DE2929267A1

DE2929267A1 - Verfahren zum elektronenstrahlschweissen von gesinterten metallteilen

Info

Publication number: DE2929267A1
Application number: DE19792929267
Authority: DE
Inventors: Yukichi Arakawa
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1978-11-30
Filing date: 1979-07-19
Publication date: 1980-06-12
Also published as: JPS5575888A; GB2035872A; FR2442689A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Konstruktionseinheit aus zwei metallischen Bauteilen, von denen mindestens eines aus Sintermetall besteht und die mittels Elektronenstrahl schweißgerät miteinander verschweißt werden.

Mit fortschreitendem Entwicklungsstand der Pulvermetallurgie werden immer mehr Bauteile aus Sintermetall anstelle von konventionell hergestellten Bauteilen, wie z.B. geschmiedeten Teilen, eingesetzt. Selbst ziemlich komplizierte Heile mit diffiziler Form und selbst Teile, bei denen eine hohe Festigkeit und Präzision gefordert wird, können auf diese Weise hergestellt werden. Dadurch können die Kosten dafür gesenkt werden.

Bei geschmiedeten Teilen gibt es Einschränkungen hinsichtlich der Form, die durch die Grenzen des Formprozesses bedingt sind. Analog dazu sind die Preßformen, die im Verdichtungsprozeß des Metallpulvers bei der Herstellung von gesinterten Teilen verwendet werden, begrenzt, so daß viele komplizierte Teile nach diesem Verfahren nicht in einem Stück hergestellt werden können. Deshalb werden diese Teile in einzeln gesinterten Stücken hergestellt, die dann, z.B. durch Schweißen, zusammengesetzt werden.

Diese Tatsache soll anhand eines zusammengesetzten Zahnrades»

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wie sie in einem Getriebekasten eines Kraftfahrzeuges eingesetzt sind, näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines derartigen Zahnrades, das als Gangwechselzahnrad durch einen konventionellen Schweißprozeß hergestellt wurde.

Ein Kupplungszahnrad 1 mit einem relativ kleinen Durchmesser, das mit geraden Zähnen 11 versehen ist und ein Getriebezahnrad 2 mit einem relativ großen Durchmesser, das mit Schrägzähnen 21 versehen ist, werden zu einem zusammengesetzten Zahnrad kombiniert. Im einzelnen wird das ringförmige Kupplungszahnrad 1 fest auf einen Ansatz 2a gepaßt, der axial vom Körper des Getriebezahnrades 2 wegragt, so daß beide Zahnräder koaxial miteinander fluchten, und durch einen Schweißprozeß, z.B. durch ein Elektronenstrahlschweißen, miteinander verbunden werden können. Axial durch den Mittelpunkt beider Zahnräder führt eine lange Bohrung 22. Für diesen Fall ist ein Elektronenstrahlschweißen deshalb besonders geeignet, da die Breite der zu schweißenden Zone M- gering ist und die erforderliche Schweißnahttiefe relativ groß. Weiterhin ist die Belastung durch das Schweißen gering, und deshalb kaum Gefahr, daß die Position beider Teile zueinander durch den Schweißprozeß verändert wird.

Es gibt in der Praxis keine Möglichkeit, diese Konstruktionseinheit als Ganzes zu fertigen. Durch keinen gegenwärtig bekannten Herstellungsprozeß, einschließlich Sintern, können die beiden Zahnräder als Einheit geformt werden.

Die Erfinder haben Untersuchungen angestellt, um eine derartige Konstruktionseinheit aus zwei gesinterten Zahnrädern herzustellen. Während des Schweißens mittels Elektronenstrahl-

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schweißgerät, wie oben beschrieben, wurde festgestellt, daß in der Schweißzone 4· ein großer Lufteinschluß auftrat, wie er in diesem Ausmaß bei einem konventionellen, elektronenverschweißten Verbund von zwei geschmiedeten Teilen noch niemals beobachtet wurde. Dadurch wurde die Festigkeit der Verbindung zwischen den beiden Zahnrädern einschneidend vermindert. Fig. 2 zeigt eine Vergrößerung dieses Lufteinschlusses oder dieser Gasblase im Querschnitt. Es muß nicht betont werden, daß diese Erscheinung vom Standpunkt der Qualitätskontrolle unakzeptabel ist.

