CN107243695A - 一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法，包括：步骤一，对轴体待焊接部位进行预处理；步骤二，将轴体装夹到旋转台上，设置激光器，使激光器发出的激光束到轴体的入射角度为α，α的取值范围为45°～75°；步骤三，将凸轮和轴颈安装到轴体上，在凸轮和轴颈与轴体之间形成的角接接头处进行激光焊接形成角接焊缝；步骤四，检查焊缝表面状态。获得高性能、高耐磨性的组合式发动机空心凸轮轴，采用本工艺方法焊接后凸轮轴的静态最大扭距由250N·m～350N·m提升到了500N·m～1000N·m。

Description

一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法
技术领域
本发明涉及发动机凸轮轴制造技术领域，尤其是一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法。
背景技术
凸轮轴是汽车发动机五大核心部分之一,组合式空心凸轮轴是将凸轮、空心轴体和轴颈分别进行材料优化匹配和分体精密加工后，在装配成凸轮轴整体。随着汽车工业的发展，凸轮轴的轻量化与低摩擦损耗被人们得到重视，与传统的整体铸造、锻造或轧制制坯凸轮轴相比，组合式空心凸轮轴重量可减轻30％～50％，而且凸轮、轴颈和空心轴体的材料都可以自由选取，还能减少后续机加工余量。
凸轮轴的关键技术为凸轮、轴颈与空心轴体的连接，目前主要的连接方式有热套、焊接、粉末烧结、液压扩径连接、机械扩径连接、滚花压装等。其中，焊接做为一种连接方法通常不单独使用，而是与其它连接方式一起配合使用，起到进一步加固作用，大大提升凸轮轴的工作扭矩，传统的焊接过程中温度较高，容易使凸轮表面的硬度产生下降，同时在焊接区材料容易产生形变，使凸轮轴的尺寸精度降低。而激光焊接具有能量密度高、热影响区小和易实现自动化等特点，不会使凸轮表面产生硬度下降，根据资料查询，姚远的103920998号中国专利涉及组合式刹车凸轮轴激光感应复合焊接方法，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。查凌宇的104959789号中国专利一种组合式凸轮轴生产加工方法，采用激光焊接方法将传动部件固定在凸轮轴两端，主要是以减少发动机高度和润滑泄漏为目的。现有工艺对凸轮轴进行焊接后直接出现裂纹，裂纹延焊缝中心向两边扩展，直接影响到凸轮与轴之间的连接强度，降低了连接扭矩。因此需要一种采用激光将凸轮、轴颈与空心轴体以角接的方式直接焊在一起的工艺方法。
发明内容：
本发明要针对上述背景技术存在的问题，提供一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法，可获得高性能、高耐磨性的组合式发动机空心凸轮轴。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法，包括：
步骤一，对轴体在旋转台带动下沿其轴线旋转；
步骤四，检查焊缝表面状态。
较佳地，步骤三中激光焊接的形式包括摆动焊接，摆动形状包括来回往复摆动、∞字形摆动和椭圆形摆动。
较佳地，往复摆动的方向与轴体的轴线方向相同，∞字形摆动时∞字形的长度方向与轴体的轴线方向垂直，椭圆形摆动时椭圆形的长度方向与轴体的轴线方向垂直。
较佳地，步骤三进行激光焊接的方式包括连续焊接方式和脉冲焊接方式.
