电子束焊接在变速器齿轮总成上的应用

李春美

（中国重汽集团大同齿轮有限公司，山西 大同 037305）

引言

齿轮总成是变速器总成中传动机构的关键部件，其主要作用是传递扭矩并通过齿轮副形成不同的传动比，从而实现变速器输出转速的变化。一般的齿轮总成是由齿轮和锥环2个零件连接而成。因为要传递扭矩，这2个零件的连接可靠性要求高，故常用的连接方式为花键连接和焊接［1］。在大批量生产过程中，花键的加工工艺复杂，成本高，故焊接成为齿轮与锥环连接的主要方式。电子束焊作为一种高新焊接技术，在该行业得到广泛应用。

1 电子束焊接的基本原理

电子束焊接是熔化焊的一种，利用加速和聚焦的电子束轰击置于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接，其基本原理是电子枪中的阴极由于直接或间接加热而发射电子，该电子在高压静电场的加速下再通过电磁场的聚焦就可以形成能量密度极高的电子束，用此电子束去轰击工件，巨大的动能转化为热能，使焊接处工件熔化，形成熔池，从而实现对工件的焊接。整个焊接过程中金属先熔化，再结晶。

2 电子束焊接的特点

1）一般不添加金属，无金属电极沾污，保证焊缝金属的高纯度。

2）表面平滑无缺陷，可防止难熔金属焊接时产生裂纹和泄露，热影响区小，几乎不产生变型。

3）热源能量密度大，熔深大，焊缝深窄，能单道焊厚件。

4）参数可在较宽范围内调节，控制灵活。

5）应用范围广泛，可用于微型电子线路组件的焊接，也可用于大型导弹外壳的焊接，以及异种金属、复合结构件的焊接等。

6）设备自动化程度高，操作简便，生产效率高。

3 电子束焊接的工艺流程及关键环节

以下页图1所示齿轮总成为例，工艺流程为：齿轮及锥环机加工→零件除油脱脂清洗→锥环与齿轮压装组合→焊接→超声波探伤→焊后齿轮总成热处理→热后加工。

零件焊前清洗是电子束焊接的关键环节之一。电子束焊接对焊前零件清洗要求较高。若零件清洗不干净，焊缝处存在油污等杂质，焊接过程中杂质会气化，产生气孔等焊接缺陷。杂质的存在还会影响焊接室的真空度，严重时会使设备进入保护状态，中断焊接。常用的清洗方法有丙酮清洗、三氯乙烷加热等，生产厂家根据焊接零件的不同以及清洗剂、成本等自行制定清洗工艺。

电子束焊接对焊缝的配合也有一定的要求。一般采取过度配合，最大过盈量和最大间隙不超过0.03mm。过盈量过大，约束应力大，焊后残余应力也大；间隙过大，焊缝区易产生塌陷，甚至会发生电子束穿越焊缝层，打伤产品。

当被焊接零件含碳量较高，焊缝碳含量超过0.5%时，直接焊接会导致焊缝开裂。故高碳含量零件焊接时，一般采用焊前预热焊后保温的方法，防止焊缝产生收缩裂纹。

图1 采用电子束焊接的齿轮总成

4 电子束焊接设备

4.1 电子束焊设备分类

电子束焊接设备有许多种，按照真空室压力分类可分为：高真空电子束焊机、低真空电子束焊机和非真空电子束焊机；按焊件在真空室中的位置可分为全真空电子束焊机和局部真空电子束焊机；按照电子束加速电压分类可分为：高压型电子束焊机、中压型电子束焊机和低压型电子束焊机；按照电子枪固定方式分类可分为动枪式电子束焊机和定枪式电子束焊机等。但是，在实际应用中，非真空电子束焊机并不常见，国内大多为真空电子束焊设备。

4.2 真空电子束焊设备的构成

真空电子束焊接设备通常由电子枪、真空系统、电源系统、真空焊接室、电气控制系统、工作台、旋转台和焊接夹具构成［2］。

电子枪是真空电子束焊接设备的核心部件，它是用以产生电子并使之汇聚成电子束的装置，主要由阴极、阳极、栅极、聚焦线圈和偏转线圈等组成，分为静电和电磁两部分。电子枪的稳定性、重复性直接影响焊接质量。

真空系统是用来对电子枪和真空焊接室抽真空的部件，大多使用低真空泵、油扩散泵或者涡轮分子泵。

电源系统，为电子枪提供加速电压、控制电压和灯丝加热电流，分阴极加热电源、聚束控制电源、阳极高压主电源、聚焦电源、偏转电源和焊件驱动电源六部分。

真空焊接室要求气密性好，且有观察窗口。观察窗口并非普通玻璃，通常加装一层铅玻璃作为防护，阻隔X射线对人体的伤害，外层加装钢化玻璃，有一定的刚度和强度，能够承受焊接室真空所带来的大气压力。

电气控制系统主要完成电子枪供电、真空系统阀门的程序启闭、传动系统的恒速运动、焊接参数的闭环控制及焊接过程的程序控制等功能。

工作台、旋转台和焊接夹具的正确安装及使用，对于焊接过程中电子束与接缝的位置、焊接速度稳定、焊缝位置的重复精度有重要影响。在实际应用中，通常采用固定电子枪，让工件做直线或旋转运动来实现焊接。

4.3 常用的电子束焊设备

变速器厂家常用电子束焊接设备为EBW系列齿轮电子束焊机，如EBW－6GB和EBW－4GB等。一般情况下，电子束焊接设备费用比电弧焊等常规焊接设备费用高。但在变速器生产厂家，因施焊零件状态相近，焊接批量大，采用电子束焊接可节省材料，焊接操作简单，废品率底，反而能有效降低成本。

5 结语

电子束焊接焊缝质量高，焊接精度高，生产效率高，废品产生率低，又能有效降低成本，非常适用于变速器厂家齿轮总成焊接生产过程。

［1］ 成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［2］ 柴文润.EBW系列汽车齿轮电子束焊机的电气原理及故障分析［J］.机械管理开发，2008（5）：49.