Im Ergebnis der Untersuchungen, wurden vom Erfinder die folgenden Gründe für das Auftreten dieser großen Lufteinschlüsse gefunden. Es wurde festgestellt, daß

1) das gewöhnlich verwendete gesinterte Material eine Porosität von etwa 15 his 20 Vol.-% und eine mikroskopische poröse Struktur aufwies,

2) sich während des Schweißprozesses mit Elektronenstrahl die Luft, die in dieser porösen Struktur enthalten ist, plötzlich ausdehnt und aus den tieferen Bereichen der Schweißnaht nicht entweichen kann, da der geschmolzene Teil der Zahnräder tief und eng ist und schnell erstarrt und

3) sich diese Luft in großen Blasen sammelt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Schweißverfahren mittels Elektronenstrahlschweißung für Metallteile, von denen mindestens eines gesintert ist, aufzuzeigen, das frei ist von den oben erwähnten Nachteilen.

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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine geschweißte Konstruktionseinheit von zwei Metallteilen, von denen mindestens eines aus Sintermetall hergestellt ist, zu schaffen, die mittels Elektronenstrahlschweißen zusammengefügt wird und dessen Schweißzone weitgehend frei von eingeschlossenen Gasblasen ist.

Aufgabe der Erfindung ist weiterhin, eine Konstruktionseinheit von zwei Metallteilen zu schaffen, die zum Schweißen zusammengesetzt werden, wobei die Schweißung mittels Elektronenstrahlschweißgerät durchgeführt wird, die so ausgelegt ist, daß die resultierende Schweißnaht weitgehend frei von Gasblaseneinschluß ist.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch, eine Methode zum Verschweißen zweier Metallteile, von denen mindestens eines aus Sintermetall besteht, mittels Elektronenstrahlschweißgerät, wobei ein Entlüftungsweg beim Zusammenstellen der Teile vor dem Schweißen vorgesehen ist, der aus dem inneren Bereich, der Schweißzone zur Atmosphäre führt, und wobei dieser Entlüftungsweg während des Schweißprozesses die Gase abführt, die aus dem gesinterten Metall beim Schweißen entweichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine geschweißte Metallkonstruktion, die zwei Metallbauteile enthält, von denen mindestens eines aus Sintermetall besteht und die mittels Elektronenstrahlschweißgerät verschweißt werden, wobei ein Entlüftungsweg vorgesehen ist, der aus dem inneren Bereich der Schweißzone zur Atmosphäre führt.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ehe Konstruktionseinheit von zwei Metallteilen, die zum Schweißen mittels

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Elektronenstrahlschweißgerät zusammengefügt werden, wobei mindestens eines der Bauteile aus Sintermetall "besteht und wobei ein Entlüftungsweg aus dem inneren Bereich, der zu verschweißenden Zone zur Atmosphäre vorgesehen ist, so daß während des Schweißprozesses die beim Schweißen aus dem Sintermetall entweichenden Gase durch diesen Entlüftungsweg abgezogen werden.

Als besondere Ausführungsform kann der erfindungsgemäße Gedanke auf das Verbinden von zwei Zahnrädern angewandt werden.

Ein bevorzugtes Beispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß der Bereich der vorliegenden Erfindung und des beanspruchten Erfindungsgedankens nicht auf die besondere Ausführungsform oder auf die Zeichnungen beschränkt wird, die nur zur Illustration beigegeben wurden, sondern einzig und allein durch die angehängten Patentansprüche .

Es zeigen

Pig. 1 einen Querschnitt einer konventionell geschweißten Konstruktionseinheit,

Fig. 2 eine vergrößerte Photographie des Teiles II aus Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt einer geschweißten Konstruktionseinheit, die die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zeigt, und

Fig. 4· eine vergrößerte Photographie des Bereiches IV aus Fig. 3.

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Die vorliegende Erfindung soll anhand des Herstellungsverfahrens eines zusammengesetzten Zahnrades, wie es allgemein in Fig. Λ dargestellt ist, gezeigt werden.

i"ig. 3 zeigt ein Getriebezahnrad 2 mit einem axialen Ansatz 2a- Ein ringförmiges Kupplungszahnrad Λ ist auf das Getriebezahnrad 2 geschweißt. Beide Zahnräder sind aus Sintermetall hergestellt. Das Kupplungszahnrad 1 ist fest auf den Ansatz 2a gepaßt, so daß sich die beiden Zahnräder in einer vorherbestimmten relativen Lage (d.h. koaxial) zueinander befinden, und die Oberfläche 1a des Ansatzes 2a, wo die Zahnräder 1 und 2 zusammenstoßen, in einer Schweißzone 4 mittels Elektronenstrahlschweißen zusammengeschweißt wird.

Erfindungsgemäß wird zwischen den Zahnrädern 1 und 2 an den Teilen ihrer Berührungsflächen, die dem Körper des Getriebezahnrades 2 zugewandt sind, ein ringförmiger Spalt 5 ausgespart. An der inneren Umlaufplanfläche des Kupplungszahnrades 1 sind an einigen Stellen Aussparungen 6 vorgesehen, die mit dem ringförmigen Spalt 5 und mit Vertiefungen 7 an der oberen Planfläche des Getriebezahnrades 2, wie in Fig. 2 ersichtlich, in Verbindung stehen. Diese Vertiefungen 7 stehen mit der Atmosphäre in Verbindung und deshalb ist auch der ringförmige Spalt 5 mit der Atmosphäre verbunden.

