CN112792453A - 利用低碳钢中间元件通过熔焊接合铁合金部件 - Google Patents

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Abstract

一种接合两个铁合金部件的方法。该方法包括将第一铁合金部件的一部分熔铸到低碳中间元件的第一接合表面上；将第二铁合金部件的接合表面摩擦配合在低碳中间元件的第二接合表面上；以及利用聚合能量源将中间元件熔焊到第二铁合金部件上。熔铸包括使熔融铁合金流到具有纹理的第一结合表面上，其中熔融合金包括突片，突片从第一结合表面延伸并填充在中间元件上限定的孔中。然后冷却熔融铁合金，使得在第一铁合金部件的所述部分和低碳中间元件的第一结合表面之间形成冶金和机械结合。

Description

利用低碳钢中间元件通过熔焊接合铁合金部件
技术领域
本公开涉及两个或两个以上铁合金部件的熔焊，其中所述部件之一的碳含量较高，不适合熔焊到另一部件。
背景技术
制造某些复杂汽车部件可能需要接合两个或两个以上铁合金部件。熔焊操作(例如，激光焊接)是接合铁合金部件的优选方法。然而，待接合的铁合金部件之一的碳含量可能会使部件很难进行熔焊。随着铁合金的碳含量或碳当量增加，合金的硬度增加，从而当在规定的焊接操作过程中产生的熔融材料快速凝固时，由于在熔合区和周围的受热影响区内形成硬而脆的微观结构相，合金的可焊性降低。这些硬而脆的微观结构相更容易产生各种形式的裂纹，包括热冲击引起的淬火裂纹和/或氢诱导的冷裂纹。
当需要接合铁合金部件，但是其中一个部件或两个部件的可焊性都不理想时，通常要使用诸如螺栓、铆钉、热熔自攻丝、铆螺母等机械紧固件。然而，与熔焊操作相比，铁合金部件与机械紧固件的接合增加了接合总成的重量，并且更费时费力。
因此，虽然用于接合铁合金部件的机械紧固件实现了其预期目的，但是当其中一个部件的焊接性低时，需要能够熔焊铁合金部件，从而提高各种制造实践的效率和经济性。
发明内容
本文在几个方面上描述了一种接合两个铁合金部件的方法。该方法包括将第一铁合金部件的一部分熔铸到低碳中间元件的第一接合表面上；将第二铁合金部件的接合表面摩擦配合(例如，压合)在低碳中间元件的第二接合表面上；以及利用聚合能量源将中间元件熔焊到第二铁合金部件上。第一铁合金部件是差速器壳，第二铁合金部件是齿圈，中间元件是差速器总成的钢带。
在本公开的另一方面，将第一铁合金部件的一部分熔铸到低碳中间元件的第一接合表面上包括使熔融铁合金流到第一接合表面上，并冷却熔融铁合金，使得在第一铁合金部件的所述部分和低碳中间元件的第一接合表面之间形成机械和/或冶金结合。
在本公开的另一方面，低碳中间元件限定了从第一接合表面延伸到第二接合表面的至少一个孔。将第一铁合金部件的一部分熔铸到低碳中间元件的第一接合表面上包括使熔融铁合金流入该至少一个孔中。
在本公开的另一方面，低碳中间元件限定了至少一个远离第一接合表面延伸的突片。将第一铁合金部件的一部分熔铸到低碳中间元件的第一接合表面上包括使熔融铁合金流到该至少一个突片上并将该至少一个突片包封。
在本公开的另一方面，第一铁合金部件包含大于约0.5％的碳含量。
在本公开的另一方面，第二铁合金部件包含大于约0.5％的当量碳含量。
在本公开的另一方面，低碳中间元件包含小于0.5％重量百分比的碳。
在本公开的另一方面，将第一铁合金部件的一部分熔铸到低碳中间元件的第一接合表面上包括使熔融铁合金流到第一接合表面上限定的纹理表面上。
在本公开的另一方面，低碳中间元件包括约0.01wt％至0.4wt％碳的合金成分和余下的铁。
本文在几个方面上描述了一种通过使用钢套筒作为中间元件来接合差速器壳和齿圈的方法。该方法包括将差速器壳的一部分熔铸到钢套筒的内表面上，包括使熔融铁合金流到钢套筒的内表面上，并冷却熔融铁合金，使得形成接合差速器壳的所述部分和钢套筒的内表面的冶金结合接头；将齿圈的一部分压合到钢套筒的外表面上；以及沿着由齿圈和钢套筒的外表面的相邻部分限定的外围接缝将齿圈熔焊到钢套筒上。
在本公开的另一方面，钢套筒限定了至少一个在内表面和外表面之间延伸的孔。将差速器壳的一部分熔铸到钢套筒的内表面上还包括使熔融铁合金流入至少一个孔中，从而一旦熔融铁合金被冷却，就能将差速器壳互锁到钢套筒上。
