DE102016120913A1

DE102016120913A1 - Riss- und bruchbeständige Schweissverbindung und Schweissverfahren

Info

Publication number: DE102016120913A1
Application number: DE102016120913.9A
Authority: DE
Inventors: Huaxin Li; Yujiro Suwa; Nieyuan Hai
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-11-10
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2017-05-11
Also published as: CN106670675B; US10160060B2; CN106670675A; US20170129051A1

Abstract

Eine Schweißnaht beinhaltet eine erste Komponente eines ersten Materials und eine zweite Komponente eines duktilen zweiten Materials, das sich vom ersten Material unterscheidet. Eine planare Fläche der ersten Komponente grenzt an eine planare Fläche der zweiten Komponente an. Eine in der ersten Komponente gebildete „V-”förmige Schweißfuge, die eine erste Nut-Stirnseite definiert, wo eine im Wesentlichen planare Nutfläche der ersten Komponente eine Ebene schneidet, die durch die planare Fläche der zweiten Komponente unterhalb einer Stirnseite der zweiten Komponente definiert ist. Ein Schlitz entsteht unterhalb der Nut-Stirnseite in der planaren Fläche der zweiten Komponente, der ein geschlossenes Ende aufweist und welcher der Stirnseite der zweiten Komponente zugewandt ist und sich von der ebenen Fläche der zweiten Komponente in einem Winkel erstreckt, der bezüglich einer zentralen Längsachse des Schlitzes gemessen wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Geometrie einer Schweißnaht, und insbesondere Designs für riss- und bruchbeständige Schweißnähte und Verfahren für das Schweißen unähnlicher Metalle.
HINTERGRUND
Die Erklärungen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen bereit, die die vorliegende Offenbarung betreffen, und dem bisherigen Stand der Technik entsprechen können oder auch nicht.
Bei einem typischen Kraftfahrzeug wurden bestimmte Komponenten zusammen befestigt, wie beispielsweise ein Differential-Ringrad und ein Differentialträger. Die Wahl der Befestigung solcher Komponenten wurde traditionell aufgrund der Differenz der Materialien der beiden Elemente vorgenommen. Das Ringrad wird üblicherweise aus Getriebestahl bereitgestellt und der Differentialträger wird aufgrund seiner komplexen Geometrie üblicherweise aus Gusseisen bereitgestellt. Es wurden Versuche unternommen, das Gewicht und die Montagekosten dieser Baugruppe zu reduzieren, indem man diese beiden Komponenten zusammenschweißt. Aufgrund der physikalischen und metallurgischen Eigenschaftsunterschiede dieser Legierungen, können nach dem Schweißen, beim schnellen Abkühlen an der Schweißnaht, zwischen dem Material der ersten und zweiten Komponenten Eigenspannungen auftreten und es kann damit infolge der durch das Schweißen induzierten spröden, metallurgischen Mikrostruktur und infolge der Eigenspannung an der Nahtwurzel der Schweißnaht eine Rissbildung auftreten, die normalerweise an der Wurzelnaht beginnt und entlang der Wärmeeinflusszone (HAZ) des duktilen Gusseisenmaterials verläuft. Je höher die duktile Basisfestigkeit des Eisens ist, umso empfindlicher ist die Schweißnaht für die Entwicklung von Nahtwurzelrissen in der HAZ von duktilem Eisen. Solche Schweißnahtwurzelrisse können zu einem vorzeitigen Ausfall der Schweißnaht führen.
Dementsprechend besteht ein Bedarf für ein Schweißnahtdesign, das Schweißnahtwurzelrisse und Verbindungsbrüche beim Schweißen von Komponenten mit unterschiedlichen metallurgischen und physikalischen Eigenschaften mildert.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß mehreren Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhaltet eine Schweißnaht eine erste Komponente eines ersten Materials und eine zweite Komponente eines zweiten, duktilen Eisenmaterials, dessen Eigenschaften sich vom ersten Material unterscheiden. Eine planare Fläche der ersten Komponente grenzt an eine planare Fläche der zweiten Komponente an. Eine „V-” oder halb-„V-”förmige Schweißfuge entsteht in der ersten Komponente, die ein erstes Nutende definiert, wo eine im Wesentlichen planare Nutfläche der ersten Komponente eine Ebene schneidet, die durch die planare Fläche der zweiten Komponente unterhalb einer Stirnseite der zweiten Komponente definiert ist. Unterhalb des Nutendes in der planaren Fläche der zweiten Komponente entsteht ein Schlitz, mit einem geschlossenen Ende, das zur Stirnseite der zweiten Komponente zeigt.
