從現(xiàn)階段火熱的新能源雙離合變速箱到傳統(tǒng)的AT自動變速箱，汽車變速箱傳動技術(shù)一直以來都是汽車行業(yè)的重點研究領(lǐng)域。汽車變速器內(nèi)中心軸回轉(zhuǎn)類零件的焊接總成通常包含：齒輪轂件、齒輪離合器件、中心軸齒轂總成、中心套齒轂總成、雙聯(lián)齒輪總成件、差速器總成件等核心傳動部件。

由于機加工技術(shù)的局限性，變速器中形狀、結(jié)構(gòu)復雜的回轉(zhuǎn)類零件很難甚至無法整體加工成單件。同時為了減少重量和體積、降低加工難度、節(jié)省原材料以節(jié)約成本，提高工藝性和生產(chǎn)效率，通常采用的是通過成兩個或兩個以上的單件經(jīng)焊接工藝組合成一個組件的制造方式進行加工，焊接后要求強度高、變形小,且不破壞原材料性能。已經(jīng)應用的焊接工藝包括：電阻焊、感應焊、電子束焊、激光焊等。其中電阻焊和感應焊的初始成本及維護成本低，但生產(chǎn)的零件笨重，且焊后精度不高，不易于實現(xiàn)汽車的輕量化；對于電子束焊，雖然焊接質(zhì)量高且可以實現(xiàn)零件的輕量化，但是設(shè)備初始成本和維護成本高，焊接需要真空環(huán)境，零件焊接節(jié)拍太長，增加制造成本。

與上述焊接工藝相比，激光焊接齒輪無需在真空中進行，設(shè)備初始成本低于電子束焊，而且設(shè)備維護成本低，由于熱輸入量低，可實現(xiàn)零件的焊后高精度要求，保證了焊接后的零件無需再進行精加工，減少制造工序，節(jié)約零件制造成本，同時可實現(xiàn)零件的輕量化。激光焊接還可使焊縫深寬比高達10:1，且可以保證焊縫處的綜合機械性能相當或優(yōu)于母材的綜合機械性能，保證了此類回轉(zhuǎn)零件可以平穩(wěn)地傳遞較大的扭矩。因設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，現(xiàn)如今，激光焊接在此類高要求的焊接應用方面，已成為當今發(fā)展的一個大趨勢。目前世界各大汽車制造廠競相采用激光焊接變速器復合齒輪以提高產(chǎn)品在國際市場上的競爭力。此前，國內(nèi)的變速器內(nèi)的回轉(zhuǎn)類零件的焊接產(chǎn)線幾乎被德國EMAG和TRUMPF等公司壟斷，2016年華工激光提供在汽車變速箱焊接領(lǐng)域的激光加工解決方案，打破國外壟斷，已經(jīng)陸續(xù)為神龍集團、格特拉克集團、青山集團等國內(nèi)外專業(yè)變速箱制造公司提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

華工激光提供的汽車變速器內(nèi)的回轉(zhuǎn)零件的焊接解決方案的核心工序有：

1.焊前清洗：該清洗工序一般采用激光清洗，焊前由激光清洗機處理需焊接及周圍部位，可以清除零件表面的油污與顆粒等雜物，這樣在焊接時就可以避免產(chǎn)生由雜質(zhì)引起的爆孔等現(xiàn)象，進而避免此類缺陷。在小批量生產(chǎn)時，可以采用酒精擦拭零件表面，同樣可以達到激光清洗的效果。

2.壓裝：對于此類傳動部件，為確保動力的輸出可靠，需要對焊縫相對于兩個零件中線的偏移量有嚴格的規(guī)定，一般為0.01mm，而且激光束聚焦后的聚焦光斑很小,能量的傳輸面積小，所以焊縫需要有很高的精度定位要求,否則零件會焊接失效，導致進入報廢流程。兩對接平面之間高度差太大，則會使激光束的能量大量反射出去,影響焊接的深度和均勻性，而且兩零件的平面在機械圖紙中，往往有精度要求，故需焊接的幾種零件往往采用是過盈配合，清洗后的零件通過壓裝工序加工（壓裝是通過壓機把需要焊接的兩個零件壓配后緊密結(jié)合在一起），而在壓裝后，一般要求平面差小于0.01mm，端面跳動小于0.02mm。

