-
Die
Erfindung betrifft eine Schweißnaht zur Verbindung von
Gusseisenwerkstoffen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Sollen
in einem Verbundbauteil Gusseisenwerkstoffe mittels Schweißen
gefügt werden, führt das in der Regel zu einer
Einschränkung in der Auswahl der Werkstoffe, die durch
den Kohlenstoffgehalt der Eisenwerkstoffe bestimmt ist. Die Grenze
für einfach und prozesssicher schweißbare Werkstoffe
liegt etwa bei 0,2 Gewichtsprozent (Gew.-%) bis 0,3 Gew.-% Kohlenstoff,
wobei der Kohlenstoffgehalt bei Gusseisenwerkstoffen stets oberhalb
dieser Grenze liegt. Stärker kohlenstoffhaltige Stähle
und Gusseisenwerkstoffe härten unter normalen Schweißverfahren
wie E-, MIG- oder MAG-Schweißverfahren auf, was zu einer
erhöhten Rissbildung und einem daraus resultierenden Festigkeitsverlust
der Schweißnaht führt.
-
In
der
DE 10 2005
057 317 A1 ist ein, an sich schon vorteilhaftes Verfahren
zum Schweißen von Eisenwerkstoffen mit unterschiedlichem
Kohlenstoffgehalt beschrieben.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verbesserung der mechanischen
Eigenschaften einer Schweißnaht beim Verschweißen
von Gusseisenwerkstoff herbeizuführen, wobei gleichzeitig
die Prozesskosten gesenkt werden sollen.
-
Die
Lösung der Aufgabe besteht in einer Schweißnaht
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
-
Die
Schweißnaht nach Patenanspruch 1 befindet sich zwischen
zwei Gusseisenwerkstoffen, wobei der Schweißnaht ein Zusatzwerkstoff
zugeführt ist, der weniger als 0,5 Gew.-% Kohlenstoff aufweist. Es
hat sich herausgestellt, dass eine gezielte Einstellung des Kohlenstoffgehaltes
in der Schweißnaht auf einen Wert zwischen 1 Gew.-% und
2 Gew.-% einen besonders guten Kompromiss zwischen einerseits einer
möglichst geringen Härte und einer möglichst hohen
Duktilität bewirkt. Der Kohlenstoffanteil in der Schweißnaht
liegt dabei bevorzugt zwischen 1,25 Gew.-% und 1,75 Gew.-% und weiter
bevorzugt zwischen 1,4 Gew.-% und 1,6 Gew.-% ganz besonders bevorzugt
bei 1,5 Gew.-% wobei eine technische Ungenauigkeit bei der Darstellung
der Schweißnaht von 0,2 Gew.-% berücksichtigt
werden muss.
-
Um
diese Werte beim Verschweißen von Gusseisenwerkstoffen
einzustellen, ist es notwendig, einen Zusatzwerkstoff auf Eisenbasis
einzusetzen, der möglichst wenig Kohlenstoff aufweist,
dabei ist es in der Regel wünschenswert, den Kohlenstoff
abgesehen von Verunreinigungen auf nahezu 0% zu senken.
-
Gegenüber
Sonderschweißverfahren (z. b. Hybrid-Verfahren) ist die
durch den Anspruch 1 beschriebene Schweißnaht mit geringem
Energieaufwand herstellbar, sie ist umweltverträglich,
da auf nickelhaltige Zusatzwerkstoffe verzichtet werden kann und
sie ist durch eine technisch verhältnismäßig
einfache Prozessführung darstellbar.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltungsform weist die Schweißnaht
zumindest teilweise ein austenitisches bzw. restaustenitisches Gefüge
auf. Unter austenitischem Gefüge versteht man Mischkristalle im
Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm. Diese Mischkristalle entstehen
beispielsweise bei der Abschreckung des Werkstoffes aus einer Temperatur von über
1000°C. Austenitisches Gefüge weist zwar eine
niedrige Streckgrenze aber auch eine hohe Zähigkeit auf.