较佳地，脉冲焊接方式的频率范围为100-150点/秒。
较佳地，步骤三进行激光焊接的速度区间为0.9m/min～6m/min，激光焊接功率为1.5KW～8KW。
较佳地，焊接激光束的能量分布包括平顶分布方式和高斯分布方式。
较佳地，设置与激光器同轴的气路保护结构发射保护气体到角接接头处，气路保护结构与激光器同时工作。
较佳地，保护气体包括N2和/或Ar和/或He，保护气体的气流量控制在15L/min～30L/min之间。
较佳地，在步骤二轴体装夹到旋转台上之后和步骤四检查焊缝表面状态之间还包括检查轴体跳动的步骤，检查轴体跳动的所采用的工具包括千分表。
本发明的有益效果在于：采用一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法，解决了组合式空心凸轮轴连接方式扭矩偏低的问题，焊缝与轴体基体间生成的热影响层厚度保持在0.2mm～1mm，热影响层硬度下降150HV～400HV，表面也不产生裂纹，激光焊接离焦量为-5mm～+5mm。本发明方法提供了组合式空心凸轮轴一种新的连接加固思路，焊接具有操作简便、易实现自动化、稳定性高等优点，凸轮轴具有耐磨性好、强度高、无形变、扭矩大等良好性能，能够满足各种发动机凸轮轴的连接加固提升扭矩，特别适用于高性能发动机组合式空心凸轮轴的连接加固。
附图说明
图1为本发明组合式发动机空心凸轮轴激光焊接结构示意图；
图2为本发明激光焊缝与热影响层示意图；
图3为本发明激光摆动焊接运动过程中的示意图；
图4为本发明激光摆动焊接运动过程中的示意图；
图5为本发明激光摆动焊接运动过程中的示意图；
图6为实施例一中焊缝不同深度与硬度的关系曲线(其中横坐标为距离焊缝表面距离，纵坐标为显微硬度值)；
图7为实施例二中焊缝不同深度与硬度的关系曲线(其中横坐标为距离焊缝表面距离，纵坐标为显微硬度值)；
图中：1-激光器，2-激光束，3-保护气体，4-角接接头，5-凸轮，6-轴颈，7-轴体，8-角接焊缝，9-热影响层。
具体实施方式
为了使所有实施例具有可对比性，在实施例开展前，一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法，难点在于凸轮、轴颈与空心轴体形成角接接头，本身存在尖角应力，焊接过程中易产生裂纹，焊接过程中温度高，易使凸轮表面硬度产生下降及凸轮轴整体产生形变。图1所示为凸轮5和轴颈6装配到轴体7后，进行激光焊接过程中的结构示意图，主要包括激光头激光束2保护气体3角接接头4凸轮轴颈6空心轴体7，激光束2与空心轴体7之间的夹角α。具体包括如下步骤：
步骤一，对轴体7待焊接部位进行预处理，轴体7长度为700mm～1200mm；用锉刀将焊缝部位的毛刺去除保证表面光滑，用丙酮清洗掉周围的杂质及油污，最后将凸轮轴放于100℃烘箱进行烘干；
步骤二，将轴体7装夹到旋转台上，用千分表检查轴体7的跳动；设置激光器1，使激光器1发出的激光束2到轴体7的入射角度为α，α的取值范围为45°～75°；凸轮轴在装配过程中会使空心轴体7挤压形变，形变量β在0.05mm～0.25mm之间，为了弥补焊接偏差，通过视觉或者触觉焊缝跟踪软件校正偏差，保证旋转过程中不偏离焊接区域。
步骤三，将凸轮5和轴颈6安装到轴体7上，凸轮5和轴体7之间为过盈配合，轴颈6与和轴体7之间为过盈配合；在凸轮5和轴颈6与轴体7之间形成的角接接头4处进行激光焊接形成角接焊缝8；焊缝与凸轮轴基体间存在极小的热影响层9，焊缝在凸轮轴基体中存在特定的微观组织结构，使焊缝与轴体7基体间生成的热影响层9厚度保持在0.2mm～1mm，热影响层9硬度下降150HV～400HV。轴颈6和轴体7的材料包括中碳钢和高碳钢；凸轮5的材料包括中碳钢、高碳钢和粉末冶金，凸轮5经过淬火处理，表面硬度达到58-65HRC。
进行激光焊接的方式包括连续焊接方式和脉冲焊接方式，脉冲焊接方式的频率范围为100-150点/秒。焊接激光束的能量分布包括平顶分布方式和高斯分布方式。
