DE102021105783A1

DE102021105783A1 - Verfahren zur herstellung einer einzelnen, winkelförmigen und sanduhrförmigen schweissnaht

Info

Publication number: DE102021105783A1
Application number: DE102021105783.3A
Authority: DE
Inventors: Huaxin Li; Liang Wang; Stephen R. McKenny; Daniel J. Wilson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2021-10-28
Also published as: US11707802B2; US20210331272A1; CN113560729A; CN113560729B

Abstract

Abgewinkelte, einzelne Laserschweißung und ein Verfahren zum Herstellen einer abgewinkelten, einzelnen Laserschweißung, umfassend das Anordnen einer ersten und einer zweiten Fügefläche eines ersten und eines zweiten Bauteils nebeneinander, um eine Grenzfläche zwischen den Bauteilen zu bilden; Bestrahlen mindestens einer der ersten und zweiten Bauteile an der Grenzfläche mit einem Laser, wobei die erste Fügefläche eine Ebene definiert, die unter einem Winkel Alpha im Bereich von +/- 5 Grad bis 60 Grad von einer Achse A senkrecht zur ersten Vorderfläche gebildet wird, und die zweite Passfläche mit der ersten Fügefläche übereinstimmt; und Bilden einer Verbindung an der Grenzfläche mit einer sanduhrförmigen Schweißung.

Description

EINLEITUNG
Laserschweißen ist ein Fertigungsverfahren, mit dem zwei oder mehr Bauteile zu einem verschmolzenen Teil zusammengefügt werden können. In der Regel bestehen die Ausgangsbauteile aus Materialien, die bei Wärmeeinwirkung schmelzen, wie z. B. Metalle oder Thermoplaste. Während des Schweißvorgangs wird mit einem Laser Wärme zugeführt, um die Bauteile an den Fügeflächen zu schmelzen. Dabei bildet sich ein Schmelzbad zwischen den Fügeflächen, das nach dem Abkühlen erstarrt und die Bauteile miteinander zu einem Teil verschmilzt.
Von Zeit zu Zeit weisen einzelne Schweißnähte Ausbrüche auf oder bilden Schweißwurzelkerben. Je nach Schweregrad können diese Defekte zu Spannungen und Schwachstellen in der Schweißnaht und zur Ausmusterung des Teils führen. Um diese Fehler zu reduzieren, werden in einigen Anwendungen Doppelschweißungen eingesetzt, bei denen an beiden Enden der Fügeflächen eine Schweißnaht angebracht wird. Dabei können sich die Schweißwurzeln für jede Schweißung treffen und in einigen Fällen zwischen den Fügeflächen überlappen.
Beim Laserschweißen werden Teile der Bauteile, die an die Fügeflächen angrenzen, erwärmt. In diesen Wärmeeinflusszonen entstehen beim Erwärmen und Abkühlen des Bauteils Temperaturgradienten, die das Gefüge der einzelnen Bauteile verändern und zur Bildung von Eigenspannungen im verschmolzenen Bauteil führen können. Die Gefügeveränderung und die Eigenspannungen können die Materialeigenschaften der verschmolzenen Bauteile negativ beeinflussen und in einigen Fällen zu Rissen in der Schweißnaht oder in der Wärmeeinflusszone (WEZ) neben der Schweißnaht führen. Weitere Wärmezyklen, wie z. B. bei Doppelschweißungen, können die Störung des Gefüges und die Spannungen weiter erhöhen, wodurch die Häufigkeit von Rissen oder anderen Formen des Bauteilversagens steigt.
Während also die derzeitigen Laserschweißverfahren ihren Zweck erfüllen, besteht ein Bedarf an einem neuen und verbesserten System und Verfahren zur Bereitstellung verschmolzener Bauteile.
BESCHREIBUNG
Gemäß mehreren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Schweißen von Bauteilen das Anordnen einer ersten Fügefläche eines ersten Bauteils und einer zweiten Fügefläche eines zweiten Bauteils nebeneinander, um eine Grenzfläche zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil zu definieren, wobei das erste Bauteil eine erste Vorderfläche und eine erste Rückfläche, die der ersten Vorderfläche gegenüberliegt, und das zweite Bauteil eine zweite Vorderfläche und eine zweite Rückfläche, die der zweiten Vorderfläche gegenüberliegt, aufweist; Bestrahlen mindestens einer von a) der ersten Vorderfläche des ersten Bauteils und b) der zweiten Vorderfläche des zweiten Bauteils an der Grenzfläche mit einem Laser, wobei die erste Fügefläche eine Ebene definiert, die in einem Winkel Alpha im Bereich von +/- 5 Grad bis 60 Grad von einer Achse A senkrecht zur ersten Vorderfläche gebildet ist, und die zweite Fügefläche mit der ersten Fügefläche übereinstimmt; Schmelzen der ersten Fügefläche und der zweiten Fügefläche und Bilden eines Schmelzbades an der Grenzfläche; und Bilden einer Verbindung an der Grenzfläche mit einer sanduhrförmigen Schweißnaht.
In weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung definiert der Laser eine Mittelachse, und die Mittelachse des Lasers weicht von der durch die erste Fügefläche definierten Ebene unter einem Winkel beta im Bereich von +/- 0,1 bis 5 Grad ab.
In zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner die Einstellung eines Kohlenstoffäquivalents der sanduhrförmigen Schweißnaht durch Einstellung eines Einfallswinkels des Lasers, der durch eine Mittelachse des Lasers definiert ist.
In weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung weist das erste Bauteil einen ersten idealen Durchmesser und das zweite Bauteil einen zweiten idealen Durchmesser auf, wobei der erste ideale Durchmesser kleiner ist als der zweite ideale Durchmesser.
In weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist die durch den Laser definierte Mittelachse in einem Winkel im Bereich von 5 bis 35 Grad gegenüber der Achse senkrecht zum ersten Bauteil geneigt.
In zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner das Fokussieren des Lasers in einem Brennpunkt zwischen der ersten vorderen Oberfläche und der ersten Rückfläche in einem Abstand im Bereich von 35 Prozent bis 65 Prozent einer Dicke des ersten Bauteils, wobei die Dicke senkrecht zur ersten vorderen Oberfläche gemessen wird.
In weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner den Betrieb des Lasers mit einer Spotgröße im Bereich von 200 bis 600 Mikrometern.
In weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst der Laser ferner eine Mittelachse und umfasst ferner ein Versetzen der Mittelachse von der Schnittstelle und in Richtung des ersten Bauteils in einem Abstand im Bereich von 0,05 mm bis 0,8 mm.
In weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner den Betrieb des Lasers mit einer Leistung im Bereich von 2 kW bis 6 kW.
In weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner den Betrieb des Lasers mit einer Schweißgeschwindigkeit im Bereich von 1,00 Metern pro Minute bis 3,00 Metern pro Minute.
In zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner das Vorheizen der Grenzfläche an der ersten Rückfläche und der zweiten Fügefläche auf eine Temperatur im Bereich von 100 °C bis 180 °C.
In weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung erfolgt die Vorwärmung durch mindestens eine der folgenden Maßnahmen: Induktionserwärmung und Erwärmung mit einem defokussierten Laser.
In zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner das Definieren einer Kerbe in mindestens einer der a) ersten Rückfläche und der ersten Fügefläche und b) der zweiten Rückfläche und der zweiten Fügefläche und ein Teil des Schmelzbades fließt in die Kerbe.
In weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren außerdem das Aufbringen eines Inertgases an der Grenzfläche zwischen der ersten Rückfläche und der zweiten Rückfläche.
In weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren außerdem das Ausbilden nur einer sanduhrförmigen Schweißnaht an der Verbindungsstelle.
In zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner das Formen der sanduhrförmigen Schweißnaht, so dass sie ein Verhältnis von Schweißnahtoberflächenlänge zu Schweißnahtmittelpunktslänge im Bereich von 1:1 bis 2,0: 1 aufweist.
In zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren ferner das Formen der sanduhrförmigen Schweißnaht, so dass sie ein Verhältnis von Schweißnahtwurzellänge zu Schweißnahtmittellänge im Bereich von 1:1 bis 2,0:1 aufweist.
In weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist das erste Bauteil ein kreisförmiges Zahnrad und definiert eine Mittelachse und der Winkel Alpha der Ebene weicht +/- 10 bis 30 Grad von der Mittelachse ab.
Gemäß mehreren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst ein geschweißtes Teil ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil, die an einer Verbindungsstelle miteinander verschmolzen sind; und eine sanduhrförmige Schweißnaht, die an der Verbindungsstelle ausgebildet ist, wobei die sanduhrförmige Schweißnaht eine Ebene definiert, die in einem Winkel gamma im Bereich von +/-5 Grad bis 60 Grad von einer Achse senkrecht zu einer ersten vorderen Fläche des ersten Bauteils liegt, und wobei die sanduhrförmige Schweißnaht ein Verhältnis von Oberflächenlänge zu Mittelpunktslänge im Bereich von 1 bis 2.0: 1 aufweist und die sanduhrförmige Schweißnaht ein Verhältnis von Wurzellänge zu Mittelpunktslänge im Bereich von 1 bis 2,0:1 aufweist.
In weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfasst das erste Bauteil ein Zahnrad und das zweite Bauteil einen Flansch.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1a ist ein Querschnitt eines Getriebes gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
1b ist eine Nahaufnahme eines Teils des Querschnitts von 1a, die zwei nebeneinander angeordnete Bauteile vor dem Laserschweißen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
2 ist ein Querschnitt eines in 1b dargestellten lasergeschweißten Teils, der einen Querschnitt der Schweißnaht, senkrecht zur Schweißrichtung aufgenommen, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt;
3 veranschaulicht ein Verfahren zum Laserschweißen von Bauteilen, um ein Teil zu bilden, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
4 zeigt einen Querschnitt von zwei Bauteilen vor dem Schweißen, senkrecht zur Schweißrichtung aufgenommen, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
5 zeigt einen Querschnitt von zwei Bauteilen vor dem Schweißen, senkrecht zur Schweißrichtung aufgenommen, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
6a zeigt einen Querschnitt von Bauteilen, die mit dem Laser geschweißt werden sollen, und die Richtung des Laserstrahls relativ zu den Bauteilen, aufgenommen senkrecht zur Schweißrichtung, wobei ein Neigungswinkel der Laserschweißachse gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt ist;
6b zeigt einen Querschnitt von Bauteilen, die mit dem Laser geschweißt werden sollen, und die Richtung des Laserstrahls relativ zu den Bauteilen, senkrecht zur Schweißrichtung genommen, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
7 zeigt einen Querschnitt von zwei Bauteilen vor dem Schweißen, senkrecht zur Schweißrichtung aufgenommen, der einen Versatz der Schweißlaserachse zu den Schweißflächen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform verdeutlicht;
8 veranschaulicht ein Verfahren zum Laserschweißen von Bauteilen zur Bildung eines Teils, einschließlich optionaler Prozessschritte, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
9 zeigt einen Querschnitt zweier Bauteile nach dem Laserschweißen, senkrecht zur Schweißrichtung aufgenommen, der den sanduhrförmigen Querschnitt der Schweißung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer einzelnen, abgewinkelten und sanduhrförmigen Schweißnaht sowie auf Bauteile, die eine abgewinkelte, sanduhrförmige Schweißnaht enthalten. 1a und 1b zeigen einen Querschnitt durch zwei Bauteile 100, 102. In diesem Aspekt ist das erste Bauteil 100 ein kreisförmiger Flansch und das zweite Bauteil 102 ist ein Zahnrad, die zusammen ein Teil 10 bilden. In dem dargestellten Aspekt handelt es sich bei dem Teil um ein Getriebe. Das erste Bauteil 100 ist mit dem zweiten Bauteil 102 lasergeschweißt. Es ist zu verstehen, dass andere Bauteile gemäß dem hier beschriebenen Verfahren zu anderen Teilen verbunden werden können.
1b zeigt beispielhaft eine Nahaufnahme des ersten Bauteils 100 und des zweiten Bauteils 102 vor dem Schweißen. Jedes Bauteil umfasst eine Fügefläche 106, 108. Die Fügeflächen 106, 108 sind nebeneinander angeordnet, um vor dem Schweißen eine Grenzfläche 110 zwischen den beiden Bauteilen 100, 102 zu bilden. Eine Fügefläche kann hier als eine Fläche verstanden werden, die eine Verbindungsstelle 112 bildet. Eine Verbindungsstelle kann hier als ein Punkt verstanden werden, an dem zwei oder mehr Bauteile miteinander verbunden werden, um ein Teil zu bilden.
Nach dem Laserschweißen wird eine Verbindungsstelle 112 durch eine Schweißnaht 114 zwischen dem ersten Bauteil 100 und dem zweiten Bauteil 102 gebildet, die das verschmolzene Teil 10 bilden, ein Aspekt davon ist in 2 dargestellt. Die Schweißnaht 114 enthält Material von den Fügeflächen 106, 108 des ersten Bauteils 100 und des zweiten Bauteils 102, das zusammengeschmolzen und beim Abkühlen erstarrt ist. Die Zusammensetzung der Schweißnaht 114 wird durch die Legierungszusammensetzung des ersten Bauteils 100 und des zweiten Bauteils 102 beeinflusst. Auf beiden Seiten der Schweißnaht 114 sind Wärmeeinflusszonen 116, 118 dargestellt. An einem ersten Ende 120 umfasst die Schweißnaht 114 eine Schweißfläche 122, die an der Verbindungsstelle 112 zwischen einer ersten vorderen Fläche 124 des ersten Bauteils 100 und einer zweiten vorderen Fläche 126 des zweiten Bauteils 102 gebildet wird, wobei die vorderen Flächen 124, 126 Flächen sind, die dem Schweißlaser zugewandt sind. In weiteren Aspekten trifft der Laser des Laserschweißgeräts auf mindestens eine, wenn nicht alle, der vorderen Oberflächen, abhängig von der Art der zu bildenden Verbindung. An einem zweiten Ende 128 umfasst die Schweißnaht 114 eine Schweißwurzel 130, die an der Verbindungsstelle 112 zwischen der ersten Rückfläche 132 des ersten Bauteils 100 und der zweiten Rückfläche 134 des zweiten Bauteils 102 gebildet wird. Die Rückflächen 132, 134 der Bauteile 100, 102 liegen den vorderen Flächen 124, 126 gegenüber.
Wiederum unter Bezugnahme auf 1b wird in weiteren Aspekten des Vorstehenden eine Kerbe 140 durch die erste Rückenfläche 132 und die erste Fügefläche 106 des ersten Bauteils 100 vor dem Schweißen definiert. Wie in 4 dargestellt, kann die Kerbe 140 auch durch die zweite Rückenfläche 134 und die zweite Fügefläche 108 des zweiten Bauteils 102 definiert werden. In Aspekten liegt die Breite Wn der Kerbe 140 im Bereich von 0,5 mm bis 1,5 mm, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, und die Kerbtiefe Dn liegt im Bereich von 0,5 bis 1,0 mm, einschließlich aller Werte und Bereiche darin. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, wird die Kerbe 140 so verstanden, dass sie die Erhöhung der Oberflächenspannung und die Bildung einer relativ glatten Oberfläche der Schweißwurzel 130 unterstützt.
