DE102005057317B4

DE102005057317B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Laserschweißen von Eisenguss- und Stahlwerkstoffen

Info

Publication number: DE102005057317B4
Application number: DE102005057317.7A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Andreev Andrey; Rudolf Paasch
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2025-12-02
Also published as: DE102005057317A1

Abstract

Verfahren zum Laserschweißen eines Eisengusswerkstoffs mit einem Stahlwerkstoff, wobei als Schweißlaser (7) ein Scheiben- oder Faserlaser verwendet wird dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (11) beim Verschweißen eines Eisengusswerkstücks (2) mit einem Stahlwerkstück (3) parallel versetzt neben der Fügestelle (16) der Werkstücke (2, 3) angeordnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen eines Eisengusswerkstoffs mit einem Stahlwerkstoff.
Sollen Eisengusswerkstoffe untereinander und/oder in Verbindung mit Stahlwerkstoffen lasergeschweißt werden, so stellt dies hohe Anforderungen an den Schweißprozess. Um eine qualitativ hochwertige Schweißung zu erreichen, wird die Schweißung herkömmlicherweise unter Verwendung teuerer Zusatzstoffe und mit geringer Vorschubgeschwindigkeit unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Dies hat einen hohen Kosten- und Betreuungsaufwand der Produktionsschweißmaschinen zur Folge. Weiterhin stellt das Laserschweißen mit Zusatzstoff, der typischerweise in Drahtform zugeführt wird, einen schwer zu beherrschenden Prozess dar.
Aus der DE 100 56 485 A1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen eines metallischen Werkstoffs in Form von Stahl bekannt, bei dem als Schweißlaser ein Faserlaser verwendet wird.
Des Weiteren ist aus der DE 102 38 236 A1 bekannt, Teile eines Ausgleichsgehäuses mit einem Tellerrad in einem Ausgleichsgetriebe für ein Kraftfahrzeug mittels eines Laserstrahls zu verschweißen.
Die DE 103 04 473 A1 beschreibt allgemein das Laserschweißen mit einem Faserlaser.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Prozess kostengünstiger und einfacher zu gestalten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Danach wird zum Laserschweißen eines Eisengusswerkstoffs mit einem Stahlwerkstoff als Schweißlaser ein Scheiben- oder Faserlaser verwendet, wobei die Schweißnaht beim Verschweißen eines Eisengusswerkstücks mit einem Stahlwerkstück parallel versetzt neben der Fügestelle der Werkstücke angeordnet wird.
Der als Schweißlaser eingesetzte Scheiben- oder Faserlaser wird vorzugsweise bei einer Wellenlänge von 1030 nm betrieben. Mit Hilfe dieses Lasers kann eine hohe Schweißgeschwindigkeit von bis zu 6 m/min und eine große Schweißtiefe erreicht werden. Die dabei erzeugte Schweißnaht ist sehr schlank und weist näherungsweise parallele Schweißnahtflanken auf. Aufgrund der schlanken Schweißnaht sind die im Bauteil durch die Schweißung eingebrachten Schrumpfspannungen sehr gering. Zwar können durch die hohe Schweißgeschwindigkeit im Bereich der Schweißnaht harte Gefügezonen erzeugt werden; jedoch sind diese aufgrund der geringen Breite der Schweißnaht so klein und die durch die Schweißung im Bauteil erzeugten Eigenspannungen so gering, dass – trotz möglicher harter Gefügezonen – die Duktilität der verschweißten Werkstoffe ausreicht, um eine qualitativ hochwertige, rissfreie Schweißungen zu erreichen. Auf die Zugabe von Zusatzwerkstoffen kann dabei verzichtet werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch metallurgisch problematische Metallwerkstoffe bzw. Werkstoffkombination prozesssicher geschweißt werden; insbesondere ermöglicht das Verfahren das Laserschweißen von Eisengusswerkstoffen untereinander und in Verbindung mit Stahlwerkstoffen. Im Unterschied zum herkömmlichen Laserschweiß-Verfahren, bei dem versucht wird, die Duktilität der Schweißbereiche durch