DE2952290A1

DE2952290A1 - Nockenfolger

Info

Publication number: DE2952290A1
Application number: DE19792952290
Authority: DE
Inventors: Jay M Larson; Sundaram L Narasimhan
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1978-12-26
Filing date: 1979-12-24
Publication date: 1980-07-17
Also published as: US4270496A; IT1126359B; IT7927455A0

Description

79-E-3781 (78-ECD-127)

EATON CORPORATION, Cleveland, Ohio 44114, V.St.A.

Nockenfolger

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen geschweißten Gegenstand sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Nockenfolger, und zwar insbesondere einen Ventilstößel für Brennkraftmaschinen mit oben1 legender Nockenwelle. Gemäß einem Aspekf der Erfindung werden Kraftübertragungsglieder vorgesehen, und zwar - wie bereits erwähnt - Nockenfolger zur Verwendung bei Verbrennungskraftmaschinen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Glied vorgesehen, welches dadurch gebildet wird, daß man Materialien miteinander verschweißt, die in signifikanter Weise unterschiedliche Zusammensetzungen hinsichtlich Kohlenstoff und anderer Legierungsprozentsätze aufweisen; ferner bezieht sich die Erfindung auf Verfahren zum Verschweißen wärmebehandelter härtbarer Glieder mit aus Weichstahl bestehenden Gliedern.

Die in Verbindung mit hydraulischen Spieleinstellvorrichtungen verwendeten Nockenfolger benötigen eine harte abriebsbeständige Oberfläche für die Berührung des Nockens, weshalb diese Bauelemente bislang aus einem soliden Gußeisenstück hergestellt wurden, welches darauffolgend zahlreichen Prä-

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zisionsbearbeitungsvorgängen sowie Wärmebehandlungsvorgängen ausgesetzt wurde, um schließlich das fertige Bauteil zu erhalten. Stößel für Verbrennungskraftmaschinen werden aus abriebsbeständigen Materialien, wie beispielsweise wärmebehandelten Gußeisen, hergestellt sowie aus gehärteten Stählen mit einem mittleren bis hohen Kohlenstoffgehalt oder aber aus Stählen mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt und gehärteter Oberfläche. Die Herstellung der Stößenkörper durch Gießen solider Teile macht eine strenge und fachmännische Kontrolle der Gießverfahren erforderlich, um die notwendige Änderung hinsichtlich der Eigenschaften zu erhalten, die sich von einer harten Abrieboberflächer aus an einem Ende zu einem relativ weichen bearbeitbaren Kern hin erstrecken.

Es werden auch solide Rohlinge aus Schmiedeeisen mit mittlerem Kohlenstoffgehalt verwendet, wobei hier aber eine beträchtliche Bearbeitung erforderlich ist, was höhere Kosten sowie eine längere Herstellungszeit zur Folge hat. Es ist ebenfalls bereits bekannt, einen abriebsbeständigen Nockenfolger dadurch vorzusehen, daß man Stahl mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt, herausgearbeitet aus solidem Vorratsmaterial, an der Oberfläche härtet.

Es besteht jedoch ein Bedürfnis, das Gewicht sämtlicher Motorkomponenten für die heute zu bauenden Automobile zu verringern. Infolge dieses Bedürfnisses soll ein alternativer, ein geringes Gewicht aufweisender Nockenfolger vorgesehen werden, der eine abriebsbeständige Oberfläche besitzt und mit verminderten Kosten hergestellt werden kann, wobei dieser ausgedehnten zyklischen Belastungen ohne Ermüdungsausfall in einer Verbrennungskraftmaschine widersteht.

Zusammenfassung der Erfindung. Die Erfindung sieht einen leichten, geringe Kosten verursachenden Nockenfolger in zweiteiliger Konstruktion vor, wobei bei einem Ausführungsbeispiel ein unterer Basisteil solide ausgebildet ist, während in einem anderen Ausführungsbeispiel ein dünnwandiges

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rohrförmiges Basisglied aus einem Weichstahl ausgebildet ist und mit einem dünnwandigen scheibenförmigen Reaktionsglied an einem Ende laserverschweißt ist. Das Reaktionsglied ist entweder aus einer einen hohen Kohlenstoffgehalt besitzenden oder wärmebehandelbaren Stahllegierung, einem Gußeisenmaterial oder einer zusammengesetzten nichteisenhaltigen Legierung hergestellt, wobei die Oberflächenabriebeigenschaften mit dem zu berührenden Nockenmaterial kompatibel sind.