Gemäß weiteren Aspekten hat der Schlitz eine Tiefe zwischen ca. 2,0 mm und 6,0 mm.
Gemäß weiteren Aspekten wird die Tiefe des Schlitzes bestimmt, wobei eine zentrale Längsachse des Schlitzes eine Ebene schneidet, die durch die planare Fläche der zweiten Komponente definiert ist.
Gemäß weiteren Aspekten hat der Schlitz eine Breite zwischen ca. 1,0 mm und 3,0 mm.
Gemäß weiteren Aspekten erstreckt sich der Schlitz von der planaren Fläche der zweiten Komponente in einem Winkel im Bereich zwischen ca. 10 Grad bis ca. 70 Grad, gemessen in Bezug zu einer zentralen Längsachse des Schlitzes.
Gemäß weiteren Aspekten ist die Nutfläche in einem Winkel α bezüglich der Fläche der zweiten Komponente orientiert, wobei der Winkel α zwischen etwa 10 Grad bis etwa 50 Grad variiert.
Gemäß weiteren Aspekten definiert eine zweite „V-” oder halb-„V-”förmige Schweißfuge, die in der zweiten Komponente gebildet wurde, ein zweites Nutende, wobei eine im Wesentlichen planare Nutfläche der zweiten Komponente eine Ebene schneidet, die im Wesentlichen senkrecht zur Stirnfläche der zweiten Komponente definiert ist.
Gemäß weiteren Aspekten ist die planare Nutfläche der zweiten Komponente in einem Winkel δ bezüglich der Fläche, der im Wesentlichen senkrecht zu einer Stirnfläche der zweiten Komponente orientierten Ebene orientiert, der Winkel δ liegt zwischen etwa 5 Grad bis etwa 45 Grad.
Gemäß weiteren Aspekten verbindet eine schräge Wand die erste Nut-Stirnseite mit der zweiten Nut-Stirnseite.
Gemäß weiteren Aspekten ist die schräge Wand in einem Winkel ε bezüglich einer Ebene orientiert, die die zweite Nut-Stirnseite schneidet, und ist parallel zur Stirnseite der zweiten Komponente orientiert.
Gemäß weiteren Aspekten ist die erste Nut-Stirnseite in einer ersten Tiefe bezüglich der Komponenten-Stirnseite positioniert, und die zweite Nut-Stirnseite ist in einer zweiten Tiefe bezüglich der Komponenten-Stirnseite positioniert; worin die zweite Tiefe größer ist als die erste Tiefe, und die zweite Nut-Stirnseite dabei einen Tiefpunkt der Schweißnaht definiert.
Gemäß weiteren Aspekten ist die zweite Nut-Stirnseite vollständig in der zweiten Komponente positioniert.
Gemäß weiteren Aspekten ist die zweite Nut-Stirnseite formschlüssig zur zweiten Komponente versetzt, mit einer Abmessung im Bereich zwischen etwa 3,0 mm bis 3,5 mm, gemessen von der planaren Stirnseite der zweiten Komponente.