3.預熱：為了有效改善焊接裂紋，根據(jù)零件材料及加工狀態(tài)及激光器種類，部分零件需要在焊接前對焊縫附近進行預熱，使零件的焊縫附近在焊接時能達到特定溫度，特別是對含碳量高或經(jīng)過熱處理滲碳淬火后的零件。該工序一般采用中頻加熱裝置，該裝置以非接觸式加熱，在3s內(nèi)可以把零件由常溫加工至150℃-250℃，節(jié)省節(jié)拍。

4.激光焊接：采用固體光纖激光器或者CO2氣體激光器對變速器內(nèi)回轉(zhuǎn)類零件進行焊接，為了滿足焊后的高精度要求，焊接工藝采用小功率分段預焊一圈之后再大功率深熔焊一圈，此過程往往配以Ar氣為保護氣體。CO2氣體激光器焊接產(chǎn)生的飛濺較小，且不易產(chǎn)生裂紋缺陷，但光路及激光器維護復雜，固體光纖激光器產(chǎn)生飛濺較大，激光由光纖傳輸，光路及激光器維護簡單。

5.焊后除渣：雖然在焊接過程中，除焊縫附近區(qū)域，增設(shè)了焊接保護，不會掉入焊渣，同時還設(shè)有抽吸除塵裝置，吸走大部分焊渣和焊接灰塵，但是焊縫部分無法設(shè)計防護，會掉入焊渣，還會產(chǎn)生氧化皮附著在表面，需要后續(xù)工序清除焊縫附近的氧化皮和焊渣，故有此設(shè)計焊后除渣工序。除渣靠固定零件的卡爪與焊縫接觸的刷頭反向快速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)零件焊縫位置的除渣工作。該工位下方設(shè)有焊渣收集機構(gòu)，實現(xiàn)焊渣收集的功能，達到設(shè)備干凈整潔的目的。

6.激光打標：除渣完成后，可以進行激光打標，在零件表面雕刻DataMatrix（工業(yè)用）碼，可以為生產(chǎn)提供溯源功能，同時具有保密性。

7.焊后檢測：一般將焊縫切開進行顯微觀察，用以確定熔深及熔寬是否達到要求，熔深還可以配備PRECITEC的IDM進行非破壞性的在線檢測，也能采用超聲波探傷檢測，確定焊縫內(nèi)部有無裂紋缺陷。目視檢查要求零件表面無飛濺，無劃傷，焊縫表面平順，無凹陷等缺陷，也可以通過視覺自動檢測焊縫表面質(zhì)量。

在焊接過程中，一些功率參數(shù)對焊縫質(zhì)量和焊縫尺寸起著決定性作用：

功率密度：是激光焊接中關(guān)鍵的參數(shù)之一,它與激光器輸出功率成正比,與有效光斑直徑的平方成反比。激光焊接與激光功率密度密切相關(guān)，一般當激光功率密度不高于106W/cm2時,激光焊接屬于熱傳導焊接的范疇,激光功率密度高達106W/cm2時，材料蒸發(fā)速率很大，高壓蒸氣的壓力使熔池下凹形成小坑；繼續(xù)作用使小孔加深，直到金屬蒸氣的壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力達到平衡而成一穩(wěn)定深度的小孔——“小孔效應”。激光束沿小孔壁進入孔底，可得很大的焊接深度。小孔是一個溫度特別高的吸收源,熱量從小孔向周圍傳遞,從而在小孔周圍形成一個稱之為熔池的熔化區(qū)。隨著光束相對工件的移動,熔化的金屬充填小孔、固化而形成焊縫?！靶】仔迸c激光功率密度密切相關(guān),功率密度越低,“小孔效應”越不穩(wěn)定甚至無法形成,熔池也小。為了使焊接后的零件能傳遞較大的扭矩,就必須使焊縫強度高于母材強度，也就是進行深熔焊接。但在高功率激光深熔焊接過程中，會在熔池上方產(chǎn)生等離子體，它會對入射激光產(chǎn)生吸收、散射和反射等現(xiàn)象，大大衰減了入射激光的能量——“等離子體屏蔽效應”。可以通過用輔助吹氣（Ar，He，N2，CO2等）抑制等離子體。

