AT3253U1 - Verfahren zum verbinden eines gussteiles mit einem teil aus einsatzgehärtetem stahl und nach diesem verfahren hergestellter bauteil - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Verbinden eines Gußteiles (1) mit einem Teil (2) aus einsatzgehärtetem Stahl durch Schweissen, besteht darin, daß zuerst an den ansonsten fertig bearbeiteten Teilen (1,2) die zu verschweißenden Flächen (3,7) zur Vorbereitung zum größeren Teil wie für eine schmale Nut (10,11) abgetragen und dann die Teile (1,2) aneinandergefügt und unter Zufuhr eines austenitischen Schweißdrahtes (28) mittels eines Hochenergiestrahles verschweißt werden. Bei einem so hergestellten Bauteil kann parallel zur Schweißnaht eine weitere Nut (6) mit rundem Nutgrund vorgesehen sein. Auf diese Weise können verschiedene Werkstoffe in serientauglicher hoher Qualität und Dauerfestigkeit verbunden werden.

Description

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  Die Erfindung handelt von einem Verfahren zum Verbinden eines Gussteiles mit einem Teil aus einsatzgehärtetem Stahl und von einem nach diesem Verfahren hergestellten Bauteil. 



  Die Verbindung von Bauteilen aus unterschiedlichen und zum Teil fertig bearbeiteten und bereits gehärteten Teilen ist in der modernen Fertigungstechnik sehr erwünscht, weil eine Anordnung häufig unterschiedlichen Anforderungen genügen muss, die mit einem einzigen Material nicht erreichbar sind. Dann müssen für einzelne Elemente eines Bauteiles verschiedene Werkstoffe eingesetzt werden, um ein Optimum an wirtschaftlicher Herstellung und mechanischen Eigenschaften zu erreichen. 



  So stellt sich beispielsweise in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen oft das Problem, ein fein bearbeitetes und gehärtetes Zahnrad mit einem hohlen Gehäuseteil komplizierter Form, das naturgemäss ein Gussteil ist, zu verbinden. Zahnräder sind meist einsatzgehärtet, die Gussteile bestehen vorzugsweise aus Stahlguss, weissem Temperguss oder Sphäroguss. 

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  Üblicherweise werden solche Teile mittels hochfester Schrauben verbunden. Solche Schraubverbindungen erfordern aber ausreichend dimensionierte Flansche und erhöhen so Raumbedarf und Gewicht des Bauteiles. 



  Nebstbei ist der Zeitaufwand bei Zusammenbau und beim Zerlegen, vor allem wenn die Verbindung nach langer Betriebsdauer unlösbar geworden ist, erheblich. Konventionelles Schweissen verbietet sich wegen des fertig bearbeiteten Zustandes und weil sowohl Guss als auch einsatzgehärteter Stahl schwer schweissbar sind. Ausserdem muss bei den hohen dynamischen Belastungen die Verbindung absolut sicher und mit hoher Qualität reproduzierbar herzustellen sein. 



  Es ist daher Ziel der Erfindung, eine den Belastungs- und Werkstoffverhältnissen gewachsene und seriensichere Schweissverbindung solcher Bauteile zu ermöglichen. Das wird mittels des erfindungsgemässen Verfahrens erreicht. Es besteht darin, dass an den ansonsten fertig bearbeiteten Teilen die zu verbindenden Flächen zur Schweissvorbereitung zumindest teilweise abgetragen werden, sodass eine schmale U-Nut, Y-Nut oder V-Nut entsteht, und dass sodann die Teile aneinandergefügt und unter Zufuhr eines austenitischen Schweissdrahtes mittels eines Hochenergiestrahles verschweisst werden. 



  Dadurch, dass sich die beim Schweissen mit Hochenergiestrahl   (z. B.   Laser oder Elektronenstrahl) an sich schon unübliche Schweissnahtvorbereitung wie für eine schmale U-Naht, Y-Naht oder V-Naht oder deren Mischformen über einen grösseren Teil der zu verschweissenden Flächen erstreckt, wird ein Raum geschaffen, in dem viel von dem Material des zugeführten Schweissdrahtes einlegiert wird. Dank dem scharf gebündelten Hochenergiestrahl werden die Wände des Raumes (die aufgekohlten 

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 zu verbindenden Flächen der Teile) nur mit sehr geringer Tiefe aufgeschmolzen. Deshalb kann dort nur wenig Kohlenstoff in die Schweisse   emiegieren,   wodurch auf beiden Seiten das Gefüge erhalten bleibt.