In weiteren Aspekten werden das erste Bauteil 100 und das zweite Bauteil 102 aus Eisenlegierungen gebildet. In weiteren Aspekten sind das erste Bauteil 100 und das zweite Bauteil 102 aus unterschiedlichen Eisenlegierungen oder alternativ aus derselben Eisenlegierung gebildet. Zu den Eisenlegierungen gehören z. B. legierter Stahl, hochlegierter Stahl, Kohlenstoffstahl oder rostfreier Stahl. Legierter Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff mit einem oder mehreren zusätzlichen Legierungselementen wie Mangan, Chrom, Silizium, Molybdän, Vanadium, Kupfer, Nickel, Bor, Schwefel, Titan, Wolfram oder anderen Legierungselementen, wobei die zusätzlichen Legierungselemente und der Kohlenstoff im Bereich von (bei Stahl 0,02 bis 1,2 Gew.-%) der gesamten Legierungszusammensetzung vorhanden sind. Unter niedrig legierten Stählen wird verstanden, dass sie weniger als 5,0 Gew.-% an zusätzlichen Legierungselementen enthalten, und unter hoch legiertem Stahl wird hier verstanden, dass er mindestens 5,0 Gew.-% der gesamten Legierungselemente enthält. Kohlenstoffstahl hat weniger Legierungselemente, im Allgemeinen Kohlenstoff, Mangan und Silizium. Unter kohlenstoffarmen Stählen wird verstanden, dass sie Kohlenstoff in einem Anteil von weniger als 0,25 Gew.-% des gesamten Legierungsgewichts enthalten; wohingegen unter hochlegiertem Stahl verstanden wird, dass er Kohlenstoff im Bereich von 0,59 Gew.-% oder mehr, wie z.B. 0,65 Gew.-%, des gesamten Legierungsgewichts enthält. In Aspekten der obigen Ausführungen wird das erste Bauteil 100 aus Kohlenstoffstahl und das zweite Bauteil 102 aus legiertem Stahl gebildet. In weiteren Aspekten ist entweder das erste Bauteil 100 oder das zweite Bauteil 102 aufgekohlt und in Aspekten ist das erste Bauteil 100 aufgekohlt.
Im Allgemeinen erhöht eine zunehmende Menge an Kohlenstoff in einer Eisenlegierung die Härtbarkeit der Legierung und verringert die Schweißbarkeit. Die Härtbarkeit wird im Allgemeinen als die Härtetiefe beim Abschrecken verstanden, und die Härte wird im Allgemeinen als der Widerstand gegen Eindrücken verstanden. Die Härtbarkeit wird als abhängig von der Legierung, der Menge an Kohlenstoff, dem Gefüge und der Korngröße der Legierung, der Geometrie der Probe, der Art des Kühlmittels, der Austenitisierungstemperatur und der Zeit verstanden.
Wenn den Legierungen andere Elemente zugesetzt werden, können die zusätzlichen Elemente auch die Härtbarkeit und Schweißbarkeit der Legierungen beeinflussen. Das Kohlenstoffäquivalent wird als Indikator verwendet, um die Härtbarkeit und Schweißbarkeit solcher Legierungen vorherzusagen. Je höher das Kohlenstoffäquivalent einer Legierung ist, desto höher ist die Härtbarkeit und desto geringer ist die Schweißbarkeit. Relativ höhere Konzentrationen von Kohlenstoff, Mangan, Chrom, Silizium, Molybdän, Vanadium, Bor, Kupfer und Nickel neigen dazu, das Kohlenstoffäquivalent zu erhöhen. In Aspekten wird das Kohlenstoffäquivalent einer bekannten Legierungszusammensetzung anhand der Dearden- und O'Neill-Formel geschätzt, die vom International Institute of Welding übernommen wurde. In Aspekten ist das Kohlenstoffäquivalent des ersten Bauteils relativ geringer als das Kohlenstoffäquivalent des zweiten Bauteils.
Die Härtbarkeit der Legierungen kann auch durch einen idealen Durchmesser (DI) charakterisiert werden. Der ideale Durchmesser bezieht sich auf den größten Durchmesser eines Stahlstabes mit kreisförmigem Querschnitt, der nach einer Wärmebehandlung zum Erreichen der Austenitisierung in einem idealen Abschreckmittel (Wasser oder Öl bei Raumtemperatur) abgeschreckt werden kann, um 50 % Martensit in der Mitte des Stabes zu erzeugen. Je größer der ideale Durchmesser ist, desto höher ist die Härtbarkeit der Eisenlegierung. Es ist zu verstehen, dass die Härtbarkeit von nichtzylindrischen Formen unter Verwendung von idealen Durchmesserwerten für äquivalente Rundungen geschätzt werden kann. In Aspekten wird das erste Bauteil aus einer Legierung gebildet, die einen relativ kleineren idealen Durchmesser aufweist als der ideale Durchmesser des zweiten Bauteils.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Laserschweißen, um die Schweißnaht 114 an der Verbindungsstelle 112 zwischen dem ersten Bauteil 100 und dem zweiten Bauteil 102 zu bilden. Ein Aspekt des Verfahrens 200 ist in 3 dargestellt. Das Verfahren beginnt in Block 210 mit dem Anordnen des ersten Bauteils 100 und des zweiten Bauteils 102 nebeneinander, um eine Grenzfläche 110 zwischen den Fügeflächen 106, 108 zu bilden. In Block 220 werden das erste Bauteil 100 und das zweite Bauteil 102 miteinander laserverschweißt, indem a) das erste Bauteil 100 oder das zweite Bauteil 102 an oder nahe der Grenzfläche 110 der Fügeflächen 106, 108 bestrahlt wird. In Block 230 schmelzen die Fügeflächen 106, 108 und in Block 240 wird aus der Schmelze eine Schweißnaht 114 gebildet, die eine Verbindungsstelle 112 zwischen dem ersten Bauteil 100 und dem zweiten Bauteil 102 definiert, um ein Teil 10 zu bilden.
