DE102012002572A1 - Method for cohesive-connection of workpieces, involves bonding the bonding surface of one workpiece on bonding surface of another workpiece by heating the material with electron beams, laser beams, friction welding or induction heat - Google Patents

Method for cohesive-connection of workpieces, involves bonding the bonding surface of one workpiece on bonding surface of another workpiece by heating the material with electron beams, laser beams, friction welding or induction heat Download PDF

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Abstract

The method involves coating a material (18) on a bonding surface (16) of one workpiece (10). The bonding surface of one workpiece is bonded on the bonding surface (14) of another workpiece (12) by heating the material with electron beams, laser beams, friction welding or induction heat. The bonding surfaces are provided with the axial and peripheral surface. One workpiece is made of ceramic material and another workpiece is made of steel.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Werkstücken aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen, wobei mittels eines geeigneten Materials zwischen den Werkstücken die stoffschlüssige Verbindung durch entsprechendes Erhitzen dieses Materials hergestellt wird.The present invention is concerned with a method for materially joining workpieces made of the same or different materials, wherein by means of a suitable material between the workpieces, the cohesive connection is made by appropriate heating of this material.

Ein entsprechendes Verfahren ist aus der DE 10 2010 006 300 A1 bekannt. Dort wird zur stoffschlüssigen Verbindung eines Bauteils aus Titanaluminid mit einem Bauteil aus einem artfremden Metall ein Zwischenteil vorgeschlagen, das mit dem Bauteil aus Titanaluminid verlötet und mit dem Bauteil aus dem artfremden Metall verschweißt wird.A corresponding method is from the DE 10 2010 006 300 A1 known. There, an intermediate part is proposed for cohesive connection of a component of titanium aluminide with a component made of a foreign metal, which is soldered to the titanium aluminide component and welded to the component of the foreign metal.

Es besteht in bestimmten Anwendungsfällen ein Bedarf, Werkstücke unterschiedlicher Art dauerhaft miteinander zu verbinden, wobei aufgrund der Werkstoffeigenschaften oder der technischen Gegebenheiten übliche Verfahren nicht angewendet werden können. Beispielsweise sei die Verbindung einer aus einem Stahl bestehenden Welle mit einem Turbinenrotor aus einem keramischen Werkstoff genannt, wobei der keramische Werkstoff nicht in üblicher Art und Weise mit der Welle verschweißt werden kann. Grundsätzlich sind weitere Anwendungen denkbar, bei welchen sich eine oder beide zu paarende Werkstücke aufgrund ihrer Werkstoffeigenschaften nicht für Schweißverfahren eignen.There is a need in certain applications, permanently connect workpieces of different types together, due to the material properties or technical conditions, conventional methods can not be applied. For example, the connection of a shaft made of a steel with a turbine rotor made of a ceramic material may be mentioned, wherein the ceramic material can not be welded to the shaft in a conventional manner. Basically, further applications are conceivable in which one or both mating workpieces are not suitable for welding processes due to their material properties.

Die aus der DE 10 2010 006 300 A1 bekannte Lösung besitzt den Nachteil, dass das Material zur stoffschlüssigen Verbindung in Form eines Ringes aus Lotmaterial zwischen die Werkstücke einzubringen ist und dann durch geeignete Verfahren die stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird. Der Ring muss dann an beiden Grenzflächen mit dem jeweiligen Werkstück durch Wärmeeintrag stoffschlüssig verbunden werden, wobei dies durch Schweißen und Löten erreicht werden soll.The from the DE 10 2010 006 300 A1 known solution has the disadvantage that the material for cohesive connection in the form of a ring of solder material is to be introduced between the workpieces and then the cohesive connection is made by suitable methods. The ring must then be integrally bonded by heat input at both interfaces with the respective workpiece, which is to be achieved by welding and soldering.

