低碳合金結構鋼齒輪總成的焊接方法與流程
2023-05-17 09:46:11 1
本發明涉及合金結構鋼熔化焊接領域，具體地說，涉及一種變速箱用低碳合金結構鋼齒輪總成的焊接方法。
背景技術：
眾所周知，在汽車或工程機械變速箱內的齒輪製造過程中，為了減小齒輪冷加工的難度，提高生產效率，經常將齒輪分為各自獨立的兩個部分分別加工，然後將兩部分複合在一起，形成一個整體，構成複合齒輪，也稱為齒輪總成。兩種零件一般通過焊接連接而成為一個部件，焊縫的形狀為環形焊縫。焊接而成的齒輪總成在變速箱內高速旋轉，主要受到較大的扭轉和衝擊應力，焊縫的結構及焊接優良與否直接關係到整個變速箱的可靠性。
齒輪總成在國內外的焊接方法一般採用雷射焊接或者電子束焊接，設備精密，價值昂貴和複雜，主要依靠進口，投資巨大。且採用雷射焊接或者電子束焊接，還需要焊前預熱、焊後保溫工序。
此外，齒輪總成的材料，比如申請人所生產的齒輪總成，離合器殼體材料為20crmo，驅動齒輪的材料為19crni5，材料均為低碳合金結構鋼，除含碳量在0.15％～0.3％之外，還含有cr、mn、mo、ti、ni、v等合金元素，兩種材料的碳當量分別為0.58％和0.87％，一般情況下，碳當量大於0.45％時，具有產生冷裂紋的傾向，焊前需要預熱，焊後需要保溫，以消除冷裂紋傾向。
技術實現要素：
為解決上述問題，本發明提供一種無需焊前預熱、焊後保溫工序，且焊縫韌性高，抗冷裂性能好的低碳合金結構鋼齒輪總成的焊接方法。
本發明所述的低碳合金結構鋼齒輪總成的焊接方法，包括以下步驟：
(1)將齒輪和離合器殼體裝配位置處加工成帶鈍邊的u形坡口；
(2)清理坡口位置處雜質，將齒輪和離合器殼體進行壓裝；
(3)將呈180°設置的兩把焊槍調節至坡口內後開始焊接，焊接時保持壓裝的齒輪和離合器殼體同時旋轉，旋轉至180°時熔合焊縫起始端，繼續旋轉10°，轉動停止，進行收弧焊接。
進一步的，步驟(3)採用87％氬氣與13％二氧化碳混合氣體作為保護氣氛，用藥芯焊絲作為焊材。焊接時將焊縫周圍的空氣吹散開，並隔離大氣中過量氧氣的影響，保護焊接熔池，使焊接過程得以連續、均勻地進行。氬氣和二氧化碳的用量為體積分數。
進一步的，坡口的尺寸滿足：坡口深度：根部寬度﹤1，鈍邊厚度：坡口深度＝0.1～0.5坡口角度17～23°，坡口底部圓弧半徑：根部寬度＝0.2～1。優選的根部寬度：坡口深度＝1.2，鈍邊厚度：坡口深度＝0.3，坡口角度20°，坡口底部圓弧半徑：根部寬度＝0.5。具體到實際齒輪而言，坡口根部寬度為6mm，底部圓弧過渡半徑3mm，坡口深度5mm，鈍邊厚度1.5mm，坡口角度20°。
進一步的，焊接的變形控制在0.2mm以內。
進一步的，焊接電流385±10a，電壓28±2v，焊接速度115±5°/min，焊接角度190±5°，引弧時間1.5s，收弧電流120a，收弧電壓18v，收弧時間2s，幹伸長度17～18mm。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
(1)本發明無需傳統壓焊接所需的焊前預熱與焊後保溫工序，能夠節省預熱和保溫時間約130分鐘，提升了焊接效率，降低了能耗；
(2)本發明所使用的藥芯焊絲焊後與兩邊母材熔合優良，抗冷裂性能好，焊縫韌性高；
(3)本發明使用的u型坡口，坡口根部較寬使的焊接形成的焊縫截面熔合區面積大，受熱均勻，與兩邊母材熔合較好，坡口底部鈍邊與焊材熔為一體，滿足了焊縫的設計強度要求；
(4)焊接工藝參數的設置，既能熔合填滿坡口，又能使焊縫的熱影響區最小，減小焊縫對其他區域的硬度、金相、變形等的影響，無焊接缺陷產生。
附圖說明
圖1為本發明齒輪總成主視圖；
圖2為齒輪總成俯視圖；
圖3為圖1中i處結構意圖；
圖4為本發明坡口結構示意圖；
圖5為圖4中坡口尺寸示意圖，單位為毫米；