Wie oben beschrieben, sind die Fügeflächen 106, 108 nebeneinander angeordnet, um eine Schnittstelle 110 zwischen den beiden Bauteilen 100, 102 vor dem Schweißen im Block 210 zu bilden. In einigen Aspekten sind die Fügeflächen 106, 108 so angeordnet, dass sie sich an der Schnittstelle 110 berühren. Wie in 4 dargestellt, definiert die erste Fügefläche 106 eine erste Ebene P1. Es ist jedoch zu verstehen, dass die gesamte Fügefläche 106 nicht in allen Aspekten an die erste Ebene P1 angrenzt, wie die weiter unten beschriebene Kerbe 140 zeigt. Die erste Ebene P1 ist unter einem Winkel Alpha im Bereich von + 5 Grad bis + 60 Grad oder - 5 Grad bis - 60 Grad (d.h. +/- 5 Grad bis 60 Grad) von einer Achse A gebildet, die senkrecht zur ersten vorderen Fläche 124 steht. Wenn das erste Bauteil 100 kreisförmig ist, wie in 1 dargestellt, weicht auch der Winkel alpha von einer Mittelachse AG des Bauteils 100 im Bereich von + 5 Grad bis + 60 Grad oder - 5 Grad bis - 60 Grad ab, einschließlich aller Werte und Bereiche darin. Die zweite Passebene 108 definiert eine zweite Ebene P2, die in einem Winkel ausgebildet ist, der mit dem Winkel alpha der ersten Passebene 106 übereinstimmt. Wie dargestellt, überlappt die erste Ebene P1 die zweite Ebene P2 und ist parallel zu ihr.
Nachdem die Fügeflächen 106, 108 der Bauteile nebeneinander angeordnet sind, werden das erste Bauteil 100 und das zweite Bauteil 102 im Block 220 per Laser miteinander verschweißt. Unter Laserschweißen wird hier ein Schweißverfahren verstanden, bei dem mit Hilfe eines Lasers Energie in Form von Licht und Wärme auf das erste Bauteil 100 und das zweite Bauteil 102 aufgebracht wird. Wie oben angedeutet und in 5 dargestellt, trifft der Laser 142 auf mindestens eine der beiden Oberflächen a) die erste vordere Fläche 124 des ersten Bauteils 100 und b) die zweite vordere Fläche 126 des zweiten Bauteils 102 und bestrahlt diese. Abhängig von der Art der gebildeten Verbindung 112 und der Spotgröße D1 des Lasers 142 kann der Laser 142 sowohl auf die erste vordere Fläche 124 als auch auf die zweite vordere Fläche 126 auftreffen.
In Aspekten wird der Laser 142 bei einer elektromagnetischen Wellenlänge im Bereich von 532 Nanometern bis 1070 Nanometern betrieben, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, wie z. B. 532 Nanometer bis 750 Nanometer, 750 Nanometer bis 1070 Nanometer, 1070 Nanometer, usw. In weiteren Aspekten arbeitet der Laser 142 mit kontinuierlicher Leistung; der Laser 142 kann jedoch auch mit gepulster Leistung arbeiten. In weiteren Aspekten des Vorstehenden wird der Laser 142 auch mit einer Schweißgeschwindigkeit im Bereich von 1,00 Meter pro Minute bis 3,00 Meter pro Minute betrieben, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, wie 1,45 Meter pro Minute bis 1,55 Meter pro Minute, 1,5 Meter pro Minute. In weiteren Aspekten des Vorstehenden arbeitet der Laser mit einer Leistung im Bereich von 2 kW bis 6 kW, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, wie z. B. 3,8 kW bis 4,2 kW, 4,0 kW. Die Leistung des Lasers ist abhängig von Faktoren wie der Schweißtiefe, wobei die relative Leistung des Lasers 142 umso größer ist, je tiefer die Schweißnaht 114 ist. Der Laser 142 wird mit einer Punktgröße, Durchmesser D1, die dort definiert ist, wo der Laser auf mindestens eine von a) der ersten vorderen Fläche 124 und b) der zweiten vorderen Fläche 126 auftrifft, im Bereich von 200 Mikrometern bis 600 Mikrometern, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, wie 375 Mikrometer bis 425 Mikrometer, 400 Mikrometer betrieben. Die Kombination aus Leistung und Punktgröße soll dabei helfen, ein Ausblasen der Schweißnaht 114 an der Schweißwurzel 130 zu verhindern, auch wenn in Aspekten nur eine einzige Schweißnaht 114 an der Verbindungsstelle 112 verwendet wird, um das erste Bauteil 100 und das zweite Bauteil 102 zu befestigen.