In der Schweißnaht sind bevorzugt zumindest Reste eines
austenitischen Gefüges (Restaustenit) vorhanden, die für
die hohe Zähigkeit der Schweißnaht sorgen.
-
Die
Schweißnaht ist hierbei relativ schmal ausgestaltet, nämlich
0,5 mm und 2 mm, bevorzugt bis 1,1 mm. Durch eine derart schmale
Schweißnaht wird eine häufig erhöhte
Härte in einer Übergangszone vom Werkstoff zur
Schweißnaht kompensiert.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungsformen ergeben sich aus den übrigen
Unteransprüchen.
-
Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zweier Bauteile, welche über
eine oben beschriebene Schweißnaht verbindbar sind. Hierbei
ist es besonders vorteilhaft, jeweils eine Kante jedes Bauteils
im Stoßbereich zwischen den Bauteilen, also dort wo die
Schweißnaht zwischen den Bauteilen angebracht werden soll,
in einem Winkel von 45° abzufasen. Die Breite des abgefasten
Bereiches beträgt dabei idealerweise 0,2 bis 0,4 mm. Es
ist weiterhin besonders vorteilhaft, einen Zusatzstoff in Form einer
Folie in diesen Stoßbereich zwischen das erste und das
zweite Bauteil einzulegen, wobei dieser Zusatzstoff in Form einer
Folie um 0,4 bis 0,6 mm über eine Oberfläche zumindest
eines Bauteils und um 0,6 bis 1 mm von einer Unterkante eines abgefasten
Bereiches zumindest eines Bauteils übersteht. Durch eine
solche Anordnung wird der Einsatz der Vorrichtung zur Regelung von
Schweißparametern beim Laserstrahlschweißen, wie
sie in der
DE 19716293
A1 offenbart ist, ermöglicht. Genannte Offenlegungsschrift
soll hier als vollumfänglich mitoffenbart gelten. Die angegebenen
Werte für den Überstand des folienförmigen
Zusatzwerkstoffes sind durch die Detektierbarkeit des Werkstoffes
in genanntem Regelungsverfahren eingegrenzt. Die Untergrenze wird
dabei gebildet durch die Erkennbarkeit des Zusatzwerkstoffes, die Obergrenze
durch mögliche Tropfenbildung durch Wärmestau.
Insbesondere wird so eine Fokuslagenregelung, sowie eine Durchschweißregelung ermöglicht.
-
Im
Weiteren sei auf einzelne, exemplarische Ausgestaltungsformen der
Erfindung näher eingegangen. Dabei zeigen:
-
1 einen
Querschnitt durch eine Schweißnaht,
-
2 einen
Querschnitt durch eine Schweißnaht unter Verwendung einer
Folie als Zusatzwerkstoff und
-
3 einen
Querschnitt durch eine Anordnung zweier Bauteile mit einem im Stoßbereich
eingefügten folienförmigen Zusatzwerkstoff, welche über
eine erfindungsgemäße Schweißnaht verbindbar
sind.
-
Beispiel 1:
-
Beim
Verschweißen von zwei gleichartigen Gusseisenwerkstoffen 4, 4' gemäß 1 mit
einer Schweißnaht 2 liegen beispielsweise folgende
Kohlenstoffgehalte in Gew.-% in den Werkstoffen vor:
Gusseisen,
GGG 60: 3,2 Gew.-% Kohlenstoff (C)
Zusatzwerkstoff als Folie 10 (2):
0 Gew.-% C
-
Daraus
ergibt sich als arithmetisches Mittel ein Kohlenstoffgehalt (Gew.-%)
in der Schweißnaht, von (3,2% + 0%)/2
= 1,6%.
-
(Bei
dieser und bei den folgenden Berechnungen des Kohlenstoffgehaltes
wird stets idealisierend davon ausgegangen, dass von jedem Werkstoff dasselbe
Volumen in die Schweißnaht eingeht.)