圖6為齒輪總成焊縫剖切腐蝕檢驗金相圖；
圖7焊接設備簡圖；
圖中，1-離合器殼體；2-齒輪；3-焊縫；4-焊後熔合母材區；5-鈍邊；6-坡口；7-熱影響區；8-熱影響區分界線；9-左焊槍；10-右焊槍；11-定位夾緊機構。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步解釋。
一種低碳合金結構鋼齒輪總成的焊接方法，包括以下步驟：
(1)坡口6的加工
本實施方式中，離合器殼體1和齒輪2，採用過渡配合結構裝配，經過焊接後形成齒輪總成，如圖1和2所示。離合器殼體1和齒輪2配合位置處設計為截面積較大的、帶有鈍邊5的u型坡口6，如圖4和5所示，坡口6的根部較寬，底部設有鈍邊5，鈍邊5厚度1.5mm，底部圓弧過渡半徑r＝3.0mm，上部開口尺寸(即根部寬度)6mm，坡口深度為5mm，坡口角度20°。所述的齒輪2為汽車變速箱內齒輪。
(2)齒輪總成的焊接
a、焊件焊前清洗與裝配
焊前將坡口6周圍的油汙、雜質等清洗乾淨，保證坡口6周圍清潔無雜質，清洗後的齒輪件焊前進行壓裝，並檢查壓裝是否到位。
b、準備焊接氣體
採用87％氬氣與13％二氧化碳混合氣體作為保護氣氛，焊接時將焊縫3周圍的空氣吹散開，並隔離大氣中過量氧氣的影響，保護焊接熔池，使焊接過程得以連續、均勻地進行。
c、準備焊接材料
採用藥芯焊絲，其擴散氫含量低，飛濺小，成型美觀，焊絲熔敷速度快，在較大電流焊接時，焊接效率高，與兩邊母材熔合優良，抗冷裂性和抗衝擊性能好。
d、焊接過程中參數控制
通過焊接設備程序調整設置焊接工藝參數為：電流385±10a，電壓28±2v，焊接速度115±5°/min，焊接角度190±5°，引弧時間1.5s，收弧電流120a、收弧電壓18v、收弧時間2s，幹伸長度17～18mm。
e、焊接
啟動設備，焊接開始，兩把焊槍呈180°對稱布置，開始焊接填充焊縫3和熔合母材，工件自動旋轉，旋轉至180°時，開始熔合焊縫3起始端的焊接接頭，繼續旋轉10°，轉動停止，進行收弧焊接，通過設置的收弧焊接工藝參數，保證起收弧位置的焊縫3無焊接缺陷。焊接完成後焊縫3如圖3所示(圖1和2中為清晰的表示焊縫3，將焊縫3顏色標黑)，單層焊縫3可填滿坡口6，焊後形成焊後熔合母材區4，坡口6的底部1.5mm鈍邊5焊接後完全熔合，並向下繼續熔合母材1mm以上，兩零件配合處全部焊透，焊後無應力集中點。圖3中虛線部分為焊前加工形成的坡口6。
焊接設備如圖7所示，包括左焊槍9、右焊槍10、定位夾緊機構10，齒輪總成固定在定位夾緊機構10之間，定位夾緊機構10可以旋轉。
(3)焊縫3的檢驗
a、採用ut探傷對焊縫3進行檢測，內部未發現焊接缺陷；對焊後的齒輪總成焊縫3的起收弧位置、正常焊縫3位置進行切割、檢驗，如圖6所示，可以看出，底部鈍邊5已被熔合，熔池寬且深，熱影響區分界線8與焊縫3之間為熱影響區7，熱影響區7較小，檢測焊縫3及熱影響區7硬度適當，無焊接缺陷產生。
b、採用與齒輪零件相同狀態(材料、熱處理狀態等)的焊接材料、焊接工藝參數等，焊接後製備的標準力學性能試樣進行工藝評定，拉伸試樣斷裂在母材，未在焊縫3區域；背彎試樣及正彎試樣彎曲到材料允許彎曲角度未發生裂紋；衝擊試樣衝擊功大於焊接材料及母材的最小值；斜y坡口剖切檢測表面及根部無裂紋產生。
傳統雷射焊或離子束焊的設備價值數百萬元，設備昂貴複雜，且一般為單焊槍焊接，焊接效率較低。本發明中焊接設備投資15萬，設備結構相對簡單，不需預熱、保溫工序和設備；其所需耗材(混合氣體、焊絲等)消耗量較少，能耗低；單件自動焊接時間短，無需保溫數小時而產生在制品積壓，降低了資金佔用；綜合計算得出，採用本發明焊接的齒輪總成的焊接成本約為雷射或者離子束焊接工藝方法的5％～10％之間。本發明在行業內極具推廣應用價值。