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齿轮焊接既可减少零件数量，又能提高齿轮质量和降低齿轮的制造成本，因此，在汽车工业中早已广泛应用。在激光焊接齿轮以前，齿轮的焊接一般采用电阻焊、感应焊、电子束焊等工艺方法。与上焊接工艺相比，激光焊接齿轮无需在真空中进行，而且可避免焊接变形，保证了焊接后的齿轮无需再精加工。不仅如此，激光焊接可使焊缝深宽比高达10：1，且焊缝处具有相当或优于母材的综合机械性能，保证了齿轮可以传递较大的扭矩［1］。因此，齿轮激光焊接是一个发展趋势。目前世界各大汽车制造厂竟相采用激光焊接齿轮，以提高产品在国际市场上的竞争力。我国齿轮激光焊接设备设计制造水平和能力目前还比较薄弱，国内主要汽车厂的齿轮激光焊接设备主要依赖进口，且价格昂贵。因此，研制开发汽车变速箱双联齿轮激光焊接机，对推动我国汽车工业的发展具有一定意义。
1 双联齿轮
汽车变速箱双联齿轮激光焊接机的焊接对象是富康轿车的五速箱四档从动齿轮、四速箱五档从动齿轮和五档从动齿轮三种，它们的结构形式相同，都由齿轮、齿圈和垫片组成，齿轮材料为27MC5(法国牌号)，齿圈材料为16MC5(法国牌号)，如图1所示。齿圈的两面有细微的差别，A面齿侧倒角，装配时要求齿圈A面向外，其内孔D1与齿轮轴外圆D3为过盈配合，过盈量要求控制在一定的范围；垫片的内孔D2与齿轮轴外圆D3为间隙配合。设备生产率要求能达到每小时生产64件，双联齿轮要求焊缝深度为1.5±0.25mm， 焊缝宽度小于 1.1mm，焊缝偏移量为±0.1mm，双联齿轮传递扭矩大于1000Nm。 （图片）
图1双联齿轮 2 整体方案的确定
在进行双联齿轮的激光焊接机的整体方案的设计时，我们对双联齿轮进行了认真的分析，确定了需要解决的四个关键问题：
(1)双联齿轮压装过程中齿圈的内孔和齿轮的外圆过盈量的检测。双联齿轮压装过程中须对齿圈的内孔D1、齿轮的外圆D3之间的配合进行检查，保证过盈量控制在一定的范围内。齿圈的内孔D1和齿轮的外圆D3的尺寸一般呈正态分布，即使合格的齿圈和齿轮，当齿圈的内孔D1靠近上偏差，而齿轮的外圆D3靠近下偏差；或者，当齿圈的内孔D1靠近下偏差，而齿轮的外圆D3靠近上偏差，都会出现压装后的双联齿轮不符合质量要求，这是在压装前无法检测出来的。
(2)双联齿轮压装过程中齿圈的装配方向的检测。齿圈A面齿侧倒角，装配时要求齿圈A面向外，由于齿圈两面的差别细微，在压装时如何判别齿圈的安装方向是一个难点。
(3)双联齿轮压装前齿圈的扶正。由于齿圈的内孔D1和齿轮的外圆D3的公差配合为过盈配合，齿轮的前段有一小台阶，所以齿圈套在齿轮上的自然状态容易为倾斜状态，导致无压装，因此，压装前必须将齿圈扶正。
(4)双联齿轮的激光焊接工艺参数的确定。激光焊接的焊缝容易出现气孔、裂纹、咬边等缺陷，如何通过激光焊接工艺参数的优化避免这些缺陷的出现。不仅如此，汽车用的双联齿轮还要求较大的焊缝深宽比，以便传递较大的转矩，且焊缝首尾相接处不允许有凹坑等外观缺陷。虽然在设计整体方案时并不需要也不可能每一项工艺参数都确定下来，但对于激光功率、焊接速度等对设备的结构有较大影响的工艺参数必须通过试验得到。
