CN100519040C - 对可淬硬的钢进行的等离子刺孔焊接 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于在没有二次加热的情况下在可淬硬的、具有材料厚度(3)的钢(2)中产生一焊缝(1)的方法，该方法包括至少如下方法步骤：a)将一焊接电极(4)定位到一焊接线(5)，b)施加电压，c)输送一种等离子气体(6)，d)形成一电弧(7)，e)在焊接线(5)附近在整个材料厚度(3)上熔化钢(2)。该方法在汽车的用于传递扭矩的部件的连接中得到优选的应用。

Description

对可淬硬的钢进行的等离子刺孔焊接

本发明涉及一种用于在没有二次加热的情况下在可淬硬的、具有预先给定的材料厚度的钢中进行焊缝的方法。特别是一种用于在接合技术上对于汽车的由可淬硬的钢制成的、用来传递扭矩的部件进行连接的方法也被描述。对象也包括复合体和汽车、由可淬硬的钢制成的用于使传递扭矩的连接物。本发明的优选的应用领域是汽车领域中的传动链部件的焊缝。

所谓的含碳量为至少0.25％的碳素钢和含碳量大于0.2％的低合金钢传统上是有条件地可焊的(以下也总称为“(直接地、特别是不仅通过渗碳淬火)可淬硬的钢”)。其原因在于在焊缝中和热影响区中通过碳造成的并通过不同的合金元素被加强的、导致裂纹的硬化。通过只可少量能变形的、没被回火或少量被自回火的、不能可塑地减少在冷却过程中出现的高的应力的马氏体或贝氏体的形成，就得到上述的硬化和随后的裂纹形成。高的冷却速度、提高的含碳量、和/或合金元素含量促进该硬化和硬化深度。

迄今曾认为，传统的焊接方法和气熔焊接方法由于其功率密度较低导致较小的加热速度、大面积的热导入以及大体积的焊缝。因此由此出发，由于有较高的功率密度所以可以将射速焊接方法—如激光束焊接或电子束焊接—单纯用来形成对可淬硬的钢进行在接合技术上的连接。譬如EP 0 925 140 B1公开了一种这样的射束焊接方法。

然而，对所有公开的、涉及可淬硬的钢的射束焊接的尝试而言，其共同之处是，在400℃和400℃以上的范围中对部件进行彻底预热。据此，应防止的是，由于快速冷却而导致可淬硬的钢的一种自淬火，并从而导致裂纹的形成。然而，这些具有预热的方法在技术上耗费较大，例如，用于对部件进行感应加热的设备须被集成到加工站中，并且焊接过程须重新被协调。

因此，恰恰在汽车制造中与传动链的由可淬硬的钢制成的部件相关联，总是出现这样的问题，即提供一种焊接方法，涉及到质量，该方法提供这样的单位焊接距离能量，使得取得高级的、可用的和牢固的焊缝。这特别意味着，轴的或类似的部件的一种抗扭矩的接合应被实现，其中，该接合过程应适于被集成到一流水生产中。此外，该焊接方法应是尽可能地费用合理的、并且在操作方面应是尽可能不复杂的。此外指出也会有利的是，一种在部件的可能的几何形状方面或者焊缝的不同的实施形式方面较为灵活的焊接方法。利用该方法建立的连接特别应符合汽车制造中提出的要求。

本发明的任务在于，至少部分地减轻涉及到现有技术所描述的问题，或者至少部分地实现上述的确定目标。特别应指出一种气熔焊接，该焊接保证了由可淬硬的钢制成的部件无裂纹的接合。该气熔焊接方法应提供汽车的传动链的部件的、满足汽车制造中要求的复合体。

上述任务了利用一种用于产生焊缝的、具有权利要求1的或者权利要求2的特征的方法来解决。该方法的优选的实施方式和据此提供的至少两个用于传递扭矩的部件的复合体以及车辆在从属权利要求中有所描述。要指出的是，在权利要求书中列出的特征能以任意的、技术上合理的方式相互进行结合。此外，在权利要求书中所列出的关系可通过说明书的特征详细地被描述。

