一種組合式發動機空心凸輪軸雷射焊接工藝方法與流程

2023-09-22 18:39:30

本發明涉及發動機凸輪軸製造技術領域，尤其是一種組合式發動機空心凸輪軸雷射焊接工藝方法。

背景技術：

凸輪軸是汽車發動機五大核心部分之一,組合式空心凸輪軸是將凸輪、空心軸體和軸頸分別進行材料優化匹配和分體精密加工後，在裝配成凸輪軸整體。隨著汽車工業的發展，凸輪軸的輕量化與低摩擦損耗被人們得到重視，與傳統的整體鑄造、鍛造或軋制制坯凸輪軸相比，組合式空心凸輪軸重量可減輕30％～50％，而且凸輪、軸頸和空心軸體的材料都可以自由選取，還能減少後續機加工餘量。

凸輪軸的關鍵技術為凸輪、軸頸與空心軸體的連接，目前主要的連接方式有熱套、焊接、粉末燒結、液壓擴徑連接、機械擴徑連接、滾花壓裝等。其中，焊接做為一種連接方法通常不單獨使用，而是與其它連接方式一起配合使用，起到進一步加固作用，大大提升凸輪軸的工作扭矩，傳統的焊接過程中溫度較高，容易使凸輪表面的硬度產生下降，同時在焊接區材料容易產生形變，使凸輪軸的尺寸精度降低。而雷射焊接具有能量密度高、熱影響區小和易實現自動化等特點，不會使凸輪表面產生硬度下降，根據資料查詢，姚遠的103920998號中國專利涉及組合式剎車凸輪軸雷射感應複合焊接方法，利用高頻感應器對焊接區域進行加熱，利用雷射焊接頭進行焊接並且採用保護氣體對焊接熔池及光學元件進行隔離保護；完成兩處待焊區域的焊接後將製造完成的組合式剎車凸輪軸整體移出裝夾區域。查凌宇的104959789號中國專利一種組合式凸輪軸生產加工方法，採用雷射焊接方法將傳動部件固定在凸輪軸兩端，主要是以減少發動機高度和潤滑洩漏為目的。現有工藝對凸輪軸進行焊接後直接出現裂紋，裂紋延焊縫中心向兩邊擴展，直接影響到凸輪與軸之間的連接強度，降低了連接扭矩。因此需要一種採用雷射將凸輪、軸頸與空心軸體以角接的方式直接焊在一起的工藝方法。

技術實現要素：
：

本發明要針對上述背景技術存在的問題，提供一種組合式發動機空心凸輪軸雷射焊接工藝方法，可獲得高性能、高耐磨性的組合式發動機空心凸輪軸。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案為：

一種組合式發動機空心凸輪軸雷射焊接工藝方法，包括：

步驟一，對軸體在旋轉臺帶動下沿其軸線旋轉；

步驟四，檢查焊縫表面狀態。

較佳地，步驟三中雷射焊接的形式包括擺動焊接，擺動形狀包括來回往復擺動、∞字形擺動和橢圓形擺動。

較佳地，往復擺動的方向與軸體的軸線方向相同，∞字形擺動時∞字形的長度方向與軸體的軸線方向垂直，橢圓形擺動時橢圓形的長度方向與軸體的軸線方向垂直。

較佳地，步驟三進行雷射焊接的方式包括連續焊接方式和脈衝焊接方式.

較佳地，脈衝焊接方式的頻率範圍為100-150點/秒。

較佳地，步驟三進行雷射焊接的速度區間為0.9m/min～6m/min，雷射焊接功率為1.5kw～8kw。

較佳地，焊接雷射束的能量分布包括平頂分布方式和高斯分布方式。

較佳地，設置與雷射器同軸的氣路保護結構發射保護氣體到角接接頭處，氣路保護結構與雷射器同時工作。

較佳地，保護氣體包括n2和/或ar和/或he，保護氣體的氣流量控制在15l/min～30l/min之間。

較佳地，在步驟二軸體裝夾到旋轉臺上之後和步驟四檢查焊縫表面狀態之間還包括檢查軸體跳動的步驟，檢查軸體跳動的所採用的工具包括千分表。

本發明的有益效果在於：採用一種組合式發動機空心凸輪軸雷射焊接工藝方法，解決了組合式空心凸輪軸連接方式扭矩偏低的問題，焊縫與軸體基體間生成的熱影響層厚度保持在0.2mm～1mm，熱影響層硬度下降150hv～400hv，表面也不產生裂紋，雷射焊接離焦量為-5mm～+5mm。本發明方法提供了組合式空心凸輪軸一種新的連接加固思路，焊接具有操作簡便、易實現自動化、穩定性高等優點，凸輪軸具有耐磨性好、強度高、無形變、扭矩大等良好性能，能夠滿足各種發動機凸輪軸的連接加固提升扭矩，特別適用於高性能發動機組合式空心凸輪軸的連接加固。

