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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Laserschweißverbindung
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Aufkohlen eines Bauteils
vor dem Herstellen einer Laserschweißverbindung mit einem weiteren
Bauteil der im Oberbegriff des Patentanspruchs 8 angegebenen Art.
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Die
Herstellung von Laserschweißverbindungen
zwischen zwei Bauteilen aus einem jeweiligen Metallwerkstoff ist
mit äußerst hohen
Anforderungen im Schweißprozess
verbunden. Um der Gefahr einer erhöhten Rissbildung im Bereich
der Schweißnaht
entgegen zu wirken und eine qualitativ hochwertige Schweißung zu
erreichen, wird überwiegend
ein teurer Zusatzwerkstoff verwendet und die Schweißung mit
entsprechend geringen Vorschubgeschwindigkeiten – beispielsweise unter einer
Schutzgasatmosphäre – vorgenommen.
Es ist klar, dass hierdurch ein hoher Fertigungsaufwand und einhergehend
hohe Kosten resultieren. Ein derartiger Stand der Technik ist beispielsweise
bereits aus der
WO 99/58287
A1 als bekannt zu entnehmen.
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Sei
kurzem sind darüber
hinaus Verfahren bekannt, bei welchen auf einen derartigen Zusatzwerkstoff
verzichtet werden kann.
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Ein
solches Verfahren ist beispielsweise im Jahresbericht 2006 der Fraunhofer-Gesellschaft
bereits beschrieben. Insbesondere bei voll einsatzgehärteten Fügestellen
ergibt sich jedoch die Problematik, dass eine äußerst langsame Schweißung erfolgen
muss, um das Risiko der Rissbildung im Bereich der Schweißnaht reduzieren
zu können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchen eine
Schweißverbindung
bzw. ein Bauteil zur Herstellung einer solchen Schweißverbindung
mit verbesserten Eigenschaften geschaffen werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw.
8 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen
des Verfahrens sind in den abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
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Um
ein Verfahren zum Herstellen einer verbesserten Laserschweißverbindung
zu schaffen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass vor dem
Laserschweißen
wenigstens eines der Bauteile aufgekohlt wird, wobei das Bauteil
im Bereich seiner Fügfläche zumindest
partiell abgeschirmt wird. Insbesondere ist es somit möglich, eine
Eisenguss-Stahl-Werkstoffkombination
durch Laserschweißen
miteinander zu verbinden, wobei das Stahlbauteil im Rahmen seiner
Wärmebehandlung bzw.
Einsatzhärtung
aufgekohlt wird. Um eine voll ausgebildete Einsatzschicht im Bereich
der Fügfläche des
Bauteils, insbesondere des Stahlbauteils, zu vermeiden, wird diese
beispielsweise vor der aufkohlenden Atmosphäre des Durchlaufhärteofens
entsprechend zumindest partiell abgeschirmt. Die so abgeschirmte
Fügfläche wird
auf einem geringen Kohlenstoffgehalt von beispielsweise ca. 0,4
% C aufgekohlt, während
die nicht abgeschirmten Einsatzschichten auf einen höheren Kohlenstoffgehalt
von etwa 0,8 % C aufgekohlt werden. Einhergehend mit dem geringeren
Kohlenstoffgehalt wird dabei gegebenenfalls auch die Aufkohlungstiefe
der Einsatzschicht an der Fügfläche geringer.
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Durch
diesen geringeren Kohlenstoffgehalt im Bereich der Fügfläche wird
erreicht, dass die Gefahr der Rissbildung durch die geringere Härte, die stärke Anlasswirkung
und somit die geringere Festigkeit im Bereich der Fügfläche stark
verringert wird – im
Unterschied beispielsweise zu einem Stahlbauteil, welches eine voll
ausgebildete Härteschicht
mit einer entsprechend höheren
Härte und
Dicke der Fügfläche umfasst
und somit nur zu einem geringen Teil angelassen wird und einhergehend
damit eine höhere Festigkeit
behält.
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Das
aufzukohlende Bauteil wird dabei im Bereich seiner Fügestelle
vorzugsweise mittels einer Abdeckung aus einem CFC-Werstoff abgeschirmt, da
sich ein derartiger Werkstoff insbesondere durch eine hohe Temperaturbeständigkeit
und ein sehr tolerantes Verhalten gegenüber mechanischer Belastung
auszeichnet. Insbesondere kann durch eine derartige CFC-Abdeckung gewährleistet
werden, dass diese ganzflächig
dicht an der Fügfläche des
Bauteils – also
ohne Verzug – anliegt.
