DE102009036715A1

DE102009036715A1 - Verfahren zum Verschweißen oder Löten eines Bauteils aus Stahl mit einem Bauteil aus einem Titanaluminid

Info

Publication number: DE102009036715A1
Application number: DE102009036715A
Authority: DE
Inventors: Simon Raithel; Patrick Talmon L'armee
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-08-08
Filing date: 2009-08-08
Publication date: 2010-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen oder Löten eines Bauteils (10) aus Stahl, insbesondere aus einem Vergütungsstahl, mit einem Bauteil (12) aus einem Titanaluminid, bei welchem vor dem Verschweißen ein Schweißzusatzstoff in Form einer Folie (18) in einen Fügebereich der Bauteile (10, 12) eingelegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschweißen oder Löten eines Bauteils aus Stahl, insbesondere aus einem Vergütungsstahl, mit einem Bauteil aus einem Titanaluminid.
Titanaluminide sind intermetallische Phasen aus Titan und Aluminium, die in der Regel in Form geordneter Substitutionsmischkristalle auskristallisieren. Sie zeichnen sich durch besonders große Härte bei geringem Bauteilgewicht aus und finden daher bei hochbeanspruchten beweglichen Bauteilen, wie beispielsweise bei Turbinenrädern für Turbolader Anwendung. Der Einsatz von Titanaluminiden wird jedoch durch Schwierigkeiten beim Fügen und insbesondere beim Verschweißen von Bauteilen aus Titanaluminiden mit Bauteilen aus anderen metallischen Werkstoffen eingeschränkt. Beim Verschweißen von Titanaluminiden mit Stählen bilden sich in der Schweißzone bereichsweise unterschiedliche Legierungen aus Titan, Aluminium und Eisen aus, welche im Gegensatz zur strukturell homogenen Mischkristallstruktur des Titanaluminidbauteils Zonen unterschiedlicher Gefügeordnungen, vorwiegend α- und β-Gefüge ausbilden. In den Wärmeeinflusszonen auf Seiten des Titanaluminidbauteils besteht weiterhin das Problem, dass γ-Titanaluminid im Bereich zwischen 700°C bis 800°C einen Spröd-Duktilübergang aufweist, so dass verschweißte Titanaluminidbauteile oftmals verspröden. Die genannten Probleme konnten bislang durch die Verwendung von Nickel als Zusatzwerkstoff im Schweißbereich nur unzureichend gelöst werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verschweißen oder Löten eines Bauteils aus Stahl mit einem Bauteil aus einem Titanaluminid so weiterzuentwickeln, dass die Materialqualität im Schweißbereich zwischen den Bauteilen verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Bei einem derartigen Verfahren zum Verschweißen oder Löten eines Bauteils aus Stahl, insbesondere aus einem Vergütungsstahl, mit einem Bauteil aus einem Titanaluminid wird vor dem Verschweißen oder Löten ein Schweißzusatzstoff in Form einer Folie in einen Fügebereich der Bauteile eingelegt. Erfindungsgemäß wird der Schweißzusatzstoff aus den Werkstoffen Palladium, Silber, Vanadium, Nickel oder einer Basislegierung eines dieser Werkstoffe ausgewählt. Der folienförmige Schweißzusatzstoff wird beim Verschweißen der beiden Bauteile aufgeschmolzen und vermischt sich mit aufgeschmolzenen Bereichen des Vergütungsstahlbauteils und des Titanaluminidbauteils, wodurch sich im Schweißbereich Titan-Aluminium-Eisenmischlegierungen mit einem der genannten Metalle ausbilden. Solche Mischlegierungen weisen deutlich verbesserte Duktilität auf, so dass ein Verspröden des Schweißbereichs vorteilhafterweise vermieden wird.