激光焊接的速度区间为0.9m/min～6m/min，激光焊接功率为1.5KW～8KW，激光焊接离焦量为-5mm～+5mm。
激光焊接的形式包括摆动焊接，摆动形状包括来回如图4所示的往复摆动、如图3所示的∞字形摆动，和如图5所示的椭圆形摆动。往复摆动的方向与轴体的轴线方向相同，∞字形摆动时∞字形的长度方向与轴体的轴线方向垂直，椭圆形摆动时椭圆形的长度方向与轴体的轴线方向垂直。
同时设置与激光器1同轴的气路保护结构发射保护气体3到角接接头4处，气路保护结构与激光器1同时工作。保护气体3包括N2和/或Ar和/或He，具体来说就是N2、Ar和He中的一种、两种或三种气体。保护气体3的气流量控制在15L/min～30L/min之间。
步骤四，焊接完后再次检查跳动，然后采用PT探伤检测焊缝表面状态，是否存在裂纹缺陷。
采用本工艺方法焊接后凸轮轴的静态最大扭距由250N·m～350N·m提升到了500N·m～1000N·m。
为使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例一
本实施例在长100mm、φ35mm的凸轮轴轴体7上采用激光摆动焊接的方法，凸轮5材料为碳含量0.6的粉末冶金，轴颈6材料为55钢，空心轴体7材料为45钢。其焊接工艺方法按以下步骤进行：
S11：对空心的轴体7焊接部位进行预处理，用锉刀将焊缝部位的毛刺去除保证表面光滑，用丙酮清洗掉周围的杂质及油污，最后将凸轮轴放于100℃烘箱进行烘干；
S12：将轴体7装夹到旋转台上，激光束2与空心轴体7照射角度α为60°，凸轮轴旋转过程中存在0.1mm跳动，通过视觉焊缝跟踪软件校正偏差，保证旋转过程中不偏离焊接区域；
S13：对轴体7与凸轮5和轴颈6的角接接头4处进行激光摆动焊接，图3为摆动焊接过程示意图，选用图3中的∞字形摆动方式，摆动速度为3m/s，其焊接速度为0.9m/min，激光焊接功率为1.5KW，离焦量为-5mm，保护气体3流量为20L/min。∞字形摆动时∞字形的长度方向与轴体的轴线方向垂直。
S14：焊接结束后进行跳动检测，然后采用PT探伤检测焊缝表面状态，是否存在裂纹缺陷。
在此工艺条件下，图2为激光焊缝示意图角接焊缝8热影响层9，图6为激光焊接焊缝硬度至表面距离，可以看到热影响层9的厚度约1mm，所形成的角接焊缝8熔深为1.5mm左右，焊缝及周边区域无裂纹等缺陷，焊接后检测静态扭矩大于800N·m。
实施例二
本实施例在长700mm、φ35mm的凸轮轴上采用激光摆动焊接的方法，凸轮5材料为碳含量1.0的粉末冶金，轴颈6材料为55钢，空心轴体7材料为cf53钢。其焊接方法按以下步骤进行：
S21：同实施例一步骤S11；
S22：将凸轮轴装夹到旋转台上，激光束2与空心轴体7照射角度α为45°，凸轮轴旋转过程中存在0.05mm跳动，通过视觉焊缝跟踪软件校正偏差，保证旋转过程中不偏离焊接区域；
S23：对轴体7与凸轮5和轴颈6的角接接头4处进行激光摆动焊接，选用图5中的椭圆形摆动方式进行焊接，摆动速度为3m/s其焊接速度为6m/min，激光焊接功率为8KW，离焦量为+5mm，保护气体3流量为25L/min。椭圆形摆动时椭圆形的长度方向与轴体的轴线方向垂直。
S24：同实施例一步骤S14；
在此工艺条件下，图7为激光焊接焊缝硬度至表面距离，可以看出热影响层9约0.3mm，所形成的熔深为0.8mm左右，焊缝及周边区域无裂纹等缺陷，焊接后检测静态扭矩大于650N·m。
实施例三
本实施例在长700mm、φ35mm的凸轮轴上采用激光摆动焊接的方法，凸轮5材料为碳含量0.8的粉末冶金，轴颈6材料为45钢，空心轴体7材料为Gr15钢。其焊接方法按以下步骤进行：
S31：同实施例一步骤S11；
S32：对轴体7与凸轮5和轴颈6的角接接头4处进行激光摆动焊接，激光束2与空心轴体7照射角度α为75°，凸轮轴旋转过程中存在0.15mm跳动，通过视觉焊缝跟踪软件校正偏差，保证旋转过程中不偏离焊接区域；
