DE10045675A1

DE10045675A1 - Verschweißung von Werkstücken unterschiedlichen Kohlenstoffgehaltes

Info

Publication number: DE10045675A1
Application number: DE10045675A
Authority: DE
Inventors: Juergen Sauter; Horst Mueller
Original assignee: Mannesmann Sachs AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2000-09-15
Filing date: 2000-09-15
Publication date: 2002-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Verschweißen eines Werkstückes aus einem Material mit hohem Kohlenstoffanteil mit einem aus einem Material mit niedrigem Kohlenstoffanteil an einem Fügespalt mit Hilfe der Strahlschweißverfahren (Elekronenstrahlschweißen). Zwei eng nebeneinander liegende Schweißnähte oder eine in den Fügespalt eingelegte hochnickelhaltige Platine führen zu einer ausreichend martensitarmen Verschweißung der Werkstücke mit einer Schweißnaht, die nicht zu Rissbildungen neigt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verschweißung eines Werkstücks aus einem Material mit hohem Kohlenstoffanteil mit einem Werkstück aus einem Material mit niedrigem Kohlenstoffanteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Gemäß einer Ausarbeitung der Fachgruppe "Schweißtechnische Ingenieuraus bildung" der DVS (Deutscher Verlag für Schweißtechnik) - Arbeitsgruppe "Schu lung und Prüfung" unter Leitung von Prof. Dr. Ing. H. Richter mit dem Titel "Fü getechnik - Schweißtechnik" werden Strahlschweißverfahren und insbesondere das Elektronenstrahl-Schweißverfahren auf den Seiten 131 bis 133 beschrieben. Dort wird die extrem rasche Abkühlung des Schweißbades erwähnt, die bei eini gen Werkstoffen zur Aufhärtung der Schweißnaht führen, wenn bei Raumtempe ratur geschweißt wird. Da die Martensitbildung erst über 200° in vertretbaren Grenzen bleibt, wird auf die Möglichkeit der Rissbildung hingewiesen, die insbe sondere dann entsteht, wenn Stähle mit mehr als 0,3% Kohlenstoff miteinander verschweißt werden. Beim Verschweißen von Werkstücken mit unterschied lichem Kohlenstoffgehalt ist mit Rissbildung beeinflussender Martensitbildung auch dann zu rechnen, wenn nur eines dieser Werkstücke einen höheren Kohlen stoffgehalt als 0,3% aufweist.

Da bei Großserien speziell für Teile im Automobilbau Verschweißungen zwischen ziehfähigem Material und härtbarem Material erforderlich werden, bieten sich Strahlschweißverfahren wegen der geringen Verzüge und der hohen Maßhaltig keit vor und nach der Verschweißung förmlich an. Es gilt lediglich sicher zu - stellen, dass die Schweißnaht auf irgendeine Weise nicht mehr Martensit enthält, als man erhielte, wenn die Werkstücke auf über 200°C erwärmt worden wären.

Als Ausweichlösung für die Erzeugung einer Schweißnaht mit geringer Neigung zur Martensitbildung wäre die Anreicherung des Schweißbades mit Nickel zu er wähnen, der die Rissbildung und später zu erwartende Brüche der Werkstücke zuverlässig verhindert. Für diesen Fall ist es möglich, einen Nickeldraht während der Verschweißung in der Schweißmaschine mit einem Vorschub einlaufen zu lassen, wodurch das Schweißbad mit Nickel angereichert würde. Möglicherweise aber ist der Abbrand des Drahtes unterschiedlich und es kommt zu Unsicherhei ten bei der Reproduzierbarkeit des Schweißverfahrens.