-
Die
Schweißnaht 2 ist hierbei sehr schmal, sie beträgt
gemäß 1 in einem unteren Bereich etwa
0,5 mm und in einem oberen Bereich etwa 1,1 mm. Sie verjüngt
sich hierbei von einem oberen Ende 6 zu einem unteren Ende 8.
Eine derartige Schweißnaht kann bevorzugt durch ein Laserschweißverfahren
erzielt werden. Weitere mögliche Schweißverfahren
sind das Elektronenstrahlschweißen, das Plasmaschweißen,
aber auch Hybridschweißverfahren sowie MAG, MIG oder WIG-Verfahren.
-
Die
Schweißnaht wird nach dem Schweißen aus einer
Temperatur von oberhalb 1000°C schnell abgeschreckt, wodurch
in der Schweißnaht zumindest teilweise ein austenitisches
Gefüge erhalten bleibt. Dieses Restaustenit mit einem Kohlenstoffgehalt
von etwa 1,5 Gew.-% weist eine – für ein Gefüge mit
diesem Kohlenstoffgehalt – hohe Duktilität auf, wobei
die Härte vergleichsweise gering ausfällt. Das Gefüge
der Naht ist inhomogen, dam im Restaustenit unter anderem noch Martensit
eingelagert ist. Die Kombination aus niedriger Härte und
hoher Duktilität in Verbindung mit der sehr schmalen Schweißnaht führt
dazu, dass die Schweißnaht auch dynamischen Beanspruchungen
gut widerstehen kann.
-
Beispiel 2, Schweißen von unterschiedlichen
Gusseisenwerkstoffen:
-
Dieses
Beispiel entspricht dem Beispiel 1 in den wesentlichen Punkten.
Es handelt sich lediglich um zwei unterschiedliche Gusseisenwerkstoffe,
die unterschiedliche Kohlenstoffgehalte aufweisen. Für die
Kohlenstoffkonzentrationen in der Schweißnaht ergibt sich
dann wie folgt:
Gusseisen, GGG 60: 3,2 Gew.-% Kohlenstoff (C)
Gusseisen 2:
3,0 Gew.-% C
Zusatzwerkstoff: 0% Kohlenstoff.
-
Daraus
ergibt sich als arithmetische Mittel ein Kohlenstoffgehalt (Gew.-%)
in der Schweißnaht, von ((((3,2% + 3,0%)/2)
+ 0%)/2) = 1,55%.
-
Auch
hier erfolgt ein Abschrecken zur Erzielung des vorteilhaften austenitischen
Gefüges. Die mechanischen Eigenschaften dieser Schweißnaht sind
analog der aus dem Beispiel 1 und basieren auf denselben mechanischen
Eigenschaften.
-
Um
den bereits erwähnten bevorzugten Kohlenstoffgehalt von
1,5 Gew.-% einzustellen, ist es zweckmäßig, einen
Versatz der Schweißnaht in den Bereich des Gusseisenwerkstoffes
mit dem geringeren Kohlenstoffanteils durchzuführen. Hierdurch
wird dem Schweißgut weniger als 50 Volumen % an kohlenstoffreicherem
Gusseisenwerkstoff und mehr als 50 Volumen % des kohlenstoffärmeren
Gusseisenwerkstoffs zugeführt, was eine Reduktion des Kohlenstoffgehaltes
in der Schweißnaht zur Folge hat. Eine derartige Technik
ist bereits in der eingangs zitierten Schrift beschrieben.
-
Im
Weiteren entspricht die Schweißnaht nach Beispiel 2 der
Schweißnaht nach Beispiel 1. Auch hier wird mit denselben
mechanischen Resultaten ein schnelles Abschrecken bewirkt, was zu
einem zumindest teilweise austenitischen Gefüge führt.
Die Wirkung dieses Gefüges wurde bereits unter Beispiel 1
näher erläutert. Das Gleiche gilt für
die Schweißverfahren, die ebenfalls bereits in Beispiel
1 genannt sind.
