某混合動力換擋撥叉焊接工藝選擇及焊接參數(shù)研究

劉寶，李凌翔，樊俊松

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201208）

0 引言

換擋撥叉是傳統(tǒng)變速箱一個關(guān)鍵的系統(tǒng)部件。其主要功能是執(zhí)行換擋選檔，直接影響車輛加速性能、換擋舒適性、振動噪聲性能及傳動效率?；贒CT、AMT設(shè)計的混合動力變速箱可實現(xiàn)多機械檔位與電動檔配合，加速性能優(yōu)異、節(jié)油效果明顯。換擋撥叉設(shè)計的好壞，影響變速箱整體性能及成本。焊接是撥叉的關(guān)鍵工藝，行業(yè)內(nèi)有成熟的氬弧焊、氣體保護焊，也有發(fā)展迅速的激光焊和傳統(tǒng)改良的CMT（cold metal transfer）冷焊。設(shè)計時，如何選擇焊接工藝，是擺在設(shè)計者面前的難題。本文基于某混合動力的開發(fā)，介紹選擇合適的換擋撥叉焊接工藝的原則及方法，并研究焊接參數(shù)對焊縫強度的影響。

1 換擋撥叉焊接簡介

某混合動力換擋撥叉的設(shè)計方案為精密沖壓并通過焊接成型，可實現(xiàn)大批量生產(chǎn)時成本低且強度高；其結(jié)構(gòu)及焊接部位如圖1所示。換擋撥叉由4個撥叉組成，每個撥叉由幾個零件焊接而成，如圖1中Part1有4個零件焊接而成。撥叉焊接中有平焊和角焊2種，如圖2～3所示。

2 焊接工藝方案選擇

2.1 焊接工藝比較

目前換擋撥叉可選的焊接方案有4種：氬弧焊、CO2保護焊、激光焊和CMT焊。需要選擇1種合適的焊接方式，滿足換擋撥叉的設(shè)計技術(shù)要求。4種焊接工藝原理、特點及應用簡要介紹如下。

氬弧焊：焊絲通過絲輪送進，使用導電嘴導電，在焊件與焊絲之間產(chǎn)生電弧，使焊絲和焊件熔化，采用惰性氣體氬氣保護電弧和焊件進行焊接，屬于MIG （melt inert?gas welding） 焊。焊接過程中焊件不會被氧化，具有焊接參數(shù)穩(wěn)定、焊件變形小、焊接質(zhì)量好、生產(chǎn)效率較高等特點。適用于多種材料焊接，廣泛運用于汽車、化工、機械等行業(yè)。

CO2保護焊：CO2保護焊的基本工藝原理同氬弧焊，但采用CO2氣體作為保護氣參與焊接。焊接變形小，焊接速度快、生產(chǎn)效率高，焊接成本低；但焊接時產(chǎn)生的飛濺較大是CO2保護焊的主要缺點。CO2保護焊也適用于多種材料焊接，在汽車、化工、機械等行業(yè)得到廣泛使用。

激光焊：以聚焦的激光束作為能源轟擊并融化焊件進行焊接，根據(jù)功率密度的大小分為熱傳導焊接 （功率密度＜105W／cm2）及深熔焊接 （功率密度≥105W／cm2）。深熔焊時，焊件表面在光束作用下溫度迅速上升到沸點，迅速蒸發(fā)形成蒸汽壓力及反沖力克服熔融焊件的表面張力及液體的靜壓力形成小孔，使激光束可直接深入金屬內(nèi)部，形成深寬比大的焊縫［1］。本文的激光焊是指深熔焊。激光焊能量集中，焊接效率高、加工精度高、焊接深寬比大、熱影響區(qū)小、可達性較好、自動化程度高、焊縫美觀；但設(shè)備投入高且不適用高反射率材料（如銅、鋁等）的焊接；適用于車頂蓋、車架、車身結(jié)構(gòu)件 （包括車門、車身側(cè)圍框架、立柱等）、齒輪等焊接。

