CN113182668B - 一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法，涉及机械工程技术领域。包括焊接预处理、激光光源选择、焊接工艺优化以及定位焊接这四道步骤，相比传统粘接方式的先点胶、再固化等多个工序，激光焊接只需焊接一道工序、效率高，解决齿轮箱电机输出轴和齿轮连接制程效率低的问题，激光焊接是产品自身材料的熔化、融合、凝固过程，连接强度与产品材料相近，相较于常规的添加耗材进行粘接的方式，焊接的方式稳定效果好，保证了结构的整体强度，解决齿轮箱电机输出轴和齿轮传统粘接方式可靠性差的问题，由于激光焊接是产品自身材料的熔化，解决传统粘接需要使用大量耗材的问题，符合经济效益，具有广阔的应用前景。

Description

一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法

技术领域

本发明涉及机械工程技术领域，具体为一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法。

背景技术

齿轮箱电机也称行星减速箱电机又叫齿轮箱电机，同时也包括小型齿轮箱电机，齿轮箱电机由多个行星齿轮围绕一个太阳轮转动的机构，也是将传动速比降低，同时又将电机扭力成比例增大的机构，相比同类普通齿物理学箱，齿轮箱电机具有传递平稳、承载力大、小的空间有大的传动比，使用寿命长，若其齿轮是钢件，寿命可达1000小时，体积小巧，外观美观，齿轮箱电机应用广泛，除了用于微型减速电机，还用于遮阳行业办公自动化、智能家居、生产自动化、医疗器械、金融机械、游戏机等领域，如自动窗帘、智能马桶、升降系统、点钞机、广告灯箱等行业都会用到小型齿轮箱电机。

齿轮箱电机输出轴作为动力的传输结构，常与小型齿轮配合使用，输出轴和齿轮的连接传统方式为粘接，使用强力UV固化胶粘接，这种方式一方面效率较低，另一方面在电机高速运转过程中，随着产品的老化，齿轮松动的风险性较高，此外，粘胶连接对胶体耗材使用量较大、点胶控制精度要求高。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法，包括以下步骤：

S1、焊接预处理：工件清理方式一般分为化学清理和机械清理两种，机械清理主要是在工件尺寸较大、生产周期较长、多层焊或化学清洗后又沾污时使用，因而对于小尺寸的齿轮工件，可采用化学清理的方式对齿轮和输出轴的焊接处进行清理，防止油污、汗渍这类杂质造成焊缝气孔、裂纹；

S2、激光光源选择：采用光束质量极好的光纤激光器，激光波长1060-1080nm，通过测试，钢铁类材料对该波段激光吸收率高达40%，较高的吸收率，降低装配精度误差对焊接质量的影响；

S3、焊接工艺优化：激光焊接按照能量密度分布可分为热导焊和深熔焊，深熔焊使用激光能量密度较高，焊接过程的匙孔效应会诱发焊接过程的不稳定性及产生飞溅，因而对于外观要求极高的产品，优选焊接过程更为稳定的热导焊方式进行产品加工；

S4、定位焊接：热导焊一般采用脉冲焊接和连续焊接两种焊接手法，脉冲焊接是控制激光以单点的方式来熔化材料，达到材料间的熔合，由于脉冲激光单点能量精确可控、稳定性高且焊接过程极其稳定，连续焊接焊缝美观程度很高、焊缝更为光滑、强度可靠，采用夹具对齿轮进行精确定位、固定，即可进行焊接工作。

作为本发明的一种优选技术方案，所述S4中的夹具包括主体，所述主体的内部开设有数量至少为一个的驱动腔，所述驱动腔的内部设置有用于实现夹持动作的电动推杆，所述电动推杆的输出端设置有驱动块一。

作为本发明的一种优选技术方案，所述驱动腔的内部设置有滑杆，所述滑杆的表面设置有滑座，所述滑座的一侧设置有驱动块二，所述驱动块一与驱动块二的相对面滑动连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述滑座远离驱动块二的一侧设置有弹簧且弹簧的内部与滑杆的表面活动套接，所述滑杆的表面开设有限位槽，所述滑座的内部固定设置有限位块，所述限位块的顶部延伸至限位槽的内部。

作为本发明的一种优选技术方案，所述滑座的顶部开设有插槽，所述插槽的内部设置有限位柱，所述滑座的顶部固定设置有插杆，所述插杆的表面活动设置有定位块，所述定位块的一侧与限位柱的表面活动连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述主体的内部开设有用于放置电机输出轴的装配槽，所述驱动腔内壁的一侧设置有缓冲块，所述缓冲块位于滑杆的下方。