Nach der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, ein Werkstück aus einem Material mit hohem Kohlenstoffanteil mit einem Werkstück aus einem Material mit niedrigem Kohlenstoffanteil an einem Fügespalt mit Hilfe eines Strahl schweißverfahrens zu verbinden, wobei eine Schweißnaht mittig zum Fügespalt gelegt wird. Wie bereits erwähnt, ist die auf diese Weise erfolgte Schweißnaht in ihrem Schweißbad mit Kohlenstoff angereichert und somit durch die Martensit bildung für die spätere Verwendung des verschweißten Werkstückes eine Gefahr, da Rissbildung droht. Gemäß dem Vorschlag der Erfindung wird also eine zweite Schweißnaht parallel zu der ersten Schweißnaht im Werkstück aus dem Material mit niedrigem Kohlenstoffanteil gelegt, wobei ein konstanter Abstand zu der ers ten Schweißnaht gehalten wird, der so groß ist, dass alle in der ersten Schweiß naht vorhandenen Kristalle wenigstens auf 200°C erwärmt werden, wodurch das Material der ersten Schweißnaht einen Anlassvorgang erfährt. Durch diesen An lassvorgang wird das Martensit in der ersten Schweißnaht abgebaut, wobei zu beachten ist, dass die Martensitbildung in der zweiten Schweißnaht durch die Schmelze im Schweißbad aus Material mit niedrigem Kohlenstoffanteil gar nicht erst rissbildungsgefährdend entsteht.

Es ist bekannt, dass in normalen Schweißnähten die Martensitbildung durch E lektroden mit hohem Nickelanteil gering gehalten werden können, wenn es ge lingt, den Nickelanteil im Schweißbad der Schweißnaht gleichmäßig und entspre chend hoch zu halten. Analog dazu wäre auch für ein Strahlschweißverfahren die Möglichkeit gegeben, Werkstücke aus Materialien mit unterschiedlich hohem Kohlenstoffanteil zu verschweißen, ohne dass die Martensitbildung rissbildge fährdend in der Schweißnaht entsteht, wenn eine ausreichend hohe Menge Ni ckel zulegiert würde.

Es wird somit vorgeschlagen, den Nickelanteil im Schweißbad der Schweißnaht dadurch zu erhöhen, dass eine Platine aus hochnickelhaltigem Werkstoff zwi schen die zu verschweißenden Werkstücke aus Materialien mit unterschiedlich hohem Kohlenstoffanteil gebracht wird. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Pla tine eine Fläche haben muss, die der Stoßfläche zwischen den beiden Werkstü cken entspricht, und dass die Stärke dieser hochnickelhaltigen Platine mit optimal 0,3 mm ausgelegt sein sollte. Wird nun durch die Strahlschweißmaschine eine Schweißnaht mittig zu der beigelegten Platine gelegt, so geht die Platine mit ih rem hohen Nickelanteil vollkommen in dem Schweißbad der Schweißnaht auf und reichert dieses mit Nickel derart an, dass nach erfolgter Verschweißung eine aus reichende Sicherheit gegen Rissbildung gewährleistet ist.

Es ergibt sich somit als Aufgabe für die vorliegende Erfindung, mit Hilfe eines Strahlschweißverfahrens zwei Werkstücke aus Materialien mit unterschiedlichem Kohlenstoffanteil zu verschweißen, ohne die Nachteile der Rissbildung durch Mar tensitbildung in der Schweißnaht in Kauf nehmen zu müssen.

Die Lösung der Aufgabe ist in den Kennzeichen der Ansprüche 1 und 3 beschrie ben. Ausgestaltungen dieser Verfahren sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand zweier Skizzen wird die Verschweißung von Werkstücken aus Materia lien mit unterschiedlichem Kohlenstoffanteil erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Werkstück aus einem Material mit hohem Kohlenstoffanteil, welches mit einem Werkstück aus einem Material mit niedrigem Kohlenstoffanteil über einen Fügespalt zusammengefügt ist, bevor eine erste Schweißnaht und anschließend eine zweite Schweißnaht gelegt wird;

Fig. 2 die beiden Werkstücke mit unterschiedlichem Kohlenstoffanteil und eine hochnickelhaltigen Platine dazwischen im Fügespalt, bevor eine Schweißnaht mittig zur Platine gelegt wird.