eine geringe Vorschubgeschwindigkeit und Zugabe von Zusatzwerkstoff positiv zu beeinflussen, beruht das erfindungsgemäße Verfahren auf einer schnellen und kalten Schweißung; die eventuell damit einhergehende Ledeburit- und Martensitbildung im Bereich der Schweißnaht wird in Kauf genommen, da sie auf den sehr schmalen Bereich der Schweißnaht begrenzt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass aufgrund der hohen Schweißgeschwindigkeiten die Zykluszeiten stark reduziert werden können. Weiterhin kann auf Zusatzwerkstoff verzichtet werden, der beim konventionellen Verfahren in Form von Draht oder Einlegeteilen zugeführt werden muss; außerdem entfällt die Zugabe von Prozessgasen. So können beispielsweise Ausgleichsgetriebe für Kraftfahrzeuge unter geringeren Zusatzwerkstoffkosten mit wesentlich höherer Schweißgeschwindigkeit geschweißt werden. Die dabei erzeugten Bauteile sind preiswerter und verzugsärmer als die konventionell hergestellten.
Vorteilhafterweise wird beim Verschweißen eines Eisengusswerkstücks mit einem Stahlwerkstück die Schweißnaht parallel versetzt neben der Fügestelle der Werkstücke angeordnet. Dabei ist es günstig, die Schweißnaht in Richtung des Gusswerkstücks zu versetzen. So wird das beim Schweißen erweichte Material hauptsächlich aus dem kohlenstoffreichen Gusswerkstoff gebildet, was eine geringe Härte, eine hohe Duktilität und somit eine geringe Rissneigung im Bereich der Schweißnaht zur Folge hat.
Weiterhin hat sich ein Versatz der Schweißnaht von 0,1 mm als besonders günstig erwiesen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Ausgleichsgetriebes mit einem Tellerrad und einem Ausgleichsgehäuse, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens verschweißt werden;
2 eine Detaildarstellung des Schweißbereichs,
3 eine alternative Ausgestaltung des Schweißbereichs,
4 einen charakteristischen Härteverlauf beim parallelen Versetzen der Schweißnaht in den Gusswerkstoff sowie
5 einen charakteristischen Härteverlauf beim parallelen Versetzen der Schweißnaht in den Stahlwerkstoff.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Ausgleichsgetriebes 1 mit einem Tellerrad 3 und einem Ausgleichsgehäuse 2, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens verschweißt werden. Ein derartiges Ausgleichsgetriebe 1 ist zum Beispiel in der deutschen Patentschrift DE 100 13 429 C1 offenbart, deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung übernommen wird. Das Tellerrad 3 besteht beispielsweise aus einem Einsatzstahl (z. B. 25MoCr4E), während das Ausgleichsgehäuse 2 aus einem Gusswerkstoff (z. B. GGG50) gebildet ist. Das Ausgleichsgehäuse 2 ist mit einer Anlageschulter 8 versehen. Die Anlageschulter 8 ist auf dem Umfang 9 des Ausgleichsgehäuses 2 angeformt, auf dem das Tellerrad 3 aufgepresst ist, und erstreckt sich bezüglich der Symmetrieachse des Tellerrades 3 in radialer Richtung über den Umfang 9 des Ausgleichsgehäuses 2 hinaus. Die dem Tellerrad 3 zugewandte Seite der Anlageschulter 8 bildet somit eine ringförmige ebene Auflagefläche 4, auf die die ringförmige ebene Bodenfläche 5 des Tellerrads 3 aufgepresst wird. Das Ausgleichsgehäuse 2 und das Tellerrad 3 werden anschließend entlang des zwischen den Flächen 4, 5 gebildeten Spalts 6 verschweißt. Hierzu wird ein (in der Figur schematisch dargestellter) Scheiben- oder Faserlaser 7 verwendet, dessen Strahl 10 in der Ebene des Spalts 6 auf die zu verbindenden Bauteile 2, 3 gelenkt wird.
Neben der in 1 dargestellten radialen Anordnung der Schweißnaht 11 am Ausgleichsgehäuse 2 ist das Verfahren ebenso gut dazu geeignet, Schweißnähte in axialen Anordnungen zu erzeugen.