Durch das erfindungsgemäß angewandte Laserschweißverfahren wird eine Schweißzone erzeugt, die eine Transversal- oder Querdicke besitzt, die wesentlich kleiner ist als die Wanddicke des Reaktionsglieds, wodurch Verformungs- und Restbeanspruchungen minimiert werden, die den konventionellen Schweißverfahren anhaften.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens besteht darin, daß ein dünnwandiges gehärtetes Keaktionsglied mit einem hohen Kohlenstoffgehalt in erfolgreicher Heise metallurgisch mit einem einen niedrigen Kohlenstoffgehalt besitzenden Stahlkörper vereinigt werden kann, ohne daß dadurch in irgendeinem wesentlichen Ausmaß die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Basismaterials benachbart zur Schweißzone beeinflußt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet ferner eine einfache Haltevorrichtung mit dem sich daraus ergebenden Vorteil der schnellen Teilehandhabung und der niedrigen Ausrüstungskosten .

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens besteht darin, daß sich eine verbesserte Reproduzierbarkeit oder Wiederholbarkeit bei der Qualität der Schweissungen ergibt, wodurch ein höheres Niveau bei der Schweißfestigkeit aufrechterhalten wird und sich eine längere Ermüdungslebensdauer ergibt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Laserschweißverfahrens besteht darin, daß eine kleine wärmebeeinflußte Zone auf jeder Seite einer Schmelz-

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oder Fusionsproduktzone die Verwendung eines Reaktionsglieds

ermöglicht/ welches vor dem Schweißen wärmebehandelt wurde,

ohne daß dadurch dessen Abriebbeständigkeitseigenschaften beeinflußt werden.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von AusfUhrungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein<?n Querschnitt der Erfindung in Verbindung mit einem direkt wirkenden Hydraulikventilstößel, angeordnet in einer Verbrennungskraftmaschine;

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Nockenfolgers, wobei e,ine Schmelzproduktzone und eine wärmebeeinflußte Zone auf jeder Seite dargestellt ist, und zwar erzeugt durch das erfindungsgemäße Laserschweißverfahren ;

Fig.3-7 andere Ausbildungsformen der zusammenpassenden

Oberflächen für die Basis- und Reaktionsglieder;

Fig. θ eine schematische Darstellung der Grundausrüstung zur Erzeugung einer erfindungsgemäßen lasergeschweißten Verbindung.

Es sei nunmehr die Erfindung im einzelnen beschrieben. Fig. zeigt allgemein bei 10 eine hydraulische Spieleinstellvorrichtung, die einen Nockenfolger 12 von zweiteiliger Konstruktion aufweist, der gleitend in einem Motorzylinderkopf 14 aufgenommen ist. Der erfindungsgemäße Nockenfolger besteht aus einem rohrförmigen Basisglied 16 aus Weichstahl, wobei dieses Glied mit einem scheibenförmigen Reaktionsglied 18 laserverschweißt ist, und wobei dieses scheibenförmige Glied 18 aus einem geeigneten wärmebehandelbaren Gußeisen, einem

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einen hohen Kohlenstoffgehalt besitzenden Stahl oder einer wärmebehandelbaren Nichteisenlegierung besteht. Das erfindungsgemäße Schweißverfahren wird im folgenden im einzelnen beschrieben, und zwar ebenso die geschweißte Verbindung zwischen den Gliedern 16 und 18.

