光功率密度、焊接速度、焊縫厚度、焊縫寬度、焊縫長度、焊件體積等確定時間參數、、t2、t3、t4 ；計算出修正時間Δ t=、+ t2 - t3+ t4 ；齒輪總成激光焊接時間為t+ Δ t，將此時間值輸入設備控制系統中，完成齒輪總成的焊接，形成閉合良好的激光焊縫；所述的焊接時間參數的焊縫起始段時間為焊縫起始點滯后于設備啟動時間t1;對應焊縫長度I1 ；焊縫開始形成到穩定熔深的時間t2，對應焊縫長度I2 ；焊縫結尾段為由于熱累積作用，焊縫結束滯后時間t3，對應焊縫長度I3 ；焊縫熔深開始降低到焊縫終止的時間t4，對應焊縫長度I4 ；焊縫中間段時間為均勻厚度焊縫的焊接時間(不考慮13，)、，對應焊縫長度Itl ；焊縫表面首尾重合長度理想重合長度14的起始點恰好是I2的終點，即焊縫表面的重合長度為I2+ I4 ；所述的焊縫長度即焊縫表面重合條件為I4起點未超過I2終點實際有效焊縫長度應為1 = I0+ 13;設14'為I4起點與I2 終點間的距離，則I4'為焊縫閉合處焊縫有效厚度不足區段長度；焊縫表面重合長度If為 I2起點與I4終點間的距離；14起點超過I2終點:實際有效焊縫長度為1 = I0+ I2+ I3-I4'；其中1/為I4起點與I2終點間的距離，也是焊縫正常厚度重合長度(因I4必然存在， 若使焊縫無厚度不足區段，此時焊縫正常厚度重合長度應以I2終點為起點，以I4起點為終點);焊縫表面重合長度為If= I4+ I4' + I2 ；所述的焊縫重合長度控制方法如下一般變速器齒輪激光焊接都采用連續二氧化碳激光器；根據其激光功率、光束模式、聚焦光斑尺寸、 離焦量、焊接速度、齒輪結構和體積、保護氣種類與吹氣方式等研究出控制焊縫重合長度的方法；采用時間控制整個齒輪總成激光焊接時間t+ Δ t t—計算所得齒輪焊接時間；
Δ t-修正時間，Δ t=ti+ t2 - t3+ t4 ；
At中各時間點的確定方法 、取決于電控系統的反應時間及光閘的動作時間
t2:取決于激光功率密度、焊接速度、焊縫厚度和寬度(焊縫橫截面面積)、焊件體積、預處理等；t3 激光功率密度、焊接速度、焊縫厚度和寬度(焊縫橫截面面積)、焊件體積、焊縫長度等；t4 激光功率密度、焊接速度、焊縫厚度和寬度(焊縫橫截面面積)、焊件體積、焊縫長度等；根據焊縫長度、焊縫厚度和焊縫寬度等確定各時間段的值以及各時間段的重要程度；以確定恰好形成焊縫閉合的時間條件，并根據實際情況，控制主要時間段以簡化控制步驟，結合實驗與檢測數據對比方法，確定齒輪激光焊接的時間Δ t值，使1/的值越小越好， 實現焊縫的良好閉合。本發明的積極效果是減小或避免汽車變速器齒輪激光焊縫閉合缺陷。滿足激光焊縫的強度要求。同時，有利于減小齒輪總成的焊接變形，提高齒輪總成的使用性能。
圖1為本發明的反射式聚焦結構的導光系統示意圖。
具體實施例方式下面結合實例對本發明做進一步的描述 實例1