Weitere Eigenschaften, Vorteile und Anwendungsgebiete werden aus der hier bereitgestellten Beschreibung offensichtlich. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur dem Zweck der Veranschaulichung und sind nicht dazu beabsichtigt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung auf irgendeine Weise zu begrenzen. Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, die Betonung liegt vielmehr auf der Darstellung der erfindungsgemäßen Prinzipien. In den Figuren bezeichnen darüber hinaus gleiche Nummern in allen Ansichten entsprechend dieselben Komponenten. Zu den Zeichnungen:
1 eine Querschnitts-Vorderansicht einer Schweißnaht mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine Querschnitt-Vorderansicht einer mithilfe der Schweißnaht aus 1 durchgeführten Schweißarbeit;
3 eine Querschnitts-Vorderansicht einer Schweißnaht gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung;
4 ist eine Querschnitts-Vorderansicht einer mithilfe der Schweißnaht aus 2 durchgeführten Schweißarbeit;
5 ist ein vordere, linke perspektivische Ansicht einer Differenzialbaugruppe, die mittels Schweißnähten gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung geschweißt wurde; und
6 ist eine Querschnitts-Vorderansicht von Abschnitt 6 in 5.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen zu begrenzen.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen ist bei 10 in 1 eine Schweißnaht eines ersten Aspekts der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Die Schweißnaht 10 wurde zwischen Komponenten mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften gebildet, beispielsweise aus einer ersten Komponente 12, die beispielsweise aus Stahl hergestellt wurde, beispielsweise einem Getriebestahl, und einer zweiten Komponente 14, beispielsweise aus Gusseisen, wie aus Kugelgraphit. Die ersten und zweiten Komponenten 12, 14 sind aus verschiedenen Materialien hergestellt, die „V”- oder Halb-„V”-förmige Schweißfuge ist mit einem Füllmetall gefüllt, das mindestens 18 % Nickel enthält, damit eine Verbindung, die zwischen der ersten und der zweiten Komponente 12, 14 hergestellt wird, beispielsweise durch einen Schweißvorgang, eine Schweißnaht aus unterschiedlichem Metall definiert.
Um die Schweißnaht 10 herzustellen, wird zunächst – durch Abtragen von Material nur von der ersten Komponente 12 – eine halb-„V”-förmige Schweißfuge 16 gebildet. Dies kann beispielsweise durch einen Schneide- oder Schleifvorgang durchgeführt werden, um Material von der ersten Komponente 12 nach unten von einer Ebene zu entfernen, die durch eine Komponenten-Stirnfläche 18 der zweiten Komponente 14 mit einer definierten ersten Nut-Stirnseite 20 definiert ist, wobei eine in der ersten Komponente 12 im Wesentlichen planare Nut-Stirnseite 22 eine Ebene schneidet, die durch eine nicht modifizierte planare Fläche 24 der zweiten Komponente 14 definiert ist. Gemäß mehreren Aspekten ist die Nut-Stirnseite 22 bezüglich einer nicht modifizierten planaren Fläche 24 in einem Winkel α zu einer zweiten Komponente 14 orientiert. Der Winkel α kann zwischen etwa 10 Grad bis etwa 50 Grad variieren. Gemäß mehreren Aspekten stößt die Stirnseite 24 der zweiten Komponente 14 im Allgemeinen an eine planare Stirnseite 26 der ersten Komponente 12, außer wenn dort Material entfernt worden ist, um die „V”-förmige Schweißfuge 16 zu bilden.
Die halb-„V”-förmige Schweißfuge 16 hat eine Tiefe „A₁”, die an der ersten Nut-Stirnseite 20 unterhalb oder gegenüber der Stirnfläche 18 gemessen wurde, und weist eine maximale Breite „B” auf, gemessen an einer Ebene, die durch die Naht der Flächen 24, 26 an der Erhebung der Stirnfläche 18 definiert ist. Gemäß weiteren Aspekten kann die Tiefe “A₁” zwischen ca. 2,0 mm und 10,0 mm variieren. Unabhängig von der halb-„V”-förmigen Schweißfuge 16, wird ein Nut- oder Schweißnahtwurzel-Spannungsabbauschlitz 28 im duktilen Werkstoff der zweiten Komponente 14 auf einer in Bezug zur Stirnfläche 18 der ersten Nutfuge 20 gegenüberliegenden Seite gebildet, mit einem geschlossenen Ende „CE” des Schlitzes 28, das nach oben zur Stirnseite 18 gerichtet ist. Der Schlitz 28 hat eine Tiefe „C”, die im Bereich zwischen etwa 2,0 mm bis 6,0 mm liegt, und einen Durchmesser oder eine Breite „D”, die im Bereich zwischen etwa 1,0 mm bis 3,0 mm liegen kann. Der Schlitz 28 erstreckt sich von der Fläche 24 in die zweite Komponente 14 mit einem nach oben gerichteten Winkel β (in 1) zur Stirnseite 18, der nach mehreren Aspekten einen Winkel im Bereich zwischen etwa 10 Grad bis zu etwa 70 Grad definiert, gemessen bezüglich einer zentralen Längsachse 30 des Schlitzes 28. Die Tiefe „C” des Schlitzes 28 wird an der Stelle gemessen, an der die Längsachse 30 die durch die Stirnseite 24 definierte Ebene schneidet.
