CN110541892A - 一种摩擦焊铝合金传动轴及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦焊铝合金传动轴及其加工方法，该传动轴包括轴管本体，轴管本体的一端焊接有轴叉，另一端焊接有花键套；轴管本体朝向轴叉的一端外壁环绕设有第一增厚部，轴管本体朝向花键套的另一端外壁环绕设有第二增厚部。轴管本体的一端内壁环绕设有第一内翻边，轴管本体的另一端内壁环绕设有第二内翻边；轴叉的焊接端内壁环绕设有与第一内翻边固定的轴叉内翻边，花键套的焊接端内壁环绕设有与第二内翻边固定的花键套内翻边。本发明的轴管本体两端外壁增设有第一增厚部和第二增厚部，提高抗扭截面系数，降低焊接接头工作应力，弥补因摩擦焊接产生的焊缝强度下降，在传递等量扭矩条件下传动轴重量更轻，同时提高产品焊接生产合格率。

Description

一种摩擦焊铝合金传动轴及其加工方法

技术领域

本发明属于汽车传动轴的技术领域，具体涉及一种摩擦焊铝合金传动轴。

背景技术

目前，传动轴管本体和轴叉或花键套的焊接主要有两种工艺方法，分别是MIG焊接和摩擦焊接。铝合金MIG焊接时，在高纯度氩气保护下，利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧热源，熔化焊丝和母材并不断填充熔池，冷却后形成焊缝，由于焊丝和母材的重熔，焊缝为铸造组织，同时焊接过程中焊缝热影响区的温度要远高于180℃的人工时效温度，造成材料过时效而使强度下降，此外，由于铝合金MIG焊对作业环境要求很高，稍有扰动就会生产焊接缺陷，在以上各种因素综合作用下铝合金传动轴MIG焊接焊缝强度系数一般低于70％且不稳定，因此它一般只能用于传动扭矩较小、设计强度冗余度较高的铝合金传动轴焊接生产。铝合金传动轴摩擦焊接是利用摩擦压力去除被焊界面的氧化物，摩擦热能加热使被焊界面达到一定温度并使附近母材产生一定的温度梯度，制动并施加顶锻，使原子相互扩散形成结合牢固的焊接接头，其特点是焊接接头质量稳定，焊缝强度一致性好，一般情况下，焊接接头的强度系数可稳定达到80％以上，是目前铝合金传动轴焊接的最常用工艺方法。

铝合金传动轴摩擦焊接过程后期，摩擦界面材料温度大幅上升至550℃左右，材料抗拉强度大幅降低至约80～100MPa，此时需要对摩擦面施加60～70MPa的顶锻压力得到优质焊缝。由于轴叉或花键套结构形状复杂，热容量大，升温较慢，同时，轴叉或花键套一般被夹紧于旋转的动夹具一侧，热量易散失，在这两种因素共同作用下使得轴叉或花键套一侧焊件温度梯大，相应地其强度损失较小；而被夹紧于定夹具中的轴管温度梯小，强度损失大，在顶锻压力作用之下轴管易产生失圆变形，使焊缝有效截面积减小，轴叉或花键套和轴管焊后同轴度下降，从而得不到优质的摩擦焊接头，摩擦焊接生产废品率较高，这一问题在轴管壁厚较薄的传动轴焊接时表现的尤为明显。由于摩擦界面材料温度大幅上升至550℃左右，虽然在顶锻力作用下，温度最高的摩擦界面材料被挤出成为翻边，但是最后形成焊缝及其附近热影响区的材料温度要远大于180℃的人工时效温度，发生过时效而致使焊接接头强度降低，焊缝强度系数一般仅能达于80％左右。

目前的铝合金传动轴摩擦焊主要存在两方面问题，一是焊接接头强度与母材相比有明显下降，焊接接头成为传动轴承载能力的瓶颈，而远离焊缝处传动轴管材料有大量的强度冗余，造成材料浪费，成本上升；二是轴管顶锻变形大，使焊缝有效截面积减小，焊后传动轴同轴度误差大，废品率高。现有技术中，申请号为201510881416.3的中国发明专利《一种铝合金摩擦焊焊接工艺》，公开了铝合金传动轴的摩擦焊接工艺过程，但并未述及铝合金传动轴摩擦焊普遍存在的两种问题及解决方法，存在明显的不足之处。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种摩擦焊铝合金传动轴及其加工方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种摩擦焊铝合金传动轴，包括轴管本体，所述轴管本体的一端焊接有轴叉，另一端焊接有花键套；所述轴管本体朝向轴叉的一端外壁环绕设有第一增厚部，所述轴管本体朝向花键套的另一端外壁环绕设有第二增厚部。