在本公开的另一方面，钢套筒限定了从内表面延伸的至少一个突片。将差速器壳的一部分熔铸到钢套筒的内表面上还包括使熔融铁合金流到该至少一个突片上，从而一旦熔融铁合金被冷却，就能将差速器壳互锁到钢套筒上。
在本公开的另一方面，钢套筒的内表面包括纹理表面。将差速器壳的一部分熔铸到钢套筒的内表面上还包括使熔融物流动到纹理化表面上。
在本公开的另一方面，钢套筒包括约0.15wt％至0.23wt％碳的合金成分和余下的铁。
本文在几个方面上描述了一种差速器总成。该差速器总成包括由碳含量大于0.5wt％的碳铁合金构造而成的差速器壳；由碳含量小于0.5wt％的碳铁合金构造而成的齿圈；以及具有约0.01wt％至0.1wt％的碳和余量铁的合金成分的钢套筒。钢套筒包括冶金结合到差速器壳的一部分上的内表面和熔焊到齿圈的一部分上的相反外表面。
在本公开的另一方面，钢套筒的内表面包括延伸到差速器壳中的多个突片，从而将钢套筒互锁到差速器壳。
在本发明的另一方面，至少一个突片沿着折叠边缘弯曲到差速器壳的一部分中。
在本公开的另一方面，钢套筒包括在内表面和外表面之间延伸的多个孔。差速器壳的一部分被铸造在孔中，从而将钢套筒互锁到差速器壳上。
在本发明的另一方面，差速器壳冶金结合到钢套筒内表面上的部分是围绕差速器壳并从差速器壳径向向外突出的一体附接凸缘的圆周表面。
附图说明
图1是根据本公开的一个实施例的具有差速器壳、低碳钢带和齿圈的差速器总成的分解透视图；
图2是根据本公开的一个实施例的图1的差速器总成的透视图；
图3是根据本公开的一个实施例的穿过图1的剖面线2-2的低碳钢带的示意性剖面图；
图4是将差速器壳接合到齿圈的方法的框图；以及
图5是根据本公开的一个实施例的穿过图2的剖面线5-5的差速器总成的一部分的示意性剖面图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，无意于限制其公开、应用或使用。本文结合附图公开了图示的实施例，其中在几幅图中，相同的附图标记表示相同的对应部件。这些附图未必是按比例绘制的，一些特征可能被放大或缩小以显示特定特征的细节。所公开的具体结构和功能细节并非旨在被解释为限制性的，而是作为教导本领域的技术人员如何实践所公开的概念的代表性基础。
本公开提供了一种当第一和第二铁合金部件102、106中的至少一个因为其具有高碳含量或高碳当量而被认为不可焊接时利用聚合能量源(例如，激光束、电子束等)通过熔焊将第一铁合金部件102接合到第二铁合金部件106的方法。就本公开的目的而言，大于0.50wt％的碳含量或碳当量被认为使得铁合金不可焊接。在一个非限制性实例中，第一铁合金部件102可以是差速器壳102，第二铁合金部件106可以是差速器总成100的齿圈106，其细节将在下面描述。
在给出的实施例中，第一铁合金部件102由高碳铁合金制成，第二铁合金部件106由低碳铁合金制成，该低碳铁合金可具有高碳含量当量。通过首先将第一铁合金部件102的一部分熔铸到低碳中间元件104的第一接合表面112上，接着通过将第二铁合金部件106的一部分摩擦配合(frictionfitting)(例如，压合(pressfitting))在低碳中间元件104的第二接合表面114上，然后优选地利用诸如激光束或电子束的聚合能量源将中间元件104熔焊到第二铁合金部件106上来第一铁合金部件102组装到第二铁合金部件106上，从而将第一铁合金部件102接合到第二铁合金部件106。示例性的熔铸包括例如压铸、熔模铸造、石膏型铸造、砂型铸造和消失模铸造。
低碳中间元件104包括以下详细描述的特征，这些特征使得不可焊接的第一铁合金部件102能够被机械接合和冶金结合到中间元件104的第一接合表面112上，并且使得第二铁合金部件106能够被熔焊到中间元件104上，从而将第一铁合金部件102接合到第二铁合金部件106上，低碳中间元件104位于它们之间。
参见图1，其示出了本公开的一个说明性实施例，其在差速器总成100的背景下描述，然而应该理解的是，相同的方法也可以在其他铁合金部件上实施。图1示出了沿旋转轴线A设置的差速器总成100的部件的分解图。差速器总成100包括差速器壳102、低碳钢带104和齿圈106。差速器壳102和齿圈106分别是第一铁合金部件102和第二铁合金部件106的示例性实施例。低碳钢带104(也称为低碳钢衬套104)是中间元件104的示例性实施例。