Bezugnehmend auf 2 und wieder auf 1, wird eine fertiggestellte Schweißnaht 32 hergestellt, die die erste Komponente 12 mit der zweiten Komponente 14 verbindet, durch Verschmelzen eines Schweißnahtfüllmaterials in der halb-„V”-förmigen Schweißfuge 16 mittels eines Laserstrahls oder einer -schweißbogenpistole, im Folgenden im Allgemeinen als eine Schweißenergiequelle 34 bezeichnet. Gemäß mehreren Aspekten richtet die Schweißenergiequelle 34 einen Bogen, einen Plasmastrahl oder einen Laserstrahl, im Folgenden im Allgemeinen als Laserstrahl 36 bezeichnet, auf die erste Nut-Stirnseite 20. Der Laserstrahl 36 ist zur planaren Fläche 24 der zweiten Komponente 14 winkelig orientiert. Gemäß mehreren Aspekten ist der Laserstrahl 36 im Wesentlichen parallel zur Nut-Stirnseite 22 orientiert. Gemäß weiteren Aspekten ist der Laserstrahl 36 mit dem Winkel α im Bereich zwischen etwa 5 Grad bis etwa 40 Grad gegenüber der Ebene definiert, die durch die planare Fläche 24 der zweiten Komponente 14 definiert ist.
Die Winkelstellung α des Laserstrahls 36 gewährleistet, dass sich in unmittelbarer Nähe zur Nut-Stirnseite 22 der ersten Komponente 12 eine HAF 38 bildet, und in unmittelbarer Nähe zur Stirnfläche 24 der zweiten Komponente 14 eine HAF 40 bildet, deren Kombination eine Schweißnahtwurzel 42 bildet, die innerhalb der zweiten Komponente 14 positioniert ist. Die Schweißnahtwurzel 42 befindet sich in der zweiten Komponente 14 an einer verlängerten Abmessung „E” von ca. 2,0 mm bis 5,0 mm, gemessen von der Stirnseite 24 der zweiten Komponente 14. Die Schweißnahtwurzel 42 ist daher innerhalb des Materials der zweiten Komponente 14 positioniert, und daher gemäß mehreren Aspekten innerhalb des duktilen Werkstoffs, in einer Tiefe „A₂”, welches eine Tiefe in der zweiten Komponente 14 ist, die größer ist als eine Tiefe „A₃” an einem Kreuzungspunkt (CP1), definiert an der Stelle, an der die Schweißnaht 32 eine Fügelinie an der Kreuzungsebene der Stirnseite 24 und 26 zwischen dem Material der ersten Komponente 12 und dem Material der zweiten Komponente 14 kreuzt. Die Tiefe „A₂” der Schweißnahtwurzel 42 ist daher größer als die Tiefe „A₁” und die Tiefe „A₃”. In der ersten Komponente 12 in einer ersten Richtung 44 induzierte Spannungen, und induzierte Spannungen in der zweiten Komponente 14, in einer entgegengesetzten, zweiten Richtung 46, die zu einer Verformung der Baugruppe aus den Komponenten 12, 14 neigen, werden teilweise durch einen Weg durch den Schlitz 28 und die Lage der Schweißnahtwurzel 42 abgebaut, die rissinduzierte Belastungslinien 48 nach CP1 und weg von der Schweißnahtwurzel leiten, wobei die Schweißnaht 32 aufgrund ihrer hohen Duktilität eine hohe Rissbeständigkeit aufweist, die Fügelinie zwischen dem Material der ersten und der zweiten Komponente 12, 14 kreuzt und dadurch die Einleitung eines Risses der Schweißnahtwurzel im Kugelgraphiteisen HAZ abschwächt. Die Lage und Ausbildung der Schweißnahtwurzel 42 der vorliegenden Offenbarung verhindert daher die Rissinitiierung oder Rissausbreitung entlang der zweiten Komponente 14.
