CN116171208A - 用于将非烧结材料接合至烧结材料的激光焊接方法以及以此方式生产的复合体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将非烧结材料接合到烧结材料的激光焊接方法，该方法包括以下步骤：提供由非烧结材料制成的第一部件(2)，提供由烧结材料制成的第二部件(3)，沿接触平面(5)布置第一部件(2)和第二部件(3)以产生接合接头(8)，将激光束(11)施加到接合接头(8)区域中第一部件(2)的第一接合区域(6)以将第一接合区域(6)熔化成熔体，利用第一接合区域(6)的熔体熔化接合接头(8)区域中的第二部件(3)的第二接合区域(7)，并且冷却接合接头(8)。

Description

用于将非烧结材料接合至烧结材料的激光焊接方法以及以此 方式生产的复合体

本发明涉及一种用于接合非烧结材料与烧结材料的激光焊接方法。本发明还涉及一种复合体，其包括由非烧结材料制成的第一部件和由烧结材料制成的第二部件。本发明进一步涉及用于将非烧结材料接合到烧结材料的激光焊接方法的用途。

激光焊接方法主要用于焊接必须以高焊接速度、窄而薄的焊缝形式和低热变形接合的部件。这种工艺，也称为激光束焊接，通常在没有补充材料的情况下进行。与其他焊接工艺相比，激光焊接部件的一个主要优点是输入到工件中的集中能量较少。

然而，通过激光焊接方法接合含碳部件是有问题的。到目前为止，烧结材料，尤其是碳含量增加的那些材料，还不能通过激光束焊接的方式与非烧结材料焊接。由于材料性质，即，孔隙率和碳含量，将激光束施加或耦合到烧结材料中会导致不可避免的杂质，并且由于激光束的能量密度会导致结构变化甚至结构的局部破坏。此外，含碳的烧结材料的碳指数通常超过焊接接头内避免产生裂纹的允许的极限或稳定硬度曲线的参考值。

然而，已知的现有技术至少提到了非烧结材料和烧结材料可以通过激光焊接方法接合，而没有对此进行详细描述。然而，针对将激光束耦合到烧结钢部件中所提到的问题的具体解决方案是未知的。例如，可提及公开文件DE102004038681A1、DE102016220830A1和DE102017119264B4。

因此，本发明的一个目的是提供一种如上所述的用于将非烧结材料接合到烧结材料的激光焊接方法，以及由该方法产生的复合体以及用于将非烧结材料接合到烧结材料的激光焊接方法的用途。

根据一个方面，该目的通过一种用于将非烧结材料接合到烧结材料的激光焊接方法来解决，其包括以下步骤：提供由非烧结材料制成的第一部件，提供由烧结材料制成的第二部件，沿接触平面布置第一部件和第二部件以产生接合接头，将激光束施加到接合接头区域中的第一部件的第一接合区域以将第一接合区域熔化成熔体，借助于第一接合区域的熔体熔化接合接头区域中的第二部件的第二接合区域，并且冷却接合接头。

在从属权利要求和其他独立权利要求中指示了有利的实施方式。

第二接合区域中的烧结材料因此被来自第一接合区域的未烧结材料的熔体熔化。激光束直接施加或耦合到非烧结材料的边缘区域。这就是本文中使用间接激光焊接一词的原因。根据本发明的激光焊接方法带来的优点是在非烧结材料和烧结材料之间容易产生适合大规模生产的稳定焊接接头。特别地，在许多应用领域，现在可以用焊接代替螺纹连接。这导致材料和制造成本的显著降低。此外，激光焊接方法可以非常灵活地用于待接合部件的不同几何形状，这继而显著降低了工艺和/或制造成本。

烧结金属通常具有所谓的阻挡层，诸如马氏体结构。马氏体是一种亚稳态结构，其是在没有扩散的情况下通过协同剪切运动从初始结构(在这种情况下是烧结材料)热形成的，并导致特别高的强度或硬度。因此，阻挡层对烧结金属或第二部件的材料性质具有根本上积极的影响，但使得与非烧结材料或第一部件的接合或结合更困难。去除阻挡层有助于并加速非烧结材料和烧结材料的接合。

