DE102004046100A1 - To bond two components together, e.g. the shaft and wheel for an IC motor turbine, their contact surfaces are heated by friction for the softened shaft end to be pushed into the wheel hollow zone for a positive fit - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen zweier Werkstücke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein nach dem Verfahren hergestelltes gefügtes Bauteil nach Anspruch 8. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Fügen von Werkstoffen aus intermetallischen Verbindungen miteinander oder mit Stahl.The The invention relates to a method for joining two workpieces the preamble of claim 1 and a produced by the method gefügtes Component according to claim 8. The invention relates in particular on the joining of materials of intermetallic compounds with each other or with steel.
Aus
der
Bei
einem Verfahren zum Reibungsschweißen einer Stahlwelle an ein
Turbinenrotor aus Titanaluminid nach dem
Die JP 08-281454 A zeigt die Verbindung von Teilen aus Titanaluminid und Stahl durch Reibschweißen unter Verwendung eines Zwischenmaterials mit geringer thermischer Volumenänderung.The JP 08-281454 A shows the connection of parts of titanium aluminide and steel by friction welding using a low thermal intermediate material Volume change.
Bei dem Verbindungsverfahren nach der JP 09-07609 A wird auf ein Stahlteil vor dem Reibschweißen mit einem Teil aus Titanaluminid durch Auftragsschweißen eine hitzebeständige Legierung mit einer mittigen Bohrung aufgebracht. Damit sollen Fehler durch unterschiedliche thermische Volumenausdehnungen vermieden werden.at the joining method according to JP 09-07609 A is based on a steel part before friction welding with a part of titanium aluminide by build-up welding one heat-resistant Alloy applied with a central bore. This should be mistakes avoided by different thermal volume expansions become.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Fügen zweier Werkstücke, insbesondere aus intermetallischer Verbindung und Stahl und ein nach dem Verfahren hergestelltes gefügtes Bauteil zu entwickeln, das kostengünstig zu realisieren ist und das eine verbesserte Festigkeit der Verbindung ermöglicht.task The invention is a method for joining two workpieces, in particular made of intermetallic compound and steel and one after the process made assembled Develop a component that is inexpensive to implement and which allows improved strength of the connection.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, welches die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Ein nach dem Verfahren hergestelltes gefügtes Bauteil ergibt sich aus den Merkmalen nach Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The Task is solved with a method which the features after Claim 1. An assembled component produced by the method gives arising from the features of claim 8. Advantageous embodiments emerge from the dependent claims.
Gemäß der Erfindung werden die Werkstücke durch eine Kombination aus einer mechanischen Verbindung, welche durch einen Umformvorgang eingestellt wird und durch eine Verschweißung miteinander zu einem gefügten Bauteil verbunden.According to the invention become the workpieces by a combination of a mechanical connection, which is adjusted by a forming process and by welding together to a joined Component connected.
Die Festigkeit der Verbindung wird dabei primär durch die mechanischen Verbindung oder mechanische Verklammerung der beiden Werkstücke miteinander und erst sekundär durch die Verschweißung eingestellt.The Strength of the connection is primarily due to the mechanical connection or mechanical clamping of the two workpieces together and only secondarily by the welding set.
Die mechanischen Verbindung oder Verklammerung erfolgt im wesentlichen durch die Umformung des ersten Werkstücks, bei welcher sich dieses in seinem Endbereich an Ausnehmungen und Vertiefungen des zweiten Werkstückes formschlüssig anpasst, wodurch eine mechanische Verklammerung im Kontaktbereich der beiden Werkstücke erfolgt. Das zweite Werkstück bleibt dabei ohne merkliche Verformung.The mechanical connection or clamping takes place essentially by the deformation of the first workpiece, in which this in adapts positively to its end region at recesses and depressions of the second workpiece, whereby a mechanical clamping in the contact area of the two workpieces he follows. The second workpiece remains without noticeable deformation.
