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Die
Erfindung betrifft eine Schweißnaht nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Sollen
in einem Verbundbauteil Eisenwerkstoffe 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.
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.
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In
der
DE 10 2005
057 317 A1 ist ein, an sich schon vorteilhaftes Verfahren
zum Schweißen von Eisenwerkstoffen mit unterschiedlichem
Kohlenstoffgehalt beschrieben.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verbesserung der mechanischen
Eigenschaften einer Schweißnaht beim Verschweißen
von Eisenwerkstoffen mit einem höherem Kohlenstoffanteil herbeizuführen,
wobei gleichzeitig die Prozesskosten gesenkt werden sollen.
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Die
Lösung der Aufgabe besteht in einer Schweißnaht
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die
Schweißnaht nach Patenanspruch 1 befindet sich zwischen
zwei Eisenwerkstoffen, wobei mindestens einer dieser Werkstoffe
einen Kohlenstoffanteil von mehr als 0,3 Gew.-% aufweist. Es hat sich
herausgestellt, dass eine gezielte Erhöhung 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.
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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.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltungsform weist die Schweißnaht
zumindest teilweise ein austenitisches Gefüge auf. Unter
austenitischen Gefüge versteht γ-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.
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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.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungsformen ergeben sich aus den übrigen
Unteransprüchen.
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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.
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Im
Weiteren sei auf einzelne, exemplarische Ausgestaltungsformen der
Erfindung näher eingegangen. Dabei zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine Schweißnaht und
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2 einen
Querschnitt durch eine Schweißnaht unter Verwendung einer
Folie als Zusatzwerkstoff.
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3 einen
Querschnitt durch eine Anordnung zweier Bauteile mit einem im Stoßbereich
eingefügten folienförmigen Zusatzwerkstoff, welche über
eine erfindungsgemäße Schweißnaht verbindbar
sind.
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Beispiel 1, Verschweißen von
Gusseisen mit einem Vergütungsstahl:
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Beim
Verschweißen eines Gusseisen-Werkstoffes 4, 4' mit
einem Vergütungsstahl 6 gemäß 1 liegen
beispielsweise folgende Kohlenstoffgehalte in Gew.-% in den Werkstoffen
vor:
- Gusseisen, GGG 60: 3,2 Gew.-% Kohlenstoff (C)
- Vergütungsstahl C 45: 0,45 Gew.-% C
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Es
wird kein Zusatzwerkstoff eingesetzt.
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(Bei
dieser und bei den folgenden Berechnungen des Kohlenstoffgehaltes
wird stets idealisierend davon ausgegangen, dass von jedem Werkstoff dasselbe
Volumen in die Schweißnaht eingeht.)
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Daraus
ergibt sich als arithmetisches Mittel ein Kohlenstoffgehalt (Gew.-%)
in der Schweißnaht, von (3,2% + 0,45%)/2
= 1,85%
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Dieser
Kohlenstoffgehalt von 1,85 Gew.-% liegt zwar im gewünschten
Intervall von 1 Gew.-% bis 2 Gew.-% ganz besonders vorteilhaft ist
jedoch der Bereich von etwa 1,5 Gew.-%. Um diesen Kohlenstoffgehalt
von 1,5 Gew.-% einzustellen, ist es zweckmäßig,
einen Versatz der Schweißnaht in den Bereich des Vergütungsstahles
durchzuführen. Hierdurch wird dem Schweißgut weniger
als 50 Volumen an Gusswerkstoff und mehr als 50 Volumen % Vergütungsstahl
zugeführt, was eine Reduktion des Kohlenstoffgehaltes in
der Schweißnaht zur Folge hat. Eine derartige Technik ist
bereits in der eingangs zitierten Schrift beschrieben.
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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. Hierbei verjüngt
sich die Schweißnaht von einer Oberseite 18 zu
einer Unterseite 20. Eine derartige Schweißnaht
kann bevorzugt durch ein Laserschweißverfahren erzielt
werden. Weiter mögliche Schweißverfahren sind
das Elektronenstrahlschweißen, das Plasmaschweißen,
aber grundsätzlich auch Hybridschweißverfahren
sowie MAG, MIG oder WIG-Verfahren.
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Die
Schweißnaht wird nach dem Schweißen aus einer
Temperatur von Oberhalb 1000°C schnell abgeschreckt, wodurch
in der Schweißnaht 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.
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.
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Beispiel 2, Schweißen von Gusseisen
und Baustahl:
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Dieses
Beispiel entspricht dem Beispiel 1 in den wesentlichen Parametern.
Lediglich der Kohlenstoffanteil im Stahl ist mit 0,25 Gew.-% geringer
als im Vergütungsstahl. Für die Kohlenstoffkonzentrationen in
der Schweißnaht ergibt sich dann wie folgt:
- Gusseisen,
GGG 60: 3,2 Gew.-% C
- Stahl 25 Mo CR 4: 0,25 Gew.-% C
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Es
wird kein Zusatzwerkstoff eingesetzt.
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Daraus
ergibt sich als arithmetisches Mittel ein Kohlenstoffgehalt (Gew.-%)
in der Schweißnaht, von (3,2% + 0,25%)/2
= 1,67%.
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Auch
in diesem Beispiel ist ein Nahtversatz in den Bereich des Stahles
zweckmäßig, um den Kohlenstoffanteil in der Schweißnaht
weiter auf 1,5 Gew.-% zu reduzieren. 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. Eine weitere mögliche Werkstoffkombination
zu diesem Beispiel ist GGG50 und 20MoCr4E.