Somit kann auf besonders zuverlässige
Weise eine gleichmäßige Abschirmung
der Aufkohlung der Fügfläche erreicht
werden. Des Weiteren zeichnet sich ein derartiger CFC-Werkstoff
dadurch aus, dass dieser in einer relativ hohen Temperaturspanne
eingesetzt werden kann und erhebliche Temperaturschocks verträgt.
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Des
Weiteren lässt
sich die Schweißnaht zwischen
den beiden Bauteilen insbesondere aus einem Eisengusswerkstoff und
einem Stahlwerkstoff dadurch verbessern, dass die Schweißnaht mit
einem Versatz, insbesondere in Richtung des Bauteils aus dem Eisengusswerkstoff,
gegenüber
der Materialgrenze zwischen den Bauteilen gesetzt wird. Der Versatz
wird dabei vorzugsweise so gewählt,
dass der Kohlenstoffgehalt des Schweißgutes innerhalb des Eisengusswerkstoffes
etwa 1,5 % C beträgt,
so dass ein duktiles Schweißgut
aus Restaustenit entsteht. Durch den Versatz wird zudem erreicht,
dass die Fügfläche mit
geringerer Aufkohlung bzw. Härteschicht
mit geringerer Härte
und Dicke zu einem äußeren Teil
angelassen wird und sich somit zu einer voll ausgebildeten Härteschicht
entwickelt.
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Durch
die Bildung der Schweißnaht
aus duktilem Restaustenit wird darüber hinaus erreicht, dass die
Rissgefahr entsprechend verhindert wird und die Schweißnaht zwischen
der martensitischen und ledeburitischen harten Zone gussseitig und
der harten und hochfesten martensitischen Zone stahlseitig für eine gute
Verbindung der beiden Bauteile sorgt.
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Insgesamt
ist somit erkennbar, dass mit dem vorliegenden Verfahren eine verbesserte
Laserschweißverbindung
erreicht werden kann, welche darüber
hinaus mit relativ hohen Schweißgeschwindigkeiten
durchgeführt
werden kann. Insbesondere wird erkennbar, dass ein bislang übliches
Abtragen der Einsatzschicht im Bereich der Fügflächen unterbleiben kann.
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Als
Laserquelle eignen sich insbesondere Faser- oder Scheibenlaser,
da sie auch ohne Zusatzwerkstoffe mit einer äußerst geringen Wechselwirkung
mit der Atmosphäre
zu betreiben sind und somit eine hohe und reproduzierbare Stabilität der Schweißverbindung
gewährleisten.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Ausschnitts eines Ausgleichsgetriebes
mit einem Bauteil in Form eines Tellerrades aus einem Stahlwerkstoff
und einem Bauteil in Form eines Ausgleichsgehäuses aus einem Eisengusswerkstoff,
die im Bereich einer jeweiligen Fügfläche mittels einer Laserschweißnaht gefügt sind;
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2 eine
schematische und ausschnittsweise Schnittansicht auf das aus dem
Stahlwerkstoff hergestellte Tellerrad des Ausgleichsgetriebes, welches
vor dem Laserschweißen
aufgekohlt wird, wobei das Tellerrad im Bereich seiner Fügfläche mittels einer
Abdeckung aus einem CFC-Werkstoff abgeschirmt wird; und in
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3 eine
gegenüber 1 stark
vergrößerte ausschnittsweise
Schnittansicht der Schweißnaht
der Laserschweißverbindung
zwischen dem Tellerrad und dem Ausgleichsgehäuse, wobei insbesondere ein
Versatz der Schweißnaht
gegenüber
der Materialgrenze zwischen den Fügflächen in Richtung des Ausgleichsgehäuses erkennbar
ist.
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In
1 ist
in einer ausschnittsweisen und schematischen Schnittansicht von
einem Ausgleichsgetriebe
10 ein Tellerrad
12 sowie
ein Ausgleichsgehäuse
14 erkennbar,
welche auf im Weiteren noch näher
beschriebene Weise durch eine umlaufende Laserschweißverbindung
miteinander zusammengefügt
sind. Ein solches Ausgleichsgetriebe
10 ist beispielsweise
bereits aus der
DE
100 13 429 C1 oder der
DE 100 13 430 C1 als bekannt zu entnehmen, deren
Offenbarungsgehalt vorliegend als mitumfasst zu betrachten ist.