Bevorzugt wird durch Stauchen am Ende des ersten Werkstücks eine Wulst in einem Hohlraum des zweiten Werkstückes ausgebildet und dieser Hohlraum durch das Material des ersten Werkstückes im wesentlichen vollständig ausgefüllt. Hierdurch besitzen die Werkstücke Formschluss.Prefers By upsetting at the end of the first workpiece a bead in a cavity of the second workpiece formed and this cavity by the material of the first workpiece substantially Completely filled. As a result, have the workpieces Form-fitting.
Erfindungsgemäß ist der Umformvorgang mit einem Reibschweißvorgang gekoppelt. So wird der Stauch- bzw. Schmiedevorgang vorbereitet, indem die Teile, wie beim Reibschweißen aneinander gerieben werden. Dabei entsteht Reibungs-Wärme, die das erste Werkstück auf eine für den Stauch- bzw. Schmiedevorgang vorteilhafte Temperatur bringt. Weil das Reiben der Werkstücke und das Stauchen gleichzeitig bzw. unmittelbar aufeinander folgend durchgeführt werden, kommt es im Laufe des Umformvorgangs zu einer Reibverschweißung an den Reibflächen.According to the invention Forming process coupled with a friction welding process. That is how it works Upset or forging prepared by the parts, as in the friction welding be rubbed against each other. This creates friction heat, the the first workpiece on one for brings the upsetting or forging advantageous temperature. Because the rubbing of the workpieces and upsetting simultaneously or immediately following each other, it comes in the course of the forming process to a Reibverschweißung the friction surfaces.
Für die Erfindung ist es von Bedeutung, dass die Materialkombination aus erstem und zweitem Werkstück so gewählt wird, dass sich ein hoher Unterschied der Schmelztemperaturen oder Warmumform-Temperaturen ergibt. Bevorzugt weist das zweite Werkstück eine so hohe Hochtemperaturfestigkeit auf, dass während des Umformvorganges des ersten Werkstücks keine Verformung stattfinden kann.For the invention It is important that the material combination of first and second workpiece so chosen that will cause a high difference in melting temperatures or Hot forming temperatures results. Preferably, the second workpiece has a so high high temperature strength that during the forming process of the first workpiece no deformation can take place.
Geeignete Kombinationen werden beispielsweise durch Gusseisen oder Stähle als erstes Werkstück mit einem zweiten Werkstück aus Keramik, intermetallischer Verbindung, hochwarmfestem Stahl oder Superlegierung gebildet.suitable Combinations are for example by cast iron or steel as first workpiece with a second workpiece made of ceramic, intermetallic compound, high temperature steel or Super alloy formed.
Ebenso sind auch Kombinationen aus Leichtmetalllegierungen, insbesondere Al-Legierungen und Stählen oder Keramiken denkbar.Likewise, combinations are also made Light metal alloys, especially Al alloys and steels or ceramics conceivable.
Im Prinzip ist es ebenso möglich artgleiche Werkstoffe zu verwenden, wobei jedoch sichergestellt werden muss, dass die Erwärmung des zweiten Werkstücks in den Temperaturbereich der eine Warmumformung oder ein Aufschmelzen zulässt auf eine möglichst dünne Oberflächenschicht im Kontaktbereich beschränkt wird. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass metallische Werkstoffe, die eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen, verwendet werden und das zweite Werkstück im Verhältnis zum ersten wesentlich größer ist. Dadurch wird die im zweiten Werkstück in der Kontaktzone gebildete Wärme sehr schnell abgeleitet, ohne dass die in Brenntemperatur auf kritische Werte ansteigt.in the Principle, it is also possible to use similar materials, but to ensure must be that warming of the second workpiece in the temperature range of a hot working or melting allows on one as possible thin surface layer limited in the contact area becomes. This can be achieved, for example, by the fact that metallic Materials that have good thermal conductivity own, used and the second workpiece relative to the first essential is larger. As a result, the heat generated in the second workpiece in the contact zone becomes very high quickly dissipated without affecting the firing temperature to critical Values increases.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest der Kontaktbereich des ersten Werkstücks auf eine Temperatur erwärmt, die im Bereich der typischerweise für dieses Metall verwendeten Schmiedetemperaturen liegt.In A preferred embodiment of the invention is at least the Contact area of the first workpiece heated to a temperature those typically used for this metal Forging temperatures is.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird diese Temperatur so eingestellt, dass der Kontaktbereich teilflüssig ist und ein semi solid forging (Schmieden im teil-flüssigen Bereich) zulässt.In a further embodiment of the invention, this temperature adjusted so that the contact area is semi-liquid and a semi solid forging (forging in semi-liquid Range).