根据本发明的、用于在没有二次加热的情况下在可淬硬的具有材料厚度的钢中产生焊缝的方法包括至少如下方法步骤：

a)将一焊接电极定位到一焊接线；

b)施加电压，

c)输送一种等离子气体，

d)形成一电弧，

e)在焊接线附近在整个材料厚度上熔化钢。

可淬硬的钢的一种重新凝固了的、由于通过电弧的温度作用而事先曾被置入到一种熔化状态的范围被描述为“焊缝”。该焊缝特别是在一种填充料为了产生焊缝而被采用的情况下可具有其它的构成部分。该焊缝基本上跟随一条所希望的焊接线。就是说，换言之，“焊接线”指该焊缝的最终的进程走向。

按照步骤a)，焊接电极现关系到焊接线被定位或者被对准。届时，是否焊接电极对准于部件或部件对准于电极，这是无足轻重的。所述的焊接电极最好是一钨电极。该焊接电极与一点火器或者与一焊接能源相连。按照步骤b)，现施加一电压。原则上，在焊炬本身的部件之间形成该电压，使得产生一种所谓的“非传输”的电弧，这是可能的。然而在本情况下最好形成一种“传输”的电弧，其中，电压设置在焊接电极和可淬硬的钢制部件之间。为了提供所希望的焊接电压，可采用变压器、整流器组和脉冲发生器等等。按照步骤c)，等离子气体现被输送。等离子气体的输送最好也用焊炬来完成，其中，该等离子气体对中地并紧靠焊接电极地有利地流出。现在就形成了电弧(步骤d)。由于等离子气体和电弧的配合，保证将集中的、高能量的热置入到可淬硬的钢制部件中。按照步骤e)，位于焊接线附近的可淬硬的钢由于上述热量置入所以现在在其整个材料厚度上被熔化。届时，特别是所谓的“刺孔效应”被充分利用。在这种情况下，等离子束在整个材料深度中将其熔化，使一种焊接耳孔或者一种刺孔得以形成。在焊接时，等离子束随同该焊接耳孔沿着接合棱边运动。在等离子束的后方，已被熔化了的金属由于熔池的表面张力以及焊接耳孔中的蒸气压力而重新汇合，并据此形成焊缝。

在这里被建议的等离子-刺孔焊接中，能量这样地被置入到可淬硬的钢中，使材料的自淬火或者所不希望的硬化不会发生。据此，首次建议了一种通过气体放电的焊接方法(等离子焊接)，该焊接方法一方面在没有二次加热的情况下实现了集中的、高能量的热置入，并同时由于大面积的热置入就避免了较大的部件变形。虽有集中的、高能量的热置入，但是热分布以及温度传导仍可如此地进行调整，使冷却梯度不象例如在激光焊接或电子束焊接中存在的那样，进入临界的范围中。据此，在焊接过程之前、之中和之后可放弃二次加热，其中，可得到没有裂纹的焊缝。

考虑到焊缝的“无裂纹”的构造可解释说明的是，该接合没有所谓的宏观裂纹，即没有其大小是可用肉眼识别的裂纹。其中，较小的、所谓的微观裂纹(这此微观裂纹的长度往往只处在材料的晶粒直径的范围中，并且这些微观裂纹只是可用显微(金相学)方法识别的)也只出现在一种可接受的范围中。此意义上的“裂纹”特别是一种有限的、具有主要是二维伸展的材料分离，该材料分离可在焊缝金属中、热影响区中和/或在母体金属中特别是由于内应力而出现的。譬如空隙、气体夹杂、气孔、缩孔、固体夹杂和/或焊缝的其它的缺陷可与“裂纹”相区别。虽然焊缝的与裂纹相区别的缺陷当然可尽可能地避免，但是在这里首要的目标是无(宏观)裂纹，因为宏观裂纹是最可怕的和最为广泛的、导致不得不事后修理的缺陷类别。多年来，这也是譬如在使用中承受高负荷的高碳钢只有利用二次加热才能进行焊接的原因所在。