Bekannt sind auch Lösungen, bei denen ein Zwischenkörper zwischen einen Stahlkörper und ein Keramikbauteil eingesetzt wird, das jeweils durch Reibschweißen mit den beiden Körpern verbunden wird. Ein solches Verfahren ist aus der US 5431752 bekannt. Die DE 10 2008 059 617 A1 beschreibt einen Rotor für einen Abgasturbolader, bei welchem mit Hilfe einer Buchse eine Verbindung einerseits mit der Welle und andererseits mit den Turbinenrad hergestellt wird. Eine Lötverbindung zwischen einer an eine Welle angeformten Buchse und dem Turbinenrad wird in der US 2006/0021221A1 beschrieben. Zur Verbindung sind ferner Sinterverfahren bekannt, beispielsweise aus der EP1507062A2 oder der US 7241416B2 .Also known are solutions in which an intermediate body between a steel body and a ceramic component is used, which is connected in each case by friction welding with the two bodies. Such a method is from the US 5431752 known. The DE 10 2008 059 617 A1 describes a rotor for an exhaust gas turbocharger in which by means of a socket connection is made on the one hand with the shaft and on the other hand with the turbine wheel. A solder joint between a socket formed on a shaft and the turbine wheel is in the US 2006 / 0021221A1 described. For connection sintering methods are also known, for example from the EP1507062A2 or the US 7241416B2 ,

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur stoffschlüssigen Verbindung von Werkstücken zu schaffen, dass das Einsetzen eines Zwischenteils zur Herstellung der Verbindung vermeidet.The object of the present invention is to provide a method for the material connection of workpieces, which avoids the insertion of an intermediate part for the preparation of the compound.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Material für die stoffschlüssige Verbindung dadurch zwischen die Werkstücke eingebracht wird, dass wenigstens eines der beiden Werkstücke an einer Verbindungsfläche mit dem anderen Werkstück mit dem Material für die stoffschlüssige Verbindung beschichtet wird, wobei der zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung notwendige Wärmeeintrag durch Elektronenstrahlen, Laserstrahlen, Reibschweißen oder Induktionswärme bereitgestellt wird.According to the invention the object is achieved in that the material for the cohesive connection is thereby introduced between the workpieces, that at least one of the two workpieces is coated on a connecting surface with the other workpiece with the material for the cohesive connection, wherein for the production of cohesive Connection necessary heat input by electron beams, laser beams, friction welding or induction heat is provided.

Es hat sich gezeigt, dass durch das Beschichten des wenigstens einen Werkstückes das Material für die stoffschlüssige Verbindung bereits vor dem eigentlichen Fügevorgang in der gewünschten Menge und in genauer Positionierung an wenigstens einer Verbindungsfläche bereitgestellt werden kann. Dadurch wird der eigentliche Fügevorgang vereinfacht.It has been found that, by coating the at least one workpiece, the material for the integral connection can already be provided in the desired quantity and in exact positioning on at least one connecting surface before the actual joining operation. This simplifies the actual joining process.

Die Verbindungsstelle kann eine Axial- und/oder Umfangsfläche aufweisen, wobei im Falle einer Axialfläche der Fügevorgang denkbar einfach unter Andruck der beiden Werkstücke gegeneinander durchgeführt werden kann. Bei einer Umfangsfläche ist es zur Herstellung einer dauerhaften und belastbaren Verbindung zweckmäßig, den Durchmesser wenigstens einer Umfangsfläche der zu verbindenden Werkstücke durch thermische Beeinflussung zu vermindern bzw. zu vergrößern, um die Teile ineinander fügen zu können, ohne dass ein Einpressvorgang erforderlich wäre oder eine Spielpassung vorgesehen werden müsste, die das Fügeverfahren erschwert oder unmöglich macht.The connection point may have an axial and / or circumferential surface, wherein in the case of an axial surface of the joining process can be easily performed under pressure of the two workpieces against each other. In the case of a peripheral surface, it is expedient for producing a permanent and load-bearing connection to reduce or enlarge the diameter of at least one peripheral surface of the workpieces to be joined by thermal influence, in order to be able to insert the parts into one another without requiring a press-fit operation or a clearance fit should be provided, which makes the joining process difficult or impossible.