Die hydraulische Spieleinstellvorrichtung 10 veranschaulicht die Erfindung im Falle einer Kraftübertragungsanwendung sowie die Art und Weise, in der die physikalischen Eigenschaften des Nockenfolgers 12 anpaßbar sind. Gleitend angeordnet innerhalb des Nockenfolgers 12 befindet sich ein äußeres Kolbenglied 20, ein inneres Kolbenglied 22 und eine Einweg-Rückschlagventilanordnung 24. Eine Druckfeder 26 ist zwischen dem Außenkolben 20 und dem Innenkolben 22 angeordnet. Ein Strömungsmitteldurchlaß 28 ist durch die Wand des rohrförmigen Basisglieds 16 hindurchgehend ausgebildet und steht in Strömungsmittelverbindung mit einem Durchlaß 30 im Motorzylinderkopf 14 und dient zur übertragung von unter Druck stehendem Motorströmungsmittel von einer ölsammelleitung 32 im Zylinderkopf 14 aus. Der obere Teil eines Ventilschafts 34 steht darstellungsgemäß mit seiner Oberseite 36 mit einer am Außenkolben 20 ausgebildeten Reaktionsoberfläche 38 in Eingriff. Eine Unterlegscheibe 40 ist am Ventilschaft 34 befestigt und wird daran durch einen Halter oder Haltering 41 gehalten, der in einer Umfangsnut 42 nahe dem oberen Ende des Ventilschafts sitzt. Wie auf dem Gebiet der Motorkonstruktion bekannt, spannt die Ventilfeder 44 den Ventilschaft 34 nach oben hin in Eingriff mit der hydrau- " lischen Anhebvorrichtung 10 vor, die ihrerseits am Motornocken 46 anliegt, der ein Nockenprofil 48 besitzt. Das Nockenprofil 48 kommt mit einer Abrieboberfläche 50, angeordnet an der Außenoberfläche des Reaktionsglieds 18, in Berührung. Für die erfindungsgemäße Ausführung sollte die Abrieboberfläche 50 eine Minimalhärte von ungefähr 55 auf der Rockwell-C-Skala hoy iLzon.

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Ein unterer Oberflächenteil 52 des Reaktionsglieds 18 ist mit dem oberen Ende des Innenkolbens 22 in Eingriff bringbar und eine Nut ist in der Unterseite 52 ausgebildet und gestattet die Strömungsmittelverbindung von der ölgallerie oder Sammelleitung 32 aus über die Durchlässe 30 und 28 in den Raum hinein, der durch die Innenwände des Innenkolbens 22 gebildet wird. Die oben beschriebene Spieleinstellvorrichtung bewirkt die Entfernung des Spiels oder Zwischenraums zwischen dem Nockenprofil 48 und der Oberseite des Ventilschafts 36 während des Motorbetriebs dadurch, daß Strömungsmittel an dem Einwegkugelventil 24 vorbeiströmen kann infolge der Relativbewegung des Innenkolbens 22 und des Außenkolbens 20, was während der Nockendrehung auftreten kann, und zwar während des Kontakts mit dem Grundkreisteil des Profils 48, worauf dann das durch das Einwegkugelventil 24 geströmte Strömungsmittel in der Einstellvorrichtung eingefangen ist und somit beständig Spiel aus der Ventilfolge entfernt wird. In der oben beschriebenen Arbeitsumgebung muß die Oberseite 50 abriebsbeständige Eigenschaften aufweisen, die weicher Kohlenstoffstahl nicht besitzt. Daher muß das für das Glied 18 gewählte Material der kontinuierlichen Gleitbewegung des Nockens 46 widerstehen und der Normalbelastung, ausgeübt darauf durch die Trägheits- und Federkräfte. Da die Belastungs-und Abriebsanforderungen hinsichtlich des rohrförmigen Basisabschnitts 16 wesentlich weniger streng sind, kann die Basis aus einem einen niedrigen Kohlenstoffgehalt besitzenden Stahl hergestellt werden.

Die einzigartige zusammengesetzte Struktur des Nockenfolgers 12 ist besonders für eine Anwendung der oben genannten Art geeignet, und zwar infolge der wesentlich geringeren Herstellungskosten und wegen der äquivalenten Funktionsfähigkeiten verglichen mit Nockenfolgerausbildungen der solide einstückig aufgebauten Bauart.