作为本发明的一种优选技术方案，所述S1中的化学清理材料首选无水乙醇，采用浸洗法和擦洗法两种，流动水清洗，风干或低温干燥，当化学清理后又沾污时，采用机械清理的方式，采用直径0.15mm-0.2mm的不锈钢丝刷进行打磨，直至齿轮露出金属光泽即可。

作为本发明的一种优选技术方案，所述S4中脉冲焊接的脉冲宽度1-10ms，脉冲频率80-160Hz，激光峰值功率200-500W，焊接速度10-30mm/s，为了进一步提高焊缝的强度，焊点之间保留一定的重叠率，重叠率要求40%-90%。

作为本发明的一种优选技术方案，所述S4中连续焊接的激光平均功率100-500W，焊接速度10-30mm/s，同时编辑激光波形，实现焊接起始、结束阶段激光能量的缓升、缓降，消除焊缝弧坑。

作为本发明的一种优选技术方案，所述S4中的脉冲焊接和连续焊接在焊接时，激光需垂直照射齿轮，激光入射角度的偏差过大容易造成焊缝一致性差、强度降低以及产生咬边的缺陷，在激光焦点偏移±10mm范围内进行焊接，焊接过程需要采用氩气保护，氩气的引入可以大幅提高焊接过程稳定性，防止热输入过大导致裂纹产生。

与现有技术相比，本发明提供了一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法，具备以下有益效果：

1、该齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法，相比传统粘接方式的先点胶、再固化等多个工序，激光焊接只需焊接一道工序、效率高，解决齿轮箱电机输出轴和齿轮连接制程效率低的问题。

2、该齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法，激光焊接是产品自身材料的熔化、融合、凝固过程，连接强度与产品材料相近，相较于常规的添加耗材进行粘接的方式，焊接的方式稳定效果好，保证了结构的整体强度，解决齿轮箱电机输出轴和齿轮传统粘接方式可靠性差的问题。

3、该齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法，由于激光焊接是产品自身材料的熔化，解决传统粘接需要使用大量耗材的问题，符合经济效益，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明提出的一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法的流程示意图；

图2为本发明提出的一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法的夹具结构正视图；

图3为本发明提出的一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法的夹具结构侧剖图；

图4为本发明提出的一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法的夹具结构俯视图；

图5为本发明提出的一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法的装配槽结构俯视图；

图6为本发明提出的一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法的插槽结构俯视图。

图中：1、夹具；11、主体；12、驱动腔；121、缓冲块；13、电动推杆；14、驱动块一；15、滑杆；151、限位槽；16、滑座；161、驱动块二；162、限位块；163、插槽；164、插杆；17、定位块；18、限位柱；19、装配槽。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法，包括以下步骤：

S1、焊接预处理：工件清理方式一般分为化学清理和机械清理两种，机械清理主要是在工件尺寸较大、生产周期较长、多层焊或化学清洗后又沾污时使用，因而对于小尺寸的齿轮工件，可采用化学清理的方式对齿轮和输出轴的焊接处进行清理，防止油污、汗渍这类杂质造成焊缝气孔、裂纹；

S2、激光光源选择：采用光束质量极好的光纤激光器，激光波长1060-1080nm，通过测试，钢铁类材料对该波段激光吸收率高达40%，较高的吸收率，保证了焊接过程的稳定性，同时减小了焊接热影响区域，充分保证焊缝强度可靠性，实际产品制造过程中，来料的精度存在少量误差，而激光焊接对产品装配精度要求较高，特别是薄壁类精密器件，装配精度理论上严格控制在0.1mm以内，为了降低装配精度误差对焊接质量的影响，光纤激光器使用芯径100μm的光纤输出，配备焦距100mm准直镜头和焦距200mm聚焦镜头，最小理论光斑直径可达0.2mm；

S3、焊接工艺优化：激光焊接按照能量密度分布可分为热导焊和深熔焊，深熔焊使用激光能量密度较高，焊接过程的匙孔效应会诱发焊接过程的不稳定性及产生飞溅，因而对于外观要求极高的产品，优选焊接过程更为稳定的热导焊方式进行产品加工；

S4、定位焊接：热导焊一般采用脉冲焊接和连续焊接两种焊接手法，脉冲焊接是控制激光以单点的方式来熔化材料，达到材料间的熔合，由于脉冲激光单点能量精确可控、稳定性高且焊接过程极其稳定，连续焊接焊缝美观程度很高、焊缝更为光滑、强度可靠，采用夹具1对齿轮进行精确定位、固定，即可进行焊接工作。