为了更好地理解，此时应更详细地解释术语接触平面、接合接头和接合区域。接触平面是一个虚拟表面，要接合的两个部件抵靠在该表面上以便焊接在一起。因此，在焊接工艺期间，第一部件布置在接触平面的一侧而第二部件布置在接触平面的另一侧或相对侧。由此，两个部件至少在一部分中彼此接触。如已经提到，该两个部件由此形成或产生接合接头。接合接头被理解为接合边缘，其沿着其中部件彼此接触的两个部件的外边缘部分延伸行进。此处，一个部件的外边缘部分可以搁置在延伸超过其外边缘的另一部件的外表面上或者与另一部件的外边缘部分齐平。两个接合区域沿着接合接头延伸，更准确地说，第一部件的第一接合区域和第二部件的第二接合区域。接合区域是直接参与焊接工艺的部件的一部分或部分。在第一部件由非烧结材料制成的情况下，在施加激光束时，它是转化为熔体的部分。在第二部件由烧结材料制成的情况下，它是通过第一接合区域的熔体熔化的部分，由此两个接合区域熔合或接合在一起。

在有利的实施方式中，激光束在施加期间平行于接触平面对准。优选地，激光束也正面地或在正面上被定向到第一部件的第一接合区域上。这允许激光束达到其最大效果和高穿透深度。通过激光束的这种对准，可以实现最大的穿透深度和焊缝的增加的强度。激光束的这种对准特别适用于其中两个部件的外边缘部分彼此齐平的接合接头的情况。因此降低了无意中将激光束施加到由烧结材料制成的第二部件的风险。

根据优选实施方式，激光束在施加期间以角度α对准接触平面，由此角度α最大为45°，特别是最大30°，特别是最大15°。接合接头的穿透深度越大，焊接接头的强度越大。例如，如果由于结构条件不能用平行于接触平面对准的激光束到达第一接合区域或者如果没有形成平行的焊接根部并且因此会减少穿透深度，则可以提供角度α与0°的偏差。然而，最大角度高达45°，激光束仍然可以具有足以熔化第一部件的接合区域的效果。当待接合的一个部件的外边缘部分搁置在延伸超过其外边缘的另一部件的外表面上时，激光束的这种成角度的对准特别适合。这使得将激光束施加到第二部件的危险最小化或者使得完全可以将激光束施加到第一接合区域。

在另一个有利的实施方式中，激光束通过连续或脉冲激光束施加。因此，例如，它取决于几何形状，但也取决于非烧结材料的导热性，无论连续焊接工艺还是脉冲焊接工艺都是有利的。

连续激光焊接是一种不间断的焊接工艺，并且特别适用于焊接厚部件，以及诸如钛、铬和钨等难熔金属。

在脉冲激光焊接期间，能量供应以有限的时间间隔发射。在每个激光脉冲之后，存在一个短暂的停顿，在此期间之前产生的熔体可以冷却下来。该工艺，也称为精细焊接，特别适用于薄壁工件，诸如轻薄金属，用于接合几何结构非常不同的部件，以及难以焊接的材料。它可以防止部件变形或熔化超过预期。

根据本发明，本申请有利地通过激光束MSG混合焊接的方式进行。激光束-MSG混合工艺或激光束-MSG混合焊接是在公共工艺区中激光束与MSG焊接工艺的组合(MSG＝金属保护气体焊接)。因此，利用了两种工艺的优点。实现了非常深的穿透和良好的侧面结合。形成了非常窄的热影响区，几乎没有变形。该工艺允许非常高的焊接速度，这导致较低的每单位长度的能量输入。效率高的主要原因是减少了焊接准备。可以省略整个工作步骤。

在优选的实施方式中，第一部件通过钢制成的部件的方式提供，第二部件通过含碳烧结钢制成的部件的方式提供。提供这种组合特别适用于生产凸轮轴调节器，其通常配置为液压相位调节器或旋转马达。具体地，该实施方式适用于将由钢制成的端盖焊接到由含碳烧结钢制成的定子上。相反，激光焊接方法在制造凸轮轴调节器时，特别是与以前使用的螺纹连接相比，显著节省了材料并因此节省了成本。