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Es sei nunmehr, auf Fig. 2 verwiesen, wo eine vergrößerte Darstellung der Baumerkmale des zweiteiligen Nockenfolgers 12 gezeigt ist. Das Reaktionsglied 16 ist mit dem unteren rohrförmigen Basisglied 16 mittels einer lasergeschweißten Verbindung verbunden, die im ganzen durch eine Schweißzone 54 dargestellt ist. Die Schweißzone 54 besteht aus einer mittigen Schmelz- oder Fusionsproduktzone 56, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen gleichförmige metallurgische Zusammensetzung, die sich aus den in den Gliedern 16 und 18 vorhanden Legierungsbestandteilen ergibt. Benachbart zu jeder Seite der Schmelzproduktzone 56 befinden sich Lagen 58, die eine wärmebeeinflußte Zone repräsentieren, deren jede eine metallurgische Zusammensetzung aufweist, die durch eine allmähliche Änderung der MikroStruktur gekennzeichnet ist, und zwar ausgehend von der durch die Schmelzproduktzone 56 definierten zu der der Struktur der Glieder 16 und 18 entsprechenden MikroStruktur. Das Reaktionsglied 18 könnte eine abriebsbeständige wärmebehandelte Zone 60 aufweisen, und zwar angeordnet an der Außenoberfläche zur Definition der Abriebsoberfläche 50. Diese Zone 60 ist dann vorhanden, wenn das Reaktionsglied 18 aus einem einsatzgehärteten Material besteht, wie dies weiter unten im einzelnen diskutiert wird.

Ein signifikantes strukturelles Merkmal der Schweißzone 54 besteht darin, daß die transversalen oder Querdicken der wärnebeeinflußten Zonen 58 wesentlich dünner sind als die Schmelzproduktzone 56. Bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Breite der Schweißzone 54 kleiner gehalten als das Zweifache der Dicke des Reaktionsglieds 18, um eine Störung mit der wärmebehandelten Zone 60 und der Abriebsoberfläche 50 zu vermeiden. Eine durch Wärme beeinflußte Zone von einer im wesentlichen verminderten Dicke gestattet die Verwendung eines Reaktionsgliedes mit einer Dicke im Bereich von 0,060 Zoll (1,52 mm) bis 0,125 Zoll (3,18 mm), und zwar wärmebehandelt auf einer Seite, um metallurgisch mit einem dünnwandigen rohrförmigen Basisglied verbunden zu werden, ohne die Mikrostruktur der

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Abrieboberfläche zu beeinflußen. Bei der derzeit bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung liegt die Wanddicke des Glieds 18 im Bereich von 0,050 Zoll (1,27 mm) bis 0,100 Zoll (2,54).

Die oben definierten Materialdicken sehen geeignete Basisglieder mit Durchmessern im Bereich von 1,00 Zoll (2,54 mm) bis 2,00 Zoll (5,0 8 mm) vor. Der Fachmann erkennt, daß die speziellen Dimensionen der Glieder 16 und 18 sich entsprechend der Festigkeitserfordernisse, bestimmt durch den speziellen Anwendungsfall, ändern.

Ein weiterer Vorteil der oben beschriebenen Schweißzonenstruktur besteht darin, daß das rohrförmige Basisglied 16 aus einem niedrige Kosten verursachenden Weichstahl hergestellt werden kann, der zur Kaltverformung geeignet ist, beispielsweise kann es sich dabei um eine Eisenkohlenstofflegierung mit einem Kohlenstoffgehalt von ungefähr j0,O5% bis ungefähr 0,20% handeln.

Bei der derzeitigen Praxis der Erfindung haben sich beispielsweise für das Reaktionsglied 18 die folgenden härtbaren, einen mittleren bis hohen Kohlenstoffgehalt aufweisenden Stähle als zufriedenstellend erwiesen:SAE Grade 5120, 8620, 1060 und 52100. Es kann auch ein geeignetes Gußeisen der härtbaren oder Hartguß-Art benutzt werden, wie man es üblicherweise für Stößel verwendet, oder aber es können härtbare zusammengesetzte nichteisenhaltige Metallmaterialien benutzt werden.

Die Fig. 3-7 zeigen andere Konstruktionen des Reaktionsglieds 18 und Basisglieds 16 mit den zusammenpassenden Oberflächen vor dem Schweißen dargestellt durch die gestrichelten Linien in jeder Figur. Die spezielle Form der zusammenpassenden Oberflächen des Basisglieds und des Reaktionsglied wird jedoch durch die Natur der Haltevorrichtung und der Materialhandhabungsausrüstung diktiert, die mit dem Laserschweiß verfahren in Verbindung steht, und/oder durch

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Festigkeitsanforderungen.