對CAS5—25變速箱二速齒輪總成進行激光焊接加工，其步驟為 (1)將錐體與齒輪沿連接面壓裝在一起，準備進行激光焊接。(2)將上述壓裝件裝夾在可傾數控回轉工作臺的定位夾具上，使齒輪在激光焊接過程中按要求進行旋轉，以實現不同的焊接速度。(3)采用反射式聚焦結構的導光系統將聚焦后的激光束傳輸至齒輪焊接焊縫區中心，離焦量為0mm。(4)激光焊接過程中，激光器輸出激光功率2KW ；焊接速度1. 2m/min ；
(5)焊接過程中采用氮氣、氬氣或氦氣中一種及壓縮空氣等氣體在焊接過程中對焊接熔池及光學元件進行保護，氣體流量6L/min。(6)根據焊縫直徑及焊接速度，計算出齒輪激光焊接時間t。齒輪焊縫直徑R=60mm，焊接速度 V=L 2m/min=20mm/s, 齒輪激光焊接時間t=JiR/V = 3· 14X60 / 20 = 9. 42秒。(7)根據電控系統的反應時間及光閘的動作時間、激光功率密度、焊接速度、焊縫厚度、焊縫寬度、焊縫長度、焊件體積等確定時間參數、、t2、t3、t4。ti = 0. 5 秒、；t2 = 0. 4 秒、；t3 = 0. 5 秒、；t4= 0. 3 秒、。(8)計算修正時間，Δ t = ti+ t2 — t3+ t4=0. 5+ 0. 4 - 0. 5+0. 3=0. 7 秒；
(9)齒輪總成激光焊接時間為t+ Δ t= 9. 42+0. 7=10. 12秒，將此時間值輸入設備控制系統中，完成齒輪總成的焊接，形成閉合良好的激光焊縫。參數確定方法如下 (a)控制參數
因激光焊接的速度較快，其時間參數對焊接過程的影響相對較明顯。因此，選時間作為控制參數。(b)焊縫起始段時間
焊縫起始點滯后于設備啟動時間t1;對應焊縫長度I1 ； 焊縫開始形成到穩定熔深的時間t2，對應焊縫長度I2 ；
(c)焊縫結尾段
由于熱累積作用，焊縫結束滯后時間t3，對應焊縫長度I3 ； 焊縫熔深開始降低到焊縫終止的時間t4，對應焊縫長度I4 ；
(d)焊縫中間段時間
均勻厚度焊縫的焊接時間(不考慮13，)、，對應焊縫長度Itl ；
(e)焊縫表面首尾重合長度
理想重合長度14的起始點恰好是I2的終點，即焊縫表面的重合長度為I2+ I4 ；由于多方面因素的影響，實際表面重合長度與理想重合長度會有一定偏差。采用何種控制方法，縮小此偏差，使焊縫成形均勻，也是本發明的目的之一。(f)實施條件
因用肉眼可觀察到焊縫表面重合與否，且首先應保證焊縫表面重合。因此根據實際情況，只研究焊縫表面重合條件下的焊縫實際閉合狀況。(g)有關焊縫長度(焊縫表面重合條件下) ①I4起點未超過I2終點
實際有效焊縫長度應為1 = I0+ I3 ；
設I4'為I4起點與I2終點間的距離，則1/為焊縫閉合處焊縫有效厚度不足區段長度；焊縫表面重合長度If為I2起點與I4終點間的距離。②I4起點超過I2終點
實際有效焊縫長度為1 = I0+ I2+ I3 - I4'；其中I4'為I4起點與I2終點間的距離，也是焊縫正常厚度重合長度(因I4必然存在， 若使焊縫無厚度不足區段，此時焊縫正常厚度重合長度應以I2終點為起點，以I4起點為終占).