Des Weiteren bezugnehmend auf 3 und wieder auf 1–2 ist bei 50 eine Schweißnaht eines zweiten Aspekts der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Ähnlich wie Schweißnaht 10, entsteht die Schweißnaht 50 zwischen Komponenten mit unterschiedlichen Materialeigenschaften, wie einer ersten Komponente 52, beispielsweise aus einem Stahl, und einer zweiten Komponente 54, beispielsweise aus einem duktilen Gusseisenmaterial. Die ersten und zweiten Komponenten 52, 54 sind aus verschiedene Materialien hergestellt, weshalb eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Komponente 52, 54, die aus einem solchen Schweißvorgang gebildet wurde, eine Schweißnaht mit unähnlichen Metallen definiert.
Um die Schweißnaht 50 zu bilden, wurde zunächst eine modifizierte „V”-förmige Schweißfuge 56 gebildet, indem Material von jeder der ersten Komponente 52 und der zweiten Komponente 54 Material abgetragen wurde. Dies kann beispielsweise durch einen Schneide- oder Schleifvorgang durchgeführt werden, um Material von einer Komponentenstirnfläche 58 der ersten Komponente 52 nach unten zu einer Nut-Stirnseite 60 zu entfernen, die definiert ist an der Stelle, an der eine im Wesentlichen planare, in der ersten Komponente 52 gebildete Nutseite 62 eine Ebene 64 schneidet, die unmittelbar an die erste und zweite Flächen 66, 68 der ersten Komponente 52 und der zweiten Komponente 54 angrenzt. Gemäß mehreren Aspekten ist die Nutseite 62 in einem Winkel γ zur Ebene 64 orientiert, der im Wesentlichen gleich dem Winkel α sein kann, dargestellt und beschrieben mit Bezug auf 1. Gemäß mehreren Aspekten ist die Nut-Stirnseite 60 im Wesentlichen an der gleichen Position der Nut-Stirnseite 20 der Schweißnaht 10 positioniert, wodurch die Geometrie der Schweißnaht 10 weiter modifiziert werden kann, um die Schweißnaht 50 zu bilden.
Wie oben erwähnt, resultiert die modifizierte „V”-förmige Schweißfuge 56 auch aus dem Werkstoffabtrag der zweiten Komponente 54, der Bildung einer im Wesentlichen planaren Nutseite 70, winkelförmig orientiert bezüglich einer Ebene 72, die vertikal durch eine zweite Nut-Stirnseite 74 weiter läuft, wobei die Ebene 72 im Wesentlichen senkrecht zur Stirnfläche 18 und parallel zur Ebene 64 orientiert ist. Gemäß mehreren Aspekten ist die Nutseite 70 in einem Winkel δ bezüglich der Fläche 72 orientiert, wobei der Winkel δ zwischen etwa 5 Grad bis etwa 45 Grad variiert. Eine gewinkelte Wand 76 verbindet die Nut-Stirnseite 60 mit der zweiten Nut-Stirnseite 74. Gemäß mehreren Aspekten ist die schräge Wand 76 in einem Winkel ε bezüglich einer Ebene 78 orientiert, die die zweite Nut-Stirnseite 74 schneidet, und parallel zur Komponentenstirnseite 88 der zweiten Komponente 54 orientiert. Gemäß mehreren Aspekten ist der Winkel ε kleiner als ein Winkel µ, der zwischen der Nutseite 62 und einer Ebene 79 definiert ist, die Nut-Stirnseite 60 schneidet, und parallel zur Komponentenstirnfläche 58 orientiert ist. Der Winkel µ ist ein zum Winkel γ komplementärer Winkel.