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Den
Beispielen 1 und 2 ist es gemeinsam, dass bei diesen Schweißnähten
kein Zusatzwerkstoff zum Einsatz kommt. Der gewünschte
Kohlenstoffgehalt der Schweißnaht in Kombination des vorteilhaften
austenitischen Gefüges lässt sich aus den zu verschweißenden
Werkstoffen durch den gezielten Versatz der Schweißnaht
(Nahtpositionierungsverfahren) erzielen.
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Beabsichtigt
man jedoch zwei Vergütungsstähle miteinander zu
verschweißen, kann die Korrektur durch die Nahtpositionierung
jedoch nicht zum Erfolg führen, da keiner der zu verschweißenden Werkstoffe
die gewünschten 1,5 Gew.-% an Kohlenstoff aufweist. In
diesem Fall ist ein Zusatzwerkstoff zum Verschweißen erforderlich.
Dies ist im folgenden Beispiel erläutert.
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Beispiel 3, Verschweißen von
zwei Vergütungsstählen:
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- Vergütungsstahl C 45: 0,45 Gew.-% C
- Zusatzwerkstoff (Folie): 2,6 Gew.-% C
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Daraus
ergibt sich als arithmetische Mittel ein Kohlenstoffgehalt (Gew.-%)
in der Schweißnaht, von (0,45% + 2,55%)/2
= 1,5%.
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Zur
Darstellung einer derartigen Schweißnaht 14 wird
eine Folie 16 gemäß 2 als
Zusatzwerkstoff zwischen die zu verschweißenden Werkstücke 8 und 10 aus
Vergütungsstahl gelegt. Die Folie weist einen genau auf
den Kohlenstoffgehalt der zu verschweißenden Vergütungsstähle
abgestimmten Kohlenstoffgehalt von hier 2,55 Gew.-% auf, um zu dem
bevorzugten Kohlenstoffgehalt von 1,5 Gew.-% in der Schweißnaht
zu gelangen. Sollten andere Vergütungsstähle mit
geringfügig variierenden Kohlenstoffgehalten verschweißt
werden oder sollte gegebenenfalls ein anderer Wert als 1,5 Gew.-%
aus dem vorteilhaften Intervall von 1 Gew.-% bis 2 Gew.-% Kohlenstoffgehalt
angestrebt werden, so wird der Kohlenstoffgehalt der Folien entsprechend angepasst.
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Alternativ
zu dem hier verwendeten Zusatzwerkstoff in Folienform mit 2,6 Gew.-%
C kann in einem weitern Ausführungsbeispiel für
diese Werkstoffkombination Vergütungsstahl C45-Vergütungsstahl
C45 auch ein Zusatzwerkstoff aus GJS (Gusseisen mit Kugelgraphit)
mit einem höheren Kohlenstoffgehalt (3,4–3,8 Gew.-%
C) gewählt werden, der insgesamt einen höheren
Kohlenstoffgehalt in der Schweißnaht bewirkt. Die Dicke
der Folie ist dabei variabel und kann beispielsweise in der Größenordnung
von 0,3–0,4 mm liegen.
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Im
Weiteren entspricht die Schweißnaht 14 nach Beispiel
3 der Schweißnaht 2 gemäß der 1 (Beispiele
1 und 2). Auch hier wird mit denselben mechanischen Resultaten ein
schnelles Abschrecken bewirkt, was zu einem zumindest teilweisen
austenitischen Gefüge führt. Die Wirkung dieses
Gefüges wurde bereits unter Beispiel 1 näher erläutert.
Das Gleiche gilt für die Schweißverfahren, die
ebenfalls bereits zu den Beispielen 1 und 2 genannt sind.
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Neben
den in den Ausführungsbeispielen dargestellten Nahtbreiten
von wenigstens 0,5 mm wird es durch den Einsatz neuer Lasertechnologien, insbesondere
die Einführung der Single-Mode-Laser, möglich,
den Laser immer stärker und schärfer zu fokussieren.
Bei diesen Lasern werden 5 kW Strahlleistung in Lichtleitfasern
mit einem Durchmesser von 0,05 mm eingeführt. So ist es
denkbar, mit dieser Technologie auch deutlich schmalere Nahtbreiten
im Bereich von 0,2 mm zu realisieren.
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Allgemein
müssen beim Durchführen des Verfahrens immer sämtliche
Parameter
- – Nahtquerschnitt und
- – Kohlenstoffgehalte sowie
- – Volumina der beteiligten Komponenten
aufeinander
abgestimmt werden.
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In
diesem Beispiel wurde als Zusatzwerkstoff die Verwendung einer Folie
beschrieben. 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 dem gewünschten
Kohlenstoffgehalt kontinuierlich dem Schweißprozess zuzufügen.
Das Gleiche kann auch durch ein zugefügtes, auf den genauen
Kohlenstoffgehalt eingestelltes Eispulver erfolgen.
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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 und dem zweiten Bauteil 100, 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.
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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.
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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.
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Als
zu verschweißende Bauteile sind u. a. Getriebeteile, Wellen,
wie Nockenwellen oder Kurbelwellen, sowie Fahrwerkskomponenten,
Motorteile sowie Karosserieteile geeignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005057317
A1 [0003]
- - DE 19716293 A1 [0011, 0038]