作为本实施例的一种具体技术方案，所述S4中的夹具1包括主体11，所述主体11的内部开设有数量至少为一个的驱动腔12，所述驱动腔12的内部设置有用于实现夹持动作的电动推杆13，所述电动推杆13的输出端设置有驱动块一14，所述驱动腔12的内部设置有滑杆15，所述滑杆15的表面设置有滑座16，所述滑座16的一侧设置有驱动块二161，所述驱动块一14与驱动块二161的相对面滑动连接，所述滑座16远离驱动块二161的一侧设置有弹簧且弹簧的内部与滑杆15的表面活动套接，参阅图3，驱动块一14受到电动推杆13的推动抵触驱动块二161，使得驱动块二161在滑杆15的表面移动并压缩弹簧，所述滑杆15的表面开设有限位槽151，所述滑座16的内部固定设置有限位块162，所述限位块162的顶部延伸至限位槽151的内部，滑座16移动时带动限位块162在限位槽151的内部移动，限位块162配合限位槽151，限制了滑座16的自转，使得滑座16仅能在滑杆15的表面水平滑动，所述滑座16的顶部开设有插槽163，所述插槽163的内部设置有限位柱18，滑座16受到驱动块二161的带动对齿轮进行夹持动作，滑座16移动时带动限位柱18移动至齿轮的齿槽内，完成对齿轮的定位，所述滑座16的顶部固定设置有插杆164，所述插杆164的表面活动设置有定位块17，定位块17对限位柱18进行支撑，保证了该装置的整体结构强度，同时限位柱18和定位块17均采用可拆卸的连接方式，方便了损坏后进行更换，所述定位块17的一侧与限位柱18的表面活动连接，所述主体11的内部开设有用于放置电机输出轴的装配槽19，将电机输出轴通过装配槽19穿入主体11内部，并将待焊接的齿轮置于主体11顶部，调节主体11高度，使得电机输出轴以及齿轮的焊接位置保持一致，所述驱动腔12内壁的一侧设置有缓冲块121，当电动推杆13带动驱动块一14脱离对驱动块二161的抵触时，驱动块二161受到弹簧的回弹抵触，使得滑座16二带动限位柱18脱离对齿轮的夹持，缓冲块121的设置，避免了滑座16受到弹簧的回弹抵触，导致后退的速度过快与驱动腔12的内壁产生撞击，所述缓冲块121位于滑杆15的下方。

作为本实施例的一种具体技术方案，所述S1中的化学清理材料首选无水乙醇，采用浸洗法和擦洗法两种，流动水清洗，风干或低温干燥，当化学清理后又沾污时，采用机械清理的方式，采用直径0.15mm-0.2mm的不锈钢丝刷进行打磨，直至齿轮露出金属光泽即可。

作为本实施例的一种具体技术方案，所述S4中脉冲焊接的脉冲宽度1-10ms，脉冲频率80-160Hz，激光峰值功率200-500W，焊接速度10-30mm/s，为了进一步提高焊缝的强度，焊点之间保留一定的重叠率，重叠率要求40%-90%，焊点重叠率越高、焊缝美观程度越高，但重叠率过高相应的热输入越大，这对于裂纹敏感性材料而言是不利的，因而要根据实际材料、结构设定合适的重叠率。

作为本实施例的一种具体技术方案，连续焊接焊缝美观程度很高、焊缝更为光滑、强度可靠，目前市面上常见的连续焊接方式在焊接结束时，大都存在弧坑，弧坑的存在一方面影响焊缝美观程度，另一方面弧坑容易产生缩孔、裂纹等缺陷，弧坑也是焊缝应力集中点，是焊接接头失效的起始点，因此有必要消除弧坑，所述S4中连续焊接的激光平均功率100-500W，焊接速度10-30mm/s，采用激光控制软件，实现激光能量的精确可控，同时编辑激光波形，实现焊接起始、结束阶段激光能量的缓升、缓降，消除焊缝弧坑。

作为本实施例的一种具体技术方案，所述S4中的脉冲焊接和连续焊接在焊接时，激光需垂直照射齿轮，激光入射角度的偏差过大容易造成焊缝一致性差、强度降低以及产生咬边的缺陷，在激光焦点偏移±10mm范围内进行焊接，焊接过程需要采用氩气保护，氩气流量10-25L/min，氩气的引入可以大幅提高焊接过程稳定性，降低焊缝气孔率，焊缝美观程度更高，同时快速冷却焊缝、防止热输入过大导致裂纹产生。

实施例一，参阅图1至图6，使用齿轮箱电机输出轴（材料420J2）与齿轮（材料420F）进行异种金属激光焊接，焊前用无水乙醇擦拭齿轮表面，为防止输出轴与齿轮发生定位偏差，造成虚焊，使用夹具1对齿轮进行精确定位、固定，采用脉冲焊接的方式进行焊接，对激光波形采用能量缓升缓降设置，精确控制激光能量，激光垂直照射工件，激光焦点位于材料表面上方5mm，所用激光峰值功率300W，脉冲时间2ms，脉冲频率80Hz，焊接速度10mm/s，焊接过程采用氩气保护，保护气流量10L/min，焊接完成后，焊点表面较为光滑、无飞溅，焊点重叠率达50%，焊后采用拉伸测试仪进行焊缝强度测试，产品抗拉强度＞300N，满足产品质量要求。