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Reibungswärme so weit erhöht, dass es zum Anschmelzen eines der Werkstücke kommt. In der Regel wird dabei das erste Werkstück so gewählt, dass es eine niedrigere Schmelztemperatur hat als das andere Werkstück. In diesem Fall wird das Volumen des Hohlraumes, der Nuten, Ausnehmungen oder sonstigen Ausbrüche durch die geringe Viskosität des angeschmolzenen Werkstoffes besser ausgefüllt. Der Formschluss beider Werkstücke ist so weit ausgebildet, dass zwischen den Werkstücken kein Spiel mehr besteht. Gleichzeitig wird die für das Reibschweißen typische Diffusionsschicht zwischen den beiden Werkstoffen ausgebildet.In In a further embodiment of the invention, the frictional heat is so far elevated, that it comes to the melting of one of the workpieces. Usually will while the first workpiece chosen so that it has a lower melting temperature than the other workpiece. In this Case is the volume of the cavity, the grooves, recesses or other outbreaks due to the low viscosity the melted material filled better. The form fit of both workpieces is so far developed that between the workpieces no Game is more. At the same time, the typical for the friction welding Diffusion layer formed between the two materials.
Um die Reibzeit zu verkürzen kann das erste Werkstück vorgewärmt werden. Dabei kann die Erwärmung zweckmäßigerweise auf das zu fügende Ende beschränkt werden. Als Heizverfahren ist das Induktionsheizen gut geeignet.Around shorten the friction time can be the first workpiece preheated become. This can be the heating expediently on the end to be joined limited become. As a heating method, induction heating is well suited.
Zu den bevorzugten Materialien des ersten Werkstücks gehören Stähle, insbesondere hochfeste Stähle, sowie intermetallischen Verbindungen, insbesondere die Aluminide von Ti, Fe oder Ni.To The preferred materials of the first workpiece include steels, especially high strength steels, as well as intermetallic compounds, in particular the aluminides of Ti, Fe or Ni.
Zum den bevorzugten Materialien des zweiten Werkstückes gehören insbesondere die Aluminide von Ti, Fe oder Ni.To the The preferred materials of the second workpiece include in particular the aluminides of Ti, Fe or Ni.
Besonders bevorzugt wird das erste Werkstück durch Stahl und das zweite Werkstücke durch Titanaluminid gebildet.Especially the first workpiece is preferred formed by steel and the second workpieces by titanium aluminide.
Während beim Reibschweißverfahren bei dieser Materialkombination die Verbindung nur über eine von spröden Zwischenphasen, insbesondere Fe-Aluminiden, durchsetzte Schweißschicht hergestellt wird, führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Verbindung aus einer Kombination von mechanischer Verklammerung und Schweißschicht. Diese erweist sich als wesentlich stabiler.While at Friction welding in this combination of materials, the connection only one from brittle Interphase, in particular Fe aluminides, interspersed welding layer is produced leads the inventive method to a combination of a combination of mechanical clamping and welding layer. This proves to be much more stable.
