一种大熔深齿轮激光焊接方法及装置与流程

1.本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种大熔深齿轮激光焊接方法及装置。


背景技术：

2.激光焊接相比较于电子束焊优点是：激光焊不需真空室和对工件焊前进行去磁处理，它可在大气中进行，也没有防x射线问题，所以可在生产线内联机操作，也可焊接磁性材料。另外，激光焊接的循环时间大大低于电子束焊接(很容易做到30s以内)。因此，激光焊接实际上已取得了电子束焊接20年前的地位，成为高能束焊接技术发展的主流。激光焊接的原理：激光器输出的一定模式的激光束经导光系统中各镜片反射、聚焦后，成为功率密度极高的光束，照射至齿轮焊接部位，使焊缝圆周上很小的区域内金属被快速加热熔化焊接在一起。此过程中，齿轮在激光加工机回转工作台的带动下，绕其回转轴旋转，在焊接部位形成闭合的环形焊缝。
3.目前，齿轮激光焊接的应用广泛，齿轮的激光焊缝深度比较大，其激光焊接一般为深熔焊接。现有的激光焊接机采用德国rofin的co2激光发生器，型号为dc040，功率为4kw，焊接零件的深度范围为1.8-3.0mm，采用激光焊接机功率为1.7
±
0.1kw。在焊接盘类齿轮时，为达到焊接深度4.5～5.5mm，需要将激光焊接机功率提升到3.3
±
0.1kw。在焊接加工过程中检测发现，如图1所示，激光焊接360
°
环形区域内，在焊接环的焊接末尾240
°
～360
°
区域(称为收弧区)内产生了焊接裂纹，焊接裂纹的长度对应到角度上，范围有90
°
～120
°
。另外还发现，如图2～4所示，裂纹产生在两种焊接零件的结合区域的退刀槽所形成的“空气池”区域，具体裂纹产生在齿轮与锥盘压配面上，齿轮的退刀槽的顶部。
4.分析裂纹产生的原因：在激光深熔焊接时，会产生较大的热变形，当焊缝为环形时，先焊接区域的热膨胀持续推向收弧区，使收弧区的焊缝易产生变形，影响焊缝质量，并且当焊接收弧区的时候，先焊接区域的熔池已经先凝固，产生收缩，使得先焊区域与收弧区域的焊缝的凝固收缩存在时间差，收缩量不一致，先焊区域的焊缝收缩大，对收弧区后凝固区域的焊缝形成破坏性拉应力(沿齿轮径向)，继而使之形成裂纹，称之为收弧裂纹。
5.为避免焊接裂纹的产生，中国发明专利cn102476241b的说明书公开了一种汽车变速器技术领域的结合齿环与齿轮热后激光焊接方法，通过将结合齿锥与齿轮分别进行预处理；热后加工压配及焊接区域电磁预热处理；最后将齿轮放在一个托盘上，托盘旋转180度，托盘下的垂直轴将齿轮顶出台面，齿轮从内孔夹紧，通过反向推力轴承的作用完成下压，然后根据焊接起始位置依次进行点焊、预焊和深熔焊。通过焊接前进行预处理、电磁预热等方法，焊接时先点焊固定位置，再通过环形预焊减少焊接应力，最终深熔焊完成焊接，避免产生焊接变形和裂纹，该方法的预焊和深熔焊都未解决：先焊区域与后焊区域的熔化、凝固时间差导致的焊缝拉应力问题，且激光焊头需要沿焊缝相对转三圈，加工影响加工效率。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是提供一种大熔深齿轮激光焊接方法及装置，降低零件
焊接过程因热膨胀导致的变形，消除焊接后由于熔池凝固收缩时间差异产生的破坏性拉应力，及其导致的焊接裂纹产生。
7.为了解决上述技术问题，本发明的一种大熔深齿轮激光焊接方法，包括如下步骤：
8.步骤一：将压装后的齿轮与锥盘放置在托盘上，通过托盘上的工装夹具对齿轮进行径向定位，并对齿轮与锥盘压装后的整体进行轴向压紧，其中，所述齿轮与所述锥盘间隙配合；
