传动轴总成异种钢半轴激光焊接与冲击处理工艺性能研究

摘要

汽车轻量化已成为全球汽车工业发展的趋势，要求其同时兼顾汽车的质量、性能及价格。汽车传动轴总成半轴部分由异种钢空心管与实心轴焊接组成，能实现汽车成本与油耗降低等目的。目前，国内采用摩擦焊与CO2气体保护焊工艺焊接半轴时分别会产生飞边、接头变形与金属飞溅、熔化不均匀、气孔等缺陷。因此，研究其新型焊接技术对提高焊接接头的质量和传动轴总成的服役寿命具有重要意义。
　　本文针对目前传动轴总成异种钢半轴焊接方式存在的缺陷现状，提出半轴激光焊接与激光冲击处理工艺，开展了40Cr钢与45钢板材的激光焊接试验研究、异种钢焊接接头的激光冲击强化试验研究以及半轴焊接件扭转试验研究。主要研究内容如下:
　　首先，开展了40Cr钢与45钢板材的激光焊接工艺试验研究。基于激光焊接机理，研究了激光功率、焊接速度和离焦量三者与焊缝表面成形质量之间的关系，得到了最优工艺参数组合;在此基础上，对比分析焊接接头的组织性能与力学性能，评价最优工艺参数组合下接头的激光焊接性能。研究表明:在最优参数组合:激光功率4.2kW、焊接速度1.2m·min-1和离焦量-2mm时，焊缝表面成形质量良好;焊缝区与熔合区的显微组织都主要是马氏体;焊缝表面呈现高幅残余拉应力，横截面上显微硬度达到母材的2.5倍以上;焊件的抗拉强度达到587MPa，断口是延性断裂。
　　其次，探讨了激光冲击强化对异种钢焊接接头性能的影响。对异种钢焊接接头进行激光冲击强化处理，分析了冲击前后焊接接头的显微组织、残余应力、显微硬度以及拉伸性能的变化。研究表明:激光冲击能使马氏体发生碎化，细化晶粒;冲击后焊缝区与热影响区由原始的高幅拉应力分布变为压应力分布，且在三次冲击范围内表层深度方向分别形成0.8～1.0mm与1.0～1.2mm的有效强化层;表层的显微硬度和焊接件的拉伸性能都得到了提高。
　　最后，进行了基于激光焊接与冲击处理的半轴焊接件扭转试验研究。采用板件激光焊接的最优工艺参数组合进行半轴的焊接，对焊接接头进行激光冲击强化处理，研究了经过激光焊接和冲击的半轴焊接接头的最大扭矩。研究表明:半轴焊接件的表面成形质量良好，焊缝区宽度适中;未经激光冲击与经过激光冲击的焊接接头最大扭矩分别为4430.79N·m和4798.36N·m，比半轴标准样品最多能达到的最大扭矩4200N·m大，且断时角度较小，完全能够满足服役要求，同时也说明了异种钢半轴采用激光焊接与冲击处理工艺的适用性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与科学意义

1．2 本领域的技术现状

1．2．1 半轴焊接的技术现状

1．2．2 摩擦焊工艺及其优缺点

1．2．3 CO2气体保护焊工艺及其优缺点

1．2．4 异种钢半轴焊接难点

1．3 激光加工技术概况

1．4 激光焊接技术

1．4．1 激光焊接技术的工艺特点

1．4．2 国外激光焊接技术研究现状

1．4．3 国内激光焊接技术研究现状

1．4．4 激光焊接技术存在的问题

1．5 激光冲击强化技术

1．5．1 激光冲击强化技术的工艺特点

1．5．2 国外激光冲击强化技术研究现状

1．5．3 国内激光冲击强化技术研究现状

1．6 本文主要研究内容

第二章 激光焊接与激光冲击强化基础理论

2．1 激光焊接机理分析

2．1．1 激光与材料相互作用的过程

2．1．2 激光焊接的两种模式

2．1．3 激光深熔焊接工艺参数的理论分析

2．1．4 工艺参数对激光焊接过程及质量的影响

2．2 激光冲击强化机理分析

2．2．1 激光冲击波形成及传播原理

2．2．2 激光冲击波压力计算

2．2．3 激光冲击波诱导残余应力场的形成

2．3 本章小结

第三章 40Cr钢与45钢板材激光焊接试验研究

3．1 引言

3．2 试验条件及方案设计

3．2．1 试验装置

3．2．2 试验材料及方法

3．3 激光焊接工艺参数优化

3．3．1 激光功率对焊缝表面成形的影响分析

3．3．2 焊接速度对焊缝表面成形的影响分析

3．3．3 离焦量对焊缝表面成形的影响分析

3．4 激光焊接接头组织性能研究

3．4．1 物相检测与分析

3．4．2 金相组织检测与分析

3．5 激光焊接接头力学性能研究

3．5．1 残余应力检测与分析

3．5．2 显微硬度检测与分析

3．5．3 拉伸性能实验研究

3．6 本章小结

第四章 激光冲击强化对异种钢焊接接头性能的影响

4．1 引言

4．2 试验条件及方案设计

4．2．1 试验装置

4．2．2 试验材料及方法

4．3 激光冲击对焊接接头组织性能的影响

4．3．1 单点多次冲击表面凹坑形貌状态

4．3．2 激光冲击对金相组织的影响

4．4 激光冲击对焊接接头力学性能的影响

4．4．1 激光冲击对残余应力的影响

4．4．2 激光冲击对显微硬度的影响

4．4．3 激光冲击对拉伸性能的影响

4．5 本章小结

第五章 基于激光焊接与冲击处理的半轴焊接件扭转试验研究

5．1 引言

5．2 试验准备

5．3 半轴焊接件表面焊缝成形质量分析

5．4 扭转试验研究

5．4．1 试验设备及方法

5．4．2 半轴标准试样扭转结果分析

5．4．3 冲击处理的半轴焊接件扭转结果分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读研究生期间发表的论文与研究成果