Die Nut-Stirnseite 60 ist bezüglich der Komponentenstirnfläche 58 in einer Tiefe „F” positioniert. Die zweite Nut-Stirnseite 74 ist bezüglich der Komponentenstirnfläche 58 in einer Tiefe „G” positioniert. Gemäß mehreren Aspekten ist die Tiefe „G” größer als die Tiefe „F”, damit definiert die zweite Nut-Stirnseite 74 einen Tiefpunkt der modifizierten, „V”-förmigen Schweißfuge 56. Die zweite Nut-Stirnseite 74 ist formschlüssig in die zweite Komponente 54 versetzt, an einer verlängerten Abmessung „H” von ca. 1,0 mm bis 6,0 mm, gemessen von der planaren Fläche 68 der zweiten Komponente 54.
Ähnlich zum Schlitz 28 in der Nähe der Schweißfuge 22 wird, unabhängig von der „V”-förmigen Schweißfuge 56, ein Nut- oder Schweißnahtwurzel-Spannungsabbauschlitz 80 auf einer in Bezug zur Stirnseite 84 gegenüberliegenden Seite der zweiten Nut-Stirnseite 74 gebildet. Der Schlitz 80 kann eine Tiefe „J” haben, die im Bereich zwischen etwa 2,0 mm bis 6,0 mm liegt, und kann einen Durchmesser oder eine Breite „K” haben, die im Bereich zwischen etwa 1,0 mm bis 3,0 mm liegen kann. Der Schlitz 80 bildet sich in dem duktilen Material der zweiten Komponente 54 und erstreckt sich von der Fläche 68 in die zweite Komponente 54 mit einem Winkel θ, der nach mehreren Aspekten einen Winkel im Bereich zwischen etwa 10 Grad bis zu etwa 70 Grad definiert, gemessen bezüglich einer zentralen Längsachse 82 des Schlitzes 80 und der Ebene 64. Die Tiefe „J” des Schlitzes 80 wird an der Stelle gemessen, an der die Längsachse 82 die durch die Fläche 68 definierte Ebene schneidet. In der ersten Komponente 52 induzierte Spannungen in einer ersten Richtung 86 und induzierte Spannungen in der zweiten Komponente 54 in einer entgegengesetzten, zweiten Richtung 88, die zu einer Verformung der Baugruppe aus den ersten und zweiten Komponenten 52, 54 neigen, werden teilweise am Schlitz 80 sowie durch die Geometrie der „V”-förmigen Schweißfuge 56 abgebaut, wie später in Bezug auf 4 näher diskutiert wird.
Bezugnehmend nun auf 4 und wieder auf 1–3, wird eine fertiggestellte Schweißnaht 90, welche die erste Komponente 52 mit der zweiten Komponente 54 verbindet, durch das Verschmelzen eines Schweißnahtfüllmaterials in der modifizierten „V”-förmigen Schweißfuge 56 mittels einer Schweißquelle, ähnlich der Schweißenergiequelle 34, beispielsweise einem Laserstrahl, hergestellt. Gemäß mehreren Aspekten ist der Laserstrahl 92 zur zweiten Nut-Stirnseite 74 orientiert. Der Laserstrahl 92 ist in Bezug zur planaren Nutfläche 70 der zweiten Komponente 54 winkelig orientiert. Gemäß mehreren Aspekten kann der Laserstrahl 92 im Wesentlichen parallel zur Nutseite 62 orientiert sein. Gemäß weiteren Aspekten kann der Laserstrahl 92 bei einem Mindestwinkel ω von etwa 10 Grad in Bezug zur Ebene 72 ausgerichtet werden, und sich durch die zweite Nut-Stirnseite 74 erstrecken.