Fig. 8 zeigt schematisch die zur Erzeugung einer lasergeschweißten Verbindung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erforderliche Ausrüstung. Die Ausrüstung weist einen mit veränderbarer Geschwindigkeit arbeitenden Antrieb 62 auf, der selektiv längs eines Quertischs 64 positionierbar ist. Eine einstellbare Einspannanordnung 66 ist mit dem Ausgang des Antriebs 62 verbunden und hält das rohrförmige Basisglied 16 fest. Das Reaktionsglied 18 wird an der Endstirnfläche der rohrförmigen Basis 16 positioniert und festgehalten, und zwar reibungsmäßig mittels einer Mitlaufkörnerspitze 68, die sich zusammen mit dem Einspannfutter 66 verdreht. Die Größe der auf das Reaktionsglied 18 durch die Mitlaufkörperspitze ausgeübten Axialkraft sollte groß genug sein, um einen Schlupf bezüglich des Basisglieds 16 bei Drehung des Einspannfutters 66 zu vermeiden. Eine .Zwischenfläche (Interface) 70 wird durch die zusammenpassenden Oberfläche der Glieder 16 und 18 definiert, und bei der bevorzugten Ausführung der Erfindung sollte die maximale Überlappung der ümfangsoberflächen auf einen kleinen Bruchteil der Dicke des Reaktionsglieds begrenzt sein, und vorzugsweise sollten die Oberflächen zusammenpassen. Eine Strömung inerten Gases, vorzugsweise Helium, Argon oder eine Mischung daraus, wird über eine Düse 72 von einer Versorgung73 derart- geliefert, daß die Zwischenfläche 70 und die ümfangsflächengebiete unmittelbar benachbart durch einen Schutzgasmantel abgedeckt und abgeschirmt werden können.

Ein Hochleistungs-CO^-Laser 74 oder eine äquivalente Laserleistungsquelle, die in der Lage ist, 1500 Watt-Laserleistung zu emittieren, wird benachbart zum Quertisch 64 angeordnet, um einen Laserstrahl 76 durch die Drehachse des Einspannfutters 66 zu leiten.

Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 8 wird nunmehr das erfindungsgemäße Verfahren der Laserschweißung des Nockenfolgers 12 beschrieben. Die rohrförmige Basis 16 wird zuerst in die Einspannvorrichtung 66 eingesetzt, und sodann wird

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das Reaktionsglied 18 daran ausgerichtet, und zwar mit einer minimalen umfangsmäßigen Überlappung an der Zwischenfläche 70, wie dies oben beschrieben wurde, und die Halterung an der Basis 16 erfolgt durch die Mitlaufkörperspitze 68. Die als Ausgangsgröße vorgesehenen Umdrehungen pro Minute des mit veränderbarer Geschwindigkeit arbeitenden Antriebs 62 wird derart eingestellt, daß man die gewünschte Umfangsgeschwindigkeit an der Schweißzwischenfläche erhält, und zwar annähernd eine Umfangsgeschwindigkeit von 0,75 bis 1,25 Zoll pro Sekunde, was sich als zufriedenstellend erwiesen hat. Sodann wird eine Abdeckung aus inertem Gas über der Zwischenfläche 7O an einem Punkt vorgesehen, wo der Laserstrahl 76 schließlich fokussiert wird, um so die geschmolzene Schweißzone, gebildet durch die Laserenergie, gegenüber schädigenden Wirkungen der Oxydation zu schützen. Daraufhin wird die Laserquelle 74 eingeschaltet und in einer kontinuierlichen Impulsbetriebsart betätigt, und zwar mit einer Leistung, die ausreicht, um eine sichtbare Referenz-Flash-(oder AbschmeIz) Markierung auf der Oberfläche des Drehteils vorzusehen. Bei der derzeitigen Anwendung der Erfindung hat sich eine Impulsrate von ungefähr 1 Impuls pro Sekunde und eine Maximalleistung von 50 Watt als zufriedenstellend herausgestellt. Es wurde beispielsweise festgestellt, daß die Fokussierung des Strahls auf einen Punkt mit 0,030 Zoll (0,076 mm) unterhalb der Oberfläche die Schweißeindringung von 0,005 auf 0,010 Zoll (0,27 bis 0,254 mm) erhöht. Sodann wird der Quertisch 64 schnell unter der Laserquelle 74 positioniert, bis die sichtbaren Blitze auf dem Drehteil direkt oberhalb der Zwischenfläche 70 auftreten. Eine geeignete Vergrößerungsvorrichtung, wie beispielsweise ein nicht gezeigtes Mikroskop mit niedriger Leistung, kann zur Unterstützung bei der Ausrichtung des Strahls mit der Grenz- oder Zwischenfläche verwendet werden. Bei der bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verf ihrens wird der Einfallswinkel, gemessen aus einer Richtung senkrecht zur Oberfläche an der Zwischenfläche,nicht über 20° hinaus abweichen. Abweichungen über 20° hinaus könnten