实施例二，参阅图1至图6，使用齿轮箱电机输出轴（材料420J2）与齿轮（材料420F）进行异种金属激光焊接，焊前用无水乙醇擦拭齿轮表面，为防止输出轴与齿轮发生定位偏差，造成虚焊，使用夹具1对齿轮进行精确定位、固定，采用连续焊接的方式进行焊接，对激光波形采用能量缓升缓降设置，精确控制激光能量，激光垂直照射工件，激光焦点位于材料表面上方5mm，所用激光平均功率250W，焊接速度20mm/s，焊接过程采用氩气保护，保护气流量15L/min，焊接完成后，焊点表面较为光滑、无飞溅，焊缝收尾无弧坑，焊后采用拉伸测试仪进行焊缝强度测试，产品抗拉强度＞300N，满足产品质量要求。

综上所述，该齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法，相比传统粘接方式的先点胶、再固化等多个工序，激光焊接只需焊接一道工序、效率高，解决齿轮箱电机输出轴和齿轮连接制程效率低的问题，且采用脉冲焊接和连续焊接两种焊接方式均可达到强度需求，具有较高的通用性。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、焊接预处理：采用化学清理的方式对齿轮和输出轴的焊接处进行清理，防止油污、汗渍造成焊缝气孔、裂纹，所述S1中的化学清理材料采用无水乙醇，当化学清理后又沾污时，采用机械清理的方式，采用直径0.15mm-0.2mm的不锈钢丝刷进行打磨，直至齿轮露出金属光泽即可；

S2、激光光源选择：采用激光波长为1060-1080nm的光纤激光器，光纤激光器使用芯径100μm的光纤输出，配备焦距100mm准直镜头和焦距200mm聚焦镜头；

S3、焊接工艺优化：采用焊接过程稳定的热导焊进行产品加工；

S4、定位焊接：热导焊采用脉冲焊接或连续焊接两种焊接手法，采用夹具(1)对齿轮进行精确定位、固定，即可进行焊接工作；所述S4中的脉冲焊接或连续焊接在焊接时，激光需垂直照射齿轮，激光入射角度的偏差过大容易造成焊缝一致性差、强度降低以及产生咬边的缺陷，在激光焦点偏移±10mm范围内进行焊接，焊接过程需要采用氩气保护，氩气流量10-25L/min，氩气的引入可以大幅提高焊接过程稳定性，防止热输入过大导致裂纹产生；

所述S4中的夹具(1)包括主体(11)，所述主体(11)的内部开设有数量至少为一个的驱动腔(12)，所述驱动腔(12)的内部设置有用于实现夹持动作的电动推杆(13)，所述电动推杆(13)的输出端设置有驱动块一(14)；所述驱动腔(12)的内部设置有滑杆(15)，所述滑杆(15)的表面设置有滑座(16)，所述滑座(16)的一侧设置有驱动块二(161)，所述驱动块一(14)与驱动块二(161)的相对面滑动连接；所述滑座(16)远离驱动块二(161)的一侧设置有弹簧且弹簧的内部与滑杆(15)的表面活动套接，所述滑杆(15)的表面开设有限位槽(151)，所述滑座(16)的内部固定设置有限位块(162)，所述限位块(162)的顶部延伸至限位槽(151)的内部；所述滑座(16)的顶部开设有插槽(163)，所述插槽(163)的内部设置有限位柱(18)，所述滑座(16)的顶部固定设置有插杆(164)，所述插杆(164)的表面活动设置有定位块(17)，所述定位块(17)的一侧与限位柱(18)的表面活动连接；所述主体(11)的内部开设有用于放置电机输出轴的装配槽(19)，所述驱动腔(12)内壁的一侧设置有缓冲块(121)，所述缓冲块(121)位于滑杆(15)的下方。

2.根据权利要求1所述的一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法，其特征在于：所述S4中脉冲焊接的脉冲宽度1-10ms，脉冲频率80-160Hz，激光峰值功率200-500W，焊接速度10-30mm/s，为了进一步提高焊缝的强度，焊点之间保留一定的重叠率，重叠率要求40％-90％。

3.根据权利要求1所述的一种齿轮箱电机输出轴和齿轮的激光焊接工艺方法，其特征在于：所述S4中连续焊接的激光平均功率100-500W，焊接速度10-30mm/s，同时编辑激光波形，实现焊接起始、结束阶段激光能量的缓升、缓降，消除焊缝弧坑。