在汽车变速箱双联齿轮激光焊接机方案确立的过程中，我们始终把上述问题作为重点解决的问题。由于对齿圈的内孔D1和齿轮的外圆D3的尺寸进行在线测量技术难度较大，费用高，不可能对齿圈的内孔D1和齿轮的外圆D3的配合过盈量进行直接检测。我们用相同的材料加工一批齿圈和齿轮，控制齿圈的内孔D1和齿轮的外圆D3的实际尺寸接近上偏差或下偏差，通过在压力机上进行装配，测出在过盈量上限和下限所需的压力值，从而通过间接的方法检测齿圈的内孔D1和齿轮的外圆D3的过盈量。对于对设备的结构有较大影响的工艺参数的确定，我们借助已有的三坐标激光加工设备通过插补的方式模拟齿轮焊接，取得了相当多的试验数据。在此基础上经过设计和反复论证，确立了汽车变速箱双联齿轮激光焊接机的技术方案为：整个设备由双联齿轮压装机床和双联齿轮激光焊接机床组成，两台机床之间由输送装置连接，由两名工人操作。该方案结构简单，制造成本较低，设备的可靠性大大提高，其加工工艺过程和工作原理为：齿轮、齿圈和垫片在齿轮压装机床上装配、压紧，然后由输送装置传送至齿轮激光焊接机床，在齿轮激光焊接机床上进行焊接。
3 双联齿轮压装机床
3.1 工艺过程和工作原理
双联齿轮压装机床由主机、液压系统和控制系统构成，其主机结构示意如图2所示。将齿轮4、垫片5及齿圈6按规定顺序安装定位于机床工作台面的夹具7上。夹具中的检测装置自动对齿圈的安装方向进行检测，如果齿圈安装方向不正确。控制系统控制机床压头3不能压下，如果齿圈安装方向正确，则按动启动按钮后，由液压缸1推动机床压头3下压，从而将具有过盈配合的齿轮4、齿圈6及垫片5压合在一起。在机床压头上装有压力传感器2，能对压装过程的压力信号进行数据采集，控制系统将采集的数据进行处理，压力值一旦超出规定装配过盈量的压力上下限时，表明齿轮或齿圈的配合不符合要求，系统则发出报警和停机，等待操作人员进行处理。这样，可避免不合格的工件流入下一道工序。压装夹具中的检测装置不仅可检测齿圈的安装方向，而且还可以对是否安装了工件进行判断。齿轮压装机床采用了全封闭的防护结构，只有在有机玻璃的拉门关闭后，门检测开关发出信号，左右手同时按下左右两个启动按键后，压装工作才能进行。（图片）
图2压装机床示意图 3.2 齿圈安装方向的检测
如图3 为双联齿轮的夹具结构图，待压合的齿圈7放在定位盖3上，以齿圈7外圆定位，并由销8确定其周向位置。若齿圈安放正确，则测量头4被齿圈压下，通过杠杆1(2为支点)将行程放大，使行程开关12发出信号；如果齿圈安装方向错误(即齿圈轮齿倒角在上)，此时，测量头继续被压下，则行程开关10发出信号。待压合的垫片6放在齿圈7上面并套在齿轮5上，齿轮由心轴9定位。工件安装好后，压装机床压头压下，齿轮5沿心轴9与垫片6、齿圈7压合在一起。压装不同规格的双联齿轮，需调整开关档块11、13的位置，此时，可以松开螺母，仔细调整好开关档块11、13的位置，直到能灵敏地检测齿圈的方向为止。测量头4、销8和定位心轴9是夹具部件的易损件，应经常检查。当压装质量无法保证时，应进行更换和调整。测量头4因长期使用而发生磨损后，可以通过调整开关档块11、13的位置进行补偿。（图片）
图3夹具结构图 4 双联齿轮激光焊接机床
4.1 聚焦方式的选择
激光焊接有透镜聚焦和反射镜聚焦两种方式，如图4所示 ，透镜的材料要求比较严格，一般选用砷化镓材料，它对10.6μm波长的CO2激光的吸收系数很小，具有较高的热传导率、较小的热膨胀系数和较好的机械性能和光学均匀性好等特点。但在大功率激光透射系统中，常遇到的问题是因连续工作时间过长而引起透镜的热畸变。透镜受热膨胀后，各处光强分布不均匀，中心部分温度高而凸起，产生光学畸变，使焦斑位置向透镜方向移动(实际焦距变小)。另外，在激光透射系统中，为了提高功率密度，一般缩短透镜的焦距，但当透镜到被焊接材料的表面的距离很短时，焊接过程中的金属飞溅物容易污染透镜表面［2］。当激光器的输出功率数千瓦时，砷化镓材料也容易损坏。为克服透镜的热畸变，本齿轮激光焊接机采用了非球面抛物镜传输聚焦系统，并通过加大冷却水的流量和冷却面积的方法，达到快速、充分冷却聚焦镜，取得了较好的效果。（图片）
