CN111168239B - 使用低碳钢带的铁合金组成部件的熔焊 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种熔焊两个铁合金组成部件的方法及差速器外壳和环形齿轮组件，涉及焊接技术领域，其中铁合金组成部件中的至少一个被视为不可焊接的。方法包含：将低碳钢带放入部分地由铁合金组成部件中的每一个定义的凹槽中；及随后沿与低碳钢带交叠的焊接线输送集中的能源，以熔化钢带以及铁合金组成部件的相邻部分，从而形成混合合金焊池。在向前移动集中的能源之后，混合合金焊池凝结成使铁合金组成部件熔焊在一起的焊缝。铁合金组成部件可包含差速器外壳和环形齿轮。就此而言，还公开一种包含焊缝的差速器外壳和环形齿轮组件。

Description

使用低碳钢带的铁合金组成部件的熔焊

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别涉及铁合金组成部件的熔焊。

背景技术

制造某些产品（尤其是例如汽车等复杂的多组件结构）可能需要将两个铁合金组成部件结合在一起。铁合金部件中的一个或两个的合金含量可能使得难以熔焊部件。事实上，随着铁合金的碳含量或碳当量增加，当在指定焊接操作期间产生的熔化材料快速凝结时，由于在熔焊区和周围受热区内形成较硬但易碎的微结构相变，合金的硬度增加，且因此，合金的可焊性降低。这些较硬但易碎的微结构相变更容易导致各种形式的开裂，包含热冲击引起的淬裂和/或氢致冷裂。为此目的，当需要结合铁合金部件但部件中的一个或两个的可焊性不理想时，通常使用例如螺栓、铆钉、流动钻螺丝、铆钉螺母等机械紧固件。然而，与熔焊操作相比，使用机械紧固件来结合铁合金部件使结合的组件重量增加，且更耗时并增加劳动强度。当部件中的一个或两个的可焊性低时熔焊铁合金部件的能力可因此提高效率及广泛多种制造实践的经济性。

发明内容

根据本发明的一个实施例，熔焊两个铁合金组成部件（其中铁合金组成部件中的至少一个被视为不可焊接的）的方法可包含若干步骤。在一个步骤中，提供第一铁合金组成部件。第一铁合金组成部件具有定义一凹口的表面，且进一步具有包含大于0.50 wt%的碳或大于0.50 wt%的碳当量的合金成分。在另一步骤中，提供第二铁合金组成部件。第二铁合金组成部件具有定义一凹口的表面，且进一步具有包含大于0.50 wt%的碳或大于0.50 wt%的碳当量的合金成分。在又另一步骤中，使第一铁合金组成部件和第二铁合金组成部件结合在一起，以使得第一组成部件的表面中定义的凹口和第二铁合金组成部件的表面中定义的凹口协作以形成凹槽。在又另一步骤中，将低碳钢带放入凹槽中。低碳钢带具有包含0.01wt%至0.1 wt%的碳的合金成分。且在又另一步骤中，用集中的能源来冲击低碳钢带，且沿与低碳钢带交叠的焊接线输送集中的能源，以熔化钢带以及第一铁合金组成部件的相邻部分和第二铁合金组成部件的相邻部分，从而形成混合合金焊池。混合合金焊池凝结成使第一铁合金组成部件和第二铁合金组成部件熔焊在一起的焊缝。

前述方法可包含另外步骤或可进一步定义。举例来说，第一铁合金组成部件的表面中定义的凹口和第二铁合金组成部件的表面中定义的凹口中的每一个可在其对应表面周围周向地延伸，以在第一铁合金组成部件和第二铁合金组成部件周围形成圆周凹槽。在这种情况下，放入圆周凹槽中的低碳钢带可为低碳钢环。在另一实例中，集中的能源可为激光束，其中杂质金属未经由填充焊丝引入到混合合金焊池中。在另一实例中，第一铁合金组成部件可由球墨铸铁构造，球墨铸铁具有一合金成分，其包含铁以及3.2 wt%至3.6 wt%的碳、2.2 wt%至2.8 wt%的硅及选自镁或铈的一或多种球化元素，且第二铁合金组成部件可由表面硬化低碳合金钢构造，其中第二铁合金组成部件的未渗碳主体钢部分具有一合金成分，其包含铁及包含0.17 wt%至0.23 wt%的碳的高达4.0 wt%的合金元素。第一铁合金组成部件可为差速器外壳，且第二铁合金组成部件可为环形齿轮。

当第一铁合金组成部件为差速器外壳且第二铁合金组成部件为环形齿轮时，差速器外壳可包含具有轴向面向的环形前表面的连接法兰，所述环形前表面定义在轴向面向的环形前表面周围周向地延伸的连续凹口，且所述环形齿轮可包含定义多个轮齿的环形背表面和异形前表面，所述环形背表面包含在轴向面向的环形坪式表面中端接的轴向突出的圆形脊部，所述环形坪式表面定义在轴向面向的环形坪式表面周围周向地延伸的连续凹口。在连接法兰的轴向面向的环形前表面中定义的连续凹口和在环形齿轮的轴向面向的环形坪式表面中定义的连续凹口协作以在差速器外壳和环形齿轮周围形成圆周凹槽。被放入圆周凹槽中的低碳钢带可为低碳钢环，且另外地可完全被集中的能源熔化，且因此可完全并入焊缝中。

