CN103920998B - 组合式刹车凸轮轴激光感应复合焊接方法 - Google Patents

组合式刹车凸轮轴激光感应复合焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种组合式刹车凸轮轴激光—高频感应复合焊接方法，该方法包括下述步骤：将凸轮、空心钢管轴体、花键轴装配为组合式刹车凸轮轴并水平放置，其一端装夹在回转三爪卡盘上，另一端使用顶尖固定，高频感应器环绕于待焊接区域；将激光焊接头固定，并利用激光对凸轮、空心钢管轴体、花键轴进行同轴定位；回转三爪卡盘带动组合式刹车凸轮轴旋转，利用高频感应器对焊接区域进行加热，利用激光焊接头进行焊接并且采用保护气体对焊接熔池及光学元件进行隔离保护；完成两处待焊区域的焊接后将制造完成的组合式刹车凸轮轴整体移出装夹区域。本发明焊后变形小，减少了裂纹及气孔的生成，生产效率高。

Description

组合式刹车凸轮轴激光感应复合焊接方法
技术领域
本发明涉及到汽车工业中组合式刹车凸轮轴的连接制造方法。
背景技术
为了减轻资源、环境等方面的压力，节能、降重一直是汽车制造业追求的目标。汽车结构中各种轴类零件的空心化技术有助于这一目标的实现。所谓轴类零件空心化技术是指使用管类结构件代替原有实心轴体，在满足使用性能的前提下起到降重的效果。组合式刹车凸轮轴是采用空心化技术的典型轴类结构，其三个部件需要焊接为一体。制造刹车凸轮轴的材料为中、高碳钢材，含碳量较高，弧焊方法容易产生裂纹及变形，无法满足使用需求。已有技术中，摩擦焊可以实现中、高碳钢管结构的焊接，并且在石油钻杆生产领域得到应用。但摩擦焊设备造价高，无法满足柔性生产的需求。因此迫切需要开发新的焊接方法，不仅可以使组合式刹车凸轮轴在满足精度的前提下获得优良的焊后性能，而且适合于汽车工业中需求的宽系列、多规格柔性化生产。根据初步资料查询，未见同时应用激光焊接、感应加热和惰性气体保护三种技术焊接中、高碳钢管类结构的先例。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种组合式刹车凸轮轴激光感应复合焊接方法，该方法焊后变形小、精度高，同时消除了焊后快冷生成的马氏体淬硬组织，避免产生淬硬裂纹，可以获得高质量的焊接接头。
为了解决上述技术问题，本发明的组合式刹车凸轮轴激光感应复合焊接方法包括下述步骤：
步骤一：
将凸轮、空心钢管轴体、花键轴三部件装配为组合式刹车凸轮轴并水平放置；组合式刹车凸轮轴一端装夹在回转三爪卡盘上，另一端使用顶尖固定；感应器内部通冷却水，环绕于待焊接区域，感应器距工件表面距离0.5cm～5cm；将激光焊接头固定，使激光束聚焦于焊接区域，并利用激光对凸轮、空心钢管轴体、花键轴三部件进行同轴定位；
步骤二：
激光焊接头固定，回转三爪卡盘带动组合式刹车凸轮轴旋转，焊接速度区间为0.5m/min～3m/min；利用感应器对焊接区域进行加热，加热时间范围为5s～20s，加热温度区间为100℃～800℃；利用激光焊接头进行焊接，激光焊接功率为1000W～8000W，距工件表面离焦量为-3mm～+3mm；在焊接过程中采用保护气体对焊接熔池及光学元件进行隔离保护，保护气体流量为5L/min～30L/min；
步骤三：
依次完成两处待焊区域的焊接后，将制造完成的组合式刹车凸轮轴整体移出装夹区域。
所述步骤二中的工艺参数均为可选区间范围，可根据实际焊接性能需求选择不同的组合。
所述步骤二中：焊接速度区间优选为2m/min～3m/min，加热时间范围优选5s～10s，加热温度区间优选500℃～600℃；激光焊接功率优选为2000W～3000W，离焦量优选0mm～+1mm，保护气体流量优选为20L/min～30L/min。
所述步骤二中感应加热在激光焊接之前开始；在激光焊接之前停止、与激光焊接同一时刻停止、在焊接过程中停止或者在激光焊接结束后停止。
所述步骤二中感应加热与激光焊接同一时刻开始，与激光焊接同一时刻停止、在焊接过程中停止或者在激光焊接结束后停止。
所述步骤二中感应加热在激光焊接结束后开始。
所述凸轮、空心钢管轴体、花键轴三部件的焊接接头可以为对接、角接或搭接。