Für die Beschichtung der Verbindungsfläche wenigstens eines Werkstücks eignen sich grundsätzlich verschiedene Verfahren. Beispielsweise kann das Material zur stoffschlüssigen Verbindung durch thermisches Spritzen, Elektronenstrahlverdampfen, physikalische Dampfabscheideverfahren (PVD) oder chemische Dampfabscheidungsverfahren (CVD) auf wenigstens einer Verbindungsfläche aufgebracht werden. Je nach Verfahren erreicht man eine sehr homogene Aufbringung des Materials, was später den Fügevorgang an der Grenzfläche zu dem anderen Werkstück vereinfachen kann. Je nach Anwendung können auch Verfahren bevorzugt werden, die einen schnellen Materialauftrag ermöglichen. In diesem Zusammenhang wird auch noch auf die Möglichkeit hingewiesen, das Material zur stoffschlüssigen Verbindung auch durch Auftragen einer Lotsuspension vorzusehen, die ein Lotmaterial enthält und die durch Siebdruck, Besprühen, Eintauchen, Dispensen oder Roller-Coating aufgetragen wird. Bei den Abscheideverfahren ist als Vorteil zu nennen, dass in der Regel bereits eine hochfeste Verbindung zwischen dem Material für die stoffschlüssige Verbindung und dem beschichteten Werkstück erreicht wird, bevor der eigentliche Fügevorgang durchgeführt wird.For the coating of the bonding surface of at least one workpiece fundamentally different methods are suitable. For example, the material may be applied to the bonded connection by thermal spraying, electron beam evaporation, physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) techniques on at least one bonding surface. Depending on the method, a very homogeneous application of the material is achieved, which can later simplify the joining process at the interface with the other workpiece. Depending on the application, it is also possible to prefer processes which permit rapid material application. In this context, attention is also drawn to the possibility of providing the material for cohesive connection by applying a Lotsuspension containing a solder material and by screen printing, spraying, dipping, Dispensing or roller coating is applied. In the deposition process is to be mentioned as an advantage that usually already a high-strength connection between the material for the cohesive connection and the coated workpiece is achieved before the actual joining process is performed.

Wie bereits erwähnt, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden von keramischen Werkstücken, d. h. für Verbindungen, bei denen wenigstens ein Werkstück aus einem keramischen Material besteht. Dies kann beispielsweise das Turbinenrad eines Turboladers sein, das in der Regel aus TiAl gefertigt ist, um den hohen Temperaturbelastungen im Betrieb zu widerstehen. Solche Keramikteile oder auch Keramikteile anderer Art können dann beispielsweise an Metallteilen aus Stahl wie z. B. 42 CRMO4,X45CRSI9-3,X22CRMoV121, Nickel-Basislegierungen oder Metallteilen aus artfremden Metallen angebracht werden. Solche Metallteile sind entsprechend dem zuvor angesprochenen Ausführungsbeispiel dann z. B. die Wellen von Turboladern.As already mentioned, the method according to the invention is suitable for joining ceramic workpieces, ie. H. for compounds in which at least one workpiece consists of a ceramic material. This may be, for example, the turbine wheel of a turbocharger, which is usually made of TiAl to withstand the high temperature loads during operation. Such ceramic parts or ceramic parts of other types can then, for example, to metal parts made of steel such. As 42 CRMO4, X45CRSI9-3, X22CRMoV121, nickel-based alloys or metal parts made of dissimilar metals are attached. Such metal parts are in accordance with the aforementioned embodiment then z. As the waves of turbochargers.