根据进一步优选的实施方式，第一部件通过圆盘形部件的方式提供并且激光束从径向外侧施加到第一接合区域，并且在平行于接触平面的圆形路径上围绕至少一个部件引导。可选地或组合地，还可以将提供激光束的激光装置安装在固定位置并以激光束和部件之间的相对运动与在围绕至少一个部件的圆形路径上引导激光束或激光装置时相同的方式旋转部件。工艺步骤的这种变化还特别适用于在制造凸轮轴调节器时将端盖焊接到定子。

根据进一步的方面，该目的通过复合体解决，该复合体包括由非烧结材料制成的第一部件和由烧结材料制成的第二部件。在这种情况下，根据前述实施方式的方法生产该复合体。该复合体具有与根据本发明的方法类似的优点。

第二接合区域的烧结材料因此被第一接合区域的非烧结材料的熔体熔化。激光束直接施加到或耦合到非烧结材料的边缘区域。因此，甚至是包含不同性质或可用于不同目的的难以接合的材料对也可以焊接在一起。

优选地，第一部件是圆盘形的。因此，例如，第一部件具有凸轮轴调节器的定子上的端盖的形状。第一部件的圆形设计实现或促进激光束从径向外侧均匀地施加到第一接合区域上同时激光装置在围绕第一部件的圆形路径上被引导。

此外，第一部件优选地设计为盖，特别是凸轮轴调节器上的定子盖。定子盖对应于凸轮轴调节器上的定子的端盖。第二部件优选地设计为定子，特别是作为凸轮轴调节器的定子。

结合这两个实施方式，应再次强调激光焊接方法制造凸轮轴调节器的特别适用性。凸轮轴调节器的定子被设计成，例如，带有用于链驱动的齿。为了确保承载链条所需的硬度，定子优选地由可硬化的烧结材料制成。这种烧结材料和由非烧结材料制成的定子盖之间的激光焊接接头可以通过根据本发明的激光焊接方法以特别好的形式形成。另一方面，定子盖可以由可容易焊接的钢制成。例如，这是厚度小于6mm或优选地小于3mm的冲压钢板。

在有利的实施方式中，烧结材料是烧结金属，优选地是烧结钢。烧结金属理想地适用于需要多个机加工工艺、包括复杂几何结构和/或将多个子部件集成到新部件中的部件，例如，其是定子的情况。

在特别优选的实施方式中，烧结金属的碳含量优选在0.3％和0.9％之间，特别地在0.5％和0.8％之间，特别地0.6％。随着碳含量的增加，钢并且特别是烧结钢可以更好地硬化。同时，碳含量尽可能低的材料最适合激光焊接方法，以降低材料残余应力。相应的最佳碳含量为0.6％，以提供可充分硬化的材料，但其也可用于根据本发明的激光焊接方法。

此外，非烧结材料优选地是金属，优选地是钢。这种非烧结材料是稳定的并且特别好地可通过激光焊接机械加工和/或接合。

根据本发明，非烧结材料还有利地具有尽可能低的碳含量，特别是不超过0.2％的碳含量，因此，具有降低的材料残余应力。例如，钢的碳含量为约0.02％，锰含量为约0.2％。这确保了良好的可焊接性。

根据进一步的方面，该问题通过使用用于将非烧结材料接合到烧结材料的激光焊接方法来解决。激光束被施加到接合接头区域中的非烧结材料的第一接合区域，以便将第一接合区域熔化成熔体，并且第二部件的第二接合区域通过第一接合区域的熔体的方式在接合接头的区域中熔化。使用激光焊接方法和以下使用该方法的实施方式提供与根据本发明的激光焊接方法和/或根据本发明的复合体类似的优点。

第二接合区域中的烧结材料通过第一接合区域的非烧结材料的熔体的方式熔化。为此目的，激光束直接施加或耦合到非烧结材料的边缘区域中。因此，在这种情况下，人们谈到了间接激光焊接。根据本发明的激光焊接方法的使用带来的优点是容易在非烧结材料和适合于大批量生产的烧结材料之间形成稳定的焊接接头。

