DE10109112A1

DE10109112A1 - Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile aus Titan

Info

Publication number: DE10109112A1
Application number: DE10109112A
Authority: DE
Inventors: Oliver Sven Schauerte; Matthias Lang
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-02-24
Filing date: 2001-02-24
Publication date: 2002-09-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehreren Bauteilen aus Titan oder Titanlegierungen durch Schweißen. Um den Einfluss der umliegenden Atmosphäre auf das Titan im Bereich der Wärmeeinflusszone und der Schweißnahtwurzel beim Schweißverfahren auszuschließen, der zur Oxidation und damit einer Schwächung der Schweißverbindung führen würde, wird ein beispielsweise hülsenartiges Bauteil 15 innen in die zu verbindenden Bauteile 10, 11 eingeschoben. Das hülsenartige Bauteil 15 deckt damit die Innenseite der Schweißverbindung ab. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut für die Verbindung von Rohren und Schalldämpfern bei hochwertigen aus Titan bestehenden Abgasanlagen für Automobile und Motorräder.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile aus Titan oder Titanlegierungen durch Schweißen.

Es werden beispielsweise hochwertige Abgasanlagen, die ein geringes spezifisches Gewicht aufweisen sollen, in der Automobilindustrie aus Bauteilen aus Titan hergestellt, die in der Regel durch Schweißen miteinander verbunden werden. Das Schweißen von Titan ist problematisch wegen der großen Affinität des Titans zum Sauerstoff. Bei der Verwendung von Schmelzschweißverfahren muss man daher auf eine sehr gute Abschirmung des Schmelzbades gegenüber der umgebenden Atmosphäre achten. Dafür kann man beispielsweise Edelgase wie Argon oder dergleichen benutzen. Während dies schmelzbadseitig problemlos möglich ist, kann bei komplexen Hohlkörperstrukturen die Rückseite der Wärmeeinflusszone (WEZ) und die Schweißnahtwurzel nur mit großem Aufwand abgeschirmt werden. Man müsste beispielsweise bei der Herstellung von Schweißverbindungen zwischen Bauteilen einer Abgasanlage, z. B. Verbindungen von Abgasrohren mit einem Schalldämpfer oder dergleichen, den Schalldämpfer vollständig mit Schutzgas spülen. Eine solche Vorgehensweise ist jedoch sehr aufwendig und führt zu hohen Fertigungskosten. Der Verzicht auf rückseitiges Spülen mit Schutzgas ist nicht zu empfehlen, da dann eine Sauerstoffaufnahme des Titans in der Wärmeeinflusszone erfolgt, die bei der Schweißverbindung zu einer Schwächung insbesondere unter den Bedingungen der Beanspruchung führt, wie sie beispielsweise bei einer Abgasanlage durch auftretende Schwingungen gegeben sind. Eine derartige Schweißverbindung wäre demnach nicht dauerhaft haltbar. Dabei ist zu bedenken, dass insbesondere die Verbindungen von Rohren einer Abgasanlage zu den Schalldämpfern mechanisch sehr hoch beansprucht werden.

Das Verbinden von Bauteilen aus Titan oder Titanlegierungen durch Schweißen, z. B. bei der Herstellung von Abgasanlagen, kann daher unter Serienbedingungen mit vertretbarem Zeitaufwand nur erfolgen, wenn man auf das aufwendige Spülen mit Schutzgas verzichtet, d. h. zumindest auf das Spülen im Bereich der Innenseite der Schweißverbindung. Es reicht dann zumindest aus, die Schweißnaht von der Außenseite im Bereich der Wärmeeinflusszone und der Schmelzzone mittels Schutzgas gegen die Umgebungsluft abzuschirmen.

Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile aus Titan oder Titanlegierungen durch Schweißen zur Verfügung zu stellen, welches ohne den genannten Aufwand auskommt und sich daher für eine Serienfertigung mit geringeren Kosten oder geringerem Zeitaufwand eignet.

Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile aus Titan oder Titanlegierungen durch Schweißen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass man den Verbindungsbereich vor und/oder während des Schweißvorgangs bis zur Abkühlung wenigstens einseitig durch ein drittes Bauteil zur Abschirmung gegen den Einfluss der umliegenden Atmosphäre auf die Schweißnaht abdeckt.