Wird mit 1 ein Werkstück aus einem Material mit hohem Kohlenstoffanteil be zeichnet, so wird gegen dieses ein Werkstück 2 aus einem Material mit niedrigem Kohlenstoffanteil unter Bildung eines Fügespaltes 3 gefügt. Der Fügespalt hat bei spanend hergestellten Werkstücken meist eine nur geringe Luft, was der Natur der Strahlschweißverfahren entgegenkommt, weil beim Elektronenstrahlschwei ßen durch die Energie der auftreffenden Elektronen ein Dampfkanal vorüberge hend entsteht, der durch die Energie der auftreffenden Elektronen erzeugt wird, beim Laserschweißen entsteht der Dampfkanal durch laserinduziertes Plasma, wobei dieser entlang des Fügespaltes 3 weiter wandert und sich hinter diesem Kanal in Form einer Schweißnaht wieder schließt. Die Verschweißung findet also im Bereich von wenigen Zehntel Millimeter statt, was die Forderung nach spa nend bearbeiteten und gut am Fügespalt 3 zu einander passenden Werkstücken 1, 2 erklärt.

Bei Strahlschweißverfahren handelt es sich um eine teuere Methode der Ver schweißung von Werkstücken 1 und 2, da die Schweißmaschine selbst ebenso wie eine Haltervorrichtung für die unterschiedlichen Werkstücke 1, 2 erforderlich sind. Das Verfahren kommt somit nur für die Herstellung von Produkten in gro ßen Serien in Frage, bei denen neben der Schweißqualität auch eine weitgehende Verzugsfreiheit der dann zusammengeschweißten Werkstücke 1, 2 erforderlich macht. Für den Fall der Verschweißung von unterschiedlichen Werkstücken 1, 2 ist die Martensitbildung in der Schweißnaht, wie bereits gesagt, ein Problem, welchem man nur durch die Erhöhung der Temperatur beim Schweißen oder aber durch einen nachträglichen Anlassvorgang beikommen kann.

Das vorgeschlagene Verfahren setzt am Fügespalt 3 eine erste Schweißnaht 4 und sodann eine zweite Schweißnaht 5 im Werkstück 2 aus dem Material mit niedrigem Kohlenstoffanteil in einem Abstand 6, der gerade so groß ist, dass von dem Schweißbad der zweiten Schweißnaht 5 soviel Wärme in die vorhergegan gene erste Schweißnaht 4 eindringt, dass die Martensitbildung auf ein für die Rissbildung erträgliches Maß herabgemindert wird. Es handelt sich somit um ei nen Anlassvorgang, der durch die Anbringung der zweiten Schweißnaht 5 in der ersten Schweißnaht 4 stattfindet. Der Vorschlag ist deshalb so attraktiv, weil es keiner großen Anstrengung bedarf, die zweite Schweißnaht 5 zu legen, da es sich zumeist um rotationssymmetrische Werkstücke 1, 2 handelt, die an dem feststehenden Strahlerzeuger vorbeigeführt werden. Ein Vorschub sorgt dafür, dass die zweite Schweißnaht 5 in dem vorgenannten Abstand 6 im Anschluss an die erste Schweißnaht 4 gelegt werden kann.

Da die Werkstücke 1 und 2 in die Haltevorrichtung einer Strahlschweißmaschine eingelegt werden müssen, liegt es nahe, eine Platine 9 in einen Fügespalt 7 ein zulegen, wobei diese Platine aus hochnickelhaltigem Material besteht und eine Stärke von 0,3 ± 0,1 mm haben soll. Wie bereits erwähnt, ist die Martensitbil dung bei Verwendung von einem Schweißbad mit hohem Nickelgehalt in Grenzen zu halten; diesen Umstand macht sich das vorgeschlagene Verfahren zu Nutze, um bei der Verlegung einer Schweißnaht 8 mittig zu der Platine 9 eine solche zu erhalten, die nur einen geringen Anteil von Matensit durch die Einschmelzung der Platine 9 erreicht.

Der Vorteil des Verfahrens mit den folgenden Verfahrensschritten, nämlich

- Einlegen des ersten Werkstückes 1 und des zweiten Werkstückes 2 in die Haltevorrichtung;
- Einlegen einer Platine 9 aus hochnickelhaltigem Werkstoff zwischen die Werkstücke 1, 2;
- Zusammenfahren der Werkstücke 1, 2 in der Haltevorrichtung und Bildung des Fügespaltes 7 in doppelter Ausführung rechts und links der hochnickel haltigen Platine;
- Legen einer Schweißnaht 8 mittig zur Platine 9;

liegt darin, dass mit relativ einfachen Maßnahmen eine ausreichend martensitar me und wenig rissbildungsgefährdete Schweißnaht

8

gelegt werden kann.