特别地，现在许多应用领域都可以用焊接代替螺栓连接。这导致材料和制造成本的显著降低。此外，激光焊接方法可以非常灵活地用于待连接的不同几何结构的部件，这继而显著降低了工艺和/或制造成本。激光束直接施加到非烧结材料的边缘区域或耦合到其中。根据本发明的激光焊接方法的使用能够在非烧结材料和烧结材料之间形成焊接接头。因此，即使是具有不同的性质或可用于不同的目的的难以连接的材料对也可以焊接在一起。

根据优选的实施方式，第一部件和第二部件沿接触平面布置以形成接合接头。当使用激光焊接方法时，激光束平行于接触平面对准。这使得激光束能够实现其最大效果和实现高穿透深度。通过激光束的这种对准，可以获得最大穿透深度和焊缝的强度。激光束的这种对准特别适用于其中两个部件的外边缘部分是彼此齐平的接合接头的情况。因此，降低了无意中将激光束施加到由烧结材料制成的第二部件的风险。

在可选的实施方式中，当使用激光焊接方法时，激光束以与接触平面成角度α对准，其中角度α为至多45°，特别是至多30°，特别地至多15°。例如，如果由于结构条件不能用平行于接触平面对准的激光束到达第一接合区域或者如果没有形成平行的焊接根部并且因此穿透深度将减小，则可以提供角度α与0°的偏差。然而，在最大角度高达45°时，激光束仍然可以具有足够的效果来熔化第一部件的接合区域。当要接合的一个部件的外边缘部分搁置在延伸超出其外边缘的另一个部件的外表面上时，激光束的这种成角度的对准特别适合。这最小化将激光束施加到第二部件的风险，或者使得完全可以将激光束施加到第一接合区域。

在进一步有利的实施方式中，在使用激光焊接方法时施加连续和/或脉冲激光焊接。因此，例如，其取决于几何形状，但也取决于非烧结材料的导热性，无论连续焊接工艺还是脉冲焊接工艺都是有利的。连续激光焊接是一种不间断焊接工艺，其特别适用于焊接厚部件，以及难熔金属，诸如钛、铬和钨。另一方面，在脉冲激光焊接中，能量供应以有限的时间间隔发出。在每个激光脉冲之后，存在一个短暂的停顿，在此期间之前产生的熔体可以冷却下来。这可以防止部件变形或熔化超出预期。

根据本发明，当使用激光焊接方法时，有利地使用激光束MSG混合焊接。激光束-MSG混合工艺或激光束-MSG混合焊接是在公共工艺区中激光束与MSG焊接工艺的组合(MSG＝金属保护气体焊接)。因此，利用了两种工艺的优点。实现了非常深的穿透和良好的侧面结合。因此，形成了非常窄的热影响区，几乎没有变形。该工艺允许非常高焊接速度，这导致较低的每单位长度的能量输入。经济效益高的主要原因是减少了焊缝准备工作。可以省略整个工作步骤。

本发明的进一步优点从描述和附图中显而易见。

下面参考附图中所示的实施方式更详细地解释本发明。它们显示：

图1是在施加激光束之前根据本发明的复合体的第一实施方式的横截面；

图2是图1的复合体在施加激光束期间的横截面；

图3是在施加激光束期间根据本发明的复合体的第二实施方式的透视图；和

图4是根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1显示了在施加激光束11之前根据本发明的复合体1的第一实施方式的横截面。复合体1处于根据本发明的用于其制造的方法或根据本发明的用于接合非烧结材料和烧结材料的激光焊接方法的早期阶段。第一部件2由非烧结材料制成，并且第二部件3由烧结材料制成。另外，图1显示了朝向第一部件2定向的激光装置4。部件2、3位于接触平面5的相对侧上，它们沿着接触平面5布置并因此彼此抵靠放置。第一部件2包括第一接合区域6。第二部件3包括第二接合区域7。