In weiteren Aspekten des Vorstehenden wird der Laserbrennpunkt Fp unterhalb der ersten Vorderfläche 124, zwischen der ersten Vorderfläche 124 und der ersten Rückfläche 132, in einer Tiefe von 35 bis 65 Prozent der jeweiligen Bauteildicke t1 fokussiert, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, wie beispielsweise 50 Prozent der Dicke t1. Die Dicke t1 wird senkrecht zur ersten Vorderfläche 124 gemessen, wie in 5 dargestellt. In alternativen Aspekten wird die Dicke t1 in ähnlicher Weise relativ zu der zweiten vorderen Oberfläche 126 und der zweiten Rückfläche 134 gemessen. In einem Aspekt der obigen Ausführungen liegt die Dicke t1 des ersten Bauteils 100 und die Tiefe der Schweißnaht 114 im Bereich von 5,0 mm bis 6,5 mm, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, wie z. B. 5,5 mm. Es wird davon ausgegangen, dass der Brennpunkt Fp zur Form der Schweißnaht 114 beiträgt, wie hier weiter beschrieben. Außerdem liegt die Laserrampe in Schweißrichtung im Bereich von 2 bis 15 Grad, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, und die Laserrampe in Schweißrichtung liegt im Bereich von 2 bis 15 Grad, einschließlich aller Werte und Bereiche darin.
6a bis 6b veranschaulichen den allgemeinen Winkel und die Richtung, in der die Mittelachse Al des Lasers 142 (dargestellt durch die Pfeilspitzen) relativ zu einem ersten Bauteil 100 und einem zweiten Bauteil 102 geneigt ist. 6a veranschaulicht einen Aspekt, bei dem das erste Bauteil 100 ein Flansch aus Kohlenstoffstahl und das zweite Bauteil 102 ein Innenzahnrad aus legiertem Stahl, wie z. B. hochlegiertem Stahl, ist. 6b zeigt einen Aspekt, bei dem das erste Bauteil 100 eine Nabe aus Kohlenstoffstahl und das zweite Bauteil 102 ein Außenzahnrad aus legiertem Stahl, z. B. aus hochlegiertem Stahl, ist. Bei diesen Aspekten ist der Laser 142 in Richtung des Kohlenstoffstahlbauteils abgewinkelt.
Wiederum unter Bezugnahme auf 5 wird in Aspekten der Laser 142, wie durch die Mittelachse des Lasers Al definiert, in einem Einfallswinkel beta positioniert, der von der ersten Ebene P1, die durch die erste Fügefläche 106 definiert ist, im Bereich von 0 bis +/- 5 Grad abweicht, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, wie im Bereich von +/-0,1 Grad bis +/- 5 Grad, 0 Grad usw. Unter dem Einfallswinkel versteht man im Allgemeinen den Winkel zwischen dem auf eine Oberfläche auftreffenden Laser (wie durch die Mittelachse definiert) und der zur Oberfläche senkrechten Linie im Einfallspunkt. In Aspekten ist der Einfallswinkel beta des Lasers 142 in Richtung des zweiten Bauteils 102. In weiteren Aspekten ist der Einfallswinkel des Lasers 142, wie durch die Mittelachse Al definiert, um 5 bis 60 Grad in Richtung des Bauteils geneigt, das einen höheren idealen Durchmesser von einer Achse senkrecht zu dieser Bauteiloberfläche hat, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, wie z.B. 5 bis 35 Grad. Ferner kann, wie in 7 dargestellt, die Mittelachse Al des Lasers 142 gegenüber der Ebene P1 um einen Abstand Od im Bereich von 0,05 mm bis 0,8 mm versetzt sein. In Aspekten ist der Versatz in Richtung des Bauteils, das einen relativ höheren idealen Durchmesser hat als das andere Bauteil mit dem idealen Durchmesser. In weiteren Aspekten ist der Versatz in Richtung des ersten Bauteils 100.
Nach der Bestrahlung in Block 220 schmilzt ein Teil der ersten Fügefläche 106 des ersten Bauteils 100 und der zweiten Fügefläche 108 des zweiten Bauteils 102 in Block 230. Es ist zu verstehen, dass durch die Einstellung der Laserneigung relativ zu den Fügeflächen 106, 108 des Schweißlasers 142 die Menge des geschmolzenen Materials der Fügeflächen 106, 108 variiert werden kann, was die Legierungszusammensetzung der Schweißnaht 114 beeinflusst. Es ist auch denkbar, dass die Einstellung der Brennpunkttiefe Fp die Schmelzchemie verändert, wenn der Laserneigungswinkel beta von der Ebene P1 der ersten Fügefläche 106 abweicht. Die Einstellung der Legierungszusammensetzung der Schweißnaht 114 wirkt sich auf das Kohlenstoffäquivalent und den idealen Durchmesser der Schweißnaht 114 aus, die dann zur Optimierung der mechanischen, elektrischen oder thermischen Eigenschaften der Schweißnaht 114 verwendet werden können. Das geschmolzene Material kühlt dann ab, um die Schweißnaht 114 und eine Verbindungsstelle 112 zwischen dem ersten Bauteil 100 und dem zweiten Bauteil 102 im Block 240 zu bilden.