Das genannte dritte Bauteil kann gemäß einer möglichen Variante der Erfindung beispielsweise ein mindestens in dem abdeckenden Bereich im wesentlichen hülsenartig ausgebildetes Bauteil sein. Dieses dritte Bauteil besteht nach der Erfindung vorzugsweise überwiegend aus Titan und/oder Aluminium oder einer Legierung dieser Metalle. Der zusätzliche Vorteil der Verwendung eines etwa hülsenartigen Bauteils aus Titan liegt darin, dass man zu einem Gesamtbauteil mit vergrößerter Wandstärke im Verbindungsbereich gelangt, wodurch im Betrieb die thermische Beanspruchung der Rückseite der Schweißnaht durch Heißgas (Abgas) der Verbrennungskraftmaschine sinkt. Dies ist bei der Verwendung eines Titanbauteils aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit besonders signifikant.

Eine andere bevorzugte Variante der Erfindung sieht die Verwendung eines dritten Bauteils vor, welches im wesentlichen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Dies hat den besonderen Vorteil, dass in der Wärmeeinflusszone durch die Erschmelzung aus dem genannten dritten Bauteil aus Aluminium und den zu verbindenden beiden Bauteilen aus Titan oder Titanlegierungen eine sogenannte intermetallische Titanaluminid-Legierung entsteht, die sich durch eine sehr hohe Festigkeit, Steifigkeit und Wärmebeständigkeit auszeichnet. Dadurch entsteht insgesamt eine hochfeste Schweißverbindung.

Das genannte dritte Bauteil, welches zumindest einseitig die zu verbindenden Bauteile im Bereich, der geschweißt wird, abdeckt, kann beispielsweise eine im wesentlichen rohrförmige Hülse sein. Ein solches drittes Bauteil bietet sich insbesondere dann an, wenn wenigstens eines der zu verbindenden Bauteile wenigstens in dem Verbindungsbereich ebenfalls im wesentlichen rohrförmig geformt ist. Vorzugsweise ist dann das dritte Bauteil so dimensioniert, dass es etwa passend in einen Rohrabschnitt bzw. Rohrabschnitte des oder der beiden miteinander zu verbindenden Bauteile einschiebbar ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Handhabung des Abdeckschritts und außerdem ist ein solches hülsenartiges oder rohrförmiges Bauteil einfach erhältlich. Ebensogut kann man aber das dritte Bauteil mit einer speziellen Formgebung versehen, die an die Form der zu verbindenden Bauteile im Bereich der Schweißverbindung angepasst ist, um eine möglichst gute Abdeckung in dem rückseitigen Bereich der Schweißnaht, d. h., in dem Bereich der Wärmeeinflusszone, welche die an die Schweißnaht oder Schweißnähte angrenzende Region umfasst, zu erhalten.

Eine besonders gut geeignete Anpassung der Formgebung des dritten Bauteils ist gemäß einer möglichen bevorzugten Variante der Erfindung dann gegeben, wenn dieses eine vorzugsweise außen umlaufende Wulst oder Feder aufweist. Man kann dann die miteinander zu verbindenden Bauteile bis an diese Feder oder Wulst heranschieben und dann mit dieser und/oder untereinander verschweißen. In diesem Fall ist es bevorzugt, anstelle einer einzelnen zwei Schweißnähte aufzubringen.

Ebenso gut kann man aber auch Bauteile stumpf miteinander verschweißen und im rückseitigen Bereich durch das dritte Bauteil abdecken, wobei man dann vorzugsweise mit nur einer Schweißnaht auskommt. Dies kann zu einem Verschweißen des dritten Bauteils mit den zu fügenden Bauteilen führen, was eine zusätzliche Verstärkung der Fügestelle bewirkt.

Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf das Verbinden von nur zwei Bauteilen beschränkt, sondern es können auch mehr als zwei Bauteile miteinander verschweißt werden, von denen wenigstens eines aus Titan oder einer Titanlegierung besteht. Man kann beispielsweise gleichzeitig zwei im wesentlichen rohrförmige Bauteile und zusätzlich ein weiteres etwa topfförmiges Bauteil durch Schweißen miteinander verbinden. In diesem Fall ist definitionsgemäß das dritte Bauteil zur Abdeckung im Verbindungsbereich ein weiteres Bauteil zusätzlich zu den drei oder mehr zu verbindenden Bauteilen.

Vorzugsweise handelt es sich im Rahmen der Erfindung bei den zu verbindenden Bauteilen um Teile einer Abgasanlage, wobei wenigstens eines dieser Bauteile vorzugsweise ein Rohr einer Abgasanlage ist. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man beispielsweise rohrförmige und/oder topfförmige Teile einer Abgasanlage miteinander verschweißen. Beispielsweise kann das topfförmige Bauteil ein Schalldämpfer einer Abgasanlage sein. Wichtig ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, dass der rückseitige Bereich der Schweißnaht in der Wärmeeinflusszone so vollständig wie möglich gegen die vorhandene Umgebungsluft abgeschirmt wird, um ein Oxidieren des Titans zu vermeiden.

