一、概述
小型化、轻量化以及换挡舒适感是汽车变速箱追求的目标，这也使得汽车变速箱内部零部件必须更加紧凑，由此也带来了齿轮零件加工的一些难题。根据设计的要求，一些汽车变速箱传动齿轮的结合齿与主啮合齿轮之间端面没有间隙或间隙很小，这样会造成结合齿的齿形加工或主啮合齿轮的齿形加工被另一部分所干涉，因此通常会把这两部分分开加工，加工后再焊接成组件来达到其使用效果。激光焊接技术具有高效率、低成本及高适用性等特点，目前被广泛应用于汽车变速箱齿轮与结合齿圈连接。汽车齿轮组件在使用过程中需要传递交变动力承载高负荷扭矩，因此优良稳定的焊缝质量是避免齿轮组件早期疲劳失效的关键因素之一。齿轮组件在使用过程中出现早期脱焊失效主要是由于焊缝存在以下缺陷所致：虚焊、微裂纹、气泡、焊缝组织不良以及有效焊接熔深不足等。而影响焊缝质量的因素主要有：光束质量(能量、光斑尺寸和模式、波长、偏振等);焊接特性(焊接速度、聚焦位置、接头几何尺寸、间隙等);保护气特性(成分、保护方式、压力、流速等);材料特性(成分、表面状态等)。本文就优化焊接前工件表面清洁度、焊接过程中保护气体流量、焊接收弧阶段等过程参数，从而得到优良可靠的焊缝质量进行了研究。
二、试验材料与设备
某主动齿轮母体材料为 20MnCr5 ，配对齿圈材料为 16MnCrS5 ，材料成分符合 EN10084标准要求。主动齿轮主要工艺流程：锻造成形→等温正火→精车→齿形加工→超声波清洗→压配→焊接;配对齿圈主要工艺流程：冲压成形→正火→超声波清洗→压配→激光焊接。齿轮和齿圈采用过盈配合，过盈量控制在0.01~0.03mm，经激光焊接后成为齿轮组件(见图1);焊接参数见表1。
焊接前清洗采用超声波振洗烘干，清洗后表面清洁度采用达因笔表征;激光发生器为德国 Rofin-Sinar公司生产的CO2轴流式激光器，功率0~5kW可调;焊接过程中采用纯度为99.99% 的氩气作为保护气;焊接后工件内部缺陷采用超声波探伤仪进行检测，能准确识别微米级以上气孔;焊缝横断面金相试样经过镶嵌、预磨、抛光和腐蚀等工序后，采用蔡司金相显微镜进行观察，腐蚀试剂为4%的硝酸酒精溶液。
三、结果与分析
(1)表面清洁度对焊缝质量影响采用表面张力测试笔(以下简称达因笔)来检测工件表面清洁度。达因笔能够分析出不同固体的表面能、亲水性、润湿度等微小变化。测试时，首先选择一个中间值测试笔作起点，如果在2s内测试笔润湿基材表面，那么需要选一更大值的测试笔进行第二次测试，以此类推，直到测试结果在2s内改缩成水珠状，则这次测试之前一次的值就被视为基材的表面能，并以此作标准比较(见图2)，达因等级数值越大，表示清洁度越高。该方法直观便捷，适合大批量生产过程控制。
图3是表面清洁度符合不同达因等级得到的工件焊接表面状态。清洁度符合达因等级≥36 要求的工件焊接后外观无明显缺陷，焊道均匀，焊缝表面呈现典型的鱼鳞状;但清洁度仅符合达因等级32要求的工件焊后表面有轻微气孔;清洁度小于达因等级 28的工件焊后表面存在大量气孔，部分气孔连在一起成为链状气孔，且焊道有焊瘤。这是因为被焊接面经过前面多工序加工，在工件表面残留有油污、水分或灰尘等污染物，这些污染物在焊接时会产生以下不良后果：焊接时焊道上存在的污染物汽化从熔池中溢出，导致大量的飞溅从而在工件表面留下表面气孔或焊瘤;二是来不及溢出的水气或油气在焊缝内部产生大量气孔。
图4显示了不同表面清洁度 条件下焊后检测趋势。最大单缺陷L 单指表示圆周方向长度最大的缺陷，L 单=L单/(2πR)×100%;累计缺陷L累指累计内部单缺陷长度之和，L累=L累/(2πR)×100%;R为焊缝半径。图4中检测结果显示，符合清洁度对焊接接头质量影响规律：清洁度越高，缺陷越少，在本试验条件下清洁度符合达因等级36号及以上时，气孔和飞溅可降为0。结合图3和图4结果分析，生产过程控制可采用36号达因笔来严格控制齿轮组件焊前表面清洁度。
(2)保护气体流量对焊缝质量影响焊接试验采用纯度为 99.99%的氩气、单向侧吹方式进行保护。采用惰性气体进行焊接保护主要基于两个目的：一是焊接过程中处于非真空状态，由于焊缝区受热高温容易被空气氧化从而导致力学性能恶化，合适流量的保护气可防止焊缝表面被氧化;二是保护激光聚焦系统免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射。氩气比较便宜且密度大，保护效果较好;但氩气在高温受热时同样容易电离形成等离子体可能屏蔽部分光束能量对焊缝质量不利。