熔焊两个铁合金组成部件（其中铁合金组成部件中的至少一个被视为不可焊接的）的方法可包含根据本发明的另一实施例的若干步骤。在一个步骤中，在差速器外壳的伸长本体上方滑动环形齿轮，以使环形齿轮的环形背表面与差速器外壳的连接法兰的轴向面向的环形前表面接触。环形齿轮由表面硬化低碳合金钢构造且差速器外壳由球墨铸铁构造。另外，环形齿轮的环形背表面和差速器外壳的连接法兰的轴向面向的环形前表面协作以在环形齿轮和差速器外壳周围形成圆周凹槽。在另一步骤中，将低碳钢环放入圆周凹槽中。低碳钢环具有包含0.01 wt%至0.1 wt%的碳的合金成分。在又另一步骤中，用集中的能源来冲击低碳钢环，且沿与低碳钢环交叠的焊接线输送集中的能源，以完全熔化钢带以及环形齿轮的相邻部分和差速器外壳的相邻部分，从而形成混合合金焊池。混合合金焊池凝结成外接于环形齿轮和差速器外壳并使其熔焊在一起的焊缝。

前述方法可包含另外步骤或可进一步定义。举例来说，集中的能源可为激光束，其中杂质金属未经由填充焊丝引入到混合合金焊池中。在另一实例中，环形齿轮包含未渗碳主体钢部分和上覆于未渗碳钢部分的外部渗碳硬化表面。未渗碳主体钢部分具有一合金成分，其包含铁以及包含0.17 wt%至0.23 wt%的碳的高达4.0 wt%的合金元素，且外部渗碳硬化表面可具有包含铁及0.6 wt%至1.0 wt%的碳的合金成分。此外，环形齿轮的环形背表面与连接法兰的轴向面向的环形前表面协作以形成圆周凹槽的部分为未渗碳主体钢部分的一部分。在另一实例中，差速器外壳的球墨铸铁可具有一合金成分，其包含铁以及3.2 wt%至3.6 wt%的碳、2.2 wt%至2.8 wt%的硅及选自镁或铈的一或多种球化元素。在又另一实例中，可在环形齿轮的环形背表面中定义连续圆周凹口，且同样地，可在差速器外壳的连接法兰的轴向面向的环形前表面中定义连续圆周凹口。两个凹口可协作以形成圆周凹槽。另外，可在轴向突出的圆形脊部的轴向面向的环形坪式表面中定义环形齿轮的环形背表面中定义的连续凹口，所述轴向突出的圆形脊部突出超过环形背表面的周围部分。

根据本发明的一个实施例，差速器外壳和环形齿轮组件可包含若干特征。差速器外壳和环形齿轮组件可包含差速器外壳和环形齿轮。差速器外壳包含在第一轴毂与第二轴毂之间沿外壳的旋转轴延伸的伸长本体，且进一步包含包围位于第一轴毂与第二轴毂之间的伸长本体的中心部分并从所述中心部分径向地向外延伸的连接法兰。差速器外壳由球墨铸铁构造，所述球墨铸铁具有包含3.2 wt%至3.6 wt%的碳的合金成分。环形齿轮包含具有内部圆周表面的环形本体，所述内部圆周表面以摩擦方式靠着差速器外壳的伸长本体的中心部分的外部表面。环形齿轮由表面硬化低合金碳钢构造以使得环形齿轮具有未渗碳主体钢部分和上覆于未渗碳主体钢部分的外部渗碳硬化表面。未渗碳主体钢部分具有包含0.17wt%至0.23 wt%的碳的合金成分。差速器外壳和环形齿轮组件进一步包含焊缝，所述焊缝外接于差速器外壳的连接法兰和环形齿轮的环形本体，且使差速器外壳和环形齿轮熔焊在一起。焊缝具有一合金成分，其相较球墨铸铁的合金成分和环形齿轮的未渗碳主体钢部分的合金成分中的每一种包含较少的碳。

差速器外壳和环形齿轮组件可包含另外的结构或可进一步定义。举例来说，在不存在外部渗碳硬化表面时，焊缝可形成于环形齿轮的环形本体的部分处。又进一步地，焊缝可形成于差速器外壳的连接法兰与轴向突出的圆形脊部之间，所述圆形脊部突出超过环形齿轮的环形背表面的周围部分。环形齿轮的环形背表面可与定义多个轮齿的环形齿轮的异形环形前表面相对。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例在准备熔焊时组装在一起的差速器外壳和环形齿轮的横截面视图；