焊接速度與激光功率共同影響著焊接區(qū)域的熱輸入,因而對焊縫的形狀和尺寸有較大的影響。深熔焊接時,在一定的激光功率下,焊接熔深幾乎與焊接速度成反比。焊接速度越快,越難以形成“小孔效應”,以致金屬未熔化和自淬速度過快,焊縫強度降低,而且焊縫中的有害氣體如N2，H2，O2及CO來不及逸出，使焊縫內(nèi)部氣孔增多，容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，影響抗彎強度和焊縫外觀。所以，確定焊接速度的上限是為了防止金屬未熔透和自淬速度過快以致不能流動和融合。否則，熔化金屬會趨向與僅沿著被焊工件頂端形成焊珠；而焊接速度過慢時，過量的熱傳導引起的焊道向側(cè)向擴展，熱影響區(qū)過熱而擴大，焊縫金相組織晶粒粗大，有時還會產(chǎn)生裂紋，嚴重影響了焊接質(zhì)量，但當焊速到達低限時，過多的功率吸收還會引起局部蒸發(fā)損失，出現(xiàn)凹陷，同時增加了零件制造的時間成本。

作用于工件表面的激光功率密度除了和激光束的焦斑功率密度有關(guān)外,還取決于工件表面與焦斑的相對位置(離焦量)。當焦平面位于工件表面之上時稱為正離焦,反之為負離焦。離焦量越大，作用在零件表面的光斑直徑越大，能量越分散，越容易形成熔寬較寬、熔深較淺的小深寬比焊縫；反之，零件表面的光斑直徑越小，能量越集中，越容易形成熔寬較窄、熔深較深的大深寬比焊縫。變速箱內(nèi)回轉(zhuǎn)零件的焊縫深寬比大部分在1.5:1至2:1之間。

神龍集團生產(chǎn)現(xiàn)場

目前，華工激光提供的解決方案包括：神龍集團齒輪激光焊接生產(chǎn)線、格特拉克集團雙聯(lián)齒輪激光焊接生產(chǎn)線、天汽模公司齒輪轂焊接生產(chǎn)線和藍黛傳動齒輪轂焊接系統(tǒng)等。

神龍集團齒輪激光焊接生產(chǎn)線：該生產(chǎn)線包括自動化搬運、自動壓裝、自動焊接及上下料庫工位。環(huán)形料道的齒圈與上料庫中的齒環(huán)經(jīng)過右桁架搬運機械手夾取搬運至壓機待料工位，壓機轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)搬運齒圈、齒環(huán)進入壓機工位壓裝，壓裝后壓機轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)搬運齒輪至壓機下料工位，由左桁架搬運機械手夾取搬運至雙工位焊機待料工位，焊機轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)180度搬運齒輪進入焊接工位進行焊接，焊后焊機轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)180度搬運齒輪至焊后下料工位，由左桁架搬運機械手夾取搬運至成品下料庫，便于下料。壓機和成品下料庫之間還設(shè)有廢料落料架，便于壓裝或焊接后的不合格品下料，用于區(qū)分合格品和不合格品。

該生產(chǎn)線采用德國ROFIN的CO2氣體激光器，產(chǎn)線待料位還配備視覺檢測系統(tǒng)進行防錯，確保所選擇的程序與需焊接產(chǎn)品相對應，避免人為的操作失誤導致設(shè)備故障或來料報廢狀況的發(fā)生。該條產(chǎn)線的所有搬運動作都在同一條線上，其它工位分布在搬運桁架兩側(cè)，各工位獨立工作，互不干擾，節(jié)省節(jié)拍。