CMT焊：其熱量輸入比普通的GMAW （gas metal arc welding）焊要低得多，屬于電弧焊的一種。CMT焊的冷金屬過渡技術(shù)是在短路過渡基礎(chǔ)上開發(fā)的，但同普通GMAW不同的是，送絲不是一成不變的往前送，焊絲不僅有向前送絲的運動，而且還有往回抽的動作。CMT焊特點是焊接熱量輸入低、變形小、快速引弧、極少的飛濺、更快的焊接速度、弧長控制更精確、電弧更穩(wěn)定、焊接質(zhì)量好、可以實現(xiàn)超薄板焊接［2］；適用于外觀質(zhì)量要求高的零件、薄板、鋼鋁異種金屬等焊接。

4種焊接方法的相關(guān)指標如表1所示。

表1 焊接評價指標

2.2 方案確定

首先，采用普氏分析方法進行比較。普氏分析法又叫決策矩陣，是由斯圖爾特·普提出。其根據(jù)一系列的評價標準，評估若干個方案，按照標準對每個方案進行評價，從若干個可行方案中選出最優(yōu)方案或者得到更優(yōu)的新方案。

第1輪以CMT焊接作為基準，從強度、質(zhì)量、效率、成本幾個維度與其他3種焊接方式進行比較，結(jié)果如表2所示。表中 “＋”代表優(yōu)于基準，“－”代表差于基準，“S”代表與基準相當。由表2可見，與CMT焊接基準相比，激光焊在強度、變形、焊接速度上有優(yōu)勢，∑＋為3，設(shè)備投入不如基準，∑－為1，焊縫質(zhì)量相當，∑S為1。氬弧焊、CO2保護焊，只有設(shè)備投入上有優(yōu)勢。故第1輪激光焊方案勝出。

表2 第1輪普氏分析

第2輪普氏分析，以激光焊作為基準進行比較，結(jié)果如表3所示。由表3可見，與基準相比，氬弧焊、CO2保護焊，只有設(shè)備投入上有優(yōu)勢，其他不如基準；CMT也僅在設(shè)備投入上有優(yōu)勢。激光焊強度最高、焊接效率最高、焊接變形小、焊接外觀美觀、內(nèi)部質(zhì)量好；雖成本略高，但從本項目成品合格率、質(zhì)量管控、產(chǎn)量、供應商現(xiàn)有工藝等綜合評估，最終成本差異不明顯，故最終選擇激光焊作為本項目換擋撥叉焊接方案。需要特別注意，普氏分析的思想不僅限于對當前幾個方案進行對比，選擇最優(yōu)，而是在于能夠把多種概念結(jié)合，取長補短，找到比初始方案更好的方案。

表3 第2輪普氏分析

3 焊接參數(shù)研究

3.1 研究范圍

激光焊的質(zhì)量是由激光發(fā)生器類型、激光傳輸聚焦系統(tǒng)、機械人手臂的精度、焊接順序、夾具精度、焊接調(diào)整參數(shù)等決定的。其中激光設(shè)備、夾具因素控制受很多條件限制，在設(shè)備選定的情況下，可以調(diào)整的參數(shù)是實際使用功率、焊接速度、離焦量等。

對換擋撥叉的平焊和角焊參數(shù)分別進行研究，選擇適合這2種不同焊接方式的最優(yōu)焊接參數(shù)：使用功率、焊接速度和離焦量。

3.2 評判指標

根據(jù)本項目的換擋拔叉設(shè)計要求，以熔深及分離力作為考核換擋拔叉焊接強度的指標，具體指標如表4所示。

表4 焊接評判指標

3.3 研究方法

應用田口法的非動態(tài)響應進行研究。田口法是由日本田口玄一博士提出的一套試驗方法。其基本原理是通過控制可控因素的水平和配合，使產(chǎn)品和工藝對噪聲因素的敏感程度降低，從而使噪聲因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響作用減少和消除，以實現(xiàn)提高和穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的目的。噪聲因素是指影響系統(tǒng)響應但不受控的因素。3個控制因子分別為使用功率、焊接速度、離焦量。為簡化試驗，每個控制因子選擇3個水平，如表5所示。使用功率、焊接速度、離焦量的因子水平分布數(shù)值是在初步調(diào)試的參數(shù)基礎(chǔ)上設(shè)定的。響應因子為熔深。焊件含碳量作為噪聲因子N，選擇2個水平，分別為含碳量為0．24～0．30 的 27MnCrB5 （N1） 和含碳量為 0．17 ～0．24的20鋼 （N2），如表6所示。采用正交試驗進行研究。正交試驗按L9正交列表試驗模型進行，如表7所示。N1和 N2的熔深 Y1（y1，j） 和 Y2（y2，j） 需要通過正交試驗獲得。