上述技术方案中，所述轴管本体的一端内壁环绕设有第一内翻边，所述轴管本体的另一端内壁环绕设有第二内翻边；

所述轴叉的焊接端内壁环绕设有与第一内翻边对应的轴叉内翻边，所述花键套的焊接端内壁环绕设有与第二内翻边对应的花键套内翻边。

上述技术方案中，所述轴叉焊接端的外径D1＞轴管本体的外径D，所述第一增厚部沿轴管本体的轴向呈锥形布置，所述第一增厚部具有第一大径端和第一小径端，所述第一大径端的顶端面与轴叉的焊接端面对应布置，所述第一增厚部的外径由第一大径端向第一小径端逐渐减小。

上述技术方案中，所述花键套焊接端的外径D2＞轴管本体的外径D，所述第二增厚部沿轴管本体的轴向呈锥形布置，所述第二增厚部具有第二大径端和第二小径端，所述第二大径端的底端面与花键套的焊接端面对应布置，所述第二增厚部的外径由第二大径端向第二小径端逐渐减小。

本发明还提供一种上述的摩擦焊铝合金传动轴的加工方法，包括如下步骤：

1)根据轴管本体的内径d和外径D、焊缝强度系数C％，计算第一增厚部或第二增厚部的大径厚度t；

2)根据第一增厚部和第二增厚部的大径厚度t，计算轴叉焊接端的内径d1和外径D1、以及花键套焊接端的内径d2和外径D2；

3)将轴管本体与轴叉或者轴管本体与花键套安装在焊接模具中，夹紧后进行摩擦焊接，从而在轴管本体的两端外壁分别形成第一增厚部和第二增厚部。

上述技术方案中，所述步骤1)中，第一增厚部与第二增厚部的大径厚度t相等；所述大径厚度t由如下公式计算而得：

M1＝M2 (式III)

式中，M1为轴管本体的最大承载扭矩；α1为轴管本体的内径和外径之比，即τ_max为轴管本体的最大抗剪应强度；M2为焊接部位的最大承载扭矩；α2为焊缝部位的内径和外径之比，即C％为焊缝强度系数；D为轴管本体的外径；d为轴管本体的内径；t为第一增厚部或第二增厚部的大径厚度。

上述技术方案中，所述步骤2中，轴叉焊接端的内径d1和外径D1由如下公式计算而得：

d1＝d-(0～1.5) (式IV)

D1＝D+2t (式V)

式中，t为第一增厚部或第二增厚部的大径厚度；D为轴管本体的外径；d为轴管本体的内径。

上述技术方案中，所述步骤2中花键套焊接端的内径d2和外径D2由如下公式计算而得：

d2＝d-(0～1.5) (式VI)

D2＝D+2t (式VII)

式中，t为第一增厚部或第二增厚部的大径厚度；D为轴管本体的外径；d为轴管本体的内径。

上述技术方案中，所述焊接模具包括模具本体，所述模具本体由第一半模具和第二半模具组合而成；所述模具本体的中部设置有贯穿前后端壁的中空腔，所述中空腔由一端向另一端依次设有焊接区、轴管定位区以及轴管夹紧区；所述轴管定位区的内壁设有环形定位凸起，所述轴管夹紧区的内壁设有环形夹紧弹性垫。

上述技术方案中，所述焊接区的内径Df、轴管定位区的内径Dp、轴管夹紧区的内径Ds分别由如下公式计算而得：

Df＝D+2t (式VIII)

Dp＝D (式IX)

Ds＝D-(4～5) (式X)

式中，D为轴管本体的外径；t为第一增厚部或第二增厚部的大径厚度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

其一，本发明的轴管本体两端外壁增设有第一增厚部和第二增厚部，即增加了轴管本体与轴叉、花键套的焊接部位焊缝及热影响区的壁厚，提高抗扭截面系数，降低焊接接头工作应力，弥补因摩擦焊接产生的焊缝强度下降，在传递等量扭矩条件下传动轴重量更轻，同时提高产品焊接生产合格率。

