齒輪焊接既可減少零件數量，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，研制開發汽車變速箱雙聯齒輪激光焊接機，對推動我國汽車工業的發展具有一定意義。 1 雙聯齒輪 汽車變速箱雙聯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。設備生產率要求能達到每小時生產64件，雙聯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，雙聯齒輪傳遞扭矩大于1000Nm。 圖1雙聯齒輪2 整體方案的確定 在進行雙聯齒輪的激光焊接機的整體方案的設計時，我們對雙聯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，都會出現壓裝后的雙聯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容易為傾斜狀態，導致無壓裝，因此，壓裝前必須將齒圈扶正。 (4)雙聯齒輪的激光焊接工藝參數的確定。激光焊接的焊縫容易出現氣孔、裂紋、咬邊等缺陷，如何通過激光焊接工藝參數的優化避免這些缺陷的出現。不僅如此，汽車用的雙聯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必須通過試驗得到。 在汽車變速箱雙聯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據。在此基礎上經過設計和反復論證，確立了汽車變速箱雙聯齒輪激光焊接機的技術方案為：整個設備由雙聯齒輪壓裝機床和雙聯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 雙聯齒輪壓裝機床 3.1 工藝過程和工作原理 雙聯齒輪壓裝機床由主機、液壓系統和控制系統構成，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據采集，控制系統將采集的數據進行處理，壓力值一旦超出規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，系統則發出報警和停機，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，測量頭繼續被壓下，則行程開關10發出信號。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。壓裝不同規格的雙聯齒輪，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激光的吸收系數很小，具有較高的熱傳導率、較小的熱膨脹系數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中，常遇到的問題是因連續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，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，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、計算機控制系統等主要部分構成，圖6為其結構示意圖。激光束由激光器產生并水平送出，通過兩個45°角平面反射鏡7、8傳輸到45°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帶動雙聯齒輪作旋轉運動，使雙聯齒輪的齒輪和齒圈整個接縫圓周都能被激光焊接。整個數控工作臺由氣缸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，操作者視區范圍內設置了自動感光安全保護視窗。在正常的狀態下，通過該視窗可以看到工件的定位狀態，一旦加工時產生強烈的激光，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生的誤操作。 表1焊接工藝參數 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 激光功率、焊接速度和焦距等工藝參數對焊縫質量均有影響。工藝參數的不當容易導致焊縫首尾銜接處出現小凹孔和表面呈黑褐色，甚至會出現氣孔、裂紋等嚴重影響產品質量的缺陷，我們通過優化工藝參數，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.