按照本发明的另一方面，建议一种用于在没有二次加热的情况下通过产生焊缝而在接合技术上对于汽车的、用于传递扭矩的、具有一种材料厚度的、由可淬硬的钢制成的部件进行连接的方法，该方法包括至少如下方法步骤：

a)将一焊接电极定位到一焊接线，

b)施加电压，

c)输送一种等离子气体，

d)形成一电弧，

e)在焊接线附近在整个材料厚度上熔化钢。

在此所建议的方法是对于在前面所描述的焊接方法的一种专门应用。在此关联中，该焊接方法用于在接合技术上来对于汽车的用于传递扭矩的部件进行连接。由于这些部件在应用期间承受高的负荷，所以焊缝的质量、形状精度等等方面的预给定参数在此需要保证。其中，焊缝特别是作为所谓的I形焊缝来实现，其中待接合的构件或部件相互被对接。焊缝本身可为径向焊缝和/或轴向焊缝。因此，一种没有根部保护的径向环形焊缝优选地被焊接。该焊缝没有裂纹和极端的边缘缺口，并且符合关于焊缝超高和根部超高的一般设想，由此指的是焊缝的高于待接合的部件的原来的表面的部分范围。届时，焊缝的根部在焊缝的位于部件的背向焊接电极的一侧上形成。在这种情况下，譬如在凝固时通过局部的、时间后移的收缩造成的角度误差在批量生产的范畴中也保持在小于0.5°的范围内。同时可易于避免的是，部件在接合过程中相互位错，使得可保证小于0.2毫米的错位。该焊接方法能使被焊接的汽车传动链部件的单件焊接费用保持在低的水平上，这是因为可放弃耗时长的焊接准备和/或对部件的事后加工。

按照该焊接方法的另一种改进方案，可淬硬的钢具有范围为2.0～10.0毫米的材料厚度。优选的材料厚度范围为2.0～8.0毫米，特别是4.0～6.0毫米。在具有该材料厚度的、可淬硬的钢中，“刺孔效应”可以过程可靠地来实现，使得所希望的能量置入或者焊缝的所希望的形成得到保证。恰恰是在具有被指定的材料厚度时建议，利用该焊接方法而被置入的单位距离能量的范围为234至3360焦耳/毫米。据此，被置入的单位距离能量譬如大大高于在射束焊接时，如在CO₂激光器中所置入的单位距离能量。其中，在等离子刺孔焊接中，所述单位距离能量优选地处于一种范围中，该范围在焊接速度相同时至少大出应用CO₂激光器时的四倍。

此外还建议，焊缝单层地被实施，其中，优选的是，待接合的、可淬硬的钢制部件事先也没有被局部地固定，特别是没被粘住。单层焊的执行导致了焊缝的很均匀的形成，使得可以避免譬如在多层焊时所出现的、不对称的焊缝几何形状以及由此所产生的角度变形。单层的透焊由于其焊缝深度、焊缝宽度和焊缝形状而如此程度地产生瞬变的拉应力，使得该拉应力与材料的足够的延展性相结合地不导致裂纹。产生单层的透焊—该透焊由于其焊缝深度、焊缝宽度和焊缝形状以及由此局部受限制地置入热量所以就如此程度地产生瞬间的拉应力—具有如下优点，即只出现很微小的部件变形。

按照该方法的一种改进方案，焊缝为对接焊缝或贴角焊缝。关于作为对接焊缝的结构可作说明的是，这种对接焊缝特别是用在用于传递扭矩的部件上。由于以下事实，即可淬硬的钢不用大量的技术耗费并且特别是在没有二次加热的情况下可以利用所建议的焊接方法来进行焊接，所以，对接焊缝结构在难于接近的、譬如角焊缝的焊缝几何形状方面具有特别的优点。此外，由于部件具有不相同的材料分布，因此在该焊接方法中难于实现合适的二次加热。这些困难在根据本发明的焊接方法中得以避免。

该方法是特别优选的，其中，等离子束在焊接过程期间以至少0.2米/分钟的速度沿焊接方向进行运动。该焊接速度优选地甚至超过0.5米/分钟，在这种情况下，焊接速度完全特别优选地不超过5.0米/分钟的数值。

特别是在此所建议的焊接速度时，施加了一种至少为170安培的焊接电流。该焊接电流最好不超过400安培的极限。一种方法是特别优选的，其中，等离子束在焊接过程中沿焊接方向造成一种焊接单位距离能量，该焊接单位距离能量的上限是如此调整的，使焊缝的强度高于连接部件的强度。下限优选地如此进行调整，使得可以保证焊缝的足够的、通过焊缝硬度被限制到最高为650HV的延展性。

