齒輪焊接既可減少零件數(shù)量，又能提高齒輪質量和降低齒輪的制造成本，因此，在汽車工業(yè)中早已廣泛應用。在激光焊接齒輪以前，齒輪的焊接一般采用電阻焊、感應焊、電子束焊等工藝方法。與上焊接工藝相比，激光焊接齒輪無需在真空中進行，而且可避免焊接變形，保證了焊接后的齒輪無需再精加工。不僅如此，激光焊接可使焊縫深寬比高達10：1，且焊縫處具有相當或優(yōu)于母材的綜合機械性能，保證了齒輪可以傳遞較大的扭矩［1］。因此，齒輪激光焊接是一個發(fā)展趨勢。目前世界各大汽車制造廠竟相采用激光焊接齒輪，以提高產(chǎn)品在國際市場上的競爭力。我國齒輪激光焊接設備設計制造水平和能力目前還比較薄弱，國內主要汽車廠的齒輪激光焊接設備主要依賴進口，且價格昂貴。因此，研制開發(fā)汽車變速箱雙聯(lián)齒輪激光焊接機，對推動我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有一定意義。 1 雙聯(lián)齒輪 汽車變速箱雙聯(lián)齒輪激光焊接機的焊接對象是富康轎車的五速箱四檔從動齒輪、四速箱五檔從動齒輪和五檔從動齒輪三種，它們的結構形式相同，都由齒輪、齒圈和墊片組成，齒輪材料為27MC5(法國牌號)，齒圈材料為16MC5(法國牌號)，如圖1所示。齒圈的兩面有細微的差別，A面齒側倒角，裝配時要求齒圈A面向外，其內孔D1與齒輪軸外圓D3為過盈配合，過盈量要求控制在一定的范圍；墊片的內孔D2與齒輪軸外圓D3為間隙配合。設備生產(chǎn)率要求能達到每小時生產(chǎn)64件，雙聯(lián)齒輪要求焊縫深度為1.5±0.25mm， 焊縫寬度小于 1.1mm，焊縫偏移量為±0.1mm，雙聯(lián)齒輪傳遞扭矩大于1000Nm。 圖1雙聯(lián)齒輪2 整體方案的確定 在進行雙聯(lián)齒輪的激光焊接機的整體方案的設計時，我們對雙聯(lián)齒輪進行了認真的分析，確定了需要解決的四個關鍵問題： (1)雙聯(lián)齒輪壓裝過程中齒圈的內孔和齒輪的外圓過盈量的檢測。雙聯(lián)齒輪壓裝過程中須對齒圈的內孔D1、齒輪的外圓D3之間的配合進行檢查，保證過盈量控制在一定的范圍內。齒圈的內孔D1和齒輪的外圓D3的尺寸一般呈正態(tài)分布，即使合格的齒圈和齒輪，當齒圈的內孔D1靠近上偏差，而齒輪的外圓D3靠近下偏差；或者，當齒圈的內孔D1靠近下偏差，而齒輪的外圓D3靠近上偏差，都會出現(xiàn)壓裝后的雙聯(lián)齒輪不符合質量要求，這是在壓裝前無法檢測出來的。 (2)雙聯(lián)齒輪壓裝過程中齒圈的裝配方向的檢測。齒圈A面齒側倒角，裝配時要求齒圈A面向外，由于齒圈兩面的差別細微，在壓裝時如何判別齒圈的安裝方向是一個難點。 (3)雙聯(lián)齒輪壓裝前齒圈的扶正。由于齒圈的內孔D1和齒輪的外圓D3的公差配合為過盈配合，齒輪的前段有一小臺階，所以齒圈套在齒輪上的自然狀態(tài)容易為傾斜狀態(tài)，導致無壓裝，因此，壓裝前必須將齒圈扶正。 (4)雙聯(lián)齒輪的激光焊接工藝參數(shù)的確定。激光焊接的焊縫容易出現(xiàn)氣孔、裂紋、咬邊等缺陷，如何通過激光焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化避免這些缺陷的出現(xiàn)。不僅如此，汽車用的雙聯(lián)齒輪還要求較大的焊縫深寬比，以便傳遞較大的轉矩，且焊縫首尾相接處不允許有凹坑等外觀缺陷。雖然在設計整體方案時并不需要也不可能每一項工藝參數(shù)都確定下來，但對于激光功率、焊接速度等對設備的結構有較大影響的工藝參數(shù)必須通過試驗得到。 在汽車變速箱雙聯(lián)齒輪激光焊接機方案確立的過程中，我們始終把上述問題作為重點解決的問題。由于對齒圈的內孔D1和齒輪的外圓D3的尺寸進行在線測量技術難度較大，費用高，不可能對齒圈的內孔D1和齒輪的外圓D3的配合過盈量進行直接檢測。