Ein Scheibenlaser ist eine spezielle Form des Festkörperlasers, bei welchem das aktive Medium (der Laser-Kristall) die Form einer Scheibe hat, also die Länge des Laser-Kristalls deutlich geringer ist als der Durchmesser. Der Laserstrahl wird auf dem kurzen Weg durch die Scheibe (sie ist üblicherweise zwischen 80 μm und 200 μm dick) erzeugt. Einer der Resonatorspiegel ist an der Rückseite der Kristallscheibe aufgedampft, der andere Spiegel ist der Auskoppelspiegel und befindet sich in einiger Entfernung von der Scheibe.
Vorteil dieser Form des Lasers ist die bessere Kühlung des Laserkristalls: dieser ist mit der verspiegelten Fläche auf eine Wärmesenke geklebt und erleidet durch die kurzen Wege der Wärmeableitung in nur eine Richtung geringe thermische Spannungen, wodurch exzellente Strahlqualitäten und hohe Leistungen pro Volumen erreicht werden. Typisches Kristallmaterial ist stark Ytterbium – dotiertes YAG (Yttrium-Aluminium-Granat) beim so genannten Yb:YAG-Laser. Scheibenlaser werden optisch mit Laserdioden angeregt und haben hohe Wirkungsgrade (bis zu 70 Prozent). Der hier bevorzugt verwendete Scheibenlaser hat eine sehr hohe Ausgangsleistung von 6 Kilowatt. Diese hohe Ausgangsleistung ist erforderlich, um die bei dieser Anwendung gewünschte hohe Schlankheit der Schweißnaht in Verbindung mit einer hohen Eindringtiefe zu erreichen.
Bei einem Faserlaser dagegen weist das aktive Medium, der Laser-Kristall, eine im Vergleich zum Durchmesser große Länge auf. Der Faserlaser ist eine spezielle Form des Festkörperlasers. Der dotierte Kern einer Glasfaser bildet bei einem Faserlaser das Aktive Medium. Es handelt sich also um einen Glaslaser mit Lichtwellenleiter-Eigenschaften. Das Laserlicht, welches durch die Faser geleitet wird, erfährt aufgrund der großen Länge eine sehr hohe Verstärkung.
Faserlaser werden optisch gepumpt, im Allgemeinen, indem parallel zum Faserkern oder in diesen Strahlung von Diodenlasern eingekoppelt wird.
Wesentliche Vorteile dieser Bauform sind die hohe Strahlqualität des erzeugten Lichts, eine hohe Effizient des Konversionsprozesses, die gute Kühlung durch die große Oberfläche der Faser, der robuste Aufbau sowie die effektive Fertigungstechnologie durch Verwendung faserintegrierter Komponenten. Das häufigste Dotierungselement für den laseraktiven Faserkern ist Erbium, gefolgt von Ytterbium und Neodym.
Die Wellenlänge der Laserstrahlung liegt vorzugsweise bei 1030 nm. Durch Rotation des Zusammenbaus aus Ausgleichsgehäuse 2 und Tellerrad 3 um die (in der Figur nicht gezeigte) Symmetrieachse des Tellerrades 3 kann der Zusammenbau mit einer umlaufenden Schweißnaht 11 versehen werden, die in der Ebene des Spalts 6 verläuft. Die Verwendung eines Scheiben- oder Faserlasers 7 ermöglicht dabei eine Schweißnaht 11, deren Flanken 12, 12' näherungsweise parallel verlaufen, deren Breite 13 nur etwa 0,5 mm beträgt und deren Tiefe 14 bei näherungsweise 6 mm liegt. Diese Schweißnaht 11 unterscheidet sich damit grundlegend von herkömmlichen Schweißnähten, die typischerweise ein hufnagelförmiges Profil aufweisen und – bei dem in 1 gezeigten Anwendungsfall und einer Schweißtiefe von 5 mm – im Bereich der Auftrefffläche 15 typischerweise eine Breite von 1,5 mm bis 2,5 mm haben, während sie in einer Tiefe von 4 mm typischerweise eine Breite von 0,7 mm haben. Gegenüber diesen herkömmlichen Schweißnähten ist die erfindungsgemäß erzeugte Schweißnaht 11 – bei vergleichbarer Schweißtiefe 14 – also wesentlich schmaler, so dass auch das durch die Laserstrahlung aufgeschmolzene Volumen wesentlich geringer ist. Diese schmale Schweißnaht 11 wird dadurch erreicht, dass bei der verwendeten Laserwellenlänge nur eine sehr geringe Plasmabildung im Bereich der Werkstückoberfläche 15 erfolgt. Aufgrund der schmalen Schweißnaht 11 sind die durch die Schweißung eingebrachten Eigenspannungen so gering, dass eine rissfreie Schweißverbindung gewährleistet werden kann. Die Schweißgeschwindigkeit liegt zwischen 3 m/min und 6 m/min und ist damit erheblich höher als die beim herkömmlichen Laserschweißen verwendete Schweißgeschwindigkeit. Obwohl aufgrund der hohen Schweißgeschwindigkeit eine Erzeugung von Ledeburit- und Martensiteinlagerungen im Bereich der Schweißnaht 11 nicht ausgeschlossen werden kann, ist aufgrund der geringen Schweißnahtbreite 13 deren Volumen so gering, dass dennoch eine hohe Festigkeit der Schweißverbindung sichergestellt wird.