Eine zusätzliche Decklage kann zu einer verbesserten Festigkeit und Optik führen.

Nach Beendigung des Schweißvorgangs muss das dritte Bauteil selbst keine tragende Funktion mehr haben. Es kann sich also um ein sogenanntes verlorenes Bauteil handeln. Es ist aber auch möglich, z. B. bei Verwendung eines innen eingesteckten hülsenartigen oder rohrförmigen Bauteils dieses für eine Erhöhung der Wandstärke und somit zur Verstärkung des durch das Verschweißen herzustellenden Teils im Verbindungsbereich zu nutzen, so dass in diesem Fall dem dritten Bauteil auch eine statische Funktion zukommt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiter eine Abgasanlage oder ein Teil davon, insbesondere eines Automobils, welche wenigstens abschnittsweise aus Titan oder einer Titanlegierung besteht und wenigstens zwei Bauteile umfasst, die nach einem der vorgenannten erfindungsgemäßen Verfahren miteinander verbunden wurden.

Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen,

Fig. 1 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer Verbindung zweier Bauteile nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einer ersten Variante;

Fig. 2 eine schematisch vereinfachte Darstellung der Verbindung von drei Bauteilen gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 3 eine schematisch vereinfachte Darstellung der Verbindung zweier Bauteile gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Darstellung zeigt in schematisch vereinfachter Form ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Schweißvorgang nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei zwei Bauteile 10, 11 miteinander zu verbinden sind, von denen nur die hier interessierenden Bereiche dargestellt sind, die an die Schweißnaht 14 angrenzen. Die beiden zu verbindenden Bauteile, 10, 11 können beispielsweise Rohre einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs sein. Das dritte Bauteil 15, welches den Verbindungsbereich in der Wärmeeinflusszone beim Schweißvorgang abdeckt, kann eine Rohrhülse oder dergleichen sein. Man geht beispielsweise so vor, dass man die Rohrhülse 15 passend in die zu verbindenden stumpf aneinanderstoßenden Rohre 10, 11 hineinschiebt. Dann werden von außen in der Regel unter Verwendung von Schutzgas von der Außenseite her die Rohre 10, 11 miteinander über die Schweißnaht 14 verbunden. Die als drittes Bauteil zur Abdeckung von der Innenseite her verwendete Rohrhülse 15 besteht in der Regel aus Titan oder Aluminium und kann bei dem Schweißvorgang ruhig Sauerstoff aufnehmen. In diesem Fall handelt es sich um eine sogenannte Opferhülse, deren Schwächung durch den Schweißvorgang unerheblich ist, da die Fügeverbindung zwischen den beiden zu verbindenden Bauteilen 10, 11 durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine ausreichende Festigkeit erhält. Die Schweißnaht 14 selbst wird ja von der Innenseite her durch die Rohrhülse 15 gegen Sauerstoff weitestgehend geschützt.

Fig. 2 zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird. In diesem Fall werden drei Bauteile 10, 11, 17 durch zwei Schweißnähte 18, 19 miteinander verbunden. Es kann sich dabei z. B. um ein Rohr 10 und ein weiteres Rohr 11 sowie einen Topf 17 eines Schalldämpfers einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs handeln. Zur Abdeckung der zu verbindenden Bauteile 10, 11, 17 von der Innenseite her wird wiederum eine Rohrhülse 15 verwendet, die in diesem Fall im Bereich der später anzubringenden Schweißnähte eine außen umlaufende Feder 16 oder Wulst aufweist. Die zu verbindenden Bauteile 10, 11, 17 bestehen aus Titan, Titanlegierungen oder Aluminium und auch das rohrhülsenartige Bauteil 15 besteht vorzugsweise aus Titan oder Aluminium.

Zur Verbindung der Bauteile geht man nun so vor, dass man zunächst die beiden rohrförmigen Bauteile 10, 11 auf die Rohrhülse 15 aufschiebt bis sie jeweils an die Feder 16 stoßen. Außerdem schiebt man das topfförmige Bauteil 17 des Schalldämpfers über das rechte Rohr 11 ebenfalls etwa bis zu der Feder 16, wobei das topfförmige Bauteil 17 konzentrisch zu dem Rohr 11 liegt und so gebogen ist, dass es an der dem Verbindungsbereich zugewandten Seite außen an dem Rohr 11 anliegt und im übrigen von dem Rohr 11 beabstandet ist. Es werden nun zwei Schweißnähte angebracht. Die erste Schweißnaht 18 verbindet dann die Bauteile 17, 11 untereinander und mit der innen eingeschobenen Rohrhülse 15, insbesondere im Bereich der Feder 16. Außerdem wird durch eine zweite Schweißnaht 19, die unmittelbar neben der ersten Schweißnaht 18 liegt und sich auf der anderen Seite der Feder 16 befindet das zweite Rohr 10 mit der Rohrhülse 15 und damit auch mit den anderen beiden Bauteilen 11 und 17 verbunden. Die Schweißnähte 18 und 19 könnten über eine Decknaht zusammengeführt werden.