接合区域6、7各自布置在部件2、3面向激光装置4的端部。部件2、3沿着接触平面5布置并且接合接头8通过接合区域6、7的方式产生。由此，接合接头8沿着接合边缘布置。接合边缘在部件2、3在接触平面5上彼此齐平的位置处延伸。接合区域6、7还可以各自具有凹槽9、10。具体地，在所示实例中，第一接合区域6具有第一凹槽9，并且第二接合区域7具有第二凹槽10。凹槽9、10彼此相对布置并限定公共腔体。凹槽9、10的功能在图2的以下描述中解释。

图2显示了在施加激光束11期间图1的复合体1的横截面。与图1相比，复合体1显示为处于其制造工艺的后期阶段。如在图1中，还可以看到部件2、3及其接合区域6、7和凹槽9、10。此外，图2再次显示了激光装置4和接触面5。然而，部件2、3现在是位于接触平面5上，因此彼此直接相邻，产生接合接头8。此外，激光装置4在该工艺的这个阶段被激活，如所显示，激光束11各自朝向第一部件2及其接合区域6定向。具体地，在此显示了将激光束11施加到在接合接头8的区域中的第一部件2的第一接合区域6以将第一接合区域6熔化成熔体的工艺步骤。随后各自得到的工艺步骤是通过第一接合区域6的熔体的方式在接合接头8的区域中熔化第二部件3的第二接合区域7。结果是基本上环形的焊缝。

凹槽9、10在各自的部件2、3中凹陷并且布置在公共接触平面5上并且至少部分地平行于接合接头8。由于两个凹槽9、10在接触平面5处彼此直接相对，它们形成了公共空腔。可以减少焊缝上的应力，因为在复合体1的操作期间，压力可以远离焊缝根部并消散到周围的基材中。

还可以各自提供第一和第二凹槽9、10，其在第一和/或第二部件中并且至少部分地平行于用于气体压力补偿的接合接头延伸。这具有的优点是，例如，熔体较少受到所产生的气体得扩散的影响，由此可以另外地增加强度并使其稳定。此外，通过熔体流入凹槽可以提供接头的改进的剪切强度。此外，接合工艺期间的张力可以显著降低，这另外提高了焊接接头的质量。

此外，可以仅提供凹槽9、10中的一个，即仅第一凹槽9或仅第二凹槽10。在没有任何凹槽的情况下接合部件2、3也是本发明的一部分。

当激光束11施加到第一接合区域6时，激光束11与接触平面5成角度α对准。在这种情况下，角度α具体为15°。最佳地，激光束11平行对准到接触平面5或具有α＝0°，因为激光束11然后可以发挥其最大作用和穿透作用。然而，角度α可以高达45°以实现激光束11的充分作用。原则上，应避免三维应力和散热状态。

图3显示了在施加激光束11期间根据本发明的复合体1的第二实施方式的透视图。在该第二实施方式中，复合体1被显示为凸轮轴调节器的一部分。如图2所示出，复合体1显示处于其制造工艺的后期阶段。如图2中，可以看到第一部件2和第二部件3沿着接合接头8彼此抵靠。第一部件2配置为圆盘形定子盖，并且由碳含量低的钢制成。第二部件3形成为凸轮轴调节器的定子，并且由碳含量为0.6％的烧结钢制成。0.6％的选定碳含量确保了第二部件3的烧结钢的充分硬化性，但同时仍允许通过根据本发明的激光焊接方法接合部件2、3。

此外，图3再次显示了具有激光束11的激光装置4。当施加激光束11时，在该实施方式中，激光束11以及因此激光装置4在围绕第一部件2或定子盖的圆形路径12上被引导。由此，激光束11从径向外侧被各自定向并施加到第一部件2。然而，本发明不限于圆形焊缝。例如，第一部件2可以具有偏离圆形的形状，以防止部件2膨胀等。例如，部件2可以是三叶草形，使得圆周焊缝在几个半径上延伸并部分径向延伸。还可以设想，提供了几个彼此分开延伸的圆周焊缝。