其二，本发明设计有焊接模具，将待焊工件界面安装于焊接模具之中，焊接过程中焊接接头一直处于焊接模具的约束之下，有效防止被焊工件失圆变形；结合顶锻压力和焊接模具的约束作用，使轴管的焊缝及热影响区局部被镦粗，管轴外径及壁厚增加，从而形成第一增厚部和第二增厚部。

其三，本发明设计的轴管本体、轴叉以及花键套的内径和外径参数合理，焊接部位的前度系数稳定性高，而且保证了轴叉或花键套与轴管焊后的同轴度，产品质量高、废品率低。

附图说明

图1为本实施例的摩擦焊铝合金传动轴的结构示意图；

图2为图1中I处的放大结构示意图；

图3为本实施例的摩擦焊铝合金传动轴毛坯的结构示意图；

图4为本实施例的焊接模具的结构示意图；

图5为图4所示焊接模具的俯视结构示意图；

图6为轴管本体与轴叉在焊接时与焊接模具的装配结构示意图；

图7为图6中II处的放大结构示意图。

图中：1-轴管本体、1.1-第一内翻边、1.2-第二内翻边、2-轴叉、2.1-轴叉内翻边、3-花键套、3.1-花键套内翻边、4-第一增厚部、4.1-第一大径端、4.2-第一小径端、5-第二增厚部、5.1-第二大径端、5.2-第二小径端、6-焊接模具、6.1-模具本体、6.11-第一半模具、6.12-第二半模具、6.2-中空腔、6.21-焊接区、6.22-轴管定位区、6.23-轴管夹紧区、6.3-环形定位凸起、6.4-环形夹紧弹性垫。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1～图3所示，本实施例的摩擦焊铝合金传动轴一种摩擦焊铝合金传动轴，包括轴管本体1，所述轴管本体1的一端焊接有轴叉2，另一端焊接有花键套3，轴管本体1、轴叉2、花键套3均为铝合金材质，优选为6061铝合金。所述轴管本体1朝向轴叉2的一端外壁环绕设有第一增厚部4，所述轴管本体1朝向花键套3的另一端外壁环绕设有第二增厚部5。

所述轴管本体1的一端内壁环绕设有第一内翻边1.1，所述轴管本体1的另一端内壁环绕设有第二内翻边1.2；所述轴叉2的焊接端内壁环绕设有与第一内翻边1.1对应的轴叉内翻边2.1，所述花键套3的焊接端内壁环绕设有与第二内翻边1.2对应的花键套内翻边3.1。

所述轴叉2焊接端的外径D1＞轴管本体1的外径D，所述第一增厚部4沿轴管本体1的轴向呈锥形布置，所述第一增厚部4具有第一大径端4.1和第一小径端4.2，所述第一大径端4.1的顶端面与轴叉2的焊接端面对应布置，所述第一增厚部4的外径由第一大径端4.1向第一小径端4.2逐渐减小。

所述花键套3焊接端的外径D2＞轴管本体1的外径D，所述第二增厚部5沿轴管本体1的轴向呈锥形布置，所述第二增厚部5具有第二大径端5.1和第二小径端5.2，所述第二大径端5.1的底端面与花键套3的焊接端面对应布置，所述第二增厚部5的外径由第二大径端5.1向第二小径端5.2逐渐减小。

本发明还提供一种上述的摩擦焊铝合金传动轴的加工方法，包括如下步骤：

1)根据轴管本体1的内径d和外径D、焊缝强度系数C％，计算第一增厚部4或第二增厚部5的大径厚度t；

第一增厚部4与第二增厚部5的大径厚度t相等；所述大径厚度t由如下公式计算而得：

M1＝M2 (式III)

式中，M1为轴管本体的最大承载扭矩；α1为轴管本体的内径和外径之比，即τ_max为轴管本体的最大抗剪应强度；M2为焊接部位的最大承载扭矩；α2为焊缝部位的内径和外径之比，即C％为焊缝强度系数；D为轴管本体的外径；d为轴管本体的内径；t为第一增厚部或第二增厚部的大径厚度。

2)根据第一增厚部4和第二增厚部5的大径厚度t，计算轴叉2焊接端的内径d1和外径D1、以及花键套3焊接端的内径d2和外径D2；所述轴叉2焊接端的内径d1和外径D1由如下公式计算而得：

d1＝d-(0～1.5) (式IV)

D1＝D+2t (式V)