9.步骤二：将激光导管对准齿轮与锥盘的焊接部位，转动托盘进行焊接，其中，所述转动托盘进行焊接包括：
10.预焊一：托盘开始转动，同时打开激光器进行焊接，直到托盘转动第一设定角度时，关闭激光器停止焊接；
11.预焊二：当托盘转动第二设定角度时，打开激光器进行焊接，直到托盘转动第三设定角度时，关闭激光器停止焊接；
12.深熔焊接：当托盘转动第四设定角度时，打开激光进行焊接一周，关闭激光器完成焊接。
13.在上述大熔深齿轮激光焊接方法中，通过焊接时将齿轮与锥盘的压装整体轴向压紧，保持被焊接件的相对位置不变，以降低零件焊接过程因热膨胀导致的变形；同时焊接时采用：预焊一、预焊二、深熔焊接的分段焊接技术，通过预焊一、预焊二把易形成裂纹的收弧区预先固定，避免焊接初期产生的热膨胀持续推向收弧区，使收弧区的焊缝变形，也避免了先焊接区域的熔池凝固收缩，对后焊接区域(收弧区)较晚凝固的焊缝形成破坏性拉应力，从而消除收弧区的收弧裂纹。另外，传统的预焊方法，比如均匀的打上若干个焊点或者整个焊缝先预焊一周，完成焊接加工都至少需要相对转动两周，而该分段焊接方法只需托盘转动一周半，可以有效节省生产节拍。
14.作为本发明大熔深齿轮激光焊接方法的改进，所述第一设定角度的取值为15
°
～25
°
；所述第二设定角度的取值为70
°
～75
°
；所述第三设定角度的取值为90
°
～95
°
；所述第四设定角度的取值为175
°
～185
°
。通过角度控制，使预焊一、预焊二形成预焊焊缝长度均为对应角度为20
°
左右范围的弧长，长度适中，既能提供可靠的固定效果，也不会对后续焊接产生不利影响，如凸起等缺陷。
15.作为本发明大熔深齿轮激光焊接方法的另一种改进，在所述步骤一之前还包括：对齿轮、锥盘进行机加工过程控制，其中所述机加工过程控制包括：控制齿轮、锥盘的配合间隙为0.02～0.08mm，以及控制齿轮上与锥盘贴合面的退刀槽宽度不超过0.8mm、深度不超过0.06mm。通过齿轮、锥盘的机加工过程控制，改善焊接零件的部分配合尺寸，缩小焊缝宽度，提高焊接质量，减少甚至消除两种零件结合区退刀槽形成的“空气池”区域，从而避免由于焊缝内部“空气池”产生裂纹，或其他焊接不良。
16.为了解决上述技术问题，本发明的一种大熔深齿轮激光焊接装置，包括机架1，所述机架1的底部设置有旋转升降工作台2，所述旋转升降工作台2上设置有托盘3，所述托盘3上设置有工件放置座4，所述工件放置座4用于放置齿轮5与锥盘6压装整体，且对所述齿轮5径向定位，使所述齿轮5、所述锥盘6和所述托盘3具有相同的回转中心线，所述机架1对应所述工件放置座4顶部的位置设置有开口，所述开口的侧壁上设置有夹具压盘7，所述夹具压盘7呈盆状，所述夹具压盘7的盆沿与所述机架1转动连接，所述夹具压盘7的盆底开有通孔，
且盆底的剩余环状底面位于所述齿轮5与所述锥盘6轴向重合区域的中部环状区域的正上方。
17.在上述大熔深齿轮激光焊接装置中，通过夹具压盘将齿轮、锥盘整体竖直压紧在托盘的工件放置座上，保持被焊接件的相对位置不变，以降低零件焊接过程因热膨胀导致的变形，提高焊接精度；通过托盘的转动带动固定在其上的齿轮与锥盘的整体转动，配合激光导管可以实现：预焊一、预焊二、深熔焊接的分段焊接，减少先焊区域焊缝对收弧区焊缝的破坏拉应力，消除收弧裂纹，提高焊接质量。