3 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Schweißbereichs beim Verschweißen eines Stahlwerkstücks 3 mit einem Gusswerkstück 2. Dabei trifft der Strahl 10 des Scheibenlasers 7 nicht direkt an der Fügestelle 16 zwischen den beiden Werkstücken 2, 3 auf, sondern ist parallel dazu versetzt. Der Versatz 17, d. h. der Abstand zwischen der Auftrefflinie des Strahls 10 auf der Werkstückoberfläche und der Fügestelle 16, beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 0,1 mm. Der Versatz 17 erfolgt dabei in Richtung des Gusswerkstücks 2.
In 4 ist ein beispielhafter Härteverlauf 18 für eine durch ein Verfahren mit einem solchen Versatz 17 in Richtung des Gusswerkstücks 2 erzeugte Schweißnaht 11 dargestellt. Das Diagramm zeigt auf der Abszisse Messpunkte in Querrichtung zur Schweißnaht 11, deren Abstand voneinander jeweils 0,2 mm beträgt, während auf der Ordinate die Vickershärte an dem jeweiligen Messpunkt aufgetragen ist. Über alle Messpunkte wird durch das Verfahren eine geringe Härte von maximal 450 HV erzielt. Der Werkstoff ist hiermit auch im Bereich der Schweißnaht 11 noch ausreichend duktil. Rissbildung wird dabei weitgehend vermieden. Dieser Effekt resultiert aus der außermittigen Anordnung der Schweißnaht 11 in Richtung des Gusswerkstoffs, der den höheren Kohlenstoffgehalt aufweist, so dass das Schweißgut vorwiegend aus diesem hohen kohlenstoffhaltigen Gusswerkstoff gebildet wird. So stellt sich in der Schweißnaht 11 ein hoher Anteil des duktilen Restaustenitgefüges ein.
Im Gegensatz dazu weist eine in die andere Richtung, in den Stahlwerkstoff versetzte Schweißnaht 11 ein deutlich härteres Gefüge auf, wie in 5 dargestellt. Dort ist der Härteverlauf 19, analog zu 4 für eine um 0,1 mm in Richtung des Stahlwerkstücks versetzte Schweißnaht 11 dargestellt. Der Werkstoff im Bereich der Schweißnaht 11 besitzt hier eine hohe Härte von 800 HV, was auf die Bildung des Schweißgutes vorwiegend aus dem niedrig kohlenstoffhalteigen Stahlwerkstoff mit geringem Anteil des Gusswerkstoffs zurückzuführen ist.
Durch einen verhältnismäßig geringen Versatz 17 des Schweißstrahls lässt sich also ein großer Effekt ini Bezug auf die Rissfestigkeit und Duktilität der Schweißnaht erzielen. Der oben beschriebene Versatz muss durch eine geeignete Lageregelung und -überwachung des Laserstrahls über die Länge der Schweißnaht eingehalten werden.
Dabei kann der Wert des Versatzes variieren, in Abhängigkeit von den eingesetzten Materialien. Die oben beschriebenen 0,1 mm sind nur beispielhaft zu verstehen.
Neben der oben beschriebenen Verschweißung eines Ausgleichsgetriebes kann das erfindungsgemäße Verfahren auf beliebige Bauteile angewandt werden.

Claims

Verfahren zum Laserschweißen eines Eisengusswerkstoffs mit einem Stahlwerkstoff, wobei als Schweißlaser (7) ein Scheiben- oder Faserlaser verwendet wird dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (11) beim Verschweißen eines Eisengusswerkstücks (2) mit einem Stahlwerkstück (3) parallel versetzt neben der Fügestelle (16) der Werkstücke (2, 3) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (11) in Richtung des Gusswerkstücks (2) versetzt angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (11) mit einem Versatz (17) von 0,1 mm von der Fügestelle (16) angeordnet wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Verschweißen eines Ausgleichsgehäuses (2) mit einem Tellerrad (3) in einem Ausgleichsgetriebe für ein Kraftfahrzeug verwendet wird.