附圖說明

圖1為本發明組合式發動機空心凸輪軸雷射焊接結構示意圖；

圖2為本發明雷射焊縫與熱影響層示意圖；

圖3為本發明雷射擺動焊接運動過程中的示意圖；

圖4為本發明雷射擺動焊接運動過程中的示意圖；

圖5為本發明雷射擺動焊接運動過程中的示意圖；

圖6為實施例一中焊縫不同深度與硬度的關係曲線(其中橫坐標為距離焊縫表面距離，縱坐標為顯微硬度值)；

圖7為實施例二中焊縫不同深度與硬度的關係曲線(其中橫坐標為距離焊縫表面距離，縱坐標為顯微硬度值)；

圖中：1-雷射器，2-雷射束，3-保護氣體，4-角接接頭，5-凸輪，6-軸頸，7-軸體，8-角接焊縫，9-熱影響層。

具體實施方式

為了使所有實施例具有可對比性，在實施例開展前，一種組合式發動機空心凸輪軸雷射焊接工藝方法，難點在於凸輪、軸頸與空心軸體形成角接接頭，本身存在尖角應力，焊接過程中易產生裂紋，焊接過程中溫度高，易使凸輪表面硬度產生下降及凸輪軸整體產生形變。圖1所示為凸輪5和軸頸6裝配到軸體7後，進行雷射焊接過程中的結構示意圖，主要包括雷射頭雷射束2保護氣體3角接接頭4凸輪軸頸6空心軸體7，雷射束2與空心軸體7之間的夾角α。具體包括如下步驟：

步驟一，對軸體7待焊接部位進行預處理，軸體7長度為700mm～1200mm；用銼刀將焊縫部位的毛刺去除保證表面光滑，用丙酮清洗掉周圍的雜質及油汙，最後將凸輪軸放於100℃烘箱進行烘乾；

步驟二，將軸體7裝夾到旋轉臺上，用千分表檢查軸體7的跳動；設置雷射器1，使雷射器1發出的雷射束2到軸體7的入射角度為α，α的取值範圍為45°～75°；凸輪軸在裝配過程中會使空心軸體7擠壓形變，形變量β在0.05mm～0.25mm之間，為了彌補焊接偏差，通過視覺或者觸覺焊縫跟蹤軟體校正偏差，保證旋轉過程中不偏離焊接區域。

步驟三，將凸輪5和軸頸6安裝到軸體7上，凸輪5和軸體7之間為過盈配合，軸頸6與和軸體7之間為過盈配合；在凸輪5和軸頸6與軸體7之間形成的角接接頭4處進行雷射焊接形成角接焊縫8；焊縫與凸輪軸基體間存在極小的熱影響層9，焊縫在凸輪軸基體中存在特定的微觀組織結構，使焊縫與軸體7基體間生成的熱影響層9厚度保持在0.2mm～1mm，熱影響層9硬度下降150hv～400hv。軸頸6和軸體7的材料包括中碳鋼和高碳鋼；凸輪5的材料包括中碳鋼、高碳鋼和粉末冶金，凸輪5經過淬火處理，表面硬度達到58-65hrc。

進行雷射焊接的方式包括連續焊接方式和脈衝焊接方式，脈衝焊接方式的頻率範圍為100-150點/秒。焊接雷射束的能量分布包括平頂分布方式和高斯分布方式。

雷射焊接的速度區間為0.9m/min～6m/min，雷射焊接功率為1.5kw～8kw，雷射焊接離焦量為-5mm～+5mm。

雷射焊接的形式包括擺動焊接，擺動形狀包括來回如圖4所示的往復擺動、如圖3所示的∞字形擺動，和如圖5所示的橢圓形擺動。往復擺動的方向與軸體的軸線方向相同，∞字形擺動時∞字形的長度方向與軸體的軸線方向垂直，橢圓形擺動時橢圓形的長度方向與軸體的軸線方向垂直。

同時設置與雷射器1同軸的氣路保護結構發射保護氣體3到角接接頭4處，氣路保護結構與雷射器1同時工作。保護氣體3包括n2和/或ar和/或he，具體來說就是n2、ar和he中的一種、兩種或三種氣體。保護氣體3的氣流量控制在15l/min～30l/min之間。