式中，t为第一增厚部或第二增厚部的大径厚度；D为轴管本体的外径；d为轴管本体的内径。

所述花键套3焊接端的内径d2和外径D2由如下公式计算而得：

d2＝d-(0～1.5) (式VI)

D2＝D+2t (式VII)

式中，t为第一增厚部或第二增厚部的大径厚度；D为轴管本体的外径；d为轴管本体的内径。

3)将轴管本体1与轴叉2或者轴管本体1与花键套3安装在焊接模具6中，轴叉2由摩擦焊机旋转端的夹具定位夹紧，待轴管本体1与轴叉2或者轴管本体1与花键套3的焊界面安装于焊接区6.21的中部，轴管本体由轴管定位区6.22以及轴管夹紧区6.23定位和夹紧，轴管和轴管夹紧区6.23中间设有环形夹紧弹性垫6.4，防止轴管表面划伤，焊接模具安装于焊机滑台之上，夹紧后按设定的工艺参数进行摩擦焊接，整个焊接过程中，焊接界面一直处于焊接模具6的约束之下。在摩擦进给阶段，由于焊接模具6的约束作用，强制使焊接飞边翻向管材内侧；顶锻阶段，由于焊接界面及附近材料温度较高，强度下降，在强大顶锻压力和焊接模具6约束的共同作用下，使轴管的焊缝及热影响区局部被镦粗，管轴外径及壁厚得以增加，从而在轴管本体1的两端外壁分别形成第一增厚部4和第二增厚部5。由于轴叉或花键套材料热容量大，热影响区温升小，强度较高，同时其外径与焊接模具6间隙较小，因此，镦粗变形将主要发生在强度较低的轴管一侧，轴管镦粗变形量受焊接模具6控制。

如图4～7所示，焊接模具6包括模具本体6.1，所述模具本体6.1由第一半模具6.11和第二半模具6.12组合而成；所述模具本体6.1的中部设置有贯穿前后端壁的中空腔6.2，所述中空腔6.2由一端向另一端依次设有焊接区6.21、轴管定位区6.22以及轴管夹紧区6.23；所述轴管定位区6.22的内壁设有环形定位凸起6.3，所述轴管夹紧区6.23的内壁设有环形夹紧弹性垫6.4，环形夹紧弹性垫6.4由非金属材料制成。所述焊接区6.21的内径Df、轴管定位区6.22的内径Dp、轴管夹紧区6.23的内径Ds分别由如下公式计算而得：

Df＝D+2t (式VIII)

Dp＝D (式IX)

Ds＝D-(4～5) (式X)

式中，D为轴管本体的外径；t为第一增厚部或第二增厚部的大径厚度。

本实施例中，根据某车型技术参数及铝合金轴管材的机械性指标，确定D＝150mm，d＝143mm，通过试验，确定焊缝强度系数为85％。

根据式I～III计算得到t＝0.595，实际取t＝0.6。根据式IV～X计算确定各部尺寸：

确定d1＝d2＝d＝143mm，D1＝D2＝151.2mm；

Ds＝148mm，Dp＝150mm(正公差)，Df＝151.2mm(正公差)。

采用以上技术参数摩擦焊接生产合格率达90％以上，实测焊接接头外径为151mm。焊接接头的扭截面系数提高约14.7％，基本弥补了焊缝强度15％左右的下降，与传统铝合金传动轴摩擦焊相比，在材料相同条件下，铝合金传动轴的承载能力提高约15％，同时大幅提高了焊接生产合格率。

以上，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，其余未详细说明的为现有技术，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种摩擦焊铝合金传动轴，其特征在于：包括轴管本体(1)，所述轴管本体(1)的一端焊接有轴叉(2)，另一端焊接有花键套(3)；所述轴管本体(1)朝向轴叉(2)的一端外壁环绕设有第一增厚部(4)，所述轴管本体(1)朝向花键套(3)的另一端外壁环绕设有第二增厚部(5)。

2.根据权利要求1所述的摩擦焊铝合金传动轴，其特征在于：所述轴管本体(1)的一端内壁环绕设有第一内翻边(1.1)，所述轴管本体(1)的另一端内壁环绕设有第二内翻边(1.2)；

所述轴叉(2)的焊接端内壁环绕设有与第一内翻边(1.1)对应的轴叉内翻边(2.1)，所述花键套(3)的焊接端内壁环绕设有与第二内翻边(1.2)对应的花键套内翻边(3.1)。