表5 控制因子及水平

表6 噪聲因子及水平

表7 L9正交列表試驗模型

3.4 試驗數(shù)據(jù)

按正交列表順序進行焊接試驗，得到平焊及角焊2個正交列表數(shù)據(jù)，如圖8～9所示。在各組確定的參數(shù)條件下，得到了N1和N2的焊接深度即熔深Y1和Y2。根據(jù)熔深試驗值，從強度最大化考慮 （屬于望大特性），分別計算熔深均值M及信號與噪聲之比 （信噪比）S：

式中：Mj為正交試驗中第j列的熔深均值，mm；Sj為正交試驗中第j列的信噪比，dB；n為噪聲因子水平數(shù)量，為2；yi，j為第i組第j列熔深，mm。

例如， 平焊第1組，n為 2，y1，1為3．62 mm，y2，1為3．82 mm， 得M1為3．7 mm，S1為11．4 dB。

計算結(jié)果見表8～9。

表8 平焊數(shù)據(jù)

表9 角焊數(shù)據(jù)

3.5 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表8～9中的M值及S值，計算每個控制因子水平的平均影響，即對每個控制因子水平所對應的M及S值進行平均，得到每個控制因子水平下的平均熔深均值和平均信噪比，如表10～11所示。

表10 平焊數(shù)據(jù)

表11 角焊數(shù)據(jù)

根據(jù)表10～11中的數(shù)據(jù)，把因子列作為X軸，平均熔深均值及平均信噪比作為Y軸，分別繪制平焊及角焊的平均熔深均值響應點圖及平均信噪比響應點圖，如圖4及圖5所示。

3.6 最優(yōu)參數(shù)確定

最優(yōu)控制因子選取原則為：如果因子影響信噪比，選擇最大化信噪比的因子設(shè)定；如果因子只對熔深 （性能）均值有影響，選擇對性能最有利的因子設(shè)定；如果因子對穩(wěn)健性和性能均值都沒有影響，選擇最便宜、最簡單或者風險最低的因子設(shè)定。對于平焊及角焊，B因子焊接速度對S／N及Mean值影響最大，A因子使用功率其次，C因子離焦量影響較小，可忽略。從S／N及Mean值最大化考慮，最佳參數(shù)選擇A3、B1，從平焊及角焊的主要影響因子A、B選擇一致考慮，且從焊接便利性出發(fā)，平焊及角焊的因子C都選擇C3，故最終選定最優(yōu)的參數(shù)組合為A3、B1、C3，即：使用功率 3．8 kW， 焊接速度 0．02 m／min， 離焦量 208 mm。

4 試驗驗證

按照選定的最優(yōu)參數(shù)進行驗證。焊接試驗安排如下：（1）平焊：27MnCrB5、20鋼分別焊接6個樣本，3個樣本進行焊接深度檢測，3個樣本進行分離力測試；（2）角焊：27MnCrB5、20鋼分別焊接6個樣本，3個樣本進行焊接深度檢測，3個樣本進行分離力測試。試驗結(jié)果如表12所示。由表12可見，選擇的最優(yōu)參數(shù)滿足設(shè)定的熔深及分離力要求。

表12 焊接驗證數(shù)據(jù)

由表12可見，部分分離力一致性有比較大的差異。這由于試驗過程中部分樣本起始及收尾部分存在缺陷所致，但不影響試驗結(jié)果。

5 結(jié)論

本項目換擋撥叉焊接工藝最終選擇激光焊接，焊接強度高、變形小、焊縫美觀、焊接效率高，符合新能源項目對換擋撥叉的要求。在選定參數(shù)范圍內(nèi)，焊接速度對熔深影響最大，焊接速度越小，熔深越大；使用功率影響其次，使用功率越大，熔深越大；離焦量影響很小，可忽略。本文工藝選擇及研究焊接參數(shù)的思路及方法，為其他零件提供了參考。但由于參數(shù)范圍選擇有限，針對其他具體案例可以選擇更多的因子水平及樣本量進行研究。