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gefährliche Reflexionen hervorrufen sowie eine Verminderung der zum Schweißen verfügbaren effektiven Leistung.

Nicht gezeigte Fokussierlinsen haben Brennweiten im Bereich von 2 1/2 bis 5 Zoll und werden vorzugsweise verwendet, wobei sie derart eingestellt werden, daß der Laserstrahl auf der Oberfläche der Zwischenfläche 70 fokussiert ist. Es wur de festgestellt, daß eine erhöhte Eindringung dadurch erreicht werden kann, daß man den Strahl auf einen Punkt etwas unterhalb der Oberfläche der Zwischenfläche 70 fokussiert, was die Schweißeindringung erhöht:0,127mm - 0,254 Zoll. Eine Unter- fokussierung unter eine Tiefe von 0,01 Zoll (0,254 mm) sollte vermieden werden.

Nachdem der Strahl auf einer Linie mit der Zwischenfläche fokussiert ist, wird der Lasergenerator sodann abgeschaltet. Der Antrieb 62 setzt die Verdrehung mit der gewünschten Zahl von Umdrehungen pro Minute fort.

Der Lasergenerator 74 wird sodann auf eine kontinuierliche Betriebsart eingeschaltet, um einen ununterbrochenen Laserstrahl zu erzeugen, und zwar im Gegensatz zur oben beschriebenen gepulsten Betriebsart, verwendet bei der Fokussierung und Ausrichtung des Strahls. Die Startleistung wird auf einen niedrigen Wert eingestellt und allmählich auf die volle Schweißleistung im Bruchteil einer Sekunde erhöht. Eine Erhöhung der Startleistung von 100 Watt auf 1400 Watt innerhalb 1/4 bis 1/2 Sekunde hat sich als zufriedenstellend erwiesen. Es ist wesentlich, daß die Startleistuny relativ niedrig ist, damit die Verdampfung des Werkstücks verhindert wird, was dann auftreten könnte, wenn beim Starten die volle Leistung vorgesehen würde, da dann eine nicht ausreichende Zeit für das Basismaterial sowohl im Reationsglied 18 als auch in der Rohrbasis 16 vorhanden wäre, um die erzeugte Wärme zu absorbieren. Wenn die Leistung von 100 auf 1400 Watt erhöht wird, so bildet sicn eine ge-

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schmolzene Front unterhalb des Strahls und schreitet durch die Zwischenfläche hinweg fort, wenn das Werkstück unter dem Strahl vorbeibewegt wird, was eine gleichförmige Wärmeverteilung um die Schweißung herum ergibt. Die Leistung wird auf dem 1400 Watt-Pegel solange gehalten, bis die gesamte Zwischenfläche geschweißt ist. Die Verweilzeit auf Maximalleistung kann dadurch berechnet werden, daß man den Umfang an der Zwischenfläche durch die Oberflächengeschwindigkeit an der Zwischenfläche bezüglich des Laserstrahls teilt. Beispielsweise erfordert ein 1 Zoll-Durchmesser an der Zwischenfläche und eine Geschwindigkeit von 1 Zoll pro Sekunde eine angenäherte Schweißzeit-Maximalleistung von 3,16 Sekunden. Bei Vollendung einer vollständigen Umdrehung bei Maximalleistung wird die Leistung in der gleichen Weise wie beim Starten verringert. Daraufhin wird der Lasergenerator nach Vollendung der rampenartig nach unten verlaufenden Schweißung abgeschaltet, auf welche Weise der Schweißzyklus beendet wird. Die Eindringtiefe für die oben angegebenen Schweißbedingungen beträgt annähernd 0,06 bis 0,08 Zoll (1,52 bis 2,03 mm). Die Eindringung kann dadurch verändert werden, daß man die Laserstrahlleistung und die Traversier- oder Vorbeilaufgeschwindigkeit einstellt.

