齿轮束焊主要涉及激光束焊接、电子束焊接，两者同为高能束焊且焊缝同属熔合焊缝;目前齿轮激光束焊 / 电子束焊是车用变速器承载齿轮与结合齿进行连接的一种主要方法，此种方法的使用范围很大，应用场景很多。以齿轮束焊进行零件连接代替花键连接结构 常应用于结构布置紧凑的零件，生产效率高，成本低。在该技术的开发应用过程中，焊缝缺陷时有发生，直接影响齿轮总成的使用寿命。针对焊接缺陷的防治，在生产过程中显得尤为重要。本文以激光焊接为例，从齿轮束焊焊缝质量尺寸要求，齿轮束焊焊缝主要常见缺陷种类及防治措施并结合某变速器总成齿轮焊接失效实例分析、验证等方面进行分析研究，为后续解决焊接失效问题提供改 进方向。
一、变速器齿轮束焊焊缝尺寸 / 形状要求
由于各个组合齿轮(结合齿与齿轮本体)所要承受的扭矩大小不一致，因此，焊缝的深度及宽度要求也要区别对待。总的原则：保证焊接强度(最大可承载档位扭矩可按公式 1、2 粗略估算，具体焊接深度以试验结果而定)的前提下，尽可能减小熔深及焊接宽度，减小焊接热影响区范围;焊接焊缝宽度一般应不大于 2.5mm;焊缝对中性要求一般不超过 0.1mm(焊缝对中性差，会导致焊接的有效深度不足，焊接强度降低)。
其中，τ 为许用剪切应力(Pa);A 为焊缝熔合面积，R 为焊缝配合半径，D 为焊 缝配合直径，H 为焊缝深度。
焊接工艺调试阶段，需要进行充分的工艺试验并剖切检查焊接的实物质量，确保焊缝深度、焊缝宽度符合图纸设计要求，验证符合要求后最终锁定焊接工艺参数。焊接后的焊缝表面要求不能有明显凹陷或凸起，同时焊缝应均匀连续，如图 1;激光束焊接和电子束焊接的焊缝剖切面形状类似，但激光束焊接后的熔合线形似抛物线比较平滑，同时焊缝根部过渡平顺(图 2)。如果两个焊接配合零件之间的配合间隙过大会导致焊接后的焊缝表面整体明显塌陷;如果两个焊接配合零件局部间隙过大会造成焊接后局部明显塌陷。根据焊接类零件设计经验，齿轮与结合齿焊接配合面应满足以下要求：1. 轴向定位配合面要求：齿轮定位端面不允许有翻边毛刺;齿轮定位端面粗糙度 Ra1.6、端跳 0.025。2. 径向压装配合面要求：径向配合公差 H7/n6;内孔和轴径粗糙度 Ra1.6、径跳 0.025;外径面需切碳层处理，单边硬车余量不低于热后有效硬化层深度(550HV1)要求上限的 1.5 倍。
二、齿轮束焊焊接缺陷分析及防治措施
在焊接过程中经常出现外部或内部的缺陷，本文主要介绍以下几种常见的焊接缺陷：气孔、裂纹、热影响区过热软化问题等。此外，影响激光焊接焊缝质量的因素还包括焊深不均匀、熔深及焊宽不满足设计要求，焊缝对中性差等。
气孔
焊接过程中，原本溶解在金属中的气体因冶金反应等因素的影响而析出，在金属熔融再冷凝时没有及时溢出熔池从而残留在金属中形成气孔缺陷。焊缝中的气孔会削弱焊缝的有效工作断面，同时导致应力集中，降低焊缝金属的塑性。焊接过程产生气孔的气体主要是氢和一氧化碳;氢气孔一般在焊缝靠近表面处;一氧化碳气孔位于焊缝内部。产生焊接气孔的原因很多，主要包括：母材中硫含量过高;焊接位置锈斑严重，清洁度不良，杂质多;焊接工艺规范及电流种类选取不合适等;针对产生的原因，制定相应的防治措施：控制母材含硫量;做好零件防锈处理，焊前清洗并烘干处理，保证清洁度及减少杂质;降低焊接冷却速度及焊接速度，保证合适的熔池存在时间，利于气体排出。
焊接裂纹
在焊接过程中所产生的裂纹是多种多样的，本文从产生裂纹的本质上主要介绍热裂纹、冷裂纹的产生机理及防治措施。
热裂纹：高温条件下容易导致热裂纹的产生，热裂纹的典型特点是沿着原奥氏体的晶界展开;产生热裂纹的形态，温度区间和主要原因由于原材料成分及工艺参数的不同而不同。目前，避免热裂纹产生的防治措施主要从两方面着手：1. 原材料冶金方面，控制杂质元素的含量，主要是限制硫、磷、碳、镍等的含量(此类元素可形成低熔点共晶，而且互相促进偏析);2. 焊接工艺方面，一般采用焊前预热，焊间使用合适的线能量，焊后缓冷，减缓冷却速度。