为简化起见，图3中省略了一些细节(诸如接触平面和接合区域)的图示。然而，图1和图2的相应解释也适用于此。

图4显示了根据本发明的方法的流程图。该方法包括，在提供由非烧结材料制成的第一部件2和提供由烧结材料制成的第二部件3之后，第一步骤100沿接触平面5布置第一部件2和第二部件3以产生接合接头8。在第二步骤中，该方法包括在接合接头8的区域中将激光束11施加200到第一部件2的第一接合区域6，以便将第一接合区域6熔化成熔体。在接下来的工艺步骤中，第二部件3的第二接合区域7的熔化300通过第一接合区域6的熔体在接合接头8的区域中发生，并且在最后的步骤中，发生接合接头8的冷却400。

结合本发明的各个实施方式解释和显示的所有特征可以在根据本发明的主题中以不同的组合提供，以便同时实现它们的有益效果。

Claims (16)

1.一种用于将非烧结材料接合到烧结材料的激光焊接方法，其包括以下步骤：

-提供由非烧结材料制成的第一部件(2)，

-提供由烧结材料制成的第二部件(3)，

-沿接触平面(5)布置(100)所述第一部件(2)和所述第二部件(3)以产生接合接头(8)，

-将激光束(11)施加(200)到所述接合接头(8)的区域中的所述第一部件(2)的第一接合区域(6)以将所述第一接合区域(6)熔化成熔体，

-通过所述第一连接区域(6)的所述熔体在所述接合接头(8)的区域中熔化(300)所述第二部件(3)的第二接合区域(7)，并且

-冷却(400)所述接合接头(8)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束(11)在施加期间平行于所述接触平面(5)对准。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束(11)在所述施加期间与所述接触平面(5)成角度α对准，其中所述角度α为至多45°，特别地至多30°，特别地至多15°。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光束(11)的施加是通过连续或脉冲激光束(11)完成的。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述施加通过激光束MSG混合焊接完成。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一部件(2)的提供是通过由钢制成的部件完成的，并且所述第二部件(3)的提供是通过由含碳烧结钢制成的部件完成的。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一部件(2)的提供是通过圆盘形部件完成的，并且所述激光束(11)的施加是通过将所述激光束(11)从径向外侧定向到第一接合区域(6)上并在平行于围绕所述部件(2，3)中的至少一个的所述接触平面(5)的圆形路径(12)上引导所述激光束(11)来完成的。

8.一种复合体(1)，其包括由非烧结材料制成的第一部件(2)和由烧结材料制成的第二部件(3)，其特征在于所述复合体(1)根据前述权利要求中的任一项所述的方法制造。

9.根据权利要求8所述的复合体(1)，其特征在于，所述第一部件(2)配置为圆盘的形状。

10.根据权利要求8或9所述的复合体(1)，其特征在于，至少一个凹槽(9、10)平行于所述接合接头(8)形成，其中所述凹槽(9、10)在所述第一部件中(2)和/或在所述第二个部件(3)中形成并凹陷。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的复合体(1)，其特征在于，所述第一部件(2)配置为盖，特别地，为凸轮轴调节器上的定子盖。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的复合体(1)，其特征在于，所述第二部件(3)配置为定子，特别地，为凸轮轴调节器的定子。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的复合体(1)，其特征在于，所述烧结材料是烧结金属，优选地是烧结钢。

14.根据权利要求8至13中任一项所述的复合体(1)，其特征在于，所述非烧结材料是金属，优选地是碳含量最大为0.2％的钢。

15.根据权利要求8至14中任一项所述的复合体(1)，其特征在于，所述烧结金属的碳含量优选地在0.3％和0.9％之间，特别地，在0.5％和0.8％之间，特别地为0.6％。

16.用于将非烧结材料接合到烧结材料的激光焊接方法的用途，其中激光束(11)被施加到接合接头(8)的区域中的所述非烧结材料的第一接合区域(6)中，用于将所述第一接合区域(6)熔化成熔体，并且所述第二部件(3)的第二接合区域(7)通过所述第一接合区域(6)的所述熔体在所述接合接头(8)的区域中熔化。

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