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Das
Tellerrad 12 besteht vorliegend aus einem einsatzgehärteten Stahlwerkstoff,
beispielsweise aus 25MoCr4E. Das Ausgleichsgehäuse 14 besteht vorliegend
beispielsweise aus einem Eisengusswerkstoff mit Kugelgraphit, beispielsweise GGG50.
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Aus 1 ist
erkennbar, dass das Ausgleichsgehäuse 14 mit einer gegenüber einer
Stirnseite 16 axial abstehenden umlaufenden Ringschulter 18 versehen
ist, auf welche das Tellerrad 12 aufgesteckt ist. Dabei
liegt das Tellerrad 12 mit einer Stirnseite 20 an
der Stirnseite 16 des Ausgleichsgehäuses 14 flächig an.
Eine Mittelachse des Ausgleichsgetriebes 10 bzw. des Tellerrades 12 und
des Ausgleichsgehäuses 14 ist
in 1 strichpunktiert angedeutet.
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Des
Weiteren ist aus 1 erkennbar, dass die Ringschulter 18 innenumfangsseitig
eine Fügfläche 22 umfasst,
welche mit einer außenumfangsseitigen
Fügfläche 24 des
Tellerrades 12 korrespondiert. Das Ausgleichsgehäuse 14 und
das Tellerrad 12 werden dabei durch eine im Weiteren noch
näher erläuterte Schweißnaht 26 im
Bereich der beiden Fügflächen 22, 24 miteinander
verschweißt.
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Zur
Erzeugung der Laserschweißnaht 26 wird
vorliegend ein in 1 lediglich schematisch dargestellter
Faser- oder Scheibenlaser 28 eingesetzt, dessen Strahl 30 in 1 schematisch
auf die zu verbindenden Bauteile 12, 14 gelenkt
ist. Als im Rahmen der Erfindung mitumfasst ist es jedoch zu betrachten,
dass anstelle des Faser- oder Scheibenlasers 28 auch ein
andersartiger Laser, beispielsweise ein CO2-Laser,
eingesetzt werden könnte.
Ebenfalls als im Rahmen der Erfindung mitumfasst ist es zu betrachten,
dass die Schweißnaht 26 anstelle
dem hier vorgesehenen radialen umlaufenden Verlauf auch in einer
anderen, insbesondere axialen Anordnung, erzeugt werden könnte. Die
Schweißung
erfolgt vorliegend ohne einen Zusatzwerkstoff.
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Durch
Rotation des Zusammenbaus aus Ausgleichsgehäuse 14 und Tellerrad 12 um
die Mittelachse M wird der Zusammenbau mit der umlaufenden Schweißnaht 26 versehen,
um hierdurch die erwünschte
Laserschweißverbindung
der beiden Bauteile 12, 14 zu erreichen. Die Verwendung
des Faser- oder Scheibenlasers 28 ermöglicht dabei eine Schweißnaht 26,
deren Flanken 32, 33 (3) zumindest
näherungsweise
parallel verlaufen, wobei die Breite der Schweißnaht 26 beispielsweise
etwa 0,5 mm beträgt
und deren Tiefe etwa 6 mm beträgt. Die
Schweißnaht 26 unterscheidet
sich dabei von herkömmlichen
Schweißnähten insbesondere
dadurch, dass das durch die Laserstrahlung aufgeschmolzene Volumen
wesentlich geringer ist. Bei der verwendeten Laserwellenlänge kann
dabei erreicht werden, dass nur eine sehr geringe Plasmabildung im
Bereich der jeweiligen Fügflächen 22, 24 erfolgt.
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In 2 ist
das Tellerrad 12 gemäß 1 als
separates Bauteil in einer ausschnittsweisen Vergrößerung erkennbar.