Als Material für die Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung eignen sich beispielsweise Nickel-Basislote, die hochfeste Verbindungen ermöglichen und auch bei Hochtemperaturanwendungen ausreichende Festigkeitswerte bereithalten. Der Wärmeeintrag in das Material zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung erfolgt in der Regel in das Werkstück, wobei das Material aufgeschmolzen oder wenigstens entsprechend erhitzt werden kann, dass das Material die zur Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung notwendige Temperatur erreicht. Die Temperaturen können hierbei bei bis 1100° für die Ausbildung einer reinen Lotverbindung oder bis 1400° Celsius für eine Schweißverbindung betragen.As a material for the production of the cohesive connection, for example, nickel base solders are suitable, which enable high-strength compounds and also provide sufficient strength values in high-temperature applications. The heat input into the material for producing the cohesive connection is usually in the workpiece, wherein the material can be melted or at least heated accordingly that the material reaches the temperature necessary for the formation of the cohesive connection. The temperatures can be up to 1100 ° C for the formation of a pure soldered joint or up to 1400 ° Celsius for a welded joint.

Im Falle des Auftragens einer Lotemulsion wird vorzugsweise ein pulverförmiges Nickel-Basislot in einem geeigneten Bindemittel supensiert.In the case of applying a Lotemulsion a powdered nickel base solder is preferably supersensible in a suitable binder.

Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnung näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen. Die Abbildung zeigt einen Teil eines Turbinenrades 10, das mit einer Welle 12 verbunden wird, die beiden Teile 10, 12 verfügen jeweils über eine ringförmige Axialstirnfläche 14, 16, an welcher die beiden Teile verbunden werden sollen. Zur Vorbereitung des Fügeverfahrens wird auf der Verbindungsfläche 16 des Turbinenrades 10, das aus TiAl gefertigt ist, ein Nickelbasislot 18 abgeschieden. Diese Abscheidung kann im Wege der Elektronenstrahlverdampfung, durch thermisches Spritzen oder durch PVD- oder CVD-Verfahren erreicht werden. Auch das Auftragen einer Lotemulsion durch geeignete Verfahren ist auf der Verbindungsfläche 16 möglich.In the following, reference will be made to an embodiment of the invention with reference to the accompanying drawings. The picture shows a part of a turbine wheel 10 that with a wave 12 Connected, the two parts 10 . 12 each have an annular Axialstirnfläche 14 . 16 at which the two parts are to be connected. To prepare the joining process will be on the joint surface 16 of the turbine wheel 10 made of TiAl, a nickel-based solder 18 deposited. This deposition can be achieved by electron beam evaporation, by thermal spraying or by PVD or CVD methods. Also, the application of a Lotemulsion by suitable methods is on the bonding surface 16 possible.

Anschließend werden die beiden Werkstücke 10, 12 in einer geeigneten Halterung positioniert es wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Lotmaterial 18 und der Welle 12 hergestellt. Zu diesem Zweck wird die Welle 12 durch Einwirkung eines entsprechend gesteuerten Elektronenstrahls im Bereich der Axialfläche 14 aufgeheizt, so dass die Solidustemperatur des Lotmaterials 18 überschritten wird und entsprechend eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Schicht aus dem Lotmaterial 18 und der Welle 12 erreicht wird. Je nach Art des gewählten Abscheidungsverfahrens genügt dabei ein einziger Schritt des Wärmeeintrags in die Welle 12, um die dauerhafte Verbindung zwischen den beiden Werkstücken 10 und 12 herzustellen.Subsequently, the two workpieces 10 . 12 positioned in a suitable holder it is a cohesive connection between the solder material 18 and the wave 12 produced. For this purpose, the wave 12 by the action of a correspondingly controlled electron beam in the area of the axial surface 14 heated, so that the solidus temperature of the solder material 18 is exceeded and, accordingly, a material connection between the layer of the solder material 18 and the wave 12 is reached. Depending on the type of deposition process chosen, a single step of heat input into the shaft is sufficient 12 to make the permanent connection between the two workpieces 10 and 12 manufacture.

Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens liegt unter anderem darin, dass auch Werkstoffe in einem Fügevorgang miteinander verbunden werden können die sich auf herkömmliche Art und Weise nicht miteinander Verschweißen lassen, wie in dem beschriebenen Beispiel der Verbindung einer Stahlwelle mit einem Keramikbauteil.The advantage of the method described is, inter alia, that materials can also be joined together in a joining process which can not be welded together in a conventional manner, as in the described example of the connection of a steel shaft with a ceramic component.

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Claims (10)

Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Werkstücken (10, 12) aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen, wobei mittels eines geeigneten Materials (18) zwischen den Werkstücken (10, 12) eine stoffschlüssige Verbindung durch entsprechende Erhitzung dieses Materials (18) hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (18) für die stoffschlüssige Verbindung dadurch zwischen die Werkstücke (18) eingebracht wird, dass wenigstens eines der beiden Werkstücke (10) an einer Verbindungsfläche (16) mit dem Material (18) beschichtet wird, wobei der zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung notwendige Wärmeeintrag durch Elektronenstrahlen, Laserstrahlen, Reibschweißen oder Induktionswärme bereitgestellt wird.Method for integrally joining workpieces ( 10 . 12 ) of the same or different materials, using a suitable material ( 18 ) between the workpieces ( 10 . 12 ) a cohesive connection by appropriate heating of this material ( 18 ), characterized in that the material ( 18 ) for the cohesive connection between the workpieces ( 18 ) is introduced, that at least one of the two workpieces ( 10 ) at a connection surface ( 16 ) with the material ( 18 ) is coated, wherein the necessary for the production of the cohesive connection heat input by electron beams, laser beams, friction welding or induction heat is provided. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsflächen (14, 16) wenigstens eine Axial- und/oder Umfangsfläche aufweisen.Method according to claim 1, characterized in that the connecting surfaces ( 14 . 16 ) have at least one axial and / or peripheral surface. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser wenigstens einer Umfangsfläche der zur verbindenden Werkstücke durch thermische Einwirkung verringert oder vergrößert wird, bevor die Werkstücke in die zu fügende Relativposition zueinander gebracht werden.A method according to claim 2, characterized in that the diameter of at least one peripheral surface of the workpieces to be joined by thermal action is reduced or increased before the workpieces are brought into the relative position to be joined to each other. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (18) zur stoffschlüssigen Verbindung durch thermisches Spritzen, Elektronenstrahlverdampfen, physikalische Dampfabscheideverfahren (PVD) oder chemische Dampfabscheidungsverfahren (CVD) auf wenigstens einer Verbindungsfläche (14, 16) aufgebracht wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the material ( 18 ) for bonded connection by thermal spraying, electron beam evaporation, physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) processes on at least one bonding surface ( 14 . 16 ) is applied. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für die stoffschlüssige Verbindung durch Auftragen einer Lotsuspension, die das Material für die stoffschlüssige Verbindung enthält, durch Siebdruck, Besprühen, Dispersion oder Roller-Coating auf wenigstens eine Verbindungsfläche aufgetragen wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the material for the cohesive connection by applying a Lotsuspension containing the material for the cohesive compound is applied by screen printing, spraying, dispersion or roller coating on at least one bonding surface. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Werkstück (10) aus einem keramischen Material besteht.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one workpiece ( 10 ) consists of a ceramic material. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstück (12) aus Stahl besteht.Method according to claim 6, characterized in that a workpiece ( 12 ) consists of steel. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Welle (12) aus Stahl mit einem Turbinenrad (10) aus Keramik stoffschlüssig verbunden wird.Method according to claim 7, characterized in that a shaft ( 12 ) made of steel with a turbine wheel ( 10 ) is made of ceramic material cohesively. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (18) zur stoffschlüssigen Verbindung aus einem Nickel-Basis-Lot besteht.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the material ( 18 ) consists of the cohesive connection of a nickel-based solder. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Nickel-Basis-Lot pulverförmig als Suspension aufbereitet wird, bevor es auf die Verbindungsflächen aufgetragen wird.A method according to claim 9, characterized in that the nickel-base solder is prepared in powder form as a suspension before it is applied to the bonding surfaces.
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