In optionalen Aspekten, die in 8 dargestellt sind, beginnt das Verfahren mit der Bildung einer Kerbe 140 in Block 202. Außerdem werden nach dem Anordnen des ersten Bauteils 100 und des zweiten Bauteils 102 in Block 212 die erste Rückfläche 132 des ersten Bauteils 100 und die zweite Rückfläche 134 des zweiten Bauteils 102 optional auf eine Temperatur im Bereich von 100 °C bis 180 °C, einschließlich aller darin enthaltenen Werte und Bereiche, vorgeheizt. In Aspekten werden die Rückseiten 132, 134 auf eine Temperatur im Bereich von 100 °C bis 180 °C, einschließlich aller darin enthaltenen Werte und Bereiche, erwärmt. In Aspekten wird das Vorheizen lokal und nahe der Schnittstelle 110 durchgeführt, wobei sich die Vorheizzone im Bereich von 0,2 Millimeter bis 2,0 Millimeter von jeder Seite der Schnittstelle 110 erstrecken kann, einschließlich aller darin enthaltenen Werte und Bereiche. In weiteren Aspekten wird die Erwärmung durch Induktionserwärmung oder unter Verwendung eines defokussierten Laserstrahls durchgeführt, wobei die Betriebsparameter des Lasers außerhalb der hier angegebenen Bereiche liegen.
In Block 214 wird optional Gas auf die erste Rückfläche 132 und die zweite Rückfläche 134 der Bauteile 100, 102 aufgebracht. In Aspekten ist das Gas ein Inertgas, wie Argon oder Stickstoff, und wird mit einer Rate im Bereich von 0,1 Standardkubikzentimeter pro Minute (sccm) bis 10 sccm, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, zugeführt. In weiteren Aspekten wird die Gaszufuhr aufrechterhalten, nachdem das erste Bauteil 100 und das zweite Bauteil 102 bestrahlt wurden, und in einigen Aspekten, bis die Schweißnaht 114 erstarrt ist. In einigen Aspekten trägt das Aufbringen von Gas auf die Rückseiten 132, 134 der Bauteile 100, 102 dazu bei, das geschmolzene Material zu schützen und eine relativ glatte Schweißwurzel 130 zu erzeugen, die nicht kollabiert.
Wie in 9 dargestellt, verschmilzt die Schweißnaht 114 das erste Bauteil 100 und das zweite Bauteil 102 an der Verbindungsstelle 112. In Aspekten definiert die Mitte 150 der Schweißnaht 114 eine Ebene P3, die in einem Winkel gamma im Bereich von +5 Grad bis +60 Grad oder alternativ im Bereich von -5 Grad bis -60 Grad (d.h. +/- 5 Grad bis 60 Grad) von einer Achse A senkrecht zu einer ersten vorderen Fläche 124 des ersten Bauteils 100 liegt. Darüber hinaus nimmt die durch das oben beschriebene Verfahren gebildete Schweißnaht 114 die Form einer Sanduhr an, wie in 2 und 8 dargestellt. Wie in diesen Figuren dargestellt, umfasst die Schweißnaht 114 eine Schweißfläche 122 zwischen der ersten vorderen Oberfläche 124 und der zweiten vorderen Oberfläche 126, eine Schweißwurzel zwischen der ersten Rückfläche 132 und der zweiten Rückfläche 134 und einen mittleren Abschnitt 136, der sich zwischen der Schweißfläche 122 und der Schweißwurzel 130 bei etwa 35 Prozent bis 65 Prozent der Tiefe der Dicke t1 des ersten Bauteils 100 (oder des zweiten Bauteils 102) befindet. In Aspekten weist die sanduhrförmige Schweißnaht ein Verhältnis zwischen der Länge LS der Schweißfläche 122 und der Länge des Mittelpunkts LM im Bereich von 1:1 bis 2,0:1 auf, einschließlich aller Werte und Bereiche darin, wie z.B. 1,25:1, und ein Verhältnis zwischen der Länge der Schweißnahtwurzel LR und der Länge des Schweißmittelpunkts LM im Bereich von 1:1 bis 2,0:1, einschließlich aller Werte und Bereiche darin. Der mittlere Abschnitt 136 weist eine Länge auf, die geringer ist als die Dicke sowohl der Schweißfläche 122 als auch der Schweißwurzel 130, was zumindest teilweise auf die Positionierung des Brennpunkts Fp des Lasers 142 zurückzuführen ist. Da der mittlere Abschnitt 136 der Schweißnaht 114 im Allgemeinen kürzer ist als die übrigen Abschnitte der Schweißnaht 114, sind die Wärmeeinflusszonen 116, 118 relativ kleiner. In einigen Aspekten wird nur eine einzige Schweißnaht 114 benötigt und an der Verbindungsstelle 112 vorgesehen.
Während das Verfahren und die Schweißung 114 oben in Bezug auf das erste Bauteil 100 und das zweite Bauteil 102 beschrieben wurde, ist es zu verstehen, dass das Verfahren auch für das Verschweißen weiterer Bauteile, wie z. B. eines dritten Bauteils, mit dem Teil anwendbar ist. Wiederum Bezug nehmend auf 1, ist das Teil 10 ein Getriebe für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug. Es ist jedoch zu verstehen, dass das Verfahren und die damit hergestellten Schweißnähte auch auf andere Bauteile und Teile anwendbar sind, wie z. B. Kupplungsnabenbaugruppe, Kupplungsgehäusebaugruppe, Kardanwellenbaugruppe, Halbwellenbaugruppe, Hinterachse sowie Getriebe und Gehäuse für Windkraftanlagen und Elektrogeräte, und nicht auf Getriebe für Kraftfahrzeuge beschränkt sind.