Um den sekundären Reibschweißvorgang zu fördern, bzw. die Verbindungsschicht zu verbessern, kann vor dem Reibschweißen zwischen die Fügeflächen ein weiterer metallischer Werkstoff in Form einer Folie, eines Plättchens, von Spänen oder Pulver eingebracht werden. Der weitere metallische Werkstoff wird während des Reibvorganges aufgeschmolzen. Geeignete Materialien für diesen weiteren metallischen Werkstoff sind Legierungen von Cr, Mo oder W, sowie gängige Lotwerkstoffe; für die Kombination der Werkstoffe Stahl und TiAl insbesondere Nickel-Basis-Lot, Ag/Au-Lot oder Cu-Basis-Lot. In einer weiteren Variante wird als weiterer metallischer Werkstoff das gleiche, oder eng mit dem ersten Werkstoff verwandtes Material eingesetzt.Around the secondary Friction welding process too promote, or to improve the bonding layer can, before the friction welding between the joining surfaces another metallic material in the form of a foil, a small plate, of chips or powder are introduced. The other metallic material is during the friction process melted. Suitable materials for this Another metallic material are alloys of Cr, Mo or W, as well as common solder materials; For the combination of the materials steel and TiAl, especially nickel-based solder, Ag / Au solder or Cu base solder. In another variant is called another metallic material the same, or closely with the first material used related material.
Das gefügte Bauteil wird bevorzugt durch einen Rotationssymmetrischen Körper gebildet, bei dem sich das erste Werkstück in der Rotationsachse befindet. Besonders bevorzugt bildet das gefügte Bauteil Turbinenradläufer oder Ventile für Verbrennungskraftmaschinen aus.The joined Component is preferably formed by a rotationally symmetric body, where the first workpiece located in the axis of rotation. Particularly preferred forms the joined component Turbinenradläufer or valves for Internal combustion engines.
Zur Verdrehsicherung können an einem oder an beiden Werkstücken zusätzlich zu dem Hohlraum, weitere Nuten, Ausnehmungen oder sonstige Ausbrüchen vorgesehen werden, die beim Stauchvorgang wenigstens zum Teil mit durch das Stauchen umgeformten Material gefüllt werden. Diese weiteren Nuten oder Ausnehmungen sind so ausgebildet, dass sie eine zusätzliche mechanische Verklammerung bewirken.to Can prevent rotation on one or both workpieces additionally provided to the cavity, other grooves, recesses or other outbreaks be at the compression process, at least in part by the Upsetting formed material to be filled. These further grooves or recesses are designed so that they have an extra cause mechanical clamping.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden, es zeigen:The Invention will be explained below with reference to an exemplary embodiment, it demonstrate:
Das
Ausführungsbeispiel
zeigt in
Eine
Fügevorrichtung
für das
Turbinenrad
Die
Ausführung
der Fügevorrichtung
ist hier nur exemplarisch dargestellt um den Erfindungsgegenstand
zu erläutern.
Andere Ausführungen
sind möglich,
insbesondere bei denen die Welle
Zum
Fügen von
Turbinenrad
Wie
in
- 11
- Turbinenradturbine
- 22
- Wellewave
- 33
- Bohrungdrilling
- 44
- Drehachseaxis of rotation
- 55
- Hinterschneidungundercut
- 66
- Zapfenspigot
- 77
- Flanschflange
- 8, 98th, 9
- Spannvorrichtungjig
- 1010
- Achseaxis
- 11, 1211 12
- Stoßflächeabutting face
- 1313
- Antriebsmotordrive motor
- 1414
- Arbeitszylinderworking cylinder
- 1515
- Steuereinrichtungcontrol device
- 1616
- Wulstbead
- 1717
- Innenflächepalm
- 1818
- Hinterschneidungsflächeundercut
- 19, 2019 20
- Stirnflächeface
- 2121
- Diffusionsschichtdiffusion layer
Claims (11)
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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DE102004046100A1 true DE102004046100A1 (en) | 2005-12-22 |
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2004
- 2004-09-23 DE DE102004046100A patent/DE102004046100A1/en not_active Withdrawn
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