所述保护气体由N2、He、Ar中的一种、两种或三种气体与压缩空气组成。
所述激光焊接头匹配He-Ne激光器、CO2激光器或YAG激光器。
所述激光焊接头采用反射式或透射式聚焦结构的导光系统将聚焦后的激光束传输至焊接区域。
本发明的有益效果：
（1）焊后变形小，适合于精度要求较高的零件的焊接需求。
（2）感应加热提高了焊接区域温度，减小了焊缝与周边区域的温度梯度，使凝固及固态冷却过程变慢，消除了冷速过快带来的应力集中现象及淬硬马氏体组织，从而减少了裂纹及气孔的生成，可改善中、高碳钢等难焊接材料的焊接性能。
（3）感应热源使材料表面温度升高，提高了材料对激光的吸收率，有效利用了能源，可获得更高的生产效率。
（4）为轴类零件空心化技术奠定了制造基础，便于结构复杂化的轴类零件的分体设计、制造。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的组合式刹车凸轮轴激光感应复合焊接方法示意图。图中：1凸轮轴，2空心钢管轴体，3花键轴，4回转三爪卡盘，5顶尖，6感应器，7激光焊接头，8聚焦镜，9感应加热设备。
具体实施方式
为了实现激光感应复合焊接，需要一台CO2激光器或YAG激光器及激光加工机床，另外还有一套感应加热设备9。
下面结合具体实例说明。
实施例1：
将凸轮1、空心钢管轴体2、花键轴3装配为组合式刹车凸轮轴后水平放置，两端分别用回转三爪夹盘4及顶尖5定位。感应器6移至待焊区域，内部通冷却水，保证该区域均匀同时受热，感应器6的内圆周距工件表面距离3cm。将激光焊接头7固定，使激光束聚焦于焊接区域，回转三爪卡盘4带动组合式刹车凸轮轴旋转，此时焊接速度为2m/min。感应器6通电加热时间为5s，加热最高温度至500℃。加热结束时刻开始激光焊接，激光焊接功率2000W，离焦量为0mm，采用He气及压缩空气在焊接过程中对焊接熔池及光学元件进行保护，气体流量为20L/min。最终得到的焊缝宽度3mm，焊接深度4mm。焊后长度变形量为0.2mm，无裂纹及气孔生成。
实施例2：
将凸轮1、空心钢管轴体2、花键轴3装配为组合式刹车凸轮轴后水平放置，两端分别用三爪卡盘4及顶尖5定位。感应器6移至待焊区域，内部通冷却水，保证该区域均匀同时受热，感应器6内圆周距工件表面距离5cm。将激光焊接头7固定，使激光束聚焦于焊接区域，回转三爪卡盘带动组合式刹车凸轮轴旋转，此时焊接速度为3m/min。感应器6通电加热时间为10s，加热最高温度至600℃。加热结束时刻开始激光焊接，激光焊接功率3000W，离焦量+1mm，采用Ar气及压缩空气在焊接过程中对焊接熔池及光学元件进行保护，气体流量30L/min。最终得到的焊缝宽度4mm，焊接深度5.5mm。焊后长度变形量为0.3mm，无裂纹及气孔生成。
实施例3
将凸轮1、空心钢管轴体2、花键轴3装配为组合式刹车凸轮轴后水平放置，两端分别用三爪卡盘4及顶尖5定位。感应器6移至待焊区域，内部通冷却水，保证该区域均匀同时受热，感应器6内圆周距工件表面距离4cm。将激光焊接头7固定，使激光束聚焦于焊接区域，并利用激光对凸轮1、回转三爪卡盘带动组合式刹车凸轮轴旋转，此时焊接速度为2.5m/min。感应器6通电加热7s，加热最高温度至550℃，然后开始激光焊接，激光焊接功率2500W，离焦量0.5mm，采用N2气及压缩空气在焊接过程中对焊接熔池及光学元件进行保护，气体流量25L/min。最终得到的焊缝宽度3.5mm，焊接深度4.8mm。焊后变形量为0.5mm，无裂纹及气孔生成。
实施例4
将凸轮1、空心钢管轴体2、花键轴3装配为组合式刹车凸轮轴后水平放置，两端分别用三爪卡盘4及顶尖5定位。感应器6移至待焊区域，内部通冷却水，保证该区域均匀同时受热，感应器6内圆周距工件表面距离3.5cm。将激光焊接头7固定，使激光束聚焦于焊接区域，回转三爪卡盘带动组合式刹车凸轮轴旋转，此时焊接速度为2.2m/min。感应器6通电加热6s，加热最高温度至510℃，然后开始激光焊接，激光焊接功率2100W，离焦量0.5mm，采用He气和Ar气的混合气体及压缩空气在焊接过程中对焊接熔池及光学元件进行保护，气体流量21L/min。最终得到的焊缝宽度3mm，焊接深度4.5mm。焊后变形量为0.4mm，无裂纹及气孔生成。