步驟四，焊接完後再次檢查跳動，然後採用pt探傷檢測焊縫表面狀態，是否存在裂紋缺陷。

採用本工藝方法焊接後凸輪軸的靜態最大扭距由250n·m～350n·m提升到了500n·m～1000n·m。

為使本發明的目的、技術方案更加清楚明白，下面結合附圖和具體實施方式做進一步的詳細說明。

實施例一

本實施例在長100mm、φ35mm的凸輪軸軸體7上採用雷射擺動焊接的方法，凸輪5材料為碳含量0.6的粉末冶金，軸頸6材料為55鋼，空心軸體7材料為45鋼。其焊接工藝方法按以下步驟進行：

s11：對空心的軸體7焊接部位進行預處理，用銼刀將焊縫部位的毛刺去除保證表面光滑，用丙酮清洗掉周圍的雜質及油汙，最後將凸輪軸放於100℃烘箱進行烘乾；

s12：將軸體7裝夾到旋轉臺上，雷射束2與空心軸體7照射角度α為60°，凸輪軸旋轉過程中存在0.1mm跳動，通過視覺焊縫跟蹤軟體校正偏差，保證旋轉過程中不偏離焊接區域；

s13：對軸體7與凸輪5和軸頸6的角接接頭4處進行雷射擺動焊接，圖3為擺動焊接過程示意圖，選用圖3中的∞字形擺動方式，擺動速度為3m/s，其焊接速度為0.9m/min，雷射焊接功率為1.5kw，離焦量為-5mm，保護氣體3流量為20l/min。∞字形擺動時∞字形的長度方向與軸體的軸線方向垂直。

s14：焊接結束後進行跳動檢測，然後採用pt探傷檢測焊縫表面狀態，是否存在裂紋缺陷。

在此工藝條件下，圖2為雷射焊縫示意圖角接焊縫8熱影響層9，圖6為雷射焊接焊縫硬度至表面距離，可以看到熱影響層9的厚度約1mm，所形成的角接焊縫8熔深為1.5mm左右，焊縫及周邊區域無裂紋等缺陷，焊接後檢測靜態扭矩大於800n·m。

實施例二

本實施例在長700mm、φ35mm的凸輪軸上採用雷射擺動焊接的方法，凸輪5材料為碳含量1.0的粉末冶金，軸頸6材料為55鋼，空心軸體7材料為cf53鋼。其焊接方法按以下步驟進行：

s21：同實施例一步驟s11；

s22：將凸輪軸裝夾到旋轉臺上，雷射束2與空心軸體7照射角度α為45°，凸輪軸旋轉過程中存在0.05mm跳動，通過視覺焊縫跟蹤軟體校正偏差，保證旋轉過程中不偏離焊接區域；

s23：對軸體7與凸輪5和軸頸6的角接接頭4處進行雷射擺動焊接，選用圖5中的橢圓形擺動方式進行焊接，擺動速度為3m/s其焊接速度為6m/min，雷射焊接功率為8kw，離焦量為+5mm，保護氣體3流量為25l/min。橢圓形擺動時橢圓形的長度方向與軸體的軸線方向垂直。

s24：同實施例一步驟s14；

在此工藝條件下，圖7為雷射焊接焊縫硬度至表面距離，可以看出熱影響層9約0.3mm，所形成的熔深為0.8mm左右，焊縫及周邊區域無裂紋等缺陷，焊接後檢測靜態扭矩大於650n·m。

實施例三

本實施例在長700mm、φ35mm的凸輪軸上採用雷射擺動焊接的方法，凸輪5材料為碳含量0.8的粉末冶金，軸頸6材料為45鋼，空心軸體7材料為gr15鋼。其焊接方法按以下步驟進行：

s31：同實施例一步驟s11；

s32：對軸體7與凸輪5和軸頸6的角接接頭4處進行雷射擺動焊接，雷射束2與空心軸體7照射角度α為75°，凸輪軸旋轉過程中存在0.15mm跳動，通過視覺焊縫跟蹤軟體校正偏差，保證旋轉過程中不偏離焊接區域；

s33：對軸體7與凸輪5和軸頸6的角接接頭4處進行雷射擺動焊接，選用圖4的來回往復擺動方式進行擺動焊接，擺動速度為3m/s，其焊接速度為1.8m/min，雷射焊接功率為5kw，離焦量為0mm，保護氣體3流量為20l/min，所形成的熔深為3mm左右。往復擺動的方向與軸體的軸線方向相同。

s34：同實施例一步驟s14；

以上所述實施例為本發明較佳的效果的舉例，其中所用的雷射功率、焊接速度、擺動速度、離焦量、保護氣體3流量等僅用於示例和解釋，並非限制性的。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。