Das Verfahren zur Herstellung einer einzelnen, abgewinkelten und sanduhrförmigen Schweißnaht und die nach dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung hergestellten Bauteile bieten mehrere Vorteile. Zu diesen Vorteilen gehört z. B. eine Erhöhung der Präzision der Schweißbaugruppe. Zu diesen Vorteilen gehört ferner die Bereitstellung einer relativ glatten Oberfläche an der Wurzel der Schweißnaht. Zu diesen Vorteilen gehört auch eine Verringerung der Kühlzyklen im wärmebeeinflussten Bereich, wodurch Rissbildung reduziert oder vermieden wird. Zu diesen Vorteilen gehört auch eine größere Fügefläche, die eine höhere Schweißnahtfestigkeit und relativ bessere Belastungsbedingungen ermöglicht. Zu diesen Vorteilen gehört auch die Möglichkeit, das Schmelzkohlenstoffäquivalent durch Neigen des Laserstrahls zu verändern.
Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung hat lediglich beispielhaften Charakter, und Variationen, die nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung abweichen, sind als im Rahmen der vorliegenden Offenbarung liegend zu betrachten. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung zu betrachten.

Claims

Verfahren zum Schweißen von Bauteilen, umfassend: Anordnen einer ersten Fügefläche eines ersten Bauteils und einer zweiten Fügefläche eines zweiten Bauteils nebeneinander, um eine Grenzfläche zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil zu definieren, wobei das erste Bauteil eine erste vordere Fläche und eine erste Rückfläche, die der ersten vorderen Fläche gegenüberliegt, aufweist, und das zweite Bauteil eine zweite vordere Fläche und eine zweite Rückfläche, die der zweiten vorderen Fläche gegenüberliegt, aufweist; Bestrahlen mindestens einer von a) der ersten vorderen Fläche des ersten Bauteils und b) der zweiten vorderen Fläche des zweiten Bauteils an der Grenzfläche mit einem Laser, wobei die erste Fügefläche eine Ebene definiert, die unter einem Winkel alpha im Bereich von +/- 5 Grad bis 60 Grad von einer Achse A senkrecht zur ersten vorderen Fläche gebildet wird und die zweite Fügefläche mit der ersten Fügefläche übereinstimmt; Aufschmelzen der ersten Fügefläche und der zweiten Fügefläche und Bilden eines Schmelzbades an der Grenzfläche; und Bildung einer Verbindungsstelle an der Schnittstelle mit einer sanduhrförmigen Schweißnaht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laser eine Mittelachse definiert und die Mittelachse des Lasers von der durch die erste Fügefläche definierten Ebene in einem Winkel beta im Bereich von +/- 0,1 Grad bis 5 Grad abweicht.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die durch den Laser definierte Mittelachse in einem Winkel im Bereich von 5 bis 35 Grad gegenüber der Achse senkrecht zu dem ersten Bauteil geneigt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Fokussieren des Lasers in einem Brennpunkt zwischen der ersten vorderen Fläche und der ersten Rückfläche in einem Abstand im Bereich von 35 Prozent bis 65 Prozent einer Dicke des ersten Bauteils, wobei die Dicke senkrecht zur ersten vorderen Fläche gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laser ferner eine Mittelachse umfasst und ferner das Versetzen der Mittelachse von der Grenzfläche und in Richtung des ersten Bauteils in einem Abstand im Bereich von 0,05 mm bis 0,8 mm umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Vorheizen der Grenzfläche an der ersten Rückfläche und der zweiten Rückfläche auf eine Temperatur im Bereich von 100 °C bis 180 °C.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Definieren einer Kerbe in mindestens einer der a) ersten Rückfläche und der ersten Fügefläche und b) der zweiten Rückfläche und der zweiten Fügefläche und ein Teil des Schmelzbades fließt in die Kerbe.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Aufbringen eines Inertgases an der Grenzfläche zwischen der ersten Rückfläche und der zweiten Rückfläche.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Bilden nur einer sanduhrförmigen Schweißnaht an der Verbindungsstelle umfasst.
Ein geschweißtes Teil, bestehend aus: ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil, die an einer Verbindungsstelle miteinander verschmolzen sind, und eine sanduhrförmige Schweißnaht, die an der Verbindungsstelle ausgebildet ist, wobei die sanduhrförmige Schweißnaht eine Ebene definiert, die in einem Winkel gamma im Bereich von +/-5 Grad bis 60 Grad von einer Achse senkrecht zu einer ersten Vorderfläche des ersten Bauteils liegt, und wobei die sanduhrförmige Schweißnaht ein Verhältnis von Oberflächenlänge zu Mittelpunktslänge im Bereich von 1 bis 2,0:1 aufweist und die sanduhrförmige Schweißnaht ein Verhältnis von Wurzellänge zu Mittelpunktslänge im Bereich von 1 bis 2,0:1 aufweist.