-
In
diesem Beispiel wird gemäß 2 als Zusatzwerkstoff
die Verwendung der Folie 10 beschrieben. Hierbei wird die
Folie 10 mit dem oben angegebenen möglichst geringen
Kohlenstoffgehalt zwischen die zu verschweißenden Gusseisenwerkstoffe 4, 4' gegeben.
Beim Schweißen wird die Folie aufgeschmolzen und verschmilz
mit den lokal ebenfalls geschmolzenen Bereichen der Gusseisenwerkstoffe. Durch
den minimalen Kohlenstoffgehalt der Folie wird der Kohlenstoffgehalt
der Schweißnaht auf das gewünschte Maß von
etwa 1,5 Gew.-% gesenkt. Über die Dicke der Folie und somit über
ihr Volumen wird die Menge des Zusatzwerkstoffes und somit auch
die Kohlenstoff-Konzentration in der Schweißnaht eingestellt.
-
Es
ist jedoch auch zweckmäßig, den Zusatzwerkstoff
in anderer Form, beispielsweise durch eine vorher auf die Werkstücke
aufgebrachte Spritzschicht (Plasmaspritzschicht oder Lichtbogendrahtspritzschicht)
aufzubringen. Ferner ist es bei verschiedenen Werkstücken
zweckmäßig, den Zusatzwerkstoff durch einen Draht
mit den gewünschten Kohlenstoffgehalt kontinuierlich dem
Schweißprozess zuzufügen. Das Gleiche kann auch
durch ein zugefügtes, auf den genauen Kohlenstoffgehalt
eingestelltes Eispulver erfolgen.
-
3 zeigt
schließlich eine Anordnung eines ersten Bauteils 100 und
eines zweiten Bauteils 102, welche über eine oben
beschriebene Schweißnaht verbindbar sind. Im Stoßbereich 104 zwischen
dem ersten 100 und dem zweiten Bauteil 102 ist
ein Zusatzwerkstoff 106 in Form einer Folie eingelegt.
Die Dicke d1 des Zusatzwerkstoffes, und damit der Spaltabstand zwischen
den Bauteilen 100, 102 soll hier d1 gleich 0,4
mm betragen. Der Kantenbereich 108 des ersten Bauteils 100 sowie
der Kantenbereich 110 des zweiten Bauteils 102 sind
dabei in einem Winkel α = 45° abgefast. Die Breite
des abgefasten Bereiches d4 des ersten Bauteils 100 beträgt
dabei 0,2 mm, die Breite d5 des abgefasten Bereiches 110 des
zweiten Bauteils 102 0,4 mm.
-
Die
Folie 106 erstreckt sich über die Oberfläche 112 des
zweiten Bauteils 102 um eine Länge d2 hinaus,
wobei dieser Überstand idealerweise 0,4 bis 0,6 mm betragen
soll. Der Überstand d3 der Folie 106 über
die Unterkante 114 des abgefasten Bereiches 110 des
Bauteils 102, also des tiefer abgefasten Teiles, bewegt
sich idealerweise in einem Längenbereich von 0,6 bis 1
mm.
-
Durch
eine derartige Werkstückgeometrie wird wie bereits eingangs
beschrieben der Einsatz einer Vorrichtung zur Regelung von Schweißparametern
nach der
DE 19716293
A1 ermöglicht. Durch Einsatz einer CCT-Kamera
und Auswertung der Schmelzbadgeometrie beim Verschweißen
der in
3 gezeigten Anordnung ist es durch eine solche Vorrichtung
ermöglicht, die Schweißnahtqualität,
insbesondere die Nahtposition, die Fokuslage eines Laserstrahls,
sowie die Durchschweißtiefe überwachen und gegebenenfalls
regeln.
-
Als
zu verschweißende Bauteile sind u. a. Getriebeteile, Wellen,
wie Nockenwellen oder Kurbelwellen, sowie Fahrwerkskomponenten,
Motorteile sowie Karosserieteile geeignet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005057317
A1 [0003]
- - DE 19716293 A1 [0012, 0031]