冷裂纹：冷裂纹是焊接生产中较为严重且发生概率较高的一种裂纹，往往在焊后冷却到较低的温度(钢的马氏体转变温度附近)下产生，产生部位通常位于焊接热影响区范围内。产生冷裂纹的主要影响因素包括过大的拘束应力以及热影响区容易产生淬硬组织(冷裂倾向大)。其中，拘束应力分类情况：冷却过程中的热应力;不均匀加热产生的热应力;金属结晶、相变时由于体积的变化而引起的组织应力;结构自身拘束条件(结构的刚度、焊缝的位置、焊接的顺序、构件自重以及夹具的松紧程度等)所造成的应力。
钢的淬硬倾向主要取决于化学成分，其中碳含量影响最明显，通常根据碳当量来估算钢的冷裂敏感性(适用于部分合金，国际焊接学会推荐的碳当量计算公式参照公式 3)，当碳当量大于 0.4%，尤其是超过 0.6% 时，淬硬倾向大;在焊缝热影响区易产生大量高碳粗大马氏体组织并伴有晶格缺陷，脆硬性大，再加上冷却速度过快的话，更容易产生裂纹;在齿轮材料特定的情况下，可以通过焊前预热，焊间控制热输入 --- 减小温度梯度，焊后缓冷 / 紧急热处理 (降低冷却速度，减小 / 消除焊接应力，提高抗裂纹性能)，来避免冷裂纹的产生。
焊接热影响区过热软化问题
除了前述冷裂纹(高碳马氏体脆化)通常发生在热影响区范围，焊接热影响区涉及的另一主要问题为：热影响区高温过热导致组织回火软化，强度降低，但热影响区过热导致材料组织回火后强度降低，因焊接后无法再调质处理而无法解决强度降低问题。为解决焊接热影响区过热产生的问题，理想的焊接热循环应是短的高温停留时间、慢的冷却速度;在定义焊接工艺参数时，在满足焊接质量要求的前提下，应尽量考虑采用小的线能量，短的受热时间，控制高温热影响区温度在回火温度以下至少 50 摄氏度。
三、焊接热影响区过热问题案例分析
故障问题描述
售后市场反馈某变速器总成存在行驶及怠速异响问题，行驶里程公里数不等;针对返回的问题故障箱进行拆解发现，某档位从动齿总成内孔表面有裂纹，进一步检查发现：内孔表面靠近焊缝处存在明显点蚀痕迹，如图 3。
失效原因分析
经金相理化检测发现，焊缝所对应的内孔位置 1 处的硬度及硬化层深数值明显小于 2/3/4 处(检测位置如图 4)，检测结果见表 1;同时结合扫描电镜断口分析，靠近焊缝一端的内孔表面有明显点蚀现象，且表面有明显的裂纹(图 5)。综合各方面因素分析研究，得出引起此次失效的直接原因为：齿轮在受力运转过程中，由于内孔表面硬度及硬化层深不达标，在与滚针接触作用下，产生点蚀现象，长期运转后，点蚀越发严重，继而引发裂纹，最终疲劳失效;导致问题发生的根本原因为：1. 设计焊深时仅考虑焊接强度未考虑焊接热影响，焊宽焊深过大且焊接热影响区过热(受齿轮结构限制，内孔壁厚偏薄，易受焊接热的影响)，大量的焊接热辐射引起附近内孔回火软化，导致靠近焊缝一侧内孔附近硬度降低，强度下降;2. 设计时未考虑规定热影响风险区域硬度检测要求，导致不合格零件流出。
措施验证效果及经验总结
根据原因分析，制定了对应的解决措施：1. 减小焊接热影响：焊深 3mmMin 改为 2-3mm，焊宽 2.5mmMax 改为 2mmMax;2. 焊接区域附近内孔表面增加理化检测要求。在焊接工艺充分验证完成后制作零件，完成了 2 台耐久及 1 台强化耐久(循环次数增加到 1.8 倍)，试验后进行拆解检测：样件显微镜检查内孔表面无点蚀、无裂纹。
通过对此案例的分析研究，总结齿轮与结合齿焊接结构主要参数设计优选原则：1. 焊接直径：在总成布置允许的前提下，优先按允许的最大焊接直径进行设计(有利于传递更大的载荷);2. 焊接深度：在满足理论焊接强度的前提下，应设计较小的焊深(有利于焊接工艺及其缺陷的过程控制)，同时规定焊缝深度公差 1mm 以内。3. 焊缝位置：焊接位置应避开硬化层深区域，同时要求远离零件功能区域如齿面、内孔等，避免焊接热影响对功能区域的硬 度、精度产生不利影响。
四、结束语
随着齿轮束焊在齿轮焊接加工中应用越来越广泛，尤其是在结构紧凑的齿轮总成零件上，焊接缺陷的防治显得越发重要。本文针对焊接质量尺寸形状要求以及主要缺陷的防治等方面进行了相关阐述，同时结合失效实例进行了分析研究及经验总结，说明了齿轮与结合齿焊接结构参数的设计准则，为后续设计齿轮与结合齿焊接结构 以及解决类似焊接失效问题提供了一种解决方法。
参考文献略.