CN107243687B - 低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法 - Google Patents

低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法，涉及合金结构钢熔化焊接领域，用以解决现有的齿轮总成焊接过程中需要焊前预热和焊后保温的步骤，本发明设计U型坡口，利用氩气和二氧化碳混合气体作为保护气氛，用药芯焊丝作为焊材，齿轮总成在旋转的过程中采用呈对称设置的两把焊枪完成焊接。本发明用以将离合器壳体与齿轮焊接成齿轮总成。

Description

低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法
技术领域
本发明涉及合金结构钢熔化焊接领域，具体地说，涉及一种变速箱用低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法。
背景技术
众所周知，在汽车或工程机械变速箱内的齿轮制造过程中，为了减小齿轮冷加工的难度，提高生产效率，经常将齿轮分为各自独立的两个部分分别加工，然后将两部分复合在一起，形成一个整体，构成复合齿轮，也称为齿轮总成。两种零件一般通过焊接连接而成为一个部件，焊缝的形状为环形焊缝。焊接而成的齿轮总成在变速箱内高速旋转，主要受到较大的扭转和冲击应力，焊缝的结构及焊接优良与否直接关系到整个变速箱的可靠性。
齿轮总成在国内外的焊接方法一般采用激光焊接或者电子束焊接，设备精密，价值昂贵和复杂，主要依靠进口，投资巨大。且采用激光焊接或者电子束焊接，还需要焊前预热、焊后保温工序。
此外，齿轮总成的材料，比如申请人所生产的齿轮总成，离合器壳体材料为20CrMo，驱动齿轮的材料为19CrNi5，材料均为低碳合金结构钢，除含碳量在0.15％～0.3％之外，还含有Cr、Mn、Mo、Ti、Ni、V等合金元素，两种材料的碳当量分别为0.58％和0.87％，一般情况下，碳当量大于0.45％时，具有产生冷裂纹的倾向，焊前需要预热，焊后需要保温，以消除冷裂纹倾向。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种无需焊前预热、焊后保温工序，且焊缝韧性高，抗冷裂性能好的低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法。
本发明所述的低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法，包括以下步骤：
(1)将齿轮和离合器壳体装配位置处加工成带钝边的U形坡口；
(2)清理坡口位置处杂质，将齿轮和离合器壳体进行压装；
(3)将呈180°设置的两把焊枪调节至坡口内后开始焊接，焊接时保持压装的齿轮和离合器壳体同时旋转，旋转至180°时熔合焊缝起始端，继续旋转10°，转动停止，进行收弧焊接。
进一步的，步骤(3)采用87％氩气与13％二氧化碳混合气体作为保护气氛，用药芯焊丝作为焊材。焊接时将焊缝周围的空气吹散开，并隔离大气中过量氧气的影响，保护焊接熔池，使焊接过程得以连续、均匀地进行。氩气和二氧化碳的用量为体积分数。
进一步的，坡口的尺寸满足：坡口深度：根部宽度﹤1，钝边厚度：坡口深度＝0.1～0.5坡口角度17～23°，坡口底部圆弧半径：根部宽度＝0.2～1。优选的根部宽度：坡口深度＝1.2，钝边厚度：坡口深度＝0.3，坡口角度20°，坡口底部圆弧半径：根部宽度＝0.5。具体到实际齿轮而言，坡口根部宽度为6mm，底部圆弧过渡半径3mm，坡口深度5mm，钝边厚度1.5mm，坡口角度20°。
进一步的，焊接的变形控制在0.2mm以内。
进一步的，焊接电流385±10A，电压28±2V，焊接速度115±5°/min，焊接角度190±5°，引弧时间1.5S，收弧电流120A，收弧电压18V，收弧时间2S，干伸长度17～18mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明无需传统压焊接所需的焊前预热与焊后保温工序，能够节省预热和保温时间约130分钟，提升了焊接效率，降低了能耗；
(2)本发明所使用的药芯焊丝焊后与两边母材熔合优良，抗冷裂性能好，焊缝韧性高；
(3)本发明使用的U型坡口，坡口根部较宽使的焊接形成的焊缝截面熔合区面积大，受热均匀，与两边母材熔合较好，坡口底部钝边与焊材熔为一体，满足了焊缝的设计强度要求；
(4)焊接工艺参数的设置，既能熔合填满坡口，又能使焊缝的热影响区最小，减小焊缝对其他区域的硬度、金相、变形等的影响，无焊接缺陷产生。
附图说明
图1为本发明齿轮总成主视图；
图2为齿轮总成俯视图；
图3为图1中I处结构意图；
图4为本发明坡口结构示意图；
图5为图4中坡口尺寸示意图，单位为毫米；
图6为齿轮总成焊缝剖切腐蚀检验金相图；
图7焊接设备简图；
图中，1-离合器壳体；2-齿轮；3-焊缝；4-焊后熔合母材区；5-钝边；6-坡口；7-热影响区；8-热影响区分界线；9-左焊枪；10-右焊枪；11-定位夹紧机构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步解释。
一种低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法，包括以下步骤：
(1)坡口6的加工
本实施方式中，离合器壳体1和齿轮2，采用过渡配合结构装配，经过焊接后形成齿轮总成，如图1和2所示。离合器壳体1和齿轮2配合位置处设计为截面积较大的、带有钝边5的U型坡口6，如图4和5所示，坡口6的根部较宽，底部设有钝边5，钝边5厚度1.5mm，底部圆弧过渡半径R＝3.0mm，上部开口尺寸(即根部宽度)6mm，坡口深度为5mm，坡口角度20°。所述的齿轮2为汽车变速箱内齿轮。
(2)齿轮总成的焊接
a、焊件焊前清洗与装配
焊前将坡口6周围的油污、杂质等清洗干净，保证坡口6周围清洁无杂质，清洗后的齿轮件焊前进行压装，并检查压装是否到位。
b、准备焊接气体
采用87％氩气与13％二氧化碳混合气体作为保护气氛，焊接时将焊缝3周围的空气吹散开，并隔离大气中过量氧气的影响，保护焊接熔池，使焊接过程得以连续、均匀地进行。
c、准备焊接材料
采用药芯焊丝，其扩散氢含量低，飞溅小，成型美观，焊丝熔敷速度快，在较大电流焊接时，焊接效率高，与两边母材熔合优良，抗冷裂性和抗冲击性能好。
d、焊接过程中参数控制
通过焊接设备程序调整设置焊接工艺参数为：电流385±10A，电压28±2V，焊接速度115±5°/min，焊接角度190±5°，引弧时间1.5S，收弧电流120A、收弧电压18V、收弧时间2S，干伸长度17～18mm。
e、焊接
启动设备，焊接开始，两把焊枪呈180°对称布置，开始焊接填充焊缝3和熔合母材，工件自动旋转，旋转至180°时，开始熔合焊缝3起始端的焊接接头，继续旋转10°，转动停止，进行收弧焊接，通过设置的收弧焊接工艺参数，保证起收弧位置的焊缝3无焊接缺陷。焊接完成后焊缝3如图3所示(图1和2中为清晰的表示焊缝3，将焊缝3颜色标黑)，单层焊缝3可填满坡口6，焊后形成焊后熔合母材区4，坡口6的底部1.5mm钝边5焊接后完全熔合，并向下继续熔合母材1mm以上，两零件配合处全部焊透，焊后无应力集中点。图3中虚线部分为焊前加工形成的坡口6。
焊接设备如图7所示，包括左焊枪9、右焊枪10、定位夹紧机构10，齿轮总成固定在定位夹紧机构10之间，定位夹紧机构10可以旋转。
(3)焊缝3的检验
a、采用UT探伤对焊缝3进行检测，内部未发现焊接缺陷；对焊后的齿轮总成焊缝3的起收弧位置、正常焊缝3位置进行切割、检验，如图6所示，可以看出，底部钝边5已被熔合，熔池宽且深，热影响区分界线8与焊缝3之间为热影响区7，热影响区7较小，检测焊缝3及热影响区7硬度适当，无焊接缺陷产生。
b、采用与齿轮零件相同状态(材料、热处理状态等)的焊接材料、焊接工艺参数等，焊接后制备的标准力学性能试样进行工艺评定，拉伸试样断裂在母材，未在焊缝3区域；背弯试样及正弯试样弯曲到材料允许弯曲角度未发生裂纹；冲击试样冲击功大于焊接材料及母材的最小值；斜Y坡口剖切检测表面及根部无裂纹产生。
传统激光焊或离子束焊的设备价值数百万元，设备昂贵复杂，且一般为单焊枪焊接，焊接效率较低。本发明中焊接设备投资15万，设备结构相对简单，不需预热、保温工序和设备；其所需耗材(混合气体、焊丝等)消耗量较少，能耗低；单件自动焊接时间短，无需保温数小时而产生在制品积压，降低了资金占用；综合计算得出，采用本发明焊接的齿轮总成的焊接成本约为激光或者离子束焊接工艺方法的5％～10％之间。本发明在行业内极具推广应用价值。