Dadurch können, wenn durch das Elektronenstrahlschweißen die Schweißzone 4 plötzlich kurzfristig aufgeschmolzen wird, die entweichenden Gase durch diesen Spalt 5»die Aussparungen 6 und die Vertiefungen 7 abgezogen und ein Auftreten von Gaseinschlüssen verhindert werden.

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Dieser Effekt wird dadurch noch "besonders unterstützt, daß der ringförmige Spalt mit weitgehend allen tieferen Bereichen der Schweißung in Verbindung steht.

Fig. 4 zeigt ein ausgezeichnetes Schweißergebnis, das durch Schweißen der Konstruktionseinheit aus I¹Xg. 5 erhalten wurde, und demonstriert damit die Vorteile der vorliegenden Erfindung.

Es wäre möglicherweise zu befürchten, daß die koaxiale Ausbildung der beiden Zahnräder gegeneinander durch das Schweißen in dem einen oder anderen Fall verändert wird, wenn die Kontaktfläche zwischen den beiden Zahnrädern geschmolzen ist. In der Praxis tritt jedoch kein Problem auf. Das ist darauf zurückzuführen, daß der Schweißprozeß in einer bestimmten Zeit abläuft, gewöhnlich etwa 8 Sekunden, und deshalb nur ein kleiner Bereich der Berührungsflächen gleichzeitig geschmolzen ist. Dieser geschmolzene Bereich kühlt sich ab und erstarrt, wenn der Elektronenstrahl über diese Schmelzzone weitergeführt wird.

Wenn man eine Verschiebung der axialen Lage der beiden Zahnräder mit Sicherheit vermeiden will, kann man zuerst über die Schmelzzone 4 verteilt punktförmig schweißen, und dann die Zwischenräume zwischen diesen Punkten ausfüllen.

Für den Fachmann ist es klar, daß die vorliegende Erfindung, aufgebaut auf die obengenannte Beschreibung, nicht auf das Herstellen eines zusammengesetzten Zahnrades beschränkt ist. Es ist ebenfalls auch nicht auf das Zusammenfügen von zwei gesinterten Teilen beschränkt, es kann ebenso angewendet werden, wenn nur eines der

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Teile gesintert ist. Für einen durchschnittlichen Fachmann ist es deshalb möglich, ohne Veränderung des Erfindungsgedankens, die vorliegende Erfindung auf die verschiedensten Anwendungsgebiete zu übertragen.

Es ist deshalb gewünscht, daß der Schutzbereich, der durch den Wortlaut des Patentes abgedeckt wird, nicht auf besondere Details der Ausführungsform oder auf die Zeichnungen beschränkt ist, sondern einzig und allein auf die Patentansprüche.

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Claims

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DlPL-iNG.

H. KINKELDEY W. STOCKMAIR

Q "J Q 0 C *7 DR-lWl-AeElCAUECH]

' K. SCHUMANN

_m Dft FEa NAT ■ QPU-PHVS

P. H. JAKOB

»PL-ING.

G.BEZOLD

DR RER N« OPt-CHEM

8 MÜNCHEN

MAXIMIUANSTRASSE

079 - 20Vwa

NISSAN MOTOH COMPANY, LIMITED
2, Takara-cho, Kanagawa-ku,
Yokohama-shi, Kanagawa-ken,
Japan

Verfahren zum Elektronenstraiilscliweißen

von gesinterten Metallteilen

Patentansprüche

(1 .J Verfahr en zum Verschweißen zweier Metallteile mittels Elektronenstrahlschweißgerät, von denen mindestens eines aus Sintermetall "besteht, dadurch gekennzeichnet , daß ein Entlüftungsweg in der Stellung der Teile vor dem Schweißen zueinander vorgesehen ist, der von einem inneren Bereich der Schweißzone nach außen führt, und der während des Schweißprozesses die "beim