   Da bei einem Hochenergiestrahl die auf die Länge der Schweissnaht bezogene zugeführte Wärmemenge klein ist, ist die Wärmeeinflusszone am Rand und die dadurch entstehende spröde Zone so schmal, dass sie sich auf die Elastizität der gesamten Verbindung nicht nennenswert auswirkt. In dem Raum bildet sich aus dem zugeführten Schweissdraht eine austenitische Schweisse, die mit den beiden Grundwerkstoffen kompatibel ist. Dadurch entsteht eine risssichere Schweissnaht hoher Dauerfestigkeit, bei guter Reproduzierbarkeit trotz in der Praxis auftretender chargenbedingter Schwankungen. 



  Somit wird der Hochenergiestrahl nicht nur hinsichtlich seiner hohen Energiekonzentration und dadurch geringen Aufheizung des Werkstükkes, sondern auch zu einem metallurgischen Zweck genutzt. Das Material der schlecht verschweissbaren Grundwerkstoffe wird so durch einen mit beiden Grundwerkstoffen kompatiblen Zusatzwerkstoff ersetzt. Deshalb hat die bei der Schweissvorbereitung hergestellte Schweissnut idealerweise einen Querschnitt, der dem der fertigen Schweissnaht äquidistant ist. 



  In Versuchen wurde festgestellt, dass bei hoher Masshaltigkeit der Verbindung eine ausreichende Durchschweissung und damit Dauerfestigkeit erzielt wird, wenn die Tiefe der U-Nut oder V-Nut 1/3 bis 7/8 der Strahleindringtiefe beträgt (Anspruch 2). 



  Der Schweissdraht kann so beschaffen sein, dass er bei der beim Schweissen mit Hochenergiestrahl sehr hohen Abkühlungsgeschwindigkeit ein 

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 austenitisches Gefüge spontan ausbildet, er kann aber auch durch Legierungselemente von vornherein austenitisch sein. Vorteilhafterweise enthält der Schweissdraht mindestens 50 % Nickel (Anspruch 3). Dadurch wird die Austemtbildung   unabhängig   von der Abkühlungsgeschwindigkeit sichergestellt und das Nickel bildet in der Aufmischung mit den beiden Grundwerkstoffen eine besonders zuverlässige rissfreie Pufferzone zwischen den beiden verbundenen Teilen. 



  In besonders schwierigen Fällen ist es vorteilhaft, die einsatzgehärtete Schicht vor der Schweissnahtvorbereitung zumindest teilweise abzutragen (Anspruch 4) und/oder die Teile vorher und/oder nachher auf 50 bis 170 Grad Celsius aufzuwärmen (Anspruch 5). Schwierige Fälle liegen vor, wenn ein besonderes Einsatzverfahren angewendet wird, wenn die an die zu verschweissenden Flächen anschliessenden Querschnitte sich stark unterscheiden oder wenn die Steifigkeit der verbundenen Teile im Bereich der Schweissnaht gross ist. 



  Bei ähnlich schwierigen Fällen ist es auch vorteilhaft, wenn mindestens einer der beiden Teile parallel zur Schweissnaht eine weitere Nut mit rundem Nutgrund aufweist (Anspruch 6). Eine derartige örtliche Querschnittsverminderung hat bei Schweissverbindungen kreissymmetrischer Teile in einer achsnormalen Ebene, besonders aber bei zylindrischen Schweissflächen, die vorteilhafte Wirkung, Differenzen des Schrumpfes bzw der Schrumpfgeschwindigkeit auszugleichen, ohne jedoch eine Kerbwirkung auszuüben. 



  Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es zeigen : 

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Fig. l : Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Bau- teiles,
Fig. 2 : Detail II in Fig. l, vergrössert,
Fig. 3 : ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen
Bauteiles,
Fig. 4 : Detail IV in Fig. 3, vergrössert. 



  In Fig.   l   ist das Gehäuse eines Differentiales mit 1 und ein mit diesem zu einem Bauteil verbundenes Zahnrad mit 2 bezeichnet. Das Gehäuse 1 besteht aus weissem Temperguss, Stahlguss oder Sphäroguss, zB GGG 40, 50, 60 oder GTW-S38. Das Zahnrad 2 ist aus Stahl und einsatzgehärtet. 



  Das Gehäuse   l   weist eine erste achsnormale zu verschweissende Fläche 3 auf, an die ein zylindrischer Kragen 4 anschliesst, der eine äussere zylindrische Passfläche 5 bildet. Das Gehäuse   l   kann an einer Stelle grösserer Wandstärke mit einer parallel zur ersten zu verschweissenden Fläche verlaufenden Umfangsnut 6 versehen sein, die im Querschnitt gerundet ist. 



  Am Zahnrad 2 ist eine in einer Ebene normal zur Achse liegende zweite zu   verschweissende   Fläche 7 und eine zylindrische Passfläche 8 vorgesehen, die auf der zylindrischen   Passfläche   5 sitzt. Die zylindrische Passfläche 8 kann am Übergang zur zweiten zu verschweissenden Fläche 7 zurückgenommen sein, sodass sich eine Erweiterung 9 bildet. Diese erleichtert die Fertigung und das Aufschieben des Zahnrades auf den Kragen 4 und verbessert erforderlichenfalls die Durchschweissung der Wurzel. Mit
18 ist die Drehachse des Bauteiles und mit 20 der Schweisskopf bezeichnet. 