我們用相同的材料加工一批齒圈和齒輪，控制齒圈的內孔D1和齒輪的外圓D3的實際尺寸接近上偏差或下偏差，通過在壓力機上進行裝配，測出在過盈量上限和下限所需的壓力值，從而通過間接的方法檢測齒圈的內孔D1和齒輪的外圓D3的過盈量。對于對設備的結構有較大影響的工藝參數(shù)的確定，我們借助已有的三坐標激光加工設備通過插補的方式模擬齒輪焊接，取得了相當多的試驗數(shù)據(jù)。在此基礎上經(jīng)過設計和反復論證，確立了汽車變速箱雙聯(lián)齒輪激光焊接機的技術方案為：整個設備由雙聯(lián)齒輪壓裝機床和雙聯(lián)齒輪激光焊接機床組成，兩臺機床之間由輸送裝置連接，由兩名工人操作。該方案結構簡單，制造成本較低，設備的可靠性大大提高，其加工工藝過程和工作原理為：齒輪、齒圈和墊片在齒輪壓裝機床上裝配、壓緊，然后由輸送裝置傳送至齒輪激光焊接機床，在齒輪激光焊接機床上進行焊接。 3 雙聯(lián)齒輪壓裝機床 3.1 工藝過程和工作原理 雙聯(lián)齒輪壓裝機床由主機、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構成，其主機結構示意如圖2所示。將齒輪4、墊片5及齒圈6按規(guī)定順序安裝定位于機床工作臺面的夾具7上。夾具中的檢測裝置自動對齒圈的安裝方向進行檢測，如果齒圈安裝方向不正確。控制系統(tǒng)控制機床壓頭3不能壓下，如果齒圈安裝方向正確，則按動啟動按鈕后，由液壓缸1推動機床壓頭3下壓，從而將具有過盈配合的齒輪4、齒圈6及墊片5壓合在一起。在機床壓頭上裝有壓力傳感器2，能對壓裝過程的壓力信號進行數(shù)據(jù)采集，控制系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)進行處理，壓力值一旦超出規(guī)定裝配過盈量的壓力上下限時，表明齒輪或齒圈的配合不符合要求，系統(tǒng)則發(fā)出報警和停機，等待操作人員進行處理。這樣，可避免不合格的工件流入下一道工序。壓裝夾具中的檢測裝置不僅可檢測齒圈的安裝方向，而且還可以對是否安裝了工件進行判斷。齒輪壓裝機床采用了全封閉的防護結構，只有在有機玻璃的拉門關閉后，門檢測開關發(fā)出信號，左右手同時按下左右兩個啟動按鍵后，壓裝工作才能進行。 圖2壓裝機床示意圖3.2 齒圈安裝方向的檢測 如圖3 為雙聯(lián)齒輪的夾具結構圖，待壓合的齒圈7放在定位蓋3上，以齒圈7外圓定位，并由銷8確定其周向位置。若齒圈安放正確，則測量頭4被齒圈壓下，通過杠桿1(2為支點)將行程放大，使行程開關12發(fā)出信號；如果齒圈安裝方向錯誤(即齒圈輪齒倒角在上)，此時，測量頭繼續(xù)被壓下，則行程開關10發(fā)出信號。待壓合的墊片6放在齒圈7上面并套在齒輪5上，齒輪由心軸9定位。工件安裝好后，壓裝機床壓頭壓下，齒輪5沿心軸9與墊片6、齒圈7壓合在一起。壓裝不同規(guī)格的雙聯(lián)齒輪，需調整開關檔塊11、13的位置，此時，可以松開螺母，仔細調整好開關檔塊11、13的位置，直到能靈敏地檢測齒圈的方向為止。測量頭4、銷8和定位心軸9是夾具部件的易損件，應經(jīng)常檢查。當壓裝質量無法保證時，應進行更換和調整。測量頭4因長期使用而發(fā)生磨損后，可以通過調整開關檔塊11、13的位置進行補償。 圖3夾具結構圖4 雙聯(lián)齒輪激光焊接機床 4.1 聚焦方式的選擇 激光焊接有透鏡聚焦和反射鏡聚焦兩種方式，如圖4所示 ，透鏡的材料要求比較嚴格，一般選用砷化鎵材料，它對10.6μm波長的CO2激光的吸收系數(shù)很小，具有較高的熱傳導率、較小的熱膨脹系數(shù)和較好的機械性能和光學均勻性好等特點。但在大功率激光透射系統(tǒng)中，常遇到的問題是因連續(xù)工作時間過長而引起透鏡的熱畸變。透鏡受熱膨脹后，各處光強分布不均勻，中心部分溫度高而凸起，產(chǎn)生光學畸變，使焦斑位置向透鏡方向移動(實際焦距變小)。另外，在激光透射系統(tǒng)中，為了提高功率密度，一般縮短透鏡的焦距，但當透鏡到被焊接材料的表面的距離很短時，焊接過程中的金屬飛濺物容易污染透鏡表面［2］。當激光器的輸出功率數(shù)千瓦時，砷化鎵材料也容易損壞。為克服透鏡的熱畸變，本齒輪激光焊接機采用了非球面拋物鏡傳輸聚焦系統(tǒng)，并通過加大冷卻水的流量和冷卻面積的方法，達到快速、充分冷卻聚焦鏡，取得了較好的效果。 圖4激光聚焦方式4.2 反射鏡的冷卻與調整 激光反射鏡有平面反射鏡和反射聚焦鏡，用于對激光束作90°的反射和反射聚焦。鏡片在反射激光的同時還會吸收少量的能量從而導致鏡片發(fā)熱，如果過熱，鏡片會變形乃至損壞，因此，反射鏡必須有冷卻裝置，如圖5所示。2為冷卻壓蓋，其靠近鏡片1的一端開有循環(huán)水槽，冷卻水從管接頭3進入水槽，從管接頭4排出，不斷地帶走鏡片1所產(chǎn)生的熱量起到冷卻作用。鏡片1角度通過調整在圓周上均勻分布的三個螺釘5和彈簧6來調節(jié)，角度調整好后，擰緊與三個調整螺釘相同的圓周上的緊定螺釘，發(fā)防止意外的振動。 圖5反射鏡的冷卻與調整4.3 工藝過程和工作原理 齒輪激光焊接機床由主機、激光器、冷水機組、輔助氣供氣系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)等主要部分構成，圖6為其結構示意圖。激光束由激光器產(chǎn)生并水平送出，通過兩個45°角平面反射鏡7、8傳輸?shù)?5°角反射式曲面聚焦鏡6上，由其聚焦垂直照射到被裝夾在工作臺4上的雙聯(lián)齒輪5上，在焊接過程中，由平面反射鏡8和反射式曲面聚焦鏡6組成的激光頭固定不動，伺服電動機2通過蝸輪蝸桿副3驅動工作臺4帶動雙聯(lián)齒輪作旋轉運動，使雙聯(lián)齒輪的齒輪和齒圈整個接縫圓周都能被激光焊接。整個數(shù)控工作臺由氣缸1從上料位置推到焊接位置，焊接位置的精確定位通過手柄9調整得到，激光頭在垂直方向可以連續(xù)調整，這樣，通過調整激光焦點與焊縫的位置可以焊接不同規(guī)格的齒輪。 圖6激光焊接機床激光焊接機是一種全封閉式的全自動焊接機床，各個動作之間相互聯(lián)鎖，既能保證機床的正常運轉，同時也能保證設備的安全和操作者的人身安全。激光焊接過程中，激光直射、反射到人體時，都會造成不同程度的損傷，尤其是人的眼睛。為了避免激光給操作者造成損傷和對操作者視線的干擾，操作者視區(qū)范圍內設置了自動感光安全保護視窗。在正常的狀態(tài)下，通過該視窗可以看到工件的定位狀態(tài)，一旦加工時產(chǎn)生強烈的激光，該視窗可自動感光在0.02秒的時間內由亮變暗，具有全自動防護功能，該視窗的設置可大大降低因目暈而產(chǎn)生的誤操作。 表1焊接工藝參數(shù) 激光器功率(W) 焊接速度(m/min) 離焦量(mm) 深寬比 1500 1.005 -0.2 1.58/0.9 4.4 工藝參數(shù) 激光功率、焊接速度和焦距等工藝參數(shù)對焊縫質量均有影響。工藝參數(shù)的不當容易導致焊縫首尾銜接處出現(xiàn)小凹孔和表面呈黑褐色，甚至會出現(xiàn)氣孔、裂紋等嚴重影響產(chǎn)品質量的缺陷，我們通過優(yōu)化工藝參數(shù)，無需采用常用的“T型功率”的方法，成功地解決了這個問題，大大降低了設備的成本，而且保證了焊縫質量。經(jīng)切片金相檢查和與國外同類零件比較，焊接質量完全達到國外先進水平。由于篇幅的原因，齒輪激光焊接工藝這里不作詳述，將另文討論。本設備激光器采用德國Rofin-Sinar公司生產(chǎn)的2000WCO2RS2000SM快速軸流激光器。 參考文獻： ［1］王家金.激光加工技術.北京：中國計量出版社，1992. ［2］湯漾平.段正澄.自適應元器件在激光加工中的應用.激光技術，1999.8. ［3］閻毓禾.鐘敏霖.高功率激光加工及其應用.天津：天津科學技術出版社，1994.