18.综上所述，采用上述大熔深齿轮激光焊接方法及装置，在进行环焊缝焊接时，不仅保持齿轮与锥盘压紧焊接，防止被焊接件变形，提高焊接精度，而且能够避免先焊接区域的熔池已经凝固产生收缩，对收弧区的熔池凝固形成破坏性拉应力，消除焊接末区的收弧裂纹，提高焊接质量；另外，也能够节省生产节拍，提高效率。
附图说明
19.在附图中：
20.图1为本发明齿轮与锥盘压装后的焊接示意图。
21.图2为图1中的a-a剖面示意图。
22.图3为焊接前图2的b处局部放大示意图。
23.图4为焊接后图2的b处局部放大示意图。
24.图5为本发明大熔深齿轮激光焊接方法的分段式焊接原理图。
25.图6为本发明大熔深齿轮激光焊接装置的结构示意图。
26.图7为图6中c处局部放大示意图。
27.图中，1、机架；2、旋转升降工作台；21、旋转机构；22、举升机构；3、托盘；4、工件放置座；41、膨胀芯轴夹具组；5、齿轮；6、锥盘；7、夹具压盘；71、第一固定块；72、第二固定块；73、第三固定块；74、第四固定块；8、固定盖板；9、浮动弹簧压盘；91、支柱；92、盘盖；93、弹簧。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
29.本发明一种大熔深齿轮激光焊接方法，包括如下步骤：
30.步骤s01：对齿轮、锥盘进行机加工过程控制，其中机加工过程控制包括：控制齿轮、锥盘的配合单边间隙为0.02～0.08mm，并控制齿轮上与锥盘贴合面的退刀槽宽度不超过0.8mm、深度不超过0.06mm。
31.通过机加工过程控制，如图3所示，将齿轮与锥盘的配合间隙d由原来的单边0.08-0.20mm改进为0.02-0.08mm，缩小初始间隙，改善焊接零件的配合尺寸，提高焊接质量。将退刀槽的宽度尺寸w加工至最大0.8mm，深度尺寸h加工至最大0.06mm，减小甚至消除两零件结合区退刀槽形成的“空气池”区域，使“空气池”近乎变成实体部分，进而避免“空气池”对焊缝的影响产生裂纹。
32.步骤s02：对齿轮、锥盘进行清洗。激光焊接对焊件的清洗程度有一定要求，清洗的
洁净度直接影响着焊缝的质量。焊缝处如果存在油污、铁锈及其它杂质，则易产生气孔等缺陷。生产中应采用机械化清洗方式，采用浸洗、喷淋或二者相结合的方法进行清洗。
33.步骤s03：将齿轮与锥盘压装，齿轮与锥盘间隙配合。清洗后的齿轮焊件焊前应进行压装(将需焊接的焊件压合在一起)，压装时，要注意压配面机械加工的公差配合及压配精度。
34.可选的，对压装后的齿轮与托盘的焊接区域进行预热。
35.像其他类型的焊接一样，激光焊接预热能减缓焊后的冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹，同时也减少焊缝及热影响区的淬硬程度，提高了焊接接头的抗裂性。预热也可降低焊接应力，均匀地局部预热或整体预热，可以减少焊接区域被焊工件之间的温度差(也称为温度梯度)，这样，一方面降低了焊接应力，另一方面，降低了焊接应变速率，有利于避免产生焊接裂纹。
36.步骤s04：将压装好的齿轮与锥盘整体放置在托盘上，通过托盘上的工装夹具对齿轮进行径向定位，并对齿轮与锥盘压装后的整体进行轴向压紧。先定位好齿轮后，将齿轮与锥盘整体压紧在托盘上，焊接时，整个夹具系统同齿轮、锥盘一起旋转，保持齿轮与锥盘压紧不动状态，降低零件焊接过程中因热膨胀导致的变形对焊接造成的不良影响。
37.步骤s05：将激光导管对准齿轮与锥盘的焊接部位，转动托盘进行焊接。如图5所示，其中转动托盘进行焊接采用分段焊接技术，具体步骤为：
38.预焊一：托盘开始转动，同时打开激光器进行焊接，直到托盘转动第一设定角度时，关闭激光器停止焊接。第一设定角度的取值为15
°
～25
°
，取15
°
时，预焊一焊接长度为对应角度为0
°
～15
°
范围的弧长；取25
°
时，预焊一焊接长度为对应角度为0
°
～25
°
范围的弧长，使得该预焊的长度适中，既能达到预固定的强度，又不会影响后续的焊接质量。
39.优选第一设定角度的取值为20
°
，在0
°
～20
°
度区域，激光触发，开始焊接，其中激光启动因响应延时原因，功率会逐渐达到程序设定要求，功率达到70％以上的焊接区域在10～15
°
范围内。转角低于20
°
，则焊接不牢，转角超过20
°
，则焊接区域过大，降低效率，且影响后续焊接整圈时的外观，可能导致凸起缺陷。
40.接着托盘仍然继续转动，但激光关闭，停止焊接。
41.预焊二：当托盘转动第二设定角度时，打开激光器进行焊接，直到托盘转动第三设定角度时，关闭激光器停止焊接。第二设定角度的取值为70
°
～75
°
，第三设定角度的取值为90
°
～95
°
，与预焊一类似预焊二的长度需要适中，当第二设定角度取值70
°
、第三设定角度取值95
°
，使得预焊二焊接长度为对应角度为70
°
～95
°
范围的弧长；当第二设定角度取值75
°
、第三设定角度取值95
°
，使得预焊二焊接长度为对应角度为75
°
～90
°
范围的弧长。
42.优选的，第二设定角度的取值为75
°
，第三设定角度的取值为95
°
，在75
°
～95
°
区域激光触发，开始焊接，得到适中的第二条预固定长度，与预焊一共同组成两个长条形的预固定点。
43.上述预焊一、预焊二的目的是将焊接拉应力最大的焊接末区即收弧区，通过预焊的方法进行固定，且通过角度控制，使得两个长条形的固定点与后续深熔焊接的起点大致为等间隔布置，这样在深熔焊接一周的过程中，先焊区域由预焊一、预焊二提供固定力，先焊区域率先凝固收缩，对后焊区域(主要指收弧区)产生的破坏拉应力，防止焊接裂纹的产生。
44.紧接着托盘仍然继续转动，但激光关闭，停止焊接。
45.深熔焊接：当托盘转动第四设定角度时，打开激光进行焊接一周，关闭激光器完成焊接。第四设定角度的取值为175
°
～185
°
，优选108
°
，从180
°
开始，激光触发，开始焊接，零件再旋转一周，焊接结束，通常再旋转设定一周多5
°
，目的是考虑激光关闭延迟问题而导致的焊接不全问题。
46.可选的，预焊一、预焊二：托盘转速设置为第一转速，焊接功率设置为第一功率；深熔焊接：托盘转速设置为第二转速，焊接功率设置为第二功率；第一转速小于第二转速，第一功率小于第二功率。在预焊一、预焊二阶段转盘的转速、焊接功率都设定一样，且都小于深熔焊接阶段，焊接功率与焊接速度需要适配，预焊目的是将零件焊接住即可，避免因功率过大造成二次焊接时外观凸点缺陷，因此功率较低。具体的转动托盘进行焊接的工艺参数为：
47.第一转速为8～8.5r/min，优选8.22r/min，第一功率为1.9～2.1kw，优选2kw；
48.第二转速为9～9.5r/min，优选9.32r/min，第二功率为3.1～3.3kw，优选3.2kw。
49.即在5
°
～20
°
和75
°
～95
°
预焊区域，激光功率为2kw，零件转速为8.22r/min；正式焊接深熔焊接部分的一周区域时，激光功率为3.2kw，零件转速为9.32r/min。
50.如图6所示，本发明一种大熔深齿轮激光焊接装置，包括机架1，机架1的底部设置有旋转升降工作台2，旋转升降工作台2上设置有托盘3，托盘3上设置有工件放置座4，工件放置座4用于放置齿轮5与锥盘6压装整体，且对齿轮5径向定位，机架1对应工件放置座4顶部的位置设置有开口，开口的侧壁上设置有夹具压盘7，夹具压盘7呈盆状，夹具压盘7的盆沿与机架1转动连接，夹具压盘7的盆底开有通孔，且盆底的剩余环状底面位于齿轮5与锥盘6轴向重合区域的中部环状区域的正上方。
51.旋转升降工作台2包括旋转机构21和举升机构22，旋转机构21用于按照设定的转速转动托盘3，举升机构22设于旋转机构21的底部，用于上下移动旋转机构21和托盘3。
52.使用时，首先举升机构22动作，向下移动托盘3，以及旋转机构21等工装夹具部件；然后将尺寸合格的压装好的齿轮5和锥盘6整体放在工件放置座4上，对齿轮5进行径向定位，使放置后齿轮5、锥盘6和托盘3具有相同的回转中心；接着举升机构22向上移动托盘3，直到夹具压盘7的盆底与锥盘6接触，将锥盘6与齿轮5的压装整体压紧在工件放置座4上，实现压焊条件；再接着，旋转机构21带动托盘3按照设定的转速转动，带动齿轮5和锥盘6整体开始旋转，按照上述步骤s05分段进行：预焊一、预焊二和深熔焊接，焊接结束，举升机构22向下移动托盘3取出。
53.可选的，工件放置座4的底部设置有膨胀芯轴夹具组41，膨胀芯轴夹具组41的膨胀芯轴贯穿托盘3、工件放置座4，端部深入齿轮5的中孔内，膨胀芯轴的轴线与托盘3的回转中心线重合。工件放置座4的底部设置有膨胀芯轴夹具组41，托盘3、工件放置座4的中心设有贯通的通孔，膨胀芯轴夹具组41的膨胀芯轴贯穿通孔用于径向张紧固定齿轮5，实现对放置在工件放置座4上的齿轮5的径向定位，保证放置后齿轮5、锥盘6和托盘3具有相同的回转中心线。工件放置座4的顶端设置有轴肩结构，轴肩结构用于与齿轮5的中孔底端配合，便于放置水平，并初步径向定位。
54.可选的，机架1的开口顶部设置有固定盖板8，固定盖板8固定在床身的顶部，固定盖板8上开有通孔，用于穿过激光导管。激光导管的末段倾斜布置，通常与竖直方向呈8
°
，激
光导管穿过固定盖板8的通孔倾斜对准齿轮5与锥盘6之间的间隙，以避免与齿轮5端部的结合齿干涉。
55.固定盖板8的中心转动设置有浮动弹簧压盘9，浮动弹簧压盘9包括支柱91、滑动设置于支柱91底端的盘盖92，以及套设于支柱91中部外侧的弹簧93，支柱91的顶端与固定盖板8转动连接，盘盖92位于齿轮5的中孔正上方，用于盖合齿轮5的中孔顶端，弹簧93的顶端抵靠在固定盖板8的底面上，且底端抵靠在盘盖92的顶面上。在使用时，当托盘3上移到夹具压盘7压紧锥盘6时，齿轮5的上端面与盘盖92接触，并向上推动盘盖92压缩弹簧93，使盘盖92在弹簧93的作用下，弹性压紧在齿轮5的中孔上，防止焊接飞溅进入，同时也提供一定的压紧力。
56.如图7所示，为夹具压盘7的盆沿与机架1的转动连接通过一个轴承实现的结构图，轴承的外圈通过第一固定块71和第二固定块72固定，第一固定块71还与机架1固定；轴承的内圈通过第三固定块73和第四固定块74规定，第三固定块73还与夹具压盘7的盆沿固定，在图7中的点划线均代表螺栓固定的位置，这样就实现了转动连接。另外转动连接处还需承受一定的由于压紧锥盘6产生的轴向力，优选交叉滚子轴承。当然夹具压盘7的盆沿与机架1的转动连接还可以通过其他方式，比如在机架1上设置一个环形导轨，对应的盆沿上设置牛眼轴承，在环形导轨上滑动。
57.需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。