   Fig. 2 zeigt die beiden Teile gefügt und in zur Schweissung vorbereitetem
Zustand. Es ist zu erkennen, dass die zweite zu verschweissende Fläche 7 

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 nach innen nur bis zur Erweiterung 9 reicht. Sie ist zum grösseren Teil abgetragen, sodass die erste Hälfte 10 einer schmalen Nut entsteht. Der Querschnitt der Nut kann die Form eines Y, U oder V, oder Kombinationen dieser haben. Die bei der Schweissvorbereitung hergestellte Schweissnut hat idealerweise einen Querschnitt, der dem der fertigen Schweissnaht äquidistant ist. In derselben Weise ist die erste zu verschweissende Fläche bearbeitet. Am Übergang zur äusseren Zylinderfläche kann eine Rundung oder eine gebrochene Kante 12 vorgesehen sein.

   In diese schmale U-Nut 10, 11 wird beim Schweissen mittels eines Hochenergiestrahles (Elektronen-oder Laserstrahl) das Material eines austenitischen Schweissdrahtes 28 eingeführt, sodass sich in der U-Nut eine Schweisse bildet. Wegen des scharfgebündelten Strahles und der hohen Schweissgeschwindigkeit werden die Wände 10, 11 der U-Nut nur in geringer Tiefe aufgeschmolzen, sodass nur wenig Kohlenstoff aus den beiden Teilen einlegieren kann und sich in der   Schweisse   ein stabiles austenitisches Gefüge bilden kann. Die Schweisse bildet in Wandnähe eine sehr schmale Wärmeeinflusszone mit martensitischem Gefüge   oder Zwischenstufen-Gefüge   auf der Stahlseite und martensitischem, ledeburitischem oder Zwischenstufen-Gefüge auf der Gussseite. Die Grenze 13 der Schweisszone ist strichliert eingezeichnet.

   Die Schweissung findet in einer inerten oder aktiven Schutzgasatmosphäre statt. Der zugeführte Schweissdraht 28 besteht aus einem mit den beiden Grundwerkstoffen kompatiblen Zusatzwerkstoffen, vorzugsweise einem austenitischen Werkstoff, vorzugsweise mit einem Nickelgehalt von 30 bis 100 %. 



  Fig. 3 zeigt einen anderen Bauteil, der wieder aus einem Gehäuse 21 und 
 EMI6.1 
 

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   Ausführungsbeispiel   besteht darin, dass die beiden zu verschweissenden Flächen   23, 27 Zylinderflächen   sind. Mit 25 und 26 sind wieder runde Nuten bezeichnet, die dem Ausgleich von Wärmedehnungen dienen sollen. 



  Fig. 4 zeigt im Detail die vorbereitenden Schweissflächen 23, 27 die beide wieder je die erste und zweite Hälfte 30, 31 einer schmalen U-förmigen Nut zeigen, die zur Schweissnahtvorbereitung abgetragen wurden, sodass nur mehr der kleinere Teil der zu verschweissenden Flächen gleichzeitig als Passfläche dient. An der Passfläche 27 des Tellerrades 22 kann die einsatzgehärtete Schicht abgetragen sein, was in der Zeichnung nicht erkennbar ist.

Claims (5)

1. ANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Verbinden eines Gussteiles (1 ; 21) mit einem Teil (2 ; 22) aus einsatzgehärtetem Stahl durch Schweissen, dadurch gekennzeichnet, dass EMI8.1 dest teilweise abgetragen werden, sodass eine schmale U-Nut, Y-Nut oder V-Nut (10, 11 ; 30, 31) entsteht, b) die Teile (1, 2 ; 21, 22) sodann aneinandergefügt und unter Zufuhr ei- nes austenitischen Schweissdrahtes (28) mittels eines Hochenergie- strahles verschweisst werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Nut (10, 11, 30, 31) 1/3 bis 7/8 der Schweisstiefe beträgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der austenitische Schweissdraht (28) mindestens 30 % Nickel enthält. <Desc/Clms Page number 9>
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzschicht bei der Schweissvorbereitung zumindest teilweise abgetragen wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (1, 2 ; 21, 22) vorher und/oder nachher auf 50 bis 170 Grad Celsius aufgewärmt werden. EMI9.1 satzgehärtetem Stahl, wobei die verschweissten Flächen (3, 7 ; 23, 27) kreisringförmig sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Teile (1, 2 ; 21, 22) parallel zur Schweissnaht eine weitere Nut (6 ; 25, 26) mit rundem Nutgrund aufweist.