差速器壳102由高碳铁合金构造而成，齿圈106由低碳铁合金构造而成。差速器壳102通过熔铸作业制造，其中差速器壳102的一部分被热铸造并冷却到低碳钢带104的内圆周表面112上。铸造操作在差速器壳102的所述部分和低碳钢带104的内圆周表面112之间形成冶金结合。齿圈106摩擦配合在钢带104的外圆周表面114上。利用诸如激光束或电子束的聚合能量源将齿圈106熔焊到钢带104的相邻部分。钢带104的内圆周表面112和外圆周表面114也分别称为第一接合表面112和第二接合表面114。
差速器壳102包括细长主体116，该细长主体116沿着旋转轴线从第一毂118延伸到相对的第二毂120处。差速器壳102还包括一体附接凸缘121，该附接凸缘121围绕细长主体116并从细长主体116上径向向外突出。附接凸缘121具有轴向朝向的环形前表面122、轴向朝向的环形后表面124和连接前表面122和后表面124的圆周边缘表面125。
差速器壳102由具有合金成分的球墨铸铁热成型铸造而成，该合金成分包括作为主要合金成分的铁以及3.2wt％至3.6wt％的碳、2.2wt％至2.8wt％的硅和一种或多种选自镁或铈的球化元素。例如，用于球墨铸铁的普通合金成分包括3.2wt％至3.6wt％的碳、2.2wt％至2.8wt％的硅、0.1wt％至0.2wt％的锰、0.03wt％至0.04wt％的镁、0.005wt％至0.04wt％的磷、0.005wt％至0.02wt％的硫、0wt％至0.40wt％的铜以及具有行业所接受的杂质的余量铁。其他延性合金成分可以包括额外的元素，例如镍、锡和/或铬。球墨铸铁具有良好的抗扭强度、抗冲击和抗疲劳性以及耐磨性，其延展性的提高(与灰铸铁相比)可归因于沉淀碳呈球状石墨球的形状，球状石墨球分散在通常包括珠光体和/或铁素体的铁基基体中。球状石墨球是由球化元素形成的，球化元素与石墨沉淀物相互作用，并迫使各向同性生长成球状体，并且当分散在整个铁基基体中时，往往会抑制应力引起的裂纹的产生。
齿圈106包括环形主体146，该环形主体146具有异形的环形前表面148、环形后表面150、连接前表面148和后表面150并限定中心开口154的内圆周表面152以及也连接前表面148和后表面150的外圆周表面156。外圆周表面156限定了多个径向延伸的轮齿158，这些轮齿158围绕齿圈106的中心开口154周向间隔开。轮齿可以是弯曲的(如图所示)或直的。齿圈106的内圆周表面152被压合到钢带104的外接合表面114上。图2示出了图1的组装好的差速器总成100的透视图。参照图1和图2，钢带104的外接合表面114和齿圈106的内圆周表面152的相邻部分限定了外部外围接缝160(在图5中最佳示出)，齿圈106和钢带104在该接缝处被熔焊。
在该特定实施例中，齿圈106由表面硬化的低碳合金钢构造而成。低碳合金钢的合金成分包括作为主要合金成分的铁和高达4.0wt％的合金元素，包括0.17wt％至0.23wt％的碳以及至少一种其他非杂质合金元素。例如，其他非杂质合金元素可以是锰、镍、铬和钼(即，镍-铬-钼低碳合金钢)或铬和锰(即，铬-锰低碳合金钢)。在前一种钢中，合金成分可以包括0wt％至1.85wt％的镍、0wt％至1.3wt％的铬和0wt％至0.4wt％的钼，而在后一种钢中，合金成分可以包括0.6wt％至1.8wt％的铬和0.8wt％至2.0wt％的锰。可用于构造齿圈106的几种市售等级的低碳合金钢包括43xxM、86xxM、41xxM和51xxM钢。低碳合金钢适用于齿圈106，因为其表现出良好的耐磨性和抗疲劳性，同时也是可加工的。
一般来说，差速器壳102和(其次)齿圈106本身并不太适合熔焊。构成差速器壳102的球墨铸铁合金的碳含量(3.2-3.6wt％)显著大于0.5wt％。此外，尽管构成齿圈106的未脱碳的大块钢部分68的低碳合金钢的碳含量(0.17-0.23wt％)本身没有太大的问题，但是由于其他合金元素的存在，合金钢的碳当量大于0.5wt％。低碳合金钢的碳当量通过以下等式计算：
Figure BDA0002774942870000051