Bei einer möglichen Variante des Verfahrens wird nur der Zusatzwerkstoff oder jeweils einer der Fügepartner aufgeschmolzen. So bilden sich Mischungen von Vergütungsstahl und dem Zusatzwerkstoff oder Titanaluminid und dem Zusatzwerkstoff auf. Der jeweils nicht mit dem anderen aufgeschmolzene Fügepartner wird über eine Lötung angebunden. Bei dieser Variante kann es zweckmäßig sein, zusätzlich einen drahtförmigen Zusatzwerkstoff in den Schmelzstrahl einzuführen. Zur besseren Aktivierung und nachfolgender Benetzung der Fügepartner mit dem Zusatzwerkstoff ist eine Vorwärmung mit einem Plasmabrenner oder einen Energiestrahl, beispielsweise einen Elektronenstrahl oder einen Laserstrahl, sinnvoll.
Bevorzugter Weise erfolgt das Verschweißen oder Löten durch ein Strahlschweißverfahren, insbesondere durch Elektronenstrahl- oder Laserschweißen oder -löten. Durch den hohen und gleichzeitig lokal sehr gut begrenzten Energieeintrag bei derartigen Schweißverfahren kann eine sehr hohe Durchschweißtiefe bei gleichzeitig sehr homogenen Schweißnähten erzielt werden, was die Materialqualitäten im Übergangsbereich zwischen dem Stahlbauteil und dem Titanaluminidbauteil weiter verbessert.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Schweißstrahl um einen vorgegebenen Längenabstand senkrecht versetzt zu einer Mittellinie des Fügebereichs parallel zur Mittellinie geführt. Mit anderen Worten erfolgt der höchste Energieeintrag nicht direkt in der Mitte des Fügespaltes, in dem der Zusatzwerkstoff angeordnet ist, um eine definierte Legierungszusammensetzung zu erreichen, damit die gestellten Anforderungen an die Fügeverbindung erfüllt werden. Vielmehr wird der Schweißstrahl versetzt auf eines der Bauteile hingeführt, wobei besonders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn der Schweißstrahl zur Seite des Stahlbauteils hin versetzt wird. Dadurch wird im Schweißbereich größtenteils Stahl und Zusatzwerkstoffe aufgeschmolzen, während das Titanaluminid des zweiten Bauteils in geringerem Maße angeschmolzen wird. Neben einer verbesserten Gefügequalität im eigentlichen Schweißnahtbereich wird damit auch die Ausdehnung von Wärmeeinflusszonen im Titanaluminidbauteil verringert, welche ansonsten zu einer Versprödung der Schweißnaht führen könnten.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden vor dem Verschweißen die Bauteile sowie der Schweißzusatzstoff auf eine Temperatur zwischen 600°C und 1000°C vorgewärmt, wozu vorzugsweise ein induktives Heizverfahren verwendet wird. Auch ein Nachwärmen nach erfolgtem Schweißen kann erfolgen. Das Aufheizen erfolgt dabei vorzugsweise schubweise, um eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Werkstück zu erreichen. Durch das Vorwärmen werden Probleme aufgrund des Spröd-Duktil-Übergangs des Titanaluminids vermieden.
Die Dicke des Schweißzusatzwerkstoffs beträgt bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 mm, so dass eine möglichst vollständige Vermischung der Werkstoffe im Schweißbereich stattfinden kann.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
1 Bauteile zur Verwendung mit einer Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens vor dem Verschweißen;
2 ein Ausführungsbeispiel einer Zusatzwerkstoffolie zur Verwendung in einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 Bauteile zur Verwendung mit einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens während des Verschweißens.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Turbinenwelle 10 für einen Abgasturbolader, die aus Vergütungsstahl gefertigt ist. Bei der Herstellung des Turboladers muss die Turbinenwelle 10 mit der ebenfalls schematisch dargestellten Turbine 12 aus einem Titanaluminid gefügt werden. Um die Präzision der stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Turbinenwelle 10 der Turbine 12 zu verbessern wird hierbei zunächst ein Formschluss vorzugsweise mittels Presspasssitz hergestellt. Die Turbinenwelle 10 weist einen durch Befräsen oder dergleichen erzeugten Zapfen 14 auf, dem eine komplementäre Aussparung 16 in der Turbine 12 zugeordnet ist. Die stirnseitigen Flanken von Turbinenrad und Welle erhalten vorzugsweise eine Fase. Soll eine Lötung stattfinden, soll die Naht in Form einer V-Naht vorbereitet werden, so dass beide Fügepartner eine große Fase erhalten.