焊縫表面重合長度為If= I4+ I4' +I2 (h)焊縫重合長度控制方法
一般變速器齒輪激光焊接都采用連續二氧化碳激光器。根據其激光功率、光束模式、聚焦光斑尺寸、離焦量、焊接速度、齒輪結構和體積、保護氣種類與吹氣方式等研究出控制焊縫重合長度的方法。采用時間控制整個齒輪總成激光焊接時間t+ Δ t
t——計算所得齒輪焊接時間；
Δ t-修正時間，Δ t=ti+ t2 - t3+ t4 ；
At中各時間點的確定方法
根據電控系統的反應時間及光閘的動作時間確定、=0. 5秒。根據激光功率密度、焊接速度、焊縫厚度和寬度(焊縫橫截面面積)、齒輪焊件體積、預處理等確定、=0.4秒。根據激光功率密度、焊接速度、焊縫厚度和寬度(焊縫橫截面面積)、齒輪焊件體積、焊縫長度等確定t3 = 0.5秒。根據激光功率密度、焊接速度、焊縫厚度和寬度(焊縫橫截面面積)、焊件體積、焊縫長度等確定t4 = 0. 3秒。根據焊縫長度、焊縫厚度和焊縫寬度等確定各時間段的值以及各時間段的重要程度。以確定恰好形成焊縫閉合的時間條件，并根據實際情況，控制主要時間段以簡化控制步驟，結合實驗與檢測數據對比方法，確定齒輪激光焊接的時間Δt值，使1/的值越小越好， 實現焊縫的良好閉合。實例2
對CAS5—25變速箱二速齒輪總成進行激光焊接加工，其步驟為 (1)將錐體與齒輪沿連接面壓裝在一起，準備進行激光焊接。(2)將上述壓裝件裝夾在可傾數控回轉工作臺的定位夾具上，使齒輪在激光焊接過程中按要求進行旋轉，以實現不同的焊接速度。(3)采用反射式聚焦結構的導光系統將聚焦后的激光束傳輸至齒輪焊接焊縫區中心，離焦量為-1mm。(4)激光焊接過程中，激光器輸出激光功率2. 5KW ；焊接速度1. 5m/min ；
(5)焊接過程中采用氮氣、氬氣或氦氣中一種及壓縮空氣等氣體在焊接過程中對焊接熔池及光學元件進行保護，氣體流量12L/min。(6)根據焊縫直徑及焊接速度，計算出齒輪激光焊接時間t。齒輪焊縫直徑R=60mm，焊接速度V=L 5m/min=30mm/s, 齒輪激光焊接時間t=JiR/V = 3· 14X60 / 30 = 6. 28秒。(7)根據電控系統的反應時間及光閘的動作時間、激光功率密度、焊接速度、焊縫厚度、焊縫寬度、焊縫長度、焊件體積等確定時間參數、、t2、t3、t4。ti = 0. 45 秒、；t2 = 0. 45 秒、；t3 = 0. 5 秒、；t4= 0. 2 秒、。
7
(8)計算修正時間，Δ t = ti+ t2 - t3+ t4=0. 45+ 0. 45 一 0. 5+0. 2=0. 6 秒；
(9)齒輪總成激光焊接時間為t+ Δ t = 6. 28+0. 6=6. 88秒，將此時間值輸入設備控制系統中，完成齒輪總成的焊接，形成閉合良好的激光焊縫。參數確定方法同實例1。
權利要求
1.一種汽車變速器齒輪激光焊縫閉合方法，其特征在于實現汽車變速器齒輪激光焊縫良好閉合的控制方法；加工步驟為將錐體與齒輪沿連接面壓裝在一起，準備進行激光焊接；將上述壓裝件裝夾在可傾數控回轉工作臺的定位夾具上，使齒輪在激光焊接過程中按要求進行旋轉，以實現不同的焊接速度；采用反射式聚焦結構的導光系統將聚焦后的激光束傳輸至齒輪焊接焊縫區中心，離焦量為Hlmm;激光焊接過程中，激光器輸出激光功率1. 5^5. 5KW ；焊接速度0. 8^5. 3m/min ；焊接過程中采用氮氣、氬氣或氦氣中一種及壓縮空氣等氣體在焊接過程中對焊接熔池及光學元件進行保護，氣體流量6 15L/min ；根據焊縫直徑及焊接速度，計算出齒輪激光焊接時間t ；根據電控系統的反應時間及光閘的動作時間、激光功率密度、焊接速度、焊縫厚度、焊縫寬度、焊縫長度、焊件體積等確定時間參數、、 t2、t3、t4 ；計算出修正時間Δ t=、+ t2 - t3+ t4 ；齒輪總成激光焊接時間為t+ Δ t，將此時間值輸入設備控制系統中，完成齒輪總成的焊接，形成閉合良好的激光焊縫。