Insbesondere soll dabei erläutert
werden, dass beim vorliegenden Verfahren das aus einem Stahlwerkstoff
bestehende Tellerrad 12 vor dem in 1 erläuterten
Laserschweißen
im Laufe der Wärmebehandlung
aufgekohlt wird. Diese Einsatzhärtung
wird vorliegend in einem Durchlaufhärteofen vorgenommen. Im Bereich
seiner Fügefläche 24 wird
das Tellerrad 12 durch eine in 2 lediglich schematisch
angedeutete Abdeckung 34 vor der aufkohlenden Atmosphäre des Durchlaufhärtofens
abgeschirmt. Als Abdeckung 34 dient dabei beispielsweise
eine Abdeckscheibe insbesondere aus einem CFC-Werkstoff. Hierdurch
wird erreicht, dass die Fügfläche 24 auf
einen geringeren Kohlenstoffgehalt von etwa 0,4 % C aufgekohlt wird,
während
die übrige
Härteschicht
auf ca. 0,8 % C aufgekohlt wird. Einhergehend damit wird gegebenenfalls
auch die Aufkohlungstiefe im Bereich der Fügfläche 24 weniger tief
ausfallen. Der CFC-Werkstoff zeichnet sich dabei insbesondere durch
seine große
mechanische Belastbarkeit und seine Einsatzfähigkeit, während einer großen Temperaturspanne
von beispielsweise etwa 400°C
während
des Aufheizens der Tellerräder auf
beispielsweise etwa 900°C
aus. Insbesondere vorteilhaft bei derartigen CFC-Scheiben 34 ist es, dass sich
diese nicht verziehen. Hiermit ist gewährleistet, dass die Abdeckung 34 ganzflächig dicht
an der Fügfläche 24 des
Tellerrades 12 aufliegt, so dass eine ungleichmäßige oder
partiell höhere
Aufkohlung im Bereich der Fügfläche 24 vermieden
werden kann. Vorliegend liegt das Tellerrad 12 bei der
Aufkohlung auf der Abdeckung 34 auf, um deren Verzug wirkungsvoll
zu vermeiden.
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In 3 ist
in einer ausschnittsweise vergrößerten Schnittansicht
die Schweißnaht 26 im
Bereich der beiden Fügflächen 22, 24 dargestellt.
Insbesondere wird dabei erkennbar, dass die Schweißnaht 26 mit
einem Versatz v gegenüber
der Materialgrenze 36 zwischen den beiden Bauteilen 12, 14 bzw.
deren beiden Fügflächen 22, 24 gesetzt
wird. Der Versatz v ist dabei in Richtung des aus dem Eisengusswerkstoff
bestehenden Ausgleichsgehäuses 14 gesetzt. Mit
anderen Worten trifft der Strahl 30 des Faser- oder Scheibenlasers 28 nicht
direkt auf die Materialgrenze 36 zwischen den beiden Höchststellen 22, 24 auf,
sondern ist beispielsweise parallel dazu versetzt. Der Versatz v,
d. h. der Abstand zwischen der Auftrefflinie des Strahls 30 und
der Werkstückoberfläche und
den Fügstellen 22, 24 beträgt in diesem
Ausführungsbeispiel
beispielsweise etwa 0,1 mm. Der Versatz des Strahls 30 bezogen
auf die Materialgrenze 36 ist dabei so gewählt, dass
der Kohlenstoffgehalt des Schweißgutes etwa 1,5 % C beträgt. Somit
ist gewährleistet,
dass im Bereich des Schweißgutes bzw.
der Schweißnaht 26 ein
duktiles Restaustenit entsteht, wobei die Härteschicht geringer Härte und Dicke
im Bereich der tellerseitigen Fügfläche 24 zu einem
größeren Teil
angelassen wird als die voll ausgebildete Härteschicht. Die Gefahr der
Rissbildung wird durch die geringere Härte, die stärkere Anlasswirkung und somit
auch die geringere Festigkeit des Stahlwerkstoffes des Tellerrades 12 stärker verringert,
als dies beim Strahlschweißen
in die voll ausgebildete Härteschicht
der Fall wäre,
bei welcher eine höhere
Härte und
Dicke des Tellerrades 12 gegeben wäre und deshalb die Fügfläche 24 nur
zu einem geringen Teil angelassen wird und somit ihre höhere Festigkeit
behält.
Insgesamt kann somit das Problem der alleinigen Abhängigkeit
von der die Rissgefahr verringenden Wirkung der Duktilität der Restaustenit umfassenden
Schweißnaht
verringert werden, welche zwischen der martensitischen und ledeburitischen
harten Zone gussseitig und der harten und hochfesten martensitischen
Zone tellerradseitig angeordnet ist.
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Um
die Schweißnaht
26,
und insbesondere den Versatz v gegenüber der Materialgrenze
36 äußerst zuverlässig bestimmen
zu können,
wird bevorzugt eine Nahtlage- und Nahtpositionsregelung eingesetzt,
welche beispielsweise prinzipiell bereits aus der
DE 10 2004 001 168 A1 als
bekannt zu entnehmen ist und deren Inhalt als vorliegend mitumfasst
zu betrachten ist.