Claims (9)

1.一种低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法，其特征在于，无需焊前预热、焊后保温工序，包括以下步骤：
(1)将齿轮(2)和离合器壳体(1)装配位置处加工成带钝边(5)的U形坡口(6)，坡口(6)的尺寸满足：坡口深度：根部宽度﹤1，钝边厚度：坡口深度＝0.1～0.5，坡口角度17～23°；
(2)清理坡口(6)位置处杂质，将齿轮(2)和离合器壳体(1)进行压装；
(3)将呈180°设置的两把焊枪调节至坡口(6)内后开始焊接，焊接时保持压装的齿轮(2)和离合器壳体(1)同时旋转，旋转至180°时熔合焊缝(3)起始端，继续旋转10°，转动停止，进行收弧焊接；
所述低碳合金结构钢的碳当量大于0.45％，齿轮总成用于汽车或工程机械变速箱。
2.根据权利要求1所述的低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法，其特征在于，步骤(3)采用氩气和二氧化碳混合气体作为保护气氛，用药芯焊丝作为焊材。
3.根据权利要求2所述的低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法，其特征在于，保护气体为87％的氩气与13％的二氧化碳的混合气。
4.根据权利要求3所述的低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法，其特征在于，坡口(6)底部圆弧半径：根部宽度＝0.2～1。
5.根据权利要求4所述的低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法，其特征在于，根部宽度：坡口深度＝1.2，钝边厚度：坡口深度＝0.3，坡口角度20°，底部圆弧半径：根部宽度＝0.5。
6.根据权利要求5所述的低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法，其特征在于，坡口(6)根部宽度为6mm，底部圆弧半径3mm，坡口深度5mm，钝边厚度1.5mm，坡口角度20°。
7.根据权利要求4所述的低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法，其特征在于，焊接的变形控制在0.2mm以内。
8.根据权利要求4所述的低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法，其特征在于，焊接电流385±10A，电压28±2V，焊接速度115±5°/min，焊接角度190±5°，引弧时间1.5S，收弧电流120A，收弧电压18V，收弧时间2S。
9.根据权利要求8所述的低碳合金结构钢齿轮总成的焊接方法，其特征在于，干伸长度17～18mm。
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