DE102007026328A1

DE102007026328A1 - Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden

Info

Publication number: DE102007026328A1
Application number: DE102007026328A
Authority: DE
Inventors: Heiko Dipl.-Ing. Junge; Rudolf Dipl.-Ing. Reinhardt (Fh); Martin Dr. Dipl.-Ing. Schlegl; Heiko Dipl.-Ing. Steinmetz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2008-02-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines ersten Bauteils (1) aus einem hochwarmfestem Werkstoff, wie TiAl, mit einem zweiten Bauteil (2) aus einem anderen, hochwarmfesten Werkstoff, wie Stahl, der sich im Vergleich zu dem Werkstoff des ersten Bauteils bei geringeren Temperaturen verformt, durch Reibschweißen der Bauteilen an aneinander anliegenden Reibschweißflächen. Um eine kostengünstige Herstellung von Großserien zu ermöglichen, wird die Reibschweißfläche des ersten Bauteils (1) aus dem hochwarmfesten Werkstoff, wie TiAl, vor dem Reibschweißen so erwärmt, dass sich eine möglichst homogene Wärmeverteilung in radialer und in axialer Richtung ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines ersten Bauteils aus einem hochwarmfesten Werkstoff, wie TiAl, mit einem zweiten Bauteil aus einem anderen, hochwarmfesten Werkstoff, wie Stahl, der sich, im Vergleich zu dem Werkstoff des ersten Bauteils, bei geringeren Temperaturen verformt, durch Reibschweißen der Bauteile an aneinander anliegenden Reibschweißflächen.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 213 087 A2 ist ein Verfahren zum Verbinden von Ventilteilen aus Titan-Aluminium und Titan durch Reibschweißen bekannt, wobei einer der Fügepartner vor dem Reibschweißen erhitzt wird, um das Verbinden zu erleichtern.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das eine kostengünstige Herstellung von Großserien ermöglicht.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines ersten Bauteils aus einem hochwarmfesten Werkstoff, wie TiAl, mit einem zweiten Bauteil aus einem anderen, hochwarmfesten Werkstoff, wie Stahl, der sich, im Vergleich zu dem Werkstoff des ersten Bauteils, bei geringeren Temperaturen verformt, durch Reibschweißen der Bauteile an aneinander anliegenden Reibschweißflächen, dadurch gelöst, dass die Reibschweißflächen des ersten Bauteils aus dem hochwarmfesten Werkstoff, wie TiAl, vor dem Reibschweißen so erwärmt wird, dass sich eine möglichst homogene Wärmeverteilung in radialer und in axialer Richtung ergibt. Die in der europäischen Patentanmeldung EP 1 213 087 A2 beschriebene Erwärmung beschränkt sich auf eine radiale Wärmezufuhr. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung wird das erste Bauteil vor dem Reibschweißprozess stirnseitig erwärmt. Die stirnseitige Erwärmung der Reibschweißfläche ermöglicht auch bei Reibschweißflächendurchmessern, die größer als zum Beispiel bei Ventilen übliche Ventilschaftdurchmesser, wie 8 mm, sind, eine gleichmäßige Wärmeverteilung.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschweißfläche des ersten Bauteils aus dem hochwarmfesten Werkstoff, wie TiAl, vor dem Reibschweißen induktiv erwärmt wird. Die Form eines zum induktiven Erwärmen verwendeten Induktors ist vorzugsweise so an die zu erwärmende Reibschweißfläche angepasst, dass die Wärme konstant über die gesamte Reibschweißfläche zugeführt werden kann.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Reibschweißen ein Spannungsglühen des Verbindungsbereichs, in welchem die beiden Bauteile an ihren Reibschweißflächen stoffschlüssig verbunden sind, durchgeführt wird. Das Spannungsglühen erfolgt vorzugsweise durch eine externe Wärmequelle. Durch das Spannungsglühen können Eigenspannungen in den Bauteilen, die aus unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten resultieren, minimiert werden. Dadurch kann die Qualität der Fügestelle verbessert werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Dabei zeigen:
1 zwei Bauteile zu Beginn eines Reibschweißvorgangs;