2.根據權利要求1所述的一種汽車變速器齒輪激光焊縫閉合方法，其特征在于所述的焊接時間參數的焊縫起始段時間為焊縫起始點滯后于設備啟動時間t1;對應焊縫長度I1 ； 焊縫開始形成到穩定熔深的時間t2，對應焊縫長度I2 ；焊縫結尾段為由于熱累積作用，焊縫結束滯后時間t3，對應焊縫長度I3 ；焊縫熔深開始降低到焊縫終止的時間t4，對應焊縫長度I4 ；焊縫中間段時間為均勻厚度焊縫的焊接時間(不考慮13，)、，對應焊縫長度Itl ；輝縫表面首尾重合長度理想重合長度14的起始點恰好是I2的終點，即焊縫表面的重合長度為I2+ I4O
3.根據權利要求1所述的一種汽車變速器齒輪激光焊縫閉合方法，其特征在于所述的焊縫長度即焊縫表面重合條件為14起點未超過I2終點實際有效焊縫長度應為1 = I0+ 13;設14'為I4起點與I2終點間的距離，則I4'為焊縫閉合處焊縫有效厚度不足區段長度； 焊縫表面重合長度If為I2起點與I4終點間的距離；14起點超過I2終點實際有效焊縫長度為1 = I0+ I2+ I3-I4'；其中I4'為I4起點與I2終點間的距離，也是焊縫正常厚度重合長度(因I4必然存在，若使焊縫無厚度不足區段，此時焊縫正常厚度重合長度應以I2終點為起點，以I4起點為終點)；焊縫表面重合長度為If= I4+ I4' + I2。
4.根據權利要求1所述的一種汽車變速器齒輪激光焊縫閉合方法，其特征在于所述的焊縫重合長度控制方法如下一般變速器齒輪激光焊接都采用連續二氧化碳激光器；根據其激光功率、光束模式、聚焦光斑尺寸、離焦量、焊接速度、齒輪結構和體積、保護氣種類與吹氣方式等研究出控制焊縫重合長度的方法；采用時間控制整個齒輪總成激光焊接時間:t+ Δ tt—計算所得齒輪焊接時間； Δ t-修正時間，Δ t=ti+ t2 - t3+ t4 ；At中各時間點的確定方法、取決于電控系統的反應時間及光閘的動作時間t2:取決于激光功率密度、焊接速度、焊縫厚度和寬度(焊縫橫截面面積、焊件體積、預處理等；t3 激光功率密度、焊接速度、焊縫厚度和寬度(焊縫橫截面面積)、焊件體積、焊縫長度等；t4:激光功率密度、焊接速度、焊縫厚度和寬度(焊縫橫截面面積)、焊件體積、焊縫長度；根據焊縫長度、焊縫厚度和焊縫寬度確定各時間段的值以及各時間段的重要程度。
全文摘要
本發明涉及一種汽車變速器齒輪激光焊縫閉合方法，其步驟是選擇激光焊接時間為控制參數，根據焊縫起始段、中間段、結尾段狀態將時間分成5個時間段，重點控制焊縫起始段、焊縫結尾段時間參數，結合根據焊縫直徑、焊接速度計算所得的激光焊接時間，形成最終的時間控制參數，據此形成閉合良好的汽車變速器齒輪激光焊縫，以減小或避免汽車變速器齒輪激光焊縫閉合缺陷，滿足激光焊縫的強度要求。同時，有利于減小齒輪總成的焊接變形，提高齒輪總成的使用性能。
文檔編號B23K26/14GK102151995SQ20111007549
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月28日 優先權日2011年3月28日
發明者姚遠, 孔德舉, 李瀟一, 秦芳, 鄭培和, 陳明, 魏偉 申請人:中國第一汽車集團公司