3.根据权利要求1所述的摩擦焊铝合金传动轴，其特征在于：所述轴叉(2)焊接端的外径D1＞轴管本体(1)的外径D，所述第一增厚部(4)沿轴管本体(1)的轴向呈锥形布置，所述第一增厚部(4)具有第一大径端(4.1)和第一小径端(4.2)，所述第一大径端(4.1)的顶端面与轴叉(2)的焊接端面对应布置，所述第一增厚部(4)的外径由第一大径端(4.1)向第一小径端(4.2)逐渐减小。

4.根据权利要求1所述的摩擦焊铝合金传动轴，其特征在于：所述花键套(3)焊接端的外径D2＞轴管本体(1)的外径D，所述第二增厚部(5)沿轴管本体(1)的轴向呈锥形布置，所述第二增厚部(5)具有第二大径端(5.1)和第二小径端(5.2)，所述第二大径端(5.1)的底端面与花键套(3)的焊接端面对应布置，所述第二增厚部(5)的外径由第二大径端(5.1)向第二小径端(5.2)逐渐减小。

5.一种权利要求1～4任一项所述的摩擦焊铝合金传动轴的加工方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)根据轴管本体(1)的内径d和外径D、焊缝强度系数C％，计算第一增厚部(4)或第二增厚部(5)的大径厚度t；

2)根据第一增厚部(4)和第二增厚部(5)的大径厚度t，计算轴叉(2)焊接端的内径d1和外径D1、以及花键套(3)焊接端的内径d2和外径D2；

3)将轴管本体(1)与轴叉(2)或者轴管本体(1)与花键套(3)安装在焊接模具(6)中，夹紧后进行摩擦焊接，从而在轴管本体(1)的两端外壁分别形成第一增厚部(4)和第二增厚部(5)。

6.根据权利要求5所述的摩擦焊铝合金传动轴的加工方法，其特征在于：所述步骤1)中，第一增厚部(4)与第二增厚部(5)的大径厚度t相等；所述大径厚度t由如下公式计算而得：

M1＝M2 (式III)

式中，M1为轴管本体的最大承载扭矩；α1为轴管本体的内径和外径之比，即τ_max为轴管本体的最大抗剪应强度；M2为焊接部位的最大承载扭矩；α2为焊缝部位的内径和外径之比，即C％为焊缝强度系数；D为轴管本体的外径；d为轴管本体的内径；t为第一增厚部或第二增厚部的大径厚度。

7.根据权利要求6所述的摩擦焊铝合金传动轴的加工方法，其特征在于：所述步骤2中，轴叉(2)焊接端的内径d1和外径D1由如下公式计算而得：

d1＝d-(0～1.5) (式IV)

D1＝D+2t (式V)

式中，t为第一增厚部或第二增厚部的大径厚度；D为轴管本体的外径；d为轴管本体的内径。

8.根据权利要求6所述的摩擦焊铝合金传动轴的加工方法，其特征在于：所述步骤2中花键套(3)焊接端的内径d2和外径D2由如下公式计算而得：

d2＝d-(0～1.5) (式VI)

D2＝D+2t (式VII)

式中，t为第一增厚部或第二增厚部的大径厚度；D为轴管本体的外径；d为轴管本体的内径。

9.根据权利要求6所述的摩擦焊铝合金传动轴的加工方法，其特征在于：所述焊接模具(6)包括模具本体(6.1)，所述模具本体(6.1)由第一半模具(6.11)和第二半模具(6.12)组合而成；所述模具本体(6.1)的中部设置有贯穿前后端壁的中空腔(6.2)，所述中空腔(6.2)由一端向另一端依次设有焊接区(6.21)、轴管定位区(6.22)以及轴管夹紧区(6.23)；所述轴管定位区(6.22)的内壁设有环形定位凸起(6.3)，所述轴管夹紧区(6.23)的内壁设有环形夹紧弹性垫(6.4)。

10.根据权利要求9所述的摩擦焊铝合金传动轴的加工方法，其特征在于：所述焊接区(6.21)的内径Df、轴管定位区(6.22)的内径Dp、轴管夹紧区(6.23)的内径Ds分别由如下公式计算而得：

Df＝D+2t (式VIII)

Dp＝D (式IX)

Ds＝D-(4～5) (式X)

式中，D为轴管本体的外径；t为第一增厚部或第二增厚部的大径厚度。