Die Winkelstellung ω des Laserstrahls 92 und die Position der zweiten Nut-Stirnseite 74, die sich in die zweite Komponente 54 erstreckt, gewährleisten, dass sich in unmittelbarer Nähe zur Nutseite 62 der ersten Komponente 52 eine HAF 94 bildet, und in unmittelbarer Nähe zur Stirnfläche 70 der zweiten Komponente 54 eine HAF 96 bildet, deren Kombination eine Schweißnahtwurzel 98 bildet, die im Wesentlichen innerhalb der zweiten Komponente 54 positioniert ist. Die Schweißnahtwurzel 98 ist in der zweiten Komponente 54 positioniert, an einer verlängerten Mindestabmessung „H” (in Bezug zu 3 beschrieben) von ca. 1,0 mm bis 6,0 mm, gemessen von der Stirnseite 68 der zweiten Komponente 54. Ähnlich zu der oben mit Bezug auf 2 erläuterten Schweißnaht 32, fällt daher eine Wurzel der Schweißnaht 90, definiert als die Schweißnahtwurzel 98, in das Material der zweiten Komponente 54, und gemäß mehreren Aspekten daher innerhalb den duktilen Werkstoff, an einer Stelle, die tiefer in der zweiten Komponente 54 ist als ein Kreuzungspunkt (CP2), an dem die Schweißnaht 90 eine Fügelinie kreuzt (an einer Kreuzungsebene der Fläche 66 und der Fläche 68) zwischen dem Material der ersten Komponente 52 und dem Material der zweiten Komponente 54.
Bezugnehmend nun zu den 3 und 4 werden, aufgrund der Position der Schweißnahtwurzel 98 und des Kreuzungspunkts CP2, in der ersten Komponente 52 induzierte Spannungen in einer ersten Richtung 86 und induzierte Spannungen in der zweiten Komponente 54 in einer entgegengesetzten, zweiten Richtung 88, die zu einer Verformung der Baugruppe aus den Komponenten 52, 54 neigen, teilweise durch den Schlitz 80 und die Lage der Schweißnahtwurzel 98 abgebaut, die rissinduzierte Belastungslinien 100 nach CP1 und weg von der Schweißnahtwurzel leiten, wobei die Schweißnaht 50 aufgrund ihrer hohen Duktilität eine hohe Rissbeständigkeit aufweist, die Fügelinien zwischen dem Material der ersten und der zweiten Komponente 52, 54 kreuzt und dadurch die Einleitung eines Risses der Schweißnahtwurzel im Kugelgraphiteisen HAZ abschwächt. Die Lage und Ausbildung der Schweißnahtwurzel 98 der vorliegenden Offenbarung verhindert daher die Rissinitiierung oder Rissausbreitung entlang der zweiten Komponente 54.
Bezugnehmend auf 5 und wiederum auf 1–4, können in einer exemplarischen Anwendung Ausführungsformen der Schweißnaht der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um unterschiedliche Metallkomponenten eines Differenzials 102 zu verbinden. Das Differenzial 102 beinhaltet ein Ringrad 104, das an einen Träger 106 geschweißt ist. Das Ringrad 104 kann aus Getriebestahl gefertigt sein. Aufgrund seiner komplexen Geometrie kann der Träger 106 aus einem duktilen Gusseisenmaterial gefertigt sein, um Innenraum bereitzustellen, der ein internes Planetengetriebe 108 aufnimmt.
Bezugnehmend auf 6 und 1–5, um das Ringrad 104 an den Träger 106 zu schweißen, kann jede Schweißnaht 10, die zur Bildung einer fertigen Schweißnaht 110 verwendet wurde, und die Schweißnaht 50, die zur Bildung einer fertigen Schweißnaht 112 verwendet wurde, verwendet werden. Zusätzlich wird ein Spannungsabbauschlitz 114, mit einer ähnlichen Konfiguration wie der Spannungsentlastungsschlitz 28, nahe der fertigen Schweißnaht 110 positioniert. Ein Spannungsentlastungshohlraum 116, mit einer halbkreisförmigen Gestalt anstelle der verlängerten Bohrungsform des Entlastungsschlitzes 28, wird nahe der fertigen Schweißnaht 112 positioniert. Sowohl der Entlastungsschlitz 114 als auch der Spannungsentlastungshohlraum 116 werden in einer Fläche 118 des Trägers 106 gebildet. Eine Schweißnahtwurzel 120 ähnlich der Schweißnahtwurzel 42, und eine Schweißnahtwurzel 122, ähnlich der Schweißnahtwurzel 98, sind ebenfalls beide innerhalb des duktilen Werkstoffs des Trägers 106 positioniert. Es wird darauf hingewiesen, dass Oberflächen benachbarter Komponenten für die Anwendung der Lötverbindungen 10, 50 der vorliegenden Offenbarung nicht co-planar sein müssen. So ist beispielsweise eine Oberfläche 124 des Ringrades 104 weg von einer Fläche 126 des Trägers 106 verschoben (nicht in co-planarer Ausrichtung hinsichtlich dieser).