所述方法的一种方案是特别优选的，其中，焊缝通过径向环形焊而产生。在考虑到对于汽车的、用于传递扭矩的、由可淬硬的钢制成的部件进行连接时，这是特别适用的。这特别是指该焊接方法的一种实施变型，其中在空心型材的情况下产生一种在圆周上被封闭的焊缝。届时，电弧沿径向围绕着构件相对地进行运动。一种这样的方法譬如在端侧连接空心轴或类似的部件时出现。

按照本发明，现在还建议一种由至少两个用于传递扭矩的、由可淬硬的钢制成的部件所构成的复合体，其中，该复合体包括至少一个利用上述的根据本发明的方法所产生的焊缝。这两个部件的该复合体譬如可在汽车的传动系统中用于传递扭矩。据此提供了一种可能性，即强调(在被接合了的状态下)还能把部件输往一淬火工序，以便承受在那里存在的、特别是静态的负荷。由于在得到一种优质的焊缝的同时避免了二次加热、焊接填充材料和类似物，所以这样的复合体恰恰也在成批生产中可以简单并且费用适当地产生。

一种利用根据本发明所描述的方法、特别是等离子刺孔焊接方法所产生的复合体可譬如明确无误地由此来识别，即焊缝是单层的，并据此通常为具有该焊缝的深宽比范围为约1.0:1.5至约1.0:2.0的深宽比V_A的结构(深宽比V_A范围特别是1.0:1.2至1.0:1.8)。以焊缝中心为基准，热影响区宽度大于射束焊接的该宽度(用激光时，V_A为约2.5:1.0)，但大大小于焊极-手工焊或气焊的该宽度(在MIG焊接方法中，V_A为约1.0:3.0)。

如果所述部件的至少之一是一种具有范围为2.0毫米至10.0毫米的壁厚的空心轴，则这样一种复合体被证明是特别有利的。该空心轴完全特别优选地具有范围为2.0毫米至8.0毫米的、特别是范围为4.0毫米至6.0毫米的壁厚。这些空心轴优选地为汽车的纵轴或侧轴。

此外还建议，该复合体以及所述部件的邻接的部分范围是没有裂纹的结构。关于“无裂纹”在这里通用的概念内容，请参见前面的对此所作的说明。据此，特别是可以对该复合体施加高的、动态的、持久的交变载荷和静态的扭转载荷。因此，这样的复合体譬如在力矩为±1100Nm和1650Nm[牛顿米]时承受一种为300000个振荡循环的、动态的、持久的交变载荷。在这种情况下，考虑到静态的扭转载荷，断裂力矩至少为3200Nm。

按照该复合体的一种优选的实施方式，该复合体具有一种范围为250HV至650HV的延展性。这指的是，按照维氏硬度检测方法，该复合体或者该焊缝导致上述结果。与此相关联，有利的是，在焊缝的和热影响区的范围中的延展性高于基态中的部件的延展性。在这种情况下，该延展性优选地处于直至约500HV的范围。

还可能的是，该复合体在焊缝的和热影响区的范围中具有最高达30％的马氏体组织份额。这特别可用作用于调整相应的、用于当时待焊接的可淬硬的钢的单位距离能量的尺度。在这里所建议的对马氏体组织份额的限制可保证，组织中的内应力是如此之微小，使得没有(宏观)裂纹形成。

如已多次说明的那样，该方法的或者该复合体的优选的应用在于汽车领域。因此也建议一种包括一具有一传动系统的发动机的汽车，其中，该传动系统具有用于传递扭矩的部件，并且至少两个部件利用一种根据本发明的方法而相互焊接起来，或者该汽车具有一种根据本发明的复合体。

一种相应的接缝技术的连接的举例：

方法：

 

部件A的材料：	由材料Ck35制成的管，直径70毫米
		部件A的壁厚：	5毫米
部件B的材料：	由材料Cf53制成的管，直径70毫米
		部件B的壁厚：	6.0毫米
焊接电流：	280安培
		进给速度：	0.5米/分钟

复合体：

 

焊缝的尺寸：	深度6.0毫米上焊道3.0至5.0毫米
		延展性：	250至650HV
负荷试验：	动态：300000振荡循环±1100Nm静态：断裂力矩>3200Nm
		光学检查结果：	无裂纹