分别在差速器壳102和齿圈106的合金成分的该碳含量和碳当量下，合金的硬度增加，从而，当在规定的焊接操作期间产生的熔融材料快速凝固时，由于在熔合区和周围受热影响区内形成马氏体，合金的可焊性降低。马氏体微观结构反过来更容易产生各种形式的裂纹，包括热冲击引起的淬火裂纹和/或氢诱导的冷裂纹。
图3示出了图1的剖面线3-3上的低碳钢带104的示意性剖面图。钢带104用作中间元件104，以将差速器壳102接合到齿圈106。钢带104包括朝向旋转轴线A定向的内圆周表面112或第一接合表面112以及相反的外圆周表面114或第二接合表面114。钢带104限定了多个孔170，这些孔170具有连接内圆周表面112和外圆周表面114的边缘表面172。钢带104还包括从内圆周表面112向旋转轴线A延伸的多个突片174。在所示的实施例中，多个突片174是从钢带104冲切出，并沿着折叠边缘176向内朝轴线A弯曲，从而限定多个孔170。可以通过喷砂或介质喷射来使钢带104的内圆周表面112形成纹理或变粗糙，以在熔铸过程中改善与附接凸缘121的圆周边缘表面108的机械和冶金结合。
低碳钢带104具有包括约0.15wt％至约0.23wt％碳和余量铁的合金成分。低碳钢的合金成分中可以有目的地包含其他合金元素，但是其在合金成分中的总量仍然可以是2.0wt％或更少。低碳合金钢具有延展性，并且由于其低碳含量和低碳当量，被认为具有良好的焊接性。低碳钢带104因此可以在焊接期间起到碳介体的作用，这将在下面进一步详细讨论。在优选实施例中，如本文所示。低碳钢带104具有连续的圆周。
图4示出了将差速器壳102接合到齿圈106的方法400的框图。在步骤402中，将熔融铁合金流到钢带104的内表面上并冷却熔融铁合金，使得一旦铸件冷却就形成冶金结合的接头，从而使圆周边缘表面108与钢带104的内表面接合，以此方式首先将差速器壳102的附接凸缘121的圆周边缘108表面铸造到钢带104的内表面112或第一接合表面112上，这样就可以成功地使差速器壳102和齿圈106接合。转到步骤404，随后将齿圈106的内圆周表面压合到钢带104的外表面114或第二接合表面114上。转到步骤406，然后沿着由齿圈106的内圆周表面152和钢带104的外表面114或第二接合表面114的相邻部分限定的外围接缝160将齿圈106熔焊到钢带104上。
图5是差速器壳102和齿圈106的一部分的示意性剖面图，差速器壳102和齿圈106之间具有低碳钢带104。在热铸造过程中，熔融合金流到钢带104的内圆柱形表面112上，从而包封突片174并填充由孔170限定的空隙。突片174、孔170和蚀刻的内圆柱形表面112有助于冶金地和机械地将差速器壳102结合到钢带104上。然后将齿圈106焊接到钢带104的外部相邻圆周边缘表面上，从而有效地将差速器壳102接合到齿圈106上，其中钢带104位于差速器壳102和齿圈106之间。
在准备焊接时，将差速器壳102和齿圈106合在一起。这包括相对于差速器壳102滑动齿圈106，使得齿圈106移动经过第一轴毂118并越过差速器壳102的细长环形主体116。如图1中最佳示出的，对齿圈106进行定位，使得齿圈106的内圆周表面152摩擦配合到钢带104的外表面114上。
优选地，利用激光束将齿圈106和钢带104焊接在一起，而不需要通过经由填充焊丝将杂质金属引入接头来调整激光焊接接头的成分。聚合能量源沿着外围接缝160对准并冲击钢带104的边缘表面和齿圈106的相邻部分。该路径至少与低碳钢带104的整个圆周和齿圈106的相邻部分重叠。在熔焊期间，聚合能量源沿着焊接线传送，该焊接线与低碳钢带104和齿圈106的外部相邻接合表面重叠。这导致低碳钢带104与齿圈106的相邻部分一起熔化，以产生混合合金熔融焊接熔池，该混合合金熔融焊接熔池随着能量源向前运动而凝固。
齿圈106与钢带104的熔焊完成了差速器壳102和差速器总成100的制造。焊接接头本身足以解决与高碳当量铁合金(例如，构造齿圈106的铁合金)相关的焊接性难题。焊接接头以及钢带104的突片174和孔170将两个部件接合在一起，并且使得不需要使用机械紧固件来实现相同结果。