2 die beiden Bauteile aus 1 nach dem Ende des Reibschweißvorgangs;
3 ein Bauteil mit einer Reibschweißfläche und
4 ein kartesisches Koordinatendiagramm, in dem die Wärmezufuhr beim Reibschweißen von zwei Bauteilen über der Zeit aufgetragen ist.
Die Erfindung betrifft das stoffschlüssige Verbinden von zwei Bauteilen, die aus unterschiedlichen hochwarmfesten Werkstoffen gebildet sind. Bei dem einen Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Turbinenrad aus Titan-Aluminium (TiAl). TiAl (intermetallische Phase) ist hochfest, warmfest und dicht. Darüber hinaus bietet TiAl Vorteile unter dem Gesichtspunkt Leichtbau. Bei dem zweiten Bauteil handelt es sich vorzugsweise um eine Welle aus Stahl. Da TiAl bei Temperaturen kleiner als 1.100 Grad Celsius nahezu keramisch ist, lässt es sich schlecht fügen. Durch die Erfindung wird das schwer verformbare, schwer umformbare TiAl durch eine Wärmevorrichtung zumindest im Fügebereich lokal erhitzt und dadurch plastifiziert. Die normale Wärme aus dem Reibschweißprozess reicht hierzu nicht aus. Insbesondere im Zentrum der Welle, wo die geringste Relativgeschwindigkeit zwischen den Fügepartnern beim Reibschweißen herrscht, reicht die normale Wärme beim konventionellen Reibschweißen nicht aus, eine ausreichende Duktilität zu erreichen.
In 1 sind zwei Bauteile 1 und 2 zu Beginn eines Reibschweißvorgangs vereinfacht dargestellt. Das Bauteil 1 ist aus TiAl und das Bauteil 2 aus Stahl gebildet. Beim Reib schweißen entstehen kalte Bereiche 3, 6 und warme Bereiche 4, 7 in den Bauteilen 1 und 2. Durch gestrichelte, gekrümmte Linien 5, 8 ist jeweils das Temperaturprofil der beiden Bauteile 1, 2 angedeutet. Wie man sieht, findet ein unterschiedlicher Wärmeeintrag über dem Radius statt. Da beide Fügepartner, also die Bauteile 1, 2, schlechte Wärmeleiter sind, findet nur ein relativ langsamer Wärmeausgleich über dem Radius statt. Das hat zur Folge, dass im fertigen Bauteil zu große Eigenspannungen auftreten. Diese mechanischen Eigenspannungen sind auf thermische Spannungen beim Fügen zurückzuführen. Im Betrieb unter Temperatureinwirkung dehnt sich das Bauteil 2 aus Stahl stärker aus als das Bauteil 1 aus TiAl. Da TiAl eine relativ geringe Duktilität aufweist, kann die auftretende Spannung in dem Bauteil 1 nicht abgebaut werden.
TiAl hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 9–11 × 10^–5 1/K. Im Gegensatz dazu hat austenitischer Stahl, wie auch Inconel, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 14–18 × 10^–5 1/K. Im Vergleich dazu hat ein Vergütungsstahl einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 11 × 10^–5 1/K. Wenn man der Fügestelle eine Temperatur aufprägt, dann hinkt das Bauteil aus TiAl hinterher. Wenn Stahl an TiAl gerieben wird, wird der Stahl bereits teigig, wenn TiAl noch hart ist. Das führt, wie in 2 angedeutet ist, dazu, dass sich im Verbindungsbereich an dem Bauteil 2 aus Stahl ein Schweißwulst (10) ausbildet.
In 3 ist ein Ende eines Bauteils 1 aus TiAl dargestellt. An dem Ende des Bauteils 1 ist eine Reibschweißfläche 14 ausgebildet. An der Reibschweißfläche 14 kommt beim Reibschweißen eine gleich ausgebildete Fläche des zweiten Bauteils zur Anlage. Durch Verdrehen der Reibschweißflächen gegeneinander wird Wärme erzeugt. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Reibschweißfläche 14 des Bauteils 1 aus TiAl vor, während und/oder nach dem Reibschweißen induktiv erwärmt. Vor dem Reibschweißen wird die Reibschweißfläche 14 an dem Bauteil 1 aus TiAl möglicht homogen vorgewärmt, und zwar auf etwa 1.000 Grad Celsius. Dabei wird die Wärme so zugeführt, dass nur ein geringer Temperaturgradient auftritt.
In 4 ist ein kartesisches Koordinatendiagramm dargestellt, in dem die Wärmezufuhr W durch eine Fremdwärmequelle über der Zeit t aufgetragen ist. Drei verschiedene Zeitabschnitte sind 21, 22 und 23 bezeichnet. Der Zeitabschnitt 21 ist vor dem Reibschweißen. Der Zeitabschnitt 22 ist während des Reibschweißens. Der Zeitabschnitt 23 ist nach dem Reibschweißen. Durch eine horizontale Linie 25 ist angedeutet, dass das Bauteil 1 aus TiAl vor dem Reibschweißen vorgewärmt wird, bis an einen Punkt 26, bei welchem die Temperatur des Bauteils 1 im Fügebereich der Nähe der optimalen Fügetemperatur liegt.
Durch eine vertikale Linie 27 und eine horizontale Linie 28 ist angedeutet, dass während des Reibschweißens keine oder nur eine geringe Zusatzwärme zugeführt wird. Durch eine gestrichelte Linie 34 ist angedeutet, dass sich die Fügestelle an beiden Fügepartnern durch das Reibschweißen selbst erhitzt, bis an einen Punkt 35, bei welchem die Temperatur der optimalen Fügetemperatur entspricht. In Abhängigkeit der zu verschweißenden Werkstoffe kann es vorteilhaft sein, dem Bauteil 1 auch im Zeitabschnitt 22 (also während des Reibschweißens) externe Wärme zuzuführen.
Durch eine vertikale Linie 29 und eine horizontale Linie 30 ist angedeutet, dass die Fügestelle nach dem Reibschweißen (d.h. im Zeitabschnitt 23) durch eine externe Wärmequelle geglüht wird, um den verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Fügepartner Rechnung zu tragen und um die Eigenspannungen zu minimieren. Die auf die beschriebene Art und Weise hergestellte Fügestelle hat eine hohe Qualität. Die Festigkeit des gefügten Teils hat die Festigkeit des schwächeren Fügepartners.
Für das Bauteil 2, bei dem es sich vorzugsweise um eine Welle handelt, kommen Wellenwerkstoffe, wie hochwarmfeste Stähle oder Nickel-Basis-Legierungen, zum Beispiel X45CrSi93 oder Inco718, in Frage. Für das Bauteil 2, bei dem es sich vorzugsweise um ein Turbinenrad handelt, kommen Werkstoffe wie TiAl oder ein Nickel-Basis-Werkstoff in Frage, dem ein hoher Co-Anteil zulegiert wurde, um eine hohe Warmfestigkeit und hohe Dauerschwingfestigkeit beim moderaten Temperaturen zu erreichen. Entsprechende Nickel-Basis-Legierungen sind mit MAR M246 oder MAR M247 bezeichnet.
Durch die Integration einer zum Beispiel induktiven Energiequelle in die Reibschweißtechnik entsteht ein hybrider Reibschweißprozess, der sowohl die Duktilisierung und damit die Reibschweißung schwer verformbarer Hochtemperaturwerkstoffe ermöglicht als auch die Wärmeführung des Gesamtprozesses vor, während und nach dem Reibschweißprozess so gestaltet, dass Thermospannungen minimiert werden können. Diese entstehen aus den stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der artfremden Werkstoffpaarung und stellen den Hauptversagungsmechanismus der Verbindung dar. Um ein für die Fügepartner optimales Zeit-/Wärmeprofil zu erzeugen, wird eine zum Aufwärmen verwendete Wärmequelle vorzugsweise mechanisch verschiebbar angeordnet. Im Vergleich zum konventionellen Reibschweißen kann die Prozesszeit deutlich verkürzt werden.

Claims

Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden eines ersten Bauteils (1) aus einem hochwarmfesten Werkstoff, wie TiAl, mit einem zweiten Bauteil (2) aus einem anderen, hochwarmfesten Werkstoff, wie Stahl, der sich, im Vergleich zu dem Werkstoff des ersten Bauteils, bei geringeren Temperaturen verformt, durch Reibschweißen der Bauteile an aneinander anliegenden Reibschweißflächen, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschweißfläche (14) des ersten Bauteils (1) aus dem hochwarmfesten Werkstoff, wie TiAl, vor dem Reibschweißen so erwärmt wird, dass sich eine möglichst homogene Wärmeverteilung in radialer und in axialer Richtung ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschweißfläche (14) des ersten Bauteils aus dem hochwarmfesten Werkstoff, wie TiAl, vor (21) dem Reibschweißen induktiv erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während (22) des Reibschweißvorganges eine kontinuierliche externe Wärmezufuhr stattfindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach (23) dem Reibschweißen ein Spannungsglühen des Verbindungsbereichs, in welchem die beiden Bauteile (1, 2) an ihren Reibschweißflächen stoffschlüssig verbunden sind, durchgeführt wird.