下面，借助附图详细说明本发明以及技术领域。须指出的是，附图示出了本发明的特别优选的实施例，但本发明不限于所示的实施例。附图所示是示意的，并且在通常情况下不适宜说明尺寸大小。

附图所示为：

图1焊炬在焊接过程中的结构示意图，

图2焊缝表面附近的焊缝，

图3焊缝根部附近的焊缝，

图4以被接合的部件的横截面的形式示出的复合体的实施变型的示意图，

图5一种汽车的传动系统的示意图。

附图中所示是示意的，并且只可限于说明实际的尺寸比例。

图1示意地并以横截面的形式示出了一种用于执行根据本发明的方法的焊炬33。该焊炬33利用一焊接电极4形成，该电极对中于该焊炬设置。该钨制焊接电极4被一具有一水冷机构34的等离子喷嘴22包围。等离子气体6在焊接过程中经由该等离子喷嘴22被输送。与该等离子喷嘴22同心地设有一最好是铜制的保护气体喷嘴21。在焊接过程中，保护气体8通过一围绕着等离子喷嘴22形成的环形间隙流出，该保护气体8由于其热传导能力导致电弧7的或等离子束9的束紧的结果。据此，也可保证具有较小的直径10的等离子束9经过一大的长度11。

为了执行用于在可淬硬的、具有其范围为2.0毫米至10.0毫米的材料厚度3的钢2中产生焊缝1的方法，焊接电极4现首先定位到焊接线5(图中未示出)。为了实现等离子电弧焊接的方法变型，将一电压施加在在钨电极(负极)和可淬硬的钢(正极)之间。现在，保护气体8和等离子气体6通过喷嘴被输往焊接部位，并且一电弧7在焊接电极4和可淬硬的钢2之间形成。由于高的温度，焊接线5附近的钢2沿整个的材料厚度3被熔化。届时，在图示的方案变型中示出了所谓的“刺孔效应”，届时，等离子束9经由整个的材料厚度3穿透可淬硬的钢2，使一刺孔24或者一焊接耳孔形成。该刺孔24具有一譬如根据进给速度进行调整的宽度32。

在焊接时，等离子束9沿焊接方向20连同刺孔24进行运动。在等离子束9的后面，被熔化了的金属由于熔池的表面张力以及刺孔24中的蒸气压力重新汇合，并如此形成焊缝1。

为了说明焊缝的形成，如在图1中相应表明的那样，图2和图3示出了焊缝1在不同的平面上的横截面。图2以俯视图的形式示出了一较宽的焊缝1和一较大的熔池23。而图3譬如在刺孔24的最小的宽度32的范围中示出了一远离可淬硬的钢的表面的范围。在这种情况下，焊缝1分别跟随所希望的焊接线5。

图4以横截面的形式示意地示出了一焊接技术的、按照所述的方法生产的复合体12。该复合体12作为连续的、关系到两个相互相邻地设置的部件13的焊缝1。这两个部件13具有一种回转对称的空心轮廓，左方所示的部件13为空心轴14结构。此外，右方的零件13固定在另一实心的部件13上，作为结果该另一实心的部件13对焊缝1的待焊接的部分范围16中的排热具有显著的影响。至少这两个具有空心轮廓的部件13包括一种可淬硬的钢。

为了形成焊缝1，部件13在部分范围16中通过一种等离子束9或一种电弧7(两者未示出)如此地被加热，使钢至少部分地过渡到熔化的状态中。在焊缝1的范围旁，也有一所谓的热影响区35是可识别的。焊缝1作为径向环形焊接曾被实施，其中，该焊缝1以范围为2.0毫米至5.0毫米的宽度25在部件13的整个壁厚15上伸展。