图2为根据本发明的一个实施例的一起协作以形成将呈环形式的低碳钢带放入其中的圆周凹槽的差速器外壳的连接法兰的部分和环形齿轮的部分的部分放大视图；

图3为根据本发明的一个实施例的在使用集中的能源熔焊差速器外壳和环形齿轮期间图2中所示的差速器外壳的连接法兰的部分和环形齿轮的部分的部分放大视图；

图4为根据本发明的一个实施例的在熔焊差速器外壳和环形齿轮期间图3中所描绘的差速器外壳的连接法兰的部分和环形齿轮的部分的部分放大平面视图；

图5为根据本发明的一个实施例的在外壳和环形齿轮已经熔焊在一起之后差速器外壳和环形齿轮组件的部分横截面视图；以及

图6为根据本发明的一个实施例的包含差速器外壳和环形齿轮组件以及容纳于其中的差速器齿轮组及与差速器齿轮组啮合的第一车轴和第二车轴的差速器的横截面视图。

具体实施方式

本发明涉及当由于铁合金部件中的一个或两个具有高碳含量或高碳当量而被视为不可焊接时使用集中的能源（例如，激光束、电子束等）来熔焊两个铁合金组成部件。出于本发明，大于0.50 wt%的碳含量或碳当量被视为使得铁合金为不可焊接的。根据本发明的实践，通过将低碳钢带放入至少部分地由铁合金组成部件中的每一个定义的凹槽内来使两个铁合金组成部件熔焊在一起。随后，在焊接期间，沿与低碳钢带交叠的焊接线输送集中的能源。这使得低碳钢带与每个铁合金组成部件的相邻部分一起熔化，以产生在向前移动能源之后凝结的混合合金熔焊池。所得焊缝的碳含量小于两个铁合金组成部件的碳含量，这转而使得凝结的焊缝及其周围的受热区不易出现开裂及其它形式的脱缝。

在差速器外壳和环形齿轮组件的上下文中描述本发明的说明性实施例，然而应理解，相同方法可同样实践于其它铁合金组成部件上。现参考图1至图6，通过使用例如激光束、电子束、MIG焊弧或TIG焊弧等集中的能源将差速器外壳12和环形齿轮14熔焊在一起来形成差速器外壳和环形齿轮组件10（下文中简称为“组件”）。差速器外壳12由球墨铸铁构造，且环形齿轮14由可经或可不经表面硬化的低碳合金钢构造。在下文中更详细地描述如何将差速器外壳12和环形齿轮14熔焊在一起的细节。优选地，在未通过将杂质金属经由填充焊丝引入到焊缝中来调整激光焊缝的成份的情况下，使用激光束将两个铁合金组成部件12、14焊接在一起。

差速器外壳12包含伸长本体16，所述伸长本体沿外壳12的旋转轴18从第一轴毂20延伸到第二轴毂22。伸长本体16定义内部腔室24以及第一轴孔26、第二轴孔28以及两个小齿轮轴孔30、32，所述内部腔室在差速器外壳和环形齿轮组件10在使用中时容纳差速齿轮组（图6）。所有孔26、28、30、32延伸穿过伸长本体16且与内部腔室24连通。第一轴孔26沿外壳12的旋转轴18从内部腔室24延伸通过第一轴毂20，且第二轴孔28沿与第一轴孔26直径对准的外壳12的旋转轴从内部腔室24延伸通过第二轴毂22。两个小齿轮轴孔30、32由第一轴毂20与第二轴毂22之间的伸长本体16的中心部分34定义。两个小齿轮轴孔30、32彼此相对定义，且具有垂直于外壳12的旋转轴18定向的共用轴36。

差速器外壳12另外包含整体式连接法兰38，所述整体式连接法兰包围伸长本体16且从所述伸长本体径向向外突出。连接法兰38的中心面40朝向第一轴毂20与小齿轮轴孔30、32的共用轴36偏移。连接法兰38具有轴向面向的环形前表面42、轴向面向的环形后表面44以及圆周边缘表面46，所述圆周边缘表面连接前表面42和后表面44并定义法兰38的外径。在此特定实施例中，第一轴毂20在第一方向上沿外壳12的旋转轴18突出超过连接法兰38的轴向面向的环形背表面44，且因此，第二轴毂22在第二方向上沿外壳的旋转轴18以更大程度突出超过法兰38的轴向面向的环形前表面42，所述第二方向与第一方向平行且相对。轴向面向的环形前表面42从伸长本体16的中心部分34的环形外部座表面48转向外部，并提供差速器外壳12的外围结合表面，外壳12和环形齿轮14在所述表面处熔焊。

差速器外壳12由球墨铸铁构造。球墨铸铁具有一合金成分，其包含铁作为主要合金组分以及3.2 wt%至3.6 wt%的碳、2.2 wt%至2.8 wt%的硅及选自镁或铈的一或多种球化元素。举例来说，球墨铸铁的常见合金成分包含3.2 wt%至3.6 wt%的碳、2.2 wt%至2.8 wt%的硅、0.1 wt%至0.2 wt%的锰、0.03 wt%至0.04 wt%的镁、0.005 wt%至0.04 wt的磷、0.005wt%至0.02 wt%的硫、0 wt%至0.40 wt%的铜以及具有工业上可接收的杂质的余量铁。其它展性合金成分可包含额外元素，例如镍、锡和/或铬。球墨铸铁具有良好的抗扭强度、抗冲击性和抗疲劳性以及耐磨性，且其增强的延展性（与灰口铸铁相比）可归因于这一事实：沉淀的碳采用分散于铁基基质内的球形石墨结节的形状，所述铁基基质通常包含珠光体和/或铁氧体。由于球化元素而形成球形石墨结节，所述球化元素与石墨沉淀物相互作用并使得各性同向生长为球形，且当到处分散时，铁基基质往往会响应于应力而抑制裂纹的产生。

环形齿轮14包含环形本体50，所述环形本体具有异形环形前表面52、环形背表面54、内部圆周表面56以及外部圆周表面60，所述内部圆周表面连接前表面52和后表面54并在提供环形齿轮14的内径时定义中心开口58，所述外部圆周表面也连接前表面52和后表面54并提供环形齿轮14的外径。异形环形前表面52定义多个径向延伸的轮齿62，所述轮齿在环形齿轮14的中心开口58周围周向地间隔。轮齿62可为弯曲的（如图所示）或笔直的。在环形本体50的相对侧上，环形背表面54包含径向突出的圆形脊部64，所述圆形脊部包围中心开口58且突出超过背表面54的周围部分。轴向突出的圆形脊部64端接于轴向面向的环形坪式表面66，所述坪式表面基本上为环形背表面54的正位移的部分。轴向突出的圆形脊部64的轴向面向的环形坪式表面66提供环形齿轮14的外围结合表面，在所述表面处，环形齿轮14和差速器外壳12经熔焊。

在此特定实施例中，环形齿轮14由表面硬化低碳合金钢构造。低碳合金钢具有一合金成分，其包含铁作为主要合金组分以及包含0.17 wt%至0.23 wt%的碳的高达4.0 wt%的合金元素外加至少一种其它非杂质合金元素。举例来说，其它非杂质合金元素可为镍、铬及钼（即，镍-铬-钼低碳合金钢）或铬及锰（即，铬-锰低碳合金钢）。在前一种钢中，合金成分可包含0 wt%至1.85 wt%的镍、0 wt%至1.3 wt%的铬及0 wt%至0.4 wt%的钼，而在后一种钢中，合金成分可包含0.6 wt%至1.3 wt%的铬及0.8 wt%至1.4 wt%的锰。可用于构造环形齿轮14的若干商用级的低碳合金钢包含43xxM、86xxM及51xxM钢。低碳合金钢适用于环形齿轮14，这是因为其展现良好的耐磨性及抗疲劳性，同时也是可加工的。

环形齿轮14的环形本体50经表面硬化，以进一步改进异形环形前表面52中定义的至少轮齿62的耐磨性。通过渗碳的表面硬化涉及在例如850℃至1090℃的高温下将碳注入到环形本体50中至指定表面深度，在所述温度下，将所添加的碳溶解于钢的稳定奥氏体相变的固体溶液中。可将碳自富碳气体或液体环境分散至环形本体50中。一旦已在所需表面深度下将所需量的碳注入环形本体50中，即通常在油或水基聚合物溶液中对环形本体50进行淬火，以将表面深度内的钢的奥氏体相变转化为较硬的马氏体相变。为此目的，环形本体50可包括具有如上所述的合金成分（针对低碳合金钢）的未渗碳主体钢部分68，以及外部渗碳硬化表面70，所述外部渗碳硬化表面上覆于未渗碳主体钢部分68且具有上述相同合金成分但具有0.6 wt%至1.0 wt%的碳，更缩小范围具有0.7 wt%至0.9 wt %的碳。渗碳硬化表面70通常厚度为约1.5 mm。

如果环形齿轮14经表面硬化，由于环形本体50在所述区域未经表面硬化或选择性去除外部渗碳硬化表面70，那么外部渗碳硬化表面70优选地不存在于轴向突出的圆形脊部64的轴向面向的环形坪式表面66处。也就是说，轴向面向的环形坪式表面66，且优选地，环形背表面54的整个轴向突出的圆形脊部64为未渗碳主体钢部分68的暴露部分72的一部分，如图所示。通过在表面硬化期间遮蔽环形本体50的所述部分，可防止外部渗碳硬化表面70沿环形齿轮14的指定暴露部分72形成。或，替代地，可在表面硬化之后选择性地从环形本体50去除外部渗碳硬化表面70，以通过多种技术中的任一种来得到环形齿轮14的指定暴露部分72。举例来说，可通过硬车削选择性地去除外部渗碳硬化表面70的限定部分。

为了将差速器外壳12和环形齿轮14熔焊在一起，在准备焊接时使两个铁合金组件12、14结合在一起。此涉及相对于差速器外壳12滑动环形齿轮14，以使得环形齿轮14移动通过第二轴毂22及外壳12的伸长环形本体16的中心部分34上方。如图1至图2中最佳所示，环形齿轮14定位成使得环形齿轮14的环形本体50的环形背表面54与连接法兰38的轴向面向的环形前表面42接触，以形成最终出现熔合的接合界面。更具体地说，在所示特定实施例中，环形齿轮14的轴向突出的圆形脊部64的轴向面向的环形坪式表面66与连接法兰38的轴向面向的环形前表面42接触。另外，环形齿轮14的环形本体50的内部圆周表面56以摩擦方式靠着外壳12的伸长本体16的中心部分34的环形外部座表面48。如果需要，在使差速器外壳12和环形齿轮14结合在一起之前，可选择性地去除环形齿轮14的环形本体50的外部渗碳硬化表面70的部分，以得到未渗碳主体钢部分68的暴露部分72。

一般来说，差速器外壳12和环形齿轮14并非从根本上适用于熔焊。构成差速器外壳12的球墨铸铁合金的碳含量（3.2–3.6 wt%）显著地大于0.5 wt%。另外，当构成环形齿轮14的未渗碳主体钢部分68的低碳合金钢的碳含量（0.17–0.23 wt%）并非本身为非常有问题时，由于存在其它合金元素，合金钢的碳当量大于0.5 wt%。低碳合金钢的碳当量通过以下方程式计算：

分别在差速器外壳12和环形齿轮14的合金成分的此碳含量和碳当量处，当在指定焊接操作期间产生的熔化材料快速凝结时，由于在熔焊区和周围受热区内形成马氏体和莱氏体，合金的硬度增加，且因此，合金的可焊性降低。马氏体和莱氏体微结构转而更容易导致各种形式的开裂，包含热冲击引起的淬裂和/或氢致冷裂。

然而，根据所揭示的焊接方法的实践，尽管其具有高碳含量和高碳当量，差速器外壳12和环形齿轮14仍可通过集中的能源成功地熔焊在一起。为促进熔焊，且现参考图2，在连接法兰38的轴向面向的环形前表面42中定义惯性凹口74，且类似地，在环形齿轮14的轴向突出的圆形脊部64的轴向面向的环形坪式表面66中定义互补惯性凹口76。连接法兰38中的惯性凹口74为连续的且在与法兰38的圆周边缘表面46相邻的轴向面向的环形前表面42周围周向地延伸。就此而言，由轴向面向的环形前表面42的轴向肩部表面78和径向肩部表面80定义惯性凹口74。轴向肩部表面78为轴向地向内偏离到法兰38中的轴向面向的环形前表面42的部分，且径向肩部表面80为在轴向肩部表面78与法兰38的圆周边缘表面46之间径向延伸的轴向面向的环形前表面42的部分，如图2中最佳所见。

环形齿轮14中的惯性凹口76也为连续的，且类似于连接法兰38中的惯性凹口74，在与轴向突出的圆形脊部64的侧表面82相邻的轴向面向的环形坪式表面66周围周向地延伸。具体地说，由轴向面向的环形坪式表面66的轴向肩部表面84和径向肩部表面86定义惯性凹口76。轴向肩部表面84为轴向地向内偏离到圆形脊部64中的轴向面向的环形坪式表面66的部分，且径向肩部表面86为在轴向肩部表面84与圆形脊部64的侧表面82之间径向延伸的轴向面向的环形坪式表面66的部分，如图2中所描绘。当差速器外壳12和环形齿轮14结合在一起时，外壳12的轴向面向的环形前表面42和环形齿轮14的轴向面向的环形坪式表面66面向地对准接触，以使得其对应惯性凹口74、76协作以在外壳12和环形齿轮14周围定义圆周凹槽88。因此，差速器外壳12和环形齿轮14中的每一个定义圆周凹槽88的部分。

提供圆周凹槽88以容纳低碳钢带90。低碳钢带90被放入圆周凹槽88中，且在容纳于凹槽88中时，具有暴露的上部边缘表面92。低碳钢带90具有包含0.01 wt%至0.1 wt%的碳和余量铁的合金成分。其它合金元素并非有意地包含于低碳钢带的合金成分中，但可以总计1.0 wt%或小于1.0 wt%存在于合金成分中。低碳钢为可延展的，且由于其低碳含量和低碳当量而被视为具有良好的可焊性。低碳钢带90可因此在焊接期间充当碳媒介，如将在下文进一步详细讨论。在优选实施方式中，如此处所示，低碳钢带90为放入圆周凹槽88中且包围差带器外壳12和环形齿轮14的低碳钢环90′。低碳钢环90′具有圆周，所述圆周可为连续的，或替代地可具有裂缝以更容易地打开环90′且在关闭环90′之后初始地位于圆周凹槽88内以将环90′安置于凹槽88内。

在将低碳钢环90′放入圆周凹槽88之后，且现参考图3至图4，集中的能源94朝向且在环90′的上部边缘表面92处冲击至少钢环90′。集中的能源94还优选地在法兰38的圆周边缘表面46处冲击连接法兰38，以及在环形齿轮14的轴向突出的圆形脊部64的侧表面82处冲击环形齿轮14，如图所示。随后，如图4中最佳所见，沿与低碳钢环90′交叠的焊接线96输送集中的能源94。焊接线96为集中的能源94的冲击区域在其相对于差速器外壳12和环形齿轮14的输送期间所跟随的路径。此路径使低碳钢环90′的至少整个圆周交叠。通过集中的能源94和自其吸收的能量的冲击使得低碳钢环90、差速器外壳12的连接法兰38的相邻部分98和环形齿轮14的环形背表面54的轴向突出的圆形脊部64的相邻部分100熔化。

自低碳钢环90、差速器外壳12的连接法兰38的部分98及环形齿轮14的轴向突出的圆形脊部64的部分100获得的熔化的金属混合以形成混合合金焊池102，所述焊池径向地向内贯穿连接法兰38和轴向突出的圆形脊部64。通常通过相对于集中的能源94旋转差速器外壳12和环形齿轮14沿低碳钢环90′的整个圆周周围的焊接线96输送集中的能源94，且反之亦然，以实现集中的能源94的冲击区域与组成部件12、14之间的相对移动。以此方式，且如图4中最佳所见，沿差速器外壳12和环形齿轮14周围的焊接线96平移混合合金焊池102，且在所述过程中，焊池102环流且在推进的集中能源94的冲击区域后方延长。低碳钢环90′完全熔化，且与来自差速器外壳12和环形齿轮14的相邻部分98、100的熔化材料一起在混合合金焊池102内耗尽。当集中的能源94沿焊接线96向前移动时，混合合金焊池102在集中的能源94后方凝结成熔焊焊缝104。

如图5中所示，焊缝104外接于差速器外壳12和环形齿轮14，以使得焊缝104的整个圆周与垂直于差速器外壳12的旋转轴18定向的平面106相交。焊缝104包含焊珠108，所述焊珠径向向内延伸至连接法兰38及轴向突出的圆形脊部64中，且事实上，如此处所示，可完全穿过轴向突出的圆形法兰64，从而将差速器外壳12和环形齿轮14熔焊在一起。就此而言，焊珠108使在环形齿轮14的环形本体50的环形背表面54与连接法兰38的轴向面向的环形前表面42之间形成的接合界面的至少部分一体化。焊珠108由来源于混合合金焊池102的重新凝结的铁基合金材料构成。因此，焊缝104的焊珠108仅由来自于差速器外壳12、环形齿轮14和低碳钢环90′的天然合金材料构成。且由于低碳钢环90′的相对较低碳含量，焊珠108的合金成分比差速器外壳12的球墨铸铁的合金成分和环形齿轮14的未渗碳主体钢部分68的合金成分中的每一种包含更少的碳（基于wt%）。

焊缝104本身足以修复与高碳和高碳当量铁合金相关联的可焊接性问题，所述合金例如构造差速器外壳12和环形齿轮14的合金。这是因为比组合的差速器外壳12和环形齿轮14的相邻部分98、100向混合合金焊池102促成多至少50%熔化金属的低碳钢环90′的低碳含量可有效地稀释来自差速器外壳12和环形齿轮14的相邻部分98、100的较高碳含量/当量熔化金属。混合合金焊池102可同化及稀释较高碳含量/当量熔化金属，同时维持更类似低碳钢环90′的高度可焊接合金成分的碳含量和碳当量。因此，当混合合金焊池102凝结成焊缝104时，马氏体和莱氏体微结构通常不形成于焊珠108或周围受热区内。因此，相较于在没有如本文中所描述的低碳钢环90′的辅助下直接形成于差速器外壳12与环形齿轮14之间的焊缝，焊缝104的焊珠108能够更好地承受各种形式的开裂。

用于熔化低碳钢环90′及差速器外壳12和环形齿轮14的相邻部分98、100的集中的能源94优选地为激光束，然而其它替代例当然也是可行的，包含电子束、MIG焊弧或TIG焊弧。激光束可为固态激光束或气体激光束。可使用的一些主要的固态激光器为纤维激光器、盘形激光器、二极管阵列激光器和Nd:YAG激光器，且可使用的主要的气体激光器为CO₂激光器，然而当然也可使用其它类型的激光器。当使用激光束作为集中的能源94时，优选地不经由填充焊丝或任何其它另外的源将杂质金属引入到混合合金焊池102中，当然低碳钢环90′除外。具体地说，通过同时将镍填充焊丝与激光束熔化不将镍引入到混合合金焊池102中，且因此，焊珠108的合金成分中不含镍。由于低碳钢环90′的低碳含量可充分地中和如上文所述的开裂易感性，因此不需要将镍作为混合合金焊池102和由其得到的焊缝104内的开裂减少元素。

熔焊差速器外壳12和环形齿轮14完成了差速器外壳和环形齿轮组件10的制造。焊缝104使两个组成部件12、14结合在一起，且使得不需要使用机械紧固件来实现相同结果。已显示焊缝104在经受极限扭转载荷测试的扭转载荷时提供良好强度。在极限扭转载荷测试中，环形齿轮（调节为具有方形截面）在方形模座内保持固定，且通过旋转头部部件夹紧差速器外壳，所述旋转头部部件绕外壳的旋转轴将扭转力施加至外壳。此扭转力将扭转载荷施加至将环形齿轮和差速器外壳熔焊在一起的焊缝。为了测试焊缝强度，在无填充焊丝的情况下使用激光束作为集中的能源根据本发明制造的五个差速器外壳和环形齿轮组件。五个差速器外壳和环形齿轮组件各自经受极限扭转载荷测试，其中将16,505 Nm（牛顿米）的扭矩施加至焊缝。在所述扭转载荷处，没有焊缝发生脱缝或显示任何损害迹象。

现参考图6，差速器外壳和环形齿轮组件10可用于进一步制造用于安装在机动车传动系统内的差速器110。为了组装最终的差速器110，将差速器齿轮组112安装在差速器外壳12的内部腔室24内。差速器齿轮组112包含：第一侧齿轮114，具有向内安置的轮齿116；第二侧齿轮118，具有面向第一侧齿轮114的向内安置的轮齿116的向内安置的轮齿120；以及两个相对的行星锥齿轮122、124，包含与第一侧齿轮114和第二侧齿轮118的向内安置的轮齿116、120互相啮合的轮齿126、128。将第一侧齿轮114用花键联接至经由第一轴毂20的第一轴孔26容纳的第一车轴132的螺纹端部130，且同样地，将第二侧齿轮118用花键联接至经由第二轴毂22的第二轴孔28容纳的第二车轴136的螺纹端部134。另外，两个星形锥齿轮122、124可旋转地支撑于差速器外壳12中定义的相对小齿轮轴孔30、32中容纳的小齿轮轴138的相对端部处。当安装在机动车传动系统中时，环形齿轮14的轮齿62与主动小齿轮（未示出）的轮齿互相啮合。

Claims (10)

1.一种熔焊两个铁合金组成部件的方法，其中所述铁合金组成部件中的至少一个被视为不可焊接的，所述方法包括：

提供由球墨铸铁构造的第一铁合金组成部件，所述第一铁合金组成部件具有定义一凹口的表面，所述第一铁合金组成部件具有包含3.2wt%至3.6wt%的碳或3.2wt%至3.6wt%的碳当量的合金成分；

提供包含未渗碳主体钢部分的第二铁合金组成部件，所述未渗碳主体钢部分具有定义一凹口的表面，所述未渗碳主体钢部分具有包含0.17 wt%至0.23 wt%的碳或0.17 wt%至0.23 wt%的碳当量的合金成分，球墨铸铁与未渗碳主体钢部分连接；

使所述第一铁合金组成部件和所述第二铁合金组成部件结合在一起，以使得所述第一组成部件的所述表面中定义的所述凹口和所述第二铁合金组成部件的所述表面中定义的所述凹口协作以形成凹槽；

将低碳钢带放入所述凹槽中，所述低碳钢带具有包含0.01 wt%至0.1 wt%的碳的合金成分；

用集中的能源来冲击所述低碳钢带，且沿与所述低碳钢带交叠的焊接线输送所述集中的能源，以熔化所述钢带以及所述第一铁合金组成部件的相邻部分和所述第二铁合金组成部件的相邻部分，从而形成凝结成焊缝的混合合金焊池，所述焊缝使所述第一铁合金组成部件和所述第二铁合金组成部件熔焊在一起，所述焊缝具有一合金成分，所述焊缝的合金成分相较所述球墨铸铁的合金成分和所述未渗碳主体钢部分的合金成分中的每一种包含更少的碳。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述集中的能源为激光束，且其中杂质金属未经由填充焊丝引入到所述混合合金焊池中。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一铁合金组成部件由球墨铸铁构造，所述球墨铸铁具有一合金成分，其包含铁以及3.2 wt%至3.6 wt%的碳、2.2 wt%至2.8 wt%的硅及选自镁或铈的一或多种球化元素，且其中所述第二铁合金组成部件由表面硬化低碳合金钢构造，其中所述第二铁合金组成部件的未渗碳主体钢部分具有一合金成分，其包含铁及包含0.17 wt%至0.23 wt%的碳的高达4.0 wt%的合金元素。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一铁合金组成部件为差速器外壳，且所述第二铁合金组成部件为环形齿轮，所述差速器外壳包含具有轴向面向的环形前表面的连接法兰，所述环形前表面定义在所述轴向面向的环形前表面周围周向地延伸的连续凹口，所述环形齿轮包含环形背表面和定义多个轮齿的异形前表面，所述环形背表面包含在轴向面向的环形坪式表面中端接的轴向突出的圆形脊部，所述环形坪式表面定义在所述轴向面向的环形坪式表面周围周向地延伸的连续凹口，其中在所述连接法兰的所述轴向面向的环形前表面中定义的所述连续凹口和在所述环形齿轮的所述轴向面向的环形坪式表面中定义的所述连续凹口协作以在所述差速器外壳和所述环形齿轮周围形成圆周凹槽，且其中被放入所述圆周凹槽中的所述低碳钢带为低碳钢环，所述低碳钢环完全被所述集中的能源熔化，且因此完全并入所述焊缝中。

5.一种熔焊两个铁合金组成部件的方法，其中所述铁合金组成部件中的至少一个被视为不可焊接的，所述方法包括：

在差速器外壳的伸长本体上方滑动环形齿轮，以使所述环形齿轮的环形背表面与所述差速器外壳的连接法兰的轴向面向的环形前表面接触，所述环形齿轮由表面硬化低碳合金钢构造以使得所述环形齿轮具有包含0.17 wt%至0.23 wt%的碳的未渗碳主体钢部分和上覆于所述未渗碳主体钢部分的外部渗碳硬化表面且所述差速器外壳由具有包含3.2 wt%至3.6 wt%的碳的合金成分的球墨铸铁构造，所述球墨铸铁与所述未渗碳主体钢部分连接，且其中所述环形齿轮的所述环形背表面和所述差速器外壳的所述连接法兰的所述轴向面向的环形前表面协作以在所述环形齿轮和所述差速器外壳周围形成圆周凹槽；

将低碳钢环放入所述圆周凹槽中，所述低碳钢环具有包含0.01 wt%至0.1 wt%的碳的合金成分；

用集中的能源来冲击所述低碳钢环，且沿与所述低碳钢环交叠的焊接线输送所述集中的能源，以完全熔化所述钢环以及所述环形齿轮的相邻部分和所述差速器外壳的相邻部分，从而形成凝结成焊缝的混合合金焊池，所述焊缝外接于所述环形齿轮和所述差速器外壳并使其熔焊在一起；所述焊缝具有合金成分，所述焊缝的合金成分包含比所述环形齿轮的球墨铸铁的合金成分和所述未渗碳主体钢部分的合金成分中的每一种更少的碳。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述集中的能源为激光束，且其中杂质金属未经由填充焊丝引入到所述混合合金焊池中。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述环形齿轮包含未渗碳主体钢部分和上覆于未渗碳钢部分的外部渗碳硬化表面，所述未渗碳主体钢部分具有一合金成分，其包含铁以及包含0.17 wt%至0.23 wt%的碳的高达4.0 wt%的合金元素，且所述外部渗碳硬化表面具有包含铁及0.6 wt%至1.0 wt%的碳的合金成分，且其中所述环形齿轮的所述环形背表面的部分为所述未渗碳主体钢部分的一部分，所述环形齿轮的所述环形背表面与所述连接法兰的所述轴向面向的环形前表面协作以形成所述圆周凹槽。

8.根据权利要求5所述的方法，其中所述环形齿轮的所述环形背表面中定义的连续圆周凹口和所述差速器外壳的所述连接法兰的所述轴向面向的环形前表面中定义的连续圆周凹口协作以形成圆周凹槽。

9.一种差速器外壳和环形齿轮组件，包括：

差速器外壳，包含在第一轴毂与第二轴毂之间沿所述外壳的旋转轴延伸的伸长本体，所述差速器外壳进一步包含包围位于所述第一轴毂与所述第二轴毂之间的所述伸长本体的中心部分并从所述中心部分径向地向外延伸的连接法兰，所述差速器外壳由球墨铸铁构造，所述球墨铸铁具有包含3.2 wt%至3.6 wt%的碳的合金成分；

环形齿轮，包含具有内部圆周表面的环形本体，所述内部圆周表面以摩擦方式靠着所述差速器外壳的所述伸长本体的所述中心部分的外部表面，所述环形齿轮由表面硬化低合金碳钢构造以使得所述环形齿轮具有未渗碳主体钢部分和上覆于所述未渗碳主体钢部分的外部渗碳硬化表面，所述未渗碳主体钢部分具有包含0.17 wt%至0.23 wt%的碳的合金成分；及

焊缝，外接于所述差速器外壳的所述连接法兰和所述环形齿轮的所述环形本体，且使差速器外壳和所述环形齿轮熔焊在一起，所述焊缝具有一合金成分，其相较所述球墨铸铁的所述合金成分和所述环形齿轮的所述未渗碳主体钢部分的所述合金成分中的每一种包含较少的碳。

10.根据权利要求9所述的差速器外壳和环形齿轮组件，其中，在不存在所述外部渗碳硬化表面时，所述焊缝形成于所述环形齿轮的所述环形本体的部分处。

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