实施例5
将凸轮1、空心钢管轴体2、花键轴3装配为组合式刹车凸轮轴后水平放置，两端分别用三爪卡盘4及顶尖5定位。感应器6移至待焊区域，内部通冷却水，保证该区域均匀同时受热，感应器6内圆周距工件表面距离3.3cm。将激光焊接头7固定，使激光束聚焦于焊接区域，回转三爪卡盘带动组合式刹车凸轮轴旋转，此时焊接速度为2.3m/min。感应器6通电加热7s，加热温度至530℃，然后开始激光焊接，激光焊接功率2200W，离焦量0.5mm，采用He气和N2气的混合气体及压缩空气在焊接过程中对焊接熔池及光学元件进行保护，气体流量23L/min。最终得到的焊缝宽度3mm，焊接深度4.5mm。焊后变形量为0.4mm，无裂纹及气孔生成。
实施例6
将凸轮1、空心钢管轴体2、花键轴3装配为组合式刹车凸轮轴后水平放置，两端分别用三爪卡盘4及顶尖5定位。感应器6移至待焊区域，内部通冷却水，保证该区域均匀同时受热，感应器6内圆周距工件表面距离3.4cm。将激光焊接头7固定，使激光束聚焦于焊接区域，回转三爪卡盘带动组合式刹车凸轮轴旋转，此时焊接速度为2.4m/min。感应器6通电加热与激光焊接同时开始同时结束，加热温度至540℃。激光焊接功率2300W，离焦量0.5mm，采用Ar气和N2气的混合气体及压缩空气在焊接过程中对焊接熔池及光学元件进行保护，气体流量24L/min。最终得到的焊缝宽度3mm，焊接深度4.8mm。焊后变形量为0.4mm，无裂纹及气孔生成。
实施例7
将凸轮1、空心钢管轴体2、花键轴3装配为组合式刹车凸轮轴后水平放置，两端分别用三爪卡盘4及顶尖5定位。感应器6移至待焊区域，内部通冷却水，保证该区域均匀同时受热，感应器6内圆周距工件表面距离4.3cm。将激光焊接头7固定，使激光束聚焦于焊接区域，回转三爪卡盘带动组合式刹车凸轮轴旋转，此时焊接速度为2.6m/min。感应器6通电加热与激光焊接同时开始，在激光焊接开始后5s感应器6通电加热结束，加热温度至560℃。激光焊接功率2600W，离焦量+1mm，采用He、Ar、N2三种混合气体及压缩空气在焊接过程中对焊接熔池及光学元件进行保护，气体流量26L/min。最终得到的焊缝宽度3.5mm，焊接深度5mm。焊后变形量为0.5mm，无裂纹及气孔生成。
实施例8
将凸轮1、空心钢管轴体2、花键轴3装配为组合式刹车凸轮轴后水平放置，两端分别用三爪卡盘4及顶尖5定位。感应器6移至待焊区域，内部通冷却水，保证该区域均匀同时受热，感应器6内圆周距工件表面距离5cm。将激光焊接头7固定，使激光束聚焦于焊接区域，回转三爪卡盘带动组合式刹车凸轮轴旋转，此时焊接速度为2.7m/min。感应器6通电加热与激光焊接同时开始，激光焊接结束5s后感应器6停止通电加热，加热温度至570℃。激光焊接功率2800W，离焦量+1mm，采用He、Ar、N2三种混合气体及压缩空气在焊接过程中对焊接熔池及光学元件进行保护，气体流量27L/min，最终得到的焊缝宽度4mm，焊接深度5mm。焊后变形量为0.3mm，无裂纹及气孔生成。
实施例9
将凸轮1、空心钢管轴体2、花键轴3装配为组合式刹车凸轮轴后水平放置，两端分别用三爪卡盘4及顶尖5定位。感应器6移至待焊区域，内部通冷却水，保证该区域均匀同时受热，感应器6内圆周距工件表面距离5cm。将激光焊接头7固定，使激光束聚焦于焊接区域，并利用激光对凸轮1、空心钢管轴体2、花键轴3三部件进行同轴定位。回转三爪卡盘带动组合式刹车凸轮轴旋转，此时焊接速度为2.9m/min。激光焊接结束5s后感应器6开始通电加热，10s后停止加热，加热温度至590℃。激光焊接功率2900W，离焦量+1mm，采用He、Ar、N2三种混合气体及压缩空气在焊接过程中对焊接熔池及光学元件进行保护，气体流量30L/min，最终得到的焊缝宽度4mm，焊接深度5.5mm。焊后变形量为0.3mm，无裂纹及气孔生成。
实施例10