焊缝表面形状在一定程度上可反映焊接工艺的合理性及焊缝的可靠性。焊缝的表面形态主要考察焊缝平整性、连续性、宏观气孔与裂纹等方面。图5显示了不同保护气流量条件下得到的焊接表面状态，从图5中可以看到：过小的保护气体流量防护效果不佳，焊缝表面有链状气孔且焊道烟尘多;氩气流量为10L/ min时，焊接表面连续、平整，无宏观裂纹;保护气体流量在 20L/min以上时，焊接出现链状气孔、焊瘤，焊瘤金属流向与氩气吹气方向相似。
焊接金相解剖检测氩气流量对焊接指标的影响得到如图6 所示趋势图。图中显示随氩气流量的增大，有效焊接熔深减小、接熔池向一侧发生偏移越多;但氩气流量对焊接堆高、各区显微硬度影响甚微。这可从以下机理得到解释：当氩气流量小于 30L/min时，由于氩气电离程度较大，一部分自由电子通过吸收光子能量而被加速，在本试验条件下，激光能量密度在6×106 W/cm2 以上，有足够的能量使其电离从而电子密度便雪崩式增长形成致密等离子体，氩气流量越大，致密等离子体密度越高。由于等离子体云位于熔池上方的激光传输通道上，它对激光会产生折射、散射及吸收。致密的等离子体通过吸收和散射激光，使入射到工件的激光能量减少，导致熔深变浅;另外，由于等离子体对激光的折射，改变了激光能量在工件上的作用区，使焊缝整体偏移;当氩气流速在30L/min以上时，焊缝偏移主要源于流速过大吹动熔融金属偏向一侧。
另外，显微硬度的影响主要来自于冷却速度，在焊接功率和焊接速度不变的情况下，可能过冷度变化微小，组织无明显差异。图7为焊缝组织，可以看到熔合区板条状马氏体和少量的残余奥氏体;热影响区组织主要为板条马氏体和少量铁素体;基体组织正火态片状珠光体和铁素体。
(3)焊接收弧对焊缝质量的影响激光焊接原理是通过高能光束在极短时间内使加热区金属汽化，从而在液态熔池中形成匙孔，当工件相对于激光束移动，液态金属在小孔后方流动、凝固形成焊缝。在焊接收弧阶段，由于匙孔底部金属蒸发产生的大气泡不能及时排出而留在熔池，同时金属汽化蒸发熔融金属补充不足形成塌陷，甚至底部冷却过快金属补充不足导致裂纹出现等。有文献指出，典型的能量下降可以在0.3~0.5ms内把激光能量从焊接功率降低到最低值，但要获得理想的匙孔坍塌形状，就必须优化能量下降时间和下降速度来控制匙孔坍塌引起的局部咬边并消除气泡。焊接速度、激光功率及焊接长度是影响能量下降的因素。焊接功率与合适的焊接速度存在以下关系：
基于本文试验材料，结合工业化生产效率的需要，在其他工艺参数不变的情况下，我们设计了焊接收弧工艺进行验证见表 2。结果表明：焊接速度分三段梯次加快，焊接功率分三段梯次降低有利于得到更优的焊缝质量;焊接速度过快或焊接功率下降过大均不能得到理想的焊接效果。有研究表明，熔池底部产生的较大气泡并非完全依靠上浮力排出熔池，而是靠金属的流动逐步向表面带出熔池。因此焊接收弧阶段，分阶段提高焊接速度、减小焊接功率来逐步降低焊接能量可以实现：一是金属流动趋向表面利于排气;二是能量降低减少蒸发损失，消除凹陷。
焊接速度过快、焊接功率不足会导致工件能量吸收不够，难以形成“小孔效应”，以致金属未熔化和自淬速度过快，不仅熔深不够、强度降低，而且焊缝中的气体来不及逸出使焊缝气孔增多;而焊接速度过慢、焊接功率大时，过量的热传导引起焊道向侧向扩展，不仅热影响区过热、扩大、焊缝金相组织晶粒粗大，有时还会产生裂纹，而且焊接速度到达低限时，过多的功率吸收还会引起局部蒸发损失，出现凹陷。
四、结语
为获得良好焊缝状态，在本试验条件下，通过优化焊接工件表面清洁度、焊接过程保护气体流量以及焊接收弧阶段能量下降等工艺参数，可显著减少焊接缺陷，如气孔、飞溅、内部裂纹等的产生。
(1)焊接前工件表面清洁度越高越好，用达因笔来表征，必须符合达因等级36以上要求。
(2)在一定条件下保护气氩气流量与焊接熔深成反比，但对焊接组织影响甚微。在本试验条件下氩气流量应控制在10～ 15L/min为宜。流量过小起不到保护作用;流量过大容易导致焊缝偏移且成本增加。
(3)零件整圈焊接完成后，用阶梯式降低能量进行收弧：焊接速度分三段梯次加快及焊接功率分三段梯次降低。
参考文献略.