Das oben beschriebene Laserschweißverfahren bezieht sich auf eine Werkstückanordnung, welche eine kontinuierliche umfangsmäßige Schweißung mit gleichförmigen hindurchgehenden Eigenschaften erfordert. Das erfindungsgemäße Laserverfahren ist jedoch auch in einzigartiger Weise bei Schweißungen anwendbar, die lineare Zwischenflächen oder sogar nichtlineare Zwischenflächen benötigen, um dort die metallurgische Verbindung miteinander vorzusehen. Bei linearen Schweißanwendungsfällen werden sämtliche oben beschriebenen Verfahrensschritte wiederholt. Es sei jedoch bemerkt, daß beim Linearschweißen der letzte Schritt, nämlich der rampenartig nach unten verlaufenden Leistungsschritt eliminiert wird, da es nicht erforderlich ist, das Ende der Schweißzone in den Startpunkt hinein zu vereinigen, wie dies im

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Falle einer kontinuierlichen Umfangsschweißung der Falle ist.

Zusammenfassend sieht die Erfindung somit einen Nockenfolger vor, der von zweiteiligem Aufbau ist, wobei die beiden Teile des zusammengesetzten Nockenfolgers laserverschweißt sind, und wobei zum einen ein solider und alternativ ein dünnwandiger Rohrbasisteil 16 aus Weichstahl zusammen mit einem dünnen scheibenförmigen Reationsteil 18 vorgesehen ist, welch letzterer einen gehärteten abriebsbeständigen Außenoberflächenteil 50 besitzt. Der Reaktionsteil ist mit dem Basisteil durch Laserschweißung verbunden, was eine Schweißzone 54 ergibt, die aus einer Schmelzzone 56 besteht, die auf jeder Seite durch wärmebeeinflußte Zonen 58 begrenzt ist, die eine relativ schmale Querdicke besitzen. Die Erfindung sieht ferner ein Laserschweißverfahren vor, um den geh rteten Reaktionsteil mit dem Weichstahl-Basisteil zu verbinden.

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Claims

Patentansprüche

T1.1 Nockenfolger für eine Verbrennungskraftmaschine, gekennzeichnet durch

a) einen Dasisteil (16), ausgebildet aus einer Eisenkohlenstoff legierung mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von ungefähr 0,05% bis ungefähr 0,20%,

b) einen Reaktionsteil (18) mit einer abriebsbeständigen Außenoberfläche, wobei der Reaktionsteil aus einer Eisenkohlenstoff legierung hergestellt ist mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von ungefähr 0,60% bis ungefähr 1,00%, und

c) eine Schweißzone (54), welche die Basis- und Reaktionsteile verbindet und eine Schmelzlegierung der Basis- und Reaktionslegierungs-Teile aufweist, und wobei die Schweißzone sich im allgemeinen um den Umfang der Basis- und Reaktionsteile herum erstreckt.
2. Nockenfolger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Reaktionsteil eine im ganzen dünne Plattenform besitzt und

b) daß die Schweißzone eine maximale Breite kleiner als das Doppelte der Dicke des Reaktionsteils aufweist.
3. Nockenfolger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Basisteil eine Rohrform besitzt, und zwar mit einer Wanddicke im Bereich von 0,05 Zoll (1,27 mm) bis 0,11 Zoll (2,54 mm), und daß

b) der Reaktionsteil eine Dicke im Bereich von annähernd 0,06 Zoll (1,52 mm) bis 0,125 Zoll (3,18 mm) besitzt.
4. Nockenfolger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißzone folgendes aufweist:

a) eine Schmelzproduktzone, in der Teile des Basis- und Reaktionsteils in einer ersten Zusammensetzung legiert sind,

b) eine erste wärmebeeinflußte Zone in dem Basisteil und

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benachbart zur Schmelzproduktzone, wobei die erste wärmebeeinflußte Zone gekennzeichnet ist durch eine zweite Legierungszusammensetzung, und

c) eine zweite wärmebeeinflußte Zone zwischen dem Reaktionsteil und der Schmelzproduktzone, und zwar gekennzeichnet durch eine dritte Legierungszusammensetzung, wobei die ersten und zweiten wärmebeeