汽车变速箱高功率激光焊接解决方案

来源:国际工业激光商情

发布时间:2020年4月22日下午 01:04:47

从现阶段火热的新能源双离合变速箱到传统的AT自动变速箱,汽车变速箱传动技术一直以来都是汽车行业的重点研究领域。汽车变速器内中心轴回转类零件的焊接总成通常包含:齿轮毂件、齿轮离合器件、中心轴齿毂总成、中心套齿毂总成、双联齿轮总成件、差速器总成件等核心传动部件。  
 
 
从现阶段火热的新能源双离合变速箱到传统的AT自动变速箱,汽车变速箱传动技术一直以来都是汽车行业的重点研究领域。汽车变速器内中心轴回转类零件的焊接总成通常包含:齿轮毂件、齿轮离合器件、中心轴齿毂总成、中心套齿毂总成、双联齿轮总成件、差速器总成件等核心传动部件。
 
由于机加工技术的局限性,变速器中形状、结构复杂的回转类零件很难甚至无法整体加工成单件。同时为了减少重量和体积、降低加工难度、节省原材料以节约成本,提高工艺性和生产效率,通常采用的是通过成两个或两个以上的单件经焊接工艺组合成一个组件的制造方式进行加工,焊接后要求强度高、变形小,且不破坏原材料性能。已经应用的焊接工艺包括:电阻焊、感应焊、电子束焊、激光焊等。其中电阻焊和感应焊的初始成本及维护成本低,但生产的零件笨重,且焊后精度不高,不易于实现汽车的轻量化;对于电子束焊,虽然焊接质量高且可以实现零件的轻量化,但是设备初始成本和维护成本高,焊接需要真空环境,零件焊接节拍太长,增加制造成本。
 
与上述焊接工艺相比,激光焊接齿轮无需在真空中进行,设备初始成本低于电子束焊,而且设备维护成本低,由于热输入量低,可实现零件的焊后高精度要求,保证了焊接后的零件无需再进行精加工,减少制造工序,节约零件制造成本,同时可实现零件的轻量化。激光焊接还可使焊缝深宽比高达10:1,且可以保证焊缝处的综合机械性能相当或优于母材的综合机械性能,保证了此类回转零件可以平稳地传递较大的扭矩。因设备结构简单,现如今,激光焊接在此类高要求的焊接应用方面,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。此前,国内的变速器内的回转类零件的焊接产线几乎被德国EMAG和TRUMPF等公司垄断,2016年华工激光提供在汽车变速箱焊接领域的激光加工解决方案,打破国外垄断,已经陆续为神龙集团、格特拉克集团、青山集团等国内外专业变速箱制造公司提供优质服务。
 
华工激光提供的汽车变速器内的回转零件的焊接解决方案的核心工序有:
 
1.焊前清洗:该清洗工序一般采用激光清洗,焊前由激光清洗机处理需焊接及周围部位,可以清除零件表面的油污与颗粒等杂物,这样在焊接时就可以避免产生由杂质引起的爆孔等现象,进而避免此类缺陷。在小批量生产时,可以采用酒精擦拭零件表面,同样可以达到激光清洗的效果。
 
2.压装:对于此类传动部件,为确保动力的输出可靠,需要对焊缝相对于两个零件中线的偏移量有严格的规定,一般为0.01mm,而且激光束聚焦后的聚焦光斑很小,能量的传输面积小,所以焊缝需要有很高的精度定位要求,否则零件会焊接失效,导致进入报废流程。两对接平面之间高度差太大,则会使激光束的能量大量反射出去,影响焊接的深度和均匀性,而且两零件的平面在机械图纸中,往往有精度要求,故需焊接的几种零件往往采用是过盈配合,清洗后的零件通过压装工序加工(压装是通过压机把需要焊接的两个零件压配后紧密结合在一起),而在压装后,一般要求平面差小于0.01mm,端面跳动小于0.02mm。
 
3.预热:为了有效改善焊接裂纹,根据零件材料及加工状态及激光器种类,部分零件需要在焊接前对焊缝附近进行预热,使零件的焊缝附近在焊接时能达到特定温度,特别是对含碳量高或经过热处理渗碳淬火后的零件。该工序一般采用中频加热装置,该装置以非接触式加热,在3s内可以把零件由常温加工至150℃-250℃,节省节拍。
 
4.激光焊接:采用固体光纤激光器或者CO2气体激光器对变速器内回转类零件进行焊接,为了满足焊后的高精度要求,焊接工艺采用小功率分段预焊一圈之后再大功率深熔焊一圈,此过程往往配以Ar气为保护气体。CO2气体激光器焊接产生的飞溅较小,且不易产生裂纹缺陷,但光路及激光器维护复杂,固体光纤激光器产生飞溅较大,激光由光纤传输,光路及激光器维护简单。
 
5.焊后除渣:虽然在焊接过程中,除焊缝附近区域,增设了焊接保护,不会掉入焊渣,同时还设有抽吸除尘装置,吸走大部分焊渣和焊接灰尘,但是焊缝部分无法设计防护,会掉入焊渣,还会产生氧化皮附着在表面,需要后续工序清除焊缝附近的氧化皮和焊渣,故有此设计焊后除渣工序。除渣靠固定零件的卡爪与焊缝接触的刷头反向快速转动,实现零件焊缝位置的除渣工作。该工位下方设有焊渣收集机构,实现焊渣收集的功能,达到设备干净整洁的目的。
 
6.激光打标:除渣完成后,可以进行激光打标,在零件表面雕刻DataMatrix(工业用)码,可以为生产提供溯源功能,同时具有保密性。
 
7.焊后检测:一般将焊缝切开进行显微观察,用以确定熔深及熔宽是否达到要求,熔深还可以配备PRECITEC的IDM进行非破坏性的在线检测,也能采用超声波探伤检测,确定焊缝内部有无裂纹缺陷。目视检查要求零件表面无飞溅,无划伤,焊缝表面平顺,无凹陷等缺陷,也可以通过视觉自动检测焊缝表面质量。
 
在焊接过程中,一些功率参数对焊缝质量和焊缝尺寸起着决定性作用:
 
功率密度:是激光焊接中关键的参数之一,它与激光器输出功率成正比,与有效光斑直径的平方成反比。激光焊接与激光功率密度密切相关,一般当激光功率密度不高于106W/cm2时,激光焊接属于热传导焊接的范畴,激光功率密度高达106W/cm2时,材料蒸发速率很大,高压蒸气的压力使熔池下凹形成小坑;继续作用使小孔加深,直到金属蒸气的压力与液态金属的表面张力和重力达到平衡而成一稳定深度的小孔——“小孔效应”。激光束沿小孔壁进入孔底,可得很大的焊接深度。小孔是一个温度特别高的吸收源,热量从小孔向周围传递,从而在小孔周围形成一个称之为熔池的熔化区。随着光束相对工件的移动,熔化的金属充填小孔、固化而形成焊缝。“小孔效应”与激光功率密度密切相关,功率密度越低,“小孔效应”越不稳定甚至无法形成,熔池也小。为了使焊接后的零件能传递较大的扭矩,就必须使焊缝强度高于母材强度,也就是进行深熔焊接。但在高功率激光深熔焊接过程中,会在熔池上方产生等离子体,它会对入射激光产生吸收、散射和反射等现象,大大衰减了入射激光的能量——“等离子体屏蔽效应”。可以通过用辅助吹气(Ar,He,N2,CO2等)抑制等离子体。
 
焊接速度与激光功率共同影响着焊接区域的热输入,因而对焊缝的形状和尺寸有较大的影响。深熔焊接时,在一定的激光功率下,焊接熔深几乎与焊接速度成反比。焊接速度越快,越难以形成“小孔效应”,以致金属未熔化和自淬速度过快,焊缝强度降低,而且焊缝中的有害气体如N2,H2,O2及CO来不及逸出,使焊缝内部气孔增多,容易产生气孔、裂纹等缺陷,影响抗弯强度和焊缝外观。所以,确定焊接速度的上限是为了防止金属未熔透和自淬速度过快以致不能流动和融合。否则,熔化金属会趋向与仅沿着被焊工件顶端形成焊珠;而焊接速度过慢时,过量的热传导引起的焊道向侧向扩展,热影响区过热而扩大,焊缝金相组织晶粒粗大,有时还会产生裂纹,严重影响了焊接质量,但当焊速到达低限时,过多的功率吸收还会引起局部蒸发损失,出现凹陷,同时增加了零件制造的时间成本。
 
作用于工件表面的激光功率密度除了和激光束的焦斑功率密度有关外,还取决于工件表面与焦斑的相对位置(离焦量)。当焦平面位于工件表面之上时称为正离焦,反之为负离焦。离焦量越大,作用在零件表面的光斑直径越大,能量越分散,越容易形成熔宽较宽、熔深较浅的小深宽比焊缝;反之,零件表面的光斑直径越小,能量越集中,越容易形成熔宽较窄、熔深较深的大深宽比焊缝。变速箱内回转零件的焊缝深宽比大部分在1.5:1至2:1之间。
 