Ferner liegt der Vorteil des vorab beschriebenen Verfahrens mit den folgenden Verfahrensschritten:

- Einlegen der Werkstücke 1, 2 in die Haltevorrichtung;
- Zusammenfügen der Werkstücke 1, 2 unter Bildung eines Fügespaltes 3 ohne nennenswerte Luft;
- Legen einer ersten Schweißnaht 4 mittig zum Fügespalt 3;
- Legen einer zweiten Schweißnaht 5 in einem Abstand 6 vom ursprünglich vorhandenen Fügespalt 3 im Werkstück 2 mit niedrigem Kohlenstoffanteil;

darin, dass der durch die zweite Schweißnaht

5

erzeugte Anlassvorgang für die erste Schweißnaht

4

eine ebenfalls ausreichende martensitarme Verschweißung ergibt, wobei dieser Vorteil durch die Erstellung einer Vorrichtung erkauft wird, welche einen Abstand

6

zwischen die erste Schweißnaht

4

und die zweite Schweißnaht

5

legen kann.

Bezugszeichenliste

1

Werkstück aus einem Material mit hohem Kohlenstoffanteil

2

Werkstück aus einem Material mit niedrigem Kohlenstoffanteil

3

Fügespalt

4

erste Schweißnaht

5

zweite Schweißnaht

6

Abstand

7

Fügespalt

8

Schweißnaht

9

Platine

Claims

1. Verfahren zum Verschweißen eines Werkstückes (1) aus einem Material mit hohem Kohlenstoffanteil mit einem Werkstück (2) aus einem Material mit niedrigem Kohlenstoffanteil an einem Fügespalt (3, 7) mit Hilfe des Strahl schweißverfahrens (Elektronenstrahlschweißen) und einer Haltevorrichtung zum Verschweißen der Werkstücke (1, 2) in größeren Serien mit den folgen den Verfahrensschritten:
Einlegen der Werkstücke (1, 2) in die Haltevorrichtung;
Zusammenfügen der Werkstücke (1, 2) unter Bildung eines Fügespaltes (3) ohne nennenswerte Luft;
Legen einer ersten Schweißnaht (4) mittig zum Fügespalt (3);
Legen einer zweiten Schweißnaht (5) in einem Abstand (6) vom ursprüng lich vorhandenen Fügespalt (3) im Werkstück (2) mit niedrigem Kohlen stoffanteil.

2. Verschweißung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (6) experimentell so zu bemessen ist, dass die in das Werk stück (1) fließende Wärme ausreicht, den rissbildungsgefährlichen Martensit anteil der ersten Schweißnaht (4) durch Anlassen abzubauen.

3. Verfahren zum Verschweißen eines Werkstückes (1) aus einem Material mit hohem Kohlenstoffanteil mit einem Werkstück (2) aus einem Material mit niedrigem Kohlenstoffanteil an einem Fügespalt (3, 7) mit Hilfe eines Strahl schweißverfahrens und einer Haltevorrichtung zum Verschweißen der Werk stücke (1, 2) in größeren Serien mit den folgenden Verfahrensschritten:
Einlegen des ersten Werkstückes (1) und des zweiten Werkstückes (2) in die Haltevorrichtung;
Einlegen einer Platine (9) aus hochnickelhaltigem Werkstoff zwischen die Werkstücke (1, 2);
Zusammenfahren der Werkstücke (1, 2) in der Haltevorrichtung und Bildung des Fügespaltes (7) in doppelter Ausführung rechts und links der hochni ckelhaltigen Platine (9);
Legen einer Schweißnaht (8) mittig zur Platine (9).

4. Verschweißung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hochnickelhaltige Platine (9) eine Stärke von 0,3 mm ± 0,1 in mm aufweist.

5. Verschweißung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hochnickelhaltige Platine (9) eine Fläche aufweist, die einer Stoßflä che zwischen dem ersten Werkstück (1) und dem zweiten Werkstück (2) ent spricht.