S33：对轴体7与凸轮5和轴颈6的角接接头4处进行激光摆动焊接，选用图4的来回往复摆动方式进行摆动焊接，摆动速度为3m/s，其焊接速度为1.8m/min，激光焊接功率为5KW，离焦量为0mm，保护气体3流量为20L/min，所形成的熔深为3mm左右。往复摆动的方向与轴体的轴线方向相同。
S34：同实施例一步骤S14；
以上所述实施例为本发明较佳的效果的举例，其中所用的激光功率、焊接速度、摆动速度、离焦量、保护气体3流量等仅用于示例和解释，并非限制性的。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法，其特征在于，包括：
步骤一，对轴体(7)待焊接部位进行预处理；
步骤二，将所述轴体(7)装夹到旋转台上，设置激光器(1)，使所述激光器(1)发出的激光束(2)到所述轴体(7)的入射角度为α，所述α的取值范围为45°～75°；
步骤三，将凸轮(5)和轴颈(6)安装到所述轴体(7)上，在所述凸轮(5)和所述轴颈(6)分别与所述轴体(7)之间形成的角接接头(4)处进行激光焊接形成角接焊缝(8)，焊接时，所述轴体(7)在旋转台带动下沿其轴线旋转；
步骤四，检查焊缝表面状态。
2.根据权利要求1所述的一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法，其特征在于：所述步骤三中激光焊接的形式包括摆动焊接，摆动形状包括来回往复摆动、∞字形摆动和椭圆形摆动。
3.根据权利要求2所述的一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法，其特征在于：所述往复摆动的方向与轴体(7)的轴线方向相同，所述∞字形摆动时∞字形的长度方向与轴体(7)的轴线方向垂直，所述椭圆形摆动时椭圆形的长度方向与轴体(7)的轴线方向垂直。
4.根据权利要求1所述的一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法，其特征在于：所述步骤三进行激光焊接的方式包括连续焊接方式和脉冲焊接方式。
5.根据权利要求4所述的一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法，其特征在于：所述脉冲焊接方式的频率范围为100-150点/秒。
6.根据权利要求1所述的一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法，其特征在于：所述步骤三进行激光焊接的速度区间为0.9m/min～6m/min，激光焊接功率为1.5KW～8KW。
7.根据权利要求1所述的一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法，其特征在于：焊接激光束的能量分布包括平顶分布方式和高斯分布方式。
8.根据权利要求1所述的一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法，其特征在于：设置与所述激光器(1)同轴的气路保护结构吹送保护气体(3)到角接接头(4)处，所述气路保护结构与所述激光器(1)同时工作。
9.根据权利要求8所述的一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法，其特征在于：所述保护气体(3)包括N2和/或Ar和/或He，所述保护气体(3)的气流量控制在15L/min～30L/min之间。
10.根据权利要求1所述的一种组合式发动机空心凸轮轴激光焊接工艺方法，其特征在于：在所述步骤二轴体(7)装夹到旋转台上之后和所述步骤四检查焊缝表面状态之间还包括检查所述轴体(7)跳动的步骤，检查轴体(7)跳动的所采用的工具包括千分表。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20171013

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