格特拉克集團雙聯(lián)齒輪激光焊接生產(chǎn)線：該生產(chǎn)線包括搬運機器人、焊前清洗、自動壓裝、自動焊接及焊后除渣工位。兩個上料道的齒環(huán)和齒圈分別由清洗機的機械手和搬運機器人搬運至清洗工位進行激光清洗，齒環(huán)和齒圈清洗后分別由壓機的機械手和搬運機器人搬運至壓裝工位進行壓裝，壓后由搬運機器人搬運齒輪至焊接工位焊接，焊后則由搬運機器人搬運齒輪至焊后除渣工位進行自動除渣操作，除渣完成后，由搬運機器人搬運齒輪至成品下料道下料。除渣工位旁還設(shè)有廢料落料架，便于機器人對壓裝或焊后的不合格品下料，用于區(qū)分合格品和不合格品。

該生產(chǎn)線采用德國ROFIN的光纖激光器，產(chǎn)線上料位還配備視覺檢測系統(tǒng)進行防錯，確保所選擇的程序與需焊接產(chǎn)品相對應，避免人為的操作失誤導致設(shè)備故障或來料報廢狀況的發(fā)生。該產(chǎn)線采用環(huán)形分布，極大地提高了機器人的利用率，各工作站結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，各工作站獨立工作，互不干擾。

天汽摸集團設(shè)備現(xiàn)場

天汽模集團齒輪轂焊接生產(chǎn)線：該生產(chǎn)線包括全自動桁架搬運、自動壓裝、預熱、自動焊接及激光打標等核心工位。產(chǎn)線采用左右雙線布局，兩條產(chǎn)線可同時上下料，兩條產(chǎn)線之間增設(shè)一條料道，用于過渡，可用于三個零件的一次焊接，自動化程度高。左側(cè)來料通過托盤上料，借助左側(cè)搬運桁架機械手搬運，經(jīng)過壓機、焊機，齒輪轂進入焊機后，再依次進入預熱、焊接工位，焊后通過左側(cè)搬運桁架機械手搬運至下料線進行激光打標與下料，若是三個零件的一次焊接，焊后則通過左側(cè)搬運桁架機械手搬運至中間過渡料線，與右側(cè)料線一起上料，依次在經(jīng)過壓裝、預熱、焊接加工，通過右側(cè)搬運桁架機械手搬運至右側(cè)料線打標、下料。整個過程皆是自動化，人工只需進行上下料操作，且產(chǎn)線還預留有除渣機與清洗機位置，客戶可根據(jù)實際情況增設(shè)清洗或除渣工位。產(chǎn)線上料位還配備視覺檢測系統(tǒng)進行防錯，確保所選擇的程序與需焊接產(chǎn)品相對應，避免人為的操作失誤導致設(shè)備故障或來料報廢狀況的發(fā)生。該產(chǎn)線采用環(huán)形分布，極大地提高了機器人的利用率，各工作站結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，各工作站獨立工作，互不干擾。

總結(jié)

●在現(xiàn)代汽車變速箱制造領(lǐng)域，激光焊接技術(shù)越來越重要。

●在高達十檔的自動變速器及雙離合自動變速箱的開發(fā)過程中，工程師們的創(chuàng)造力沒有極限。

●緊湊的結(jié)構(gòu)上需要承受的轉(zhuǎn)矩越來越大，因此常常出現(xiàn)鋼板成型件和軸類件組合在一起的形式，它們通過激光焊接變形很小。

●激光能量的好處是它的能量密度極高，受熱影響的關(guān)聯(lián)區(qū)域有限。

●通過透鏡可使激光照射源應用非常靈活，如點焊、線焊、深度焊，可同時對多個工件部位進行焊接。

●鑒于用光纖導光很容易，在華工激光奧凱系列齒輪激光焊接設(shè)備上基本全部采用固體激光器。固體激光在光束質(zhì)量、功率和壽命等方面表現(xiàn)突出。