Eine weitere Variante der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben. In diesem Fall handelt es sich um ähnliche Bauteile wie in Fig. 1, nämlich ein erstes Rohr 10 und ein zweites Rohr 11, die miteinander zu verbinden sind. Es wird wiederum eine Rohrhülse 15 verwendet, die den zu verbindenden Bereich und die Wärmeeinflusszone der beiden Bauteile 10, 11 innenseitig abdeckt, d. h., bei einer umlaufenden Schweißnaht ringsum. Anders als bei der zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Variante werden aber hier die beiden zu verbindenden Rohre 10, 11 nicht stumpf aneinander geschoben, sondern die innenliegende Rohrhülse 15 weist wie bei der Variante gemäß Fig. 2 eine außen umlaufende Wulst oder Feder 16 auf. Beide Rohre 10, 11 werden also von der einen bzw. anderen Seite her bis an die Feder 16 geschoben. Dann werden zwei Schweißnähte, in diesem Fall die Nähte 12, 13 aufgebracht, wodurch die beiden Rohre 10, 11 jeweils mit der Rohrhülse 15 und untereinander verschweißt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Bauteil

11

Bauteil

12

Wurzelnaht

13

Wurzelnaht

14

Schweißnaht

15

Bauteil

16

Feder

17

Bauteil

18

Schweißnaht

Claims

1. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile, von denen wenigstens eines aus Titan oder Titanlegierungen besteht, durch Schweißen, dadurch gekennzeichnet, dass man den Verbindungsbereich vor und/oder während des Schweißvorgangs bis zur Abkühlung oder darüber hinaus wenigstens einseitig durch ein drittes Bauteil (15) zur Abschirmung gegen den Einfluss der umliegenden Atmosphäre auf die Schweißnaht abdeckt.

2. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Bauteil (15) überwiegend aus Titan und/oder Aluminium oder einer Legierung dieser Metalle besteht.

3. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Bauteil (15) mindestens in dem abdeckenden Bereich ein im wesentlichen hülsenartiges Bauteil ist.

4. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Bauteil (15) eine vorzugsweise außen umlaufende Wulst oder Feder (16) aufweist.

5. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der zu verbindenden Bauteile (10, 11) in dem Verbindungsbereich im wesentlichen rohrförmig geformt ist.

6. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Bauteil (15) wenigstens den Bereich der Wärmeeinflusszone, der an die Schweißnaht (Schweißnähte) angrenzt, abdeckt.

7. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Bauteile (10, 11) miteinander verbunden werden, die in dem Verbindungsbereich im wesentlichen rohrförmig ausgebildet sind.

8. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Bauteil (15) rohrförmig oder hülsenförmig ausgebildet ist und etwa passend in zwei miteinander zu verbindende Bauteile (10, 11) eingeschoben wird.

9. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Bauteile (10, 11) stumpf miteinander verschweißt werden.

10. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Bauteil (15) außenseitig eine Wulst oder Feder (16) aufweist und wenigstens zwei miteinander zu verbindende Bauteile (10, 11) bis an die Feder (16) herangeschoben und dann mit dieser und/oder untereinander verschweißt werden.

11. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Schweißnähte (12, 13) aufgebracht werden.

12. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei im Verbindungsbereich etwa rohrförmige Bauteile (10, 11) und wenigstens ein weiteres etwa topfförmiges Bauteil (17) durch Schweißen miteinander verbunden werden.

13. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Bauteile (10, 11) ein Rohr einer Abgasanlage vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs ist.

14. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der miteinander zu verbindenden Bauteile (10, 11) Rohre von Abgasanlagen vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs sind.

15. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der miteinander zu verbindenden Bauteile (17) ein topfförmiges Teil einer Abgasanlage vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs ist.

16. Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Bauteile ein topfförmiges Bauteil (17) ist, welches ein rohrförmiges Bauteil (11), das mit diesem zu verbinden ist, übergreift und im Bereich der Schweißnaht (18) konzentrisch umgibt.

17. Abgasanlage oder Teil einer Abgasanlage, insbesondere eines Automobils oder Motorrades, welche(s) wenigstens abschnittsweise aus Titan oder einer Titanlegierung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass diese(s) wenigstens zwei durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 16 verbundene Bauteile (10, 11, 17) umfasst.