将凸轮1、空心钢管轴体2、花键轴3装配为组合式刹车凸轮轴后水平放置，两端分别用三爪卡盘4及顶尖5定位。感应器6移至待焊区域，内部通冷却水，保证该区域均匀同时受热，感应器6内圆周距工件表面距离0.5cm。将激光焊接头7固定，使激光束聚焦于焊接区域，回转三爪卡盘带动组合式刹车凸轮轴旋转，此时焊接速度为0.5m/min。激光焊接结束5s后感应器6开始通电加热，5s后停止加热，加热温度至100℃。激光焊接功率1000W，离焦量-3mm，采用He、Ar、N2三种混合气体及压缩空气在焊接过程中对焊接熔池及光学元件进行保护，气体流量5L/min，最终得到的焊缝宽度2mm，焊接深度2.5mm。焊后变形量为0.6mm，无裂纹及气孔生成。
实施例11
将凸轮1、空心钢管轴体2、花键轴3装配为组合式刹车凸轮轴后水平放置，两端分别用三爪卡盘4及顶尖5定位。感应器6移至待焊区域，内部通冷却水，保证该区域均匀同时受热，感应器6内圆周距工件表面距离5cm。将激光焊接头7固定，使激光束聚焦于焊接区域，回转三爪卡盘带动组合式刹车凸轮轴旋转，此时焊接速度为3m/min。激光焊接结束5s后感应器6开始通电加热，20s后停止加热，加热温度至800℃。激光焊接功率8000W，离焦量+3mm，采用He、Ar、N2三种混合气体及压缩空气在焊接过程中对焊接熔池及光学元件进行保护，气体流量30L/min，最终得到的焊缝宽度5mm，焊接深度6.5mm。焊后变形量为0.8mm，无裂纹及气孔生成。

Claims (8)

1.一种组合式刹车凸轮轴激光感应复合焊接方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一：
将凸轮(1)、空心钢管轴体(2)、花键轴(3)三部件装配为组合式刹车凸轮轴并水平放置；组合式刹车凸轮轴一端装夹在回转三爪卡盘(4)上，另一端使用顶尖(5)固定；感应器(6)内部通冷却水，环绕于待焊接区域，感应器距工件表面距离0.5cm～5cm；将激光焊接头(7)固定，使激光束聚焦于焊接区域，并利用激光对凸轮(1)、空心钢管轴体(2)、花键轴(3)三部件进行同轴定位；
步骤二：
激光焊接头(7)固定，回转三爪卡盘(4)带动组合式刹车凸轮轴旋转，焊接速度区间为0.5m/min～3m/min；利用感应器对焊接区域进行加热，加热时间范围为5s～20s，加热温度区间为100℃～800℃；利用激光焊接头(7)进行焊接，激光焊接功率为1000W～8000W，距工件表面离焦量为-3mm～+3mm；在焊接过程中采用保护气体对焊接熔池及光学元件进行隔离保护，保护气体流量为5L/min～30L/min；
步骤三：
依次完成两处待焊区域的焊接后，将制造完成的组合式刹车凸轮轴整体移出装夹区域。
2.根据权利要求1所述的组合式刹车凸轮轴激光感应复合焊接方法，其特征在于所述步骤二中：焊接速度区间为2m/min～3m/min，加热时间范围5s～10s，加热温度区间500℃～600℃；激光焊接功率为2000W～3000W，离焦量0mm～+1mm，保护气体流量为20L/min～30L/min。
3.根据权利要求1或2所述的组合式刹车凸轮轴激光感应复合焊接方法，其特征在于所述步骤二中感应加热在激光焊接之前开始；在激光焊接之前停止、与激光焊接同一时刻停止、在焊接过程中停止或者在激光焊接结束后停止。
4.根据权利要求1或2所述的组合式刹车凸轮轴激光感应复合焊接方法，其特征在于所述步骤二中感应加热与激光焊接同一时刻开始，与激光焊接同一时刻停止、在焊接过程中停止或者在激光焊接结束后停止。
5.根据权利要求1或2所述的组合式刹车凸轮轴激光感应复合焊接方法，其特征在于所述步骤二中感应加热在激光焊接结束后开始。
6.根据权利要求1或2所述的组合式刹车凸轮轴激光感应复合焊接方法，其特征在于所述凸轮(1)、空心钢管轴体(2)、花键轴(3)三部件的焊接接头可以为对接、角接或搭接。
7.根据权利要求2所述的组合式刹车凸轮轴激光感应复合焊接方法，其特征在于所述保护气体由N2、He、Ar中的一种、两种或三种气体与压缩空气组成。
8.根据权利要求2所述的组合式刹车凸轮轴激光感应复合焊接方法，其特征在于所述步骤二中：焊接速度为2m/min，加热时间为5s，加热温度为500℃；激光焊接功率为2000W，离焦量为0mm，保护气体流量为20L/min。
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