图4激光聚焦方式 4.2 反射镜的冷却与调整
激光反射镜有平面反射镜和反射聚焦镜，用于对激光束作90°的反射和反射聚焦。镜片在反射激光的同时还会吸收少量的能量从而导致镜片发热，如果过热，镜片会变形乃至损坏，因此，反射镜必须有冷却装置，如图5所示。2为冷却压盖，其靠近镜片1的一端开有循环水槽，冷却水从管接头3进入水槽，从管接头4排出，不断地带走镜片1所产生的热量起到冷却作用。镜片1角度通过调整在圆周上均匀分布的三个螺钉5和弹簧6来调节，角度调整好后，拧紧与三个调整螺钉相同的圆周上的紧定螺钉，发防止意外的振动。（图片）
图5反射镜的冷却与调整 4.3 工艺过程和工作原理
齿轮激光焊接机床由主机、激光器、冷水机组、辅助气供气系统、计算机控制系统等主要部分构成，图6为其结构示意图。激光束由激光器产生并水平送出，通过两个45°角平面反射镜7、8传输到45°角反射式曲面聚焦镜6上，由其聚焦垂直照射到被装夹在工作台4上的双联齿轮5上，在焊接过程中，由平面反射镜8和反射式曲面聚焦镜6组成的激光头固定不动，伺服电动机2通过蜗轮蜗杆副3驱动工作台4带动双联齿轮作旋转运动，使双联齿轮的齿轮和齿圈整个接缝圆周都能被激光焊接。整个数控工作台由气缸1从上料位置推到焊接位置，焊接位置的精确定位通过手柄9调整得到，激光头在垂直方向可以连续调整，这样，通过调整激光焦点与焊缝的位置可以焊接不同规格的齿轮。（图片）
图6激光焊接机床 激光焊接机是一种全封闭式的全自动焊接机床，各个动作之间相互联锁，既能保证机床的正常运转，同时也能保证设备的安全和操作者的人身安全。激光焊接过程中，激光直射、反射到人体时，都会造成不同程度的损伤，尤其是人的眼睛。为了避免激光给操作者造成损伤和对操作者视线的干扰，操作者视区范围内设置了自动感光安全保护视窗。在正常的状态下，通过该视窗可以看到工件的定位状态，一旦加工时产生强烈的激光，该视窗可自动感光在0.02秒的时间内由亮变暗，具有全自动防护功能，该视窗的设置可大大降低因目晕而产生的误操作。
表1焊接工艺参数
激光器功率(W) 焊接速度(m/min) 离焦量(mm) 深宽比
1500 1.005 -0.2 1.58/0.9
4.4 工艺参数
激光功率、焊接速度和焦距等工艺参数对焊缝质量均有影响。工艺参数的不当容易导致焊缝首尾衔接处出现小凹孔和表面呈黑褐色，甚至会出现气孔、裂纹等严重影响产品质量的缺陷，我们通过优化工艺参数，无需采用常用的“T型功率”的方法，成功地解决了这个问题，大大降低了设备的成本，而且保证了焊缝质量。经切片金相检查和与国外同类零件比较，焊接质量完全达到国外先进水平。由于篇幅的原因，齿轮激光焊接工艺这里不作详述，将另文讨论。本设备激光器采用德国Rofin-Sinar公司生产的2000WCO2RS2000SM快速轴流激光器。
参考文献：
［1］王家金.激光加工技术.北京：中国计量出版社，1992.
［2］汤漾平.段正澄.自适应元器件在激光加工中的应用.激光技术，1999.8.
［3］阎毓禾.钟敏霖.高功率激光加工及其应用.天津：天津科学技术出版社，1994.
10/8/2005
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