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist nur als Beispiel zu verstehen und Variationen, die sich nicht vom Kern der Erfindung entfernen, werden als im Rahmen der Erfindung befindlich vorausgesetzt. Diese Variationen sollen nicht als eine Abweichung vom Sinn und Umfang der Erfindung betrachtet werden.

Claims

Schweißnaht, umfassend: eine erste Komponente eines ersten Materials und eine zweite Komponente eines duktilen zweiten Materials, das sich vom ersten Material unterscheidet, eine planare Fläche der ersten Komponente stößt an eine planare Fläche der zweiten Komponente; eine in der ersten Komponente gebildete „V-” oder halb-„V-”förmige Schweißfuge, die eine erste Nut-Stirnseite definiert, wo eine im Wesentlichen planare Nutfläche der ersten Komponente eine Ebene schneidet, die durch die planare Fläche der zweiten Komponente unterhalb einer Stirnseite der zweiten Komponente definiert ist; und Bildung eines Schlitzes unterhalb der Nut-Stirnseite in der planaren Fläche der zweiten Komponente, wobei der Schlitz ein geschlossenes Ende hat, das zur Stirnseite der zweiten Komponente zeigt.
Schweißnaht nach Anspruch 1, worin der Schlitz eine Tiefe im Bereich zwischen ca. 2,0 mm bis 6,0 mm aufweist.
Schweißnaht nach Anspruch 2, worin die Tiefe des Schlitzes an der Position bestimmt wird, an der eine zentrale Längsachse des Schlitzes eine Ebene schneidet, die durch die ebene Fläche der zweiten Komponente definiert ist.
Schweißnaht nach Anspruch 1, worin sich der Schlitz von der planaren Fläche der zweiten Komponente in einem Winkel im Bereich zwischen etwa 10 Grad bis etwa 70 Grad erstreckt, gemessen bezüglich einer zentralen Längsachse des Schlitzes.
Schweißnaht nach Anspruch 1, worin die Nutseite orientiert ist in einem Winkel α bezüglich der Fläche der zweiten Komponente, wobei der Winkel α zwischen etwa 10 Grad bis etwa 50 Grad variiert.
Schweißnaht nach Anspruch 1, ferner beinhaltend eine zweite „V”-förmige Schweißfuge, die in der zweiten Komponente gebildet wird, die eine zweite Nut-Stirnseite definiert, wobei eine im Wesentlichen planare Nutseite der zweiten Komponente eine im Wesentlichen senkrecht zur Stirnfläche der zweiten Komponente orientierte Ebene schneidet.
Schweißnaht nach Anspruch 6, worin die planare Nutseite der zweiten Komponente in einem Winkel δ bezüglich der im Wesentlichen senkrecht zu einer Stirnseite der zweiten Komponente orientierten Ebene orientiert ist, der Winkel δ im Bereich zwischen etwa 5 Grad bis etwa 45 Grad liegt.
Schweißnaht nach Anspruch 6, ferner beinhaltend eine schräge Wand, die die erste Nut-Stirnseite mit der zweiten Nut-Stirnseite verbindet.
Schweißnaht nach Anspruch 8, worin die schräge Wand in einem Winkel ε bezüglich einer Ebene orientiert ist, die die zweite Nut-Stirnseite schneidet und parallel zur Stirnfläche der zweiten Komponente orientiert ist.
Schweißnaht nach Anspruch 6, worin: die erste Nut-Stirnseite bezüglich der Komponentenstirnfläche in einer ersten Tiefe positioniert ist; und die zweite Nut-Stirnseite bezüglich der Komponentenstirnfläche in einer zweiten Tiefe positioniert ist; worin die zweite Tiefe größer ist als die erste Tiefe, die zweite Nut-Stirnseite dadurch einen Tiefpunkt der Schweißnaht definiert.