Schweißen aus dem Sinternetall entweichenden Gase ableitet,

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TELEFONi (08») 22ϊθθ!3 TELEX 06-2B3 80 TELEGRAMME MOrJARAT
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Entlüftungsweg mit weitgehend allen tieferen Bereichen der Schweißzone in Verbindung steht, so daß die meisten Gase, die während des Schweißprozesses aus dem Sintermetall entweichen, über ihn abgeführt werden, und so daß die Schweißnaht weitgehend frei von großen Gasblasen bleibt.
5- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß beide zu verschweißende Teile aus Sintermetall bestehen.
4. Verfahren zum Verschweißen eines JLupplungszahnrades mit einem Getriebezahnrad, wobei mindestens eines dieser Teile aus Sintermetall besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Kupplungsζahnrad fest auf einen Ansatz des Getriebezahnrades aufgepaßt wird, so daß sich beide in einer vorherbestimmten Position zueinander befinden, daß die beiden Teile anschließend mittels Elektronenstrahlschweißgerat entlang ihren Berührungsflächen am Ansatz miteinander verschweißt werden, daß an den Berührungsflächen zwischen den beiden Zahnrädern auf der Seite der Schweißung, die dem Körper des GetriebeZahnrades zugewandt ist, ein ringförmiger Spalt vorgesehen ist, und daß Entlüftungen vorgesehen sind, die den ringförmigen Spalt mit der Atmosphäre verbinden.
5· Verfahren nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißung zuerst punktförmig über den Umfang des Ansatzes verteilt ausgeführt und

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danach zwischen diesen Schweißpunkten vervollständigt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß beide zu verschweißenden Teile aus Sintermetall hergestellt sind.
7. Konstruktionseinheit aus zwei metallischen Bauteilen» die zum Verschweißen mittels Elektronenstrahlschweißgerät zusammengestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Bauteile (1, 2) aus Sintermetall besteht, daß ein Entlüftungsweg (5, 6) vom inneren Bereich der Schweißzone (4-) zur Atmosphäre vorgesehen ist, und daß während des Schweißprozesses die beim Schweißen des Sintermetalls entweichenden Gase über diesen Entlüftungsweg (5₅ 6) ableitbar sind.
8. Konstruktionseinheit nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet , daß der Entlüftungsweg (5> 6) mit weitgehend allen tieferen Bereichen der Schweißzone (4-) in Verbindung steht, daß die meisten Gase, die während des Schweißprozesses aus dem Sintermetall entweichen über ihn ableitbar sind, und daß eine Schweißung erzielbar ist, die weitgehend frei von großen Gasblasen ist.
9- Konstruktionseinheit nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekenn zeichnet , daß beide zu verschweißende Bauteile (1, 2) aus Sintermetall bestehen.
10. Konstruktionseinheit aus einem ringförmigen Kupplungszahnrad und einem Getriebezahnrad mit einem Ansatz, wobei mindestens eines dieser Teile aus Sintermetall

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besteht, dadurch gekennzeichnet , daß das ringförmige Kupplungszahnrad (1) zur Vorbereitung einer Schweißung mittels Elektronenstrahlschweißgerät fest auf einen Ansatz (2a) in einer vorherbestimmten Position aufgepaßt ist, daß an den Berührungsflächen zwischen den Zahnrädern (1, 2) an der Seite, die dem Körper des Getriebezahnrades (2) zugewandt ist, ein ringförmiger Spalt (5) vorgesehen ist, und daß Entlüftungen (6) diesen ringförmigen Spalt (5) mit der Atmosphäre verbinden.
11. Konstruktionseinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß beide zu verschweißende Bauteile (1, 2) aus Sintermetall bestehen.
12. Metallische Schweißkonstruktion, die aus zwei metallischen Bauteilen besteht, die mittels Elektronenstrahlschweißgerät miteinander verschweißt sind, wobei mindestens eines dieser Teile aus Sintermetall besteht, dadurch gekennzeichnet , daß ein Entlüftungsweg (5» 6) vorgesehen ist, der vom inneren Teil der Schweißzone (4-) zur Atmosphäre führt.
13· Konstruktionsexnheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Entlüftungsweg (5, 6) mit weitgehend allen tieferen Bereichen der Schweißzone (4) in Verbindung steht, und daß die Schweißung weitgehend frei von großen Gasblasen ist.
14. Konstruktionsexnheit nach einem der Ansprüche 12 und 13» dadurch gekennzeichnet , daß beide zu verschweißende Bauteile (1, 2) aus Sintermetall bestehen.

15· Konstruktionseinheit aus einem ringförmigen Kupplungs-

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zahnrad und einem Getriebezahnrad, das einen Ansatz aufweist, dadurch, gekennzeichnet , daß das Kupplungszahnrad (1) fest auf den Ansatz (2a) aufgepaßt ist und mittels Elektronenstrahlschweißgerät angeschweißt ist, daß an den Berührungsflächen zwischen den Zahnrädern (1, 2) auf der Seite der Schweißung (4), die dem Körper des Getriebezahnrades (2) zugewandt ist, ein ringförmiger Spalt (5) vorgesehen ist, daß Entlüftungen (6) diesen ringförmigen Spalt (5) mit der Atmosphäre verbinden, und daß mindestens eines der Zahnräder aus Sintermetall besteht.

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