Vor dem Verschweißen von Turbinenwelle 10 und Turbinenrad 12 wird ein Schweißzusatzstoff in Form einer Folie 18, welche in 2 in der Draufsicht dargestellt ist, auf den Zapfen 14 aufgeschoben und evtl. auch aufgepresst, um eine definierte Lage des Zusatzwerkstoffs zu erreichen, so dass dieser an der Stirnfläche 20 der Turbinenwelle 10 anliegt. Der Zapfen der Turbinenwelle 10 wird anschließend in die Aussparung 16 des Turbinenrades 12 eingeführt, so dass sich bereits unverschweißt ein formschlüssiger Presssitz zwischen Turbinenwelle 10 und Turbinenrad 12 ergibt.
Die Folie 18 besteht dabei aus Palladium, Vanadium, Silber, Nickel oder aus einer Basislegierung eines der genannten Metalle und weist eine Dicke von 0,1 bis 0,5 mm auf.
Sobald die zu fügenden Bauteile ineinander gesteckt sind, können sie im Fügebereich durch induktives Aufheizen vorbehandelt werden. Bevorzugt erfolgt hierbei eine schubweise Erwärmung auf Temperaturen zwischen 600°C und 1000°C, um die Bildung von Wärmeeinflusszonen beim Verschweißen zu minimieren und insbesondere um die Entstehung von thermischen Spannungen während des Verschweißens zu verhindern.
Nach erfolgter Wärmebehandlung werden die Bauteile 10, 12 im noch warmen Zustand durch einen Laser- oder Elektronenstrahl 24 verschweißt. Der Schweißstrahl 24 wird dabei nicht zwangsläufig exakt mittig in die Schweißfuge 26 eingeleitet, sondern leicht seitlich versetzt auf Seite der Turbinenwelle aus Vergütungsstahl geführt. In der Schweißnaht 26 bilden sich daher Legierungen aus dem Vergütungsstahl, dem Schweißzusatzwerkstoff sowie Anteilen aus Titan und Aluminium. Gegenüber einer Verschweißung ohne Zusatzwerkstoff ergibt sich so eine wesentlich verbesserte Gefügequalität der Schweißnaht, wobei insbesondere ein Verspröden der Verbindung zwischen Turbinenwelle 10 und Turbinenrad verhindert wird. Dadurch erhält man besonders haltbare und belastbare Schweißverbindungen, die auch für den Einsatz in schnell drehenden Turboladern geeignet sind und den damit verbundenen Belastungen standzuhalten vermögen.

Claims

Verfahren zum Verschweißen oder Löten eines Bauteils (10) aus Stahl, insbesondere aus einem Vergütungsstahl, mit einem Bauteil (12) aus einem Titanaluminid, bei welchen vor dem Verschweißen ein Zusatzstoff in Form einer Folie (18) in einen Fügebereich der Bauteile (10, 12) eingelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen durch ein Strahlschweißverfahren, insbesondere durch Elektronenstrahl- oder Laserschweißen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißstrahl (24) um einen vorgegebenen Längenabstand senkrecht versetzt zu einer Mittellinie des Fügebereichs (26) parallel zur Mittellinie geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verschweißen die Bauteile (10, 12) sowie der Schweißzusatzstoff (18) auf eine Temperatur zwischen 600°C und 1000°C insbesondere induktiv vorgewärmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Schweißzusatzstoffes (18) 0,1 mm bis 0,5 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitigen Flanken Bauteile mit einer Fase versehen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur der Zusatzstoff und jeweils ein Bauteil (10, 12) aufgeschmolzen und das weitere Bauteil (12, 10) über eine Lötung angebunden wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Bauteile (10, 12) vor dem Löten vorgewärmt werden.