 
神龙集团生产现场
 
目前,华工激光提供的解决方案包括:神龙集团齿轮激光焊接生产线、格特拉克集团双联齿轮激光焊接生产线、天汽模公司齿轮毂焊接生产线和蓝黛传动齿轮毂焊接系统等。
 
神龙集团齿轮激光焊接生产线:该生产线包括自动化搬运、自动压装、自动焊接及上下料库工位。环形料道的齿圈与上料库中的齿环经过右桁架搬运机械手夹取搬运至压机待料工位,压机转台旋转搬运齿圈、齿环进入压机工位压装,压装后压机转台旋转搬运齿轮至压机下料工位,由左桁架搬运机械手夹取搬运至双工位焊机待料工位,焊机转台旋转180度搬运齿轮进入焊接工位进行焊接,焊后焊机转台旋转180度搬运齿轮至焊后下料工位,由左桁架搬运机械手夹取搬运至成品下料库,便于下料。压机和成品下料库之间还设有废料落料架,便于压装或焊接后的不合格品下料,用于区分合格品和不合格品。
 
该生产线采用德国ROFIN的CO2气体激光器,产线待料位还配备视觉检测系统进行防错,确保所选择的程序与需焊接产品相对应,避免人为的操作失误导致设备故障或来料报废状况的发生。该条产线的所有搬运动作都在同一条线上,其它工位分布在搬运桁架两侧,各工位独立工作,互不干扰,节省节拍。
 
格特拉克集团双联齿轮激光焊接生产线:该生产线包括搬运机器人、焊前清洗、自动压装、自动焊接及焊后除渣工位。两个上料道的齿环和齿圈分别由清洗机的机械手和搬运机器人搬运至清洗工位进行激光清洗,齿环和齿圈清洗后分别由压机的机械手和搬运机器人搬运至压装工位进行压装,压后由搬运机器人搬运齿轮至焊接工位焊接,焊后则由搬运机器人搬运齿轮至焊后除渣工位进行自动除渣操作,除渣完成后,由搬运机器人搬运齿轮至成品下料道下料。除渣工位旁还设有废料落料架,便于机器人对压装或焊后的不合格品下料,用于区分合格品和不合格品。
 
该生产线采用德国ROFIN的光纤激光器,产线上料位还配备视觉检测系统进行防错,确保所选择的程序与需焊接产品相对应,避免人为的操作失误导致设备故障或来料报废状况的发生。该产线采用环形分布,极大地提高了机器人的利用率,各工作站结构紧凑,占地面积小,各工作站独立工作,互不干扰。
 
 
天汽摸集团设备现场
 
天汽模集团齿轮毂焊接生产线:该生产线包括全自动桁架搬运、自动压装、预热、自动焊接及激光打标等核心工位。产线采用左右双线布局,两条产线可同时上下料,两条产线之间增设一条料道,用于过渡,可用于三个零件的一次焊接,自动化程度高。左侧来料通过托盘上料,借助左侧搬运桁架机械手搬运,经过压机、焊机,齿轮毂进入焊机后,再依次进入预热、焊接工位,焊后通过左侧搬运桁架机械手搬运至下料线进行激光打标与下料,若是三个零件的一次焊接,焊后则通过左侧搬运桁架机械手搬运至中间过渡料线,与右侧料线一起上料,依次在经过压装、预热、焊接加工,通过右侧搬运桁架机械手搬运至右侧料线打标、下料。整个过程皆是自动化,人工只需进行上下料操作,且产线还预留有除渣机与清洗机位置,客户可根据实际情况增设清洗或除渣工位。产线上料位还配备视觉检测系统进行防错,确保所选择的程序与需焊接产品相对应,避免人为的操作失误导致设备故障或来料报废状况的发生。该产线采用环形分布,极大地提高了机器人的利用率,各工作站结构紧凑,占地面积小,各工作站独立工作,互不干扰。
 
总结
 
在现代汽车变速箱制造领域,激光焊接技术越来越重要。
 
在高达十档的自动变速器及双离合自动变速箱的开发过程中,工程师们的创造力没有极限。
 
紧凑的结构上需要承受的转矩越来越大,因此常常出现钢板成型件和轴类件组合在一起的形式,它们通过激光焊接变形很小。
 
激光能量的好处是它的能量密度极高,受热影响的关联区域有限。
 
通过透镜可使激光照射源应用非常灵活,如点焊、线焊、深度焊,可同时对多个工件部位进行焊接。
 
鉴于用光纤导光很容易,在华工激光奥凯系列齿轮激光焊接设备上基本全部采用固体激光器。固体激光在光束质量、功率和寿命等方面表现突出。

 

 

 

作者:范大鹏,武汉华工激光工程有限责任公司

 

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