用于熔化低碳钢带104和齿圈106的相邻部分的聚合能量源优选是激光束，但是包括电子束在内的其它可选方案当然也是可行的。激光束可以是固态激光束或气体激光束。可以使用的一些熟知的固态激光器是光纤激光器、盘形激光器、直接二极管激光器和Nd:YAG激光器，并且可以使用的熟知的气体激光器是CO2激光器，但是当然也可以使用其他类型的激光器。当使用激光束作为聚合能量源时，优选地，不通过填充焊丝或除了低碳钢带104之外的任何其它添加源将杂质金属引入混合合金焊接熔池。尤其是，镍不会通过用激光束同时熔化镍填充焊丝而被引入混合合金焊接熔池，因此镍被排除在焊缝的合金成分之外。由于低碳钢带104的低碳含量可以充分中和如上所述的裂纹敏感性，所以在混合合金焊接熔池和由此产生的焊接接头中不需要镍作为裂纹缓解元素。
所述方法可以使得可以在不使用填充金属的情况下将高强度球墨铸铁差速器壳(例如，D7003和等温淬火球墨铸铁)激光焊接到具有高碳当量齿圈106的低碳钢齿轮上。钢带104的蚀刻接合表面、延伸突片174和孔170的特征使得钢带104和球墨铸铁能够冶金地和机械地结合。钢带104的低碳钢特征使得钢带104能够焊接到齿圈106上。该方法将传统上球墨铸铁和钢齿轮之间的激光焊接接头重新定位至钢带104和齿圈106之间的外围接缝160。此外，该方法消除了对高镍填充焊丝的需要以及与使用填充焊丝相关的问题，显著提高了焊接机械性能并降低了制造复杂性。在差速器壳与齿圈106的接合中使用这种方法减少或消除了对机械紧固件的需要，从而减少了差速器总成100的材料和重量。
对优选示例性实施例和具体实例的上述描述本质上仅仅是描述性的；其并非旨在限制以下权利要求书的范围。在所附权利要求书中使用的每一个术语都应该给出其普通的和习惯的含义，除非在本说明书中另有具体明确的说明。

Claims (10)

1.一种接合两个铁合金部件的方法，包括：
将第一铁合金部件的一部分熔铸到低碳中间元件的第一接合表面上；
将第二铁合金部件的接合表面压合到所述低碳中间元件的第二接合表面上；以及
用聚合能量源将所述中间元件熔焊到所述第二铁合金部件上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述第一铁合金部件的所述部分熔铸到所述低碳中间元件的所述第一接合表面上包括使熔融铁合金流到所述第一接合表面上，并冷却所述熔融铁合金，使得在所述第一铁合金部件的所述部分和所述低碳中间元件的所述第一接合表面之间形成冶金结合接头。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，
所述低碳中间元件限定了从所述第一接合表面延伸到所述第二接合表面的至少一个孔，以及
将所述第一铁合金部件的所述部分熔铸到所述低碳中间元件的所述第一接合表面上包括使所述熔融铁合金流入所述至少一个孔中。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，
所述低碳中间元件限定了延伸离开所述第一接合表面的至少一个突片，并且
将所述第一铁合金部件的所述部分熔铸到所述低碳中间元件的所述第一接合表面上包括使所述熔融铁合金流到所述至少一个突片上并将所述至少一个突片包封。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一铁合金部件包含大于约0.5％的碳含量。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二铁合金部件包含大于约0.5％的当量碳含量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述低碳中间元件包含约0.15wt％至约0.23wt％的碳。
8.根据权利要求2所述的方法，其中将所述第一铁合金部件的所述部分熔铸到所述低碳中间元件的所述第一接合表面上包括使熔融铁合金流到在所述第一接合表面上限定的粗糙表面上。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述低碳中间元件包括约0.15wt％至约0.23wt％碳的合金成分和余下的铁。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一铁合金部件是差速器壳，所述第二铁合金部件是齿圈，以及所述中间元件是钢套筒。
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