从图5中可看到一种用于四轮驱动的汽车17的传动系统19。在该情况下，所有的四个车轮26通过一发动机18进行驱动。在前桥的范围中，在被示出的发动机18的下方可看到一发动机变速机构28。在后桥的范围中，设有一所谓的桥变速机构29。侧轴27用于驱动车轮26。发动机变速机构28和桥变速机构29之间的连接通过一包括两个空心轴14的万向轴装置来提供，该万向轴装置通过一大致居中设置的中间轴承31附加地支承在汽车17的车身底部组件上。该万向轴装置在一第一万向轴段中具有一设在发动机变速机构28附近的、以同步固定万向节的形式出现的第一万向节30。为了连接所述两个万向轴段或者空心轴14，设有一居中设置的、以同步固定万向节的形式出现的第二万向节30。在第二万向轴段的或右方示出的空心轴14的终端处设有一以同步固定万向节的形式出现的、经由连接机构与桥变速机构29相连的第三万向节。在大多数应用情况下，空心轴19或者万向轴段以高于通过发动机18被导入到变速机构或自动变速机构中的转速的转速进行旋转。减速在桥变速机构29的范围中发生。譬如空心轴14和所属的万向节30须执行最高达10000转/分钟的转速，而用于驱动车轮26的侧

轴27的转速最高达2500转/分钟的数量级。

根据本发明的复合体涉及到如下部件而优选地被采用：

—被接合的万向轴系统部件，譬如为：

○空心轴/实心轴

○空心轴/万向节外部件

○空心轴/轴颈

○空心轴/万向节内部件(譬如轮毂)

○万向节外部件/箱盖

○万向节外部件/法兰(譬如变速箱法兰)

○万向节盘/万向节底

○移位套筒/轴颈

—差动系统/变速系统

○齿轮/齿轮

○空心轴/齿轮

○箱体/箱盖

○轴颈/箱盖

附图标记列表

1  焊缝       13  部件          25  宽度

2  钢         14  空心轴        26  车轮

3  材料厚度   15  壁厚          27  侧轴

4  焊接电极   16  部分范围      28  发动机变速机构

5  焊接线     17  车辆          29  桥变速器

6  等离子体   18  发动机        30  万向节

7  电弧       19  驱动系统      31  中间轴承

8  保护气体   20  焊接方向      32  宽度

9  等离子束   21  保护气体喷嘴  33  焊炬

10 直径       22  等离子喷嘴    34  水冷机构

11 长度       23  钢水          35  热影响区

12 复合体     24  刺孔

Claims (11)

1.用于通过在没有二次加热的情况下产生一焊缝(1)而在接合技术上对于汽车的、用于传递扭矩的、由可淬硬的具有材料厚度(3)的钢(2)所制成的部件(13)进行连接方法，包括至少如下方法步骤：

a)将一焊接电极(4)定位到一焊接线(5)，

b)施加电压，

c)输送一种等离子气体(6)，

d)形成一电弧(7)，

e)在焊接线(5)附近在整个材料厚度(3)上熔化钢(2)，

其中，利用该焊接方法而被置入的单位距离能量的范围为234至3360焦耳/毫米。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，所述可淬硬的钢(2)具有范围为2.0毫米至10.0毫米的材料厚度(3)。

3.按照以上权利要求之一所述的方法，其中，所述焊缝(1)是单层的。

4.按照以上权利要求之一所述的方法，其中，所述的焊缝(1)构成为对接焊缝或角焊缝。

5.按照以上权利要求之一所述的方法，其中，一等离子束(9)在焊接过程中沿焊接方向(20)以至少0.2米/分钟的焊接速度进行运动。

6.按照以上权利要求之一所述的方法，其中，所述的焊缝(1)通过径向环形焊接而产生。

7.至少两个传递扭矩的、由可淬硬的钢(2)制成的部件(13)的复合体(12)，其特征在于，该复合体(12)包括至少一个利用上述权利要求之一所述的方法所产生的焊缝(1)。

8.按照权利要求7所述的复合体(12)，其特征在于，部件(13)的至少之一是一种具有在范围为2.0毫米至10.0毫米的壁厚(15)的空心轴(14)。

9.按照权利要求7或8所述的复合体(12)，其特征在于，该复合体以及部件(13)的邻接的部分范围(16)是没有裂纹的结构。

10.按照权利要求7至9之一所述的复合体(12)，其特征在于，该复合体具有一种范围为250HV至650HV的延展性。

11.包括一具有一传动系统(19)的发动机(18)的汽车(17)，其特征在于，所述的传动系统(19)具有用于传递扭矩的部件(13)，并且至少两个部件(13)利用权利要求1至6之一所述的方法进行相互焊接，或者所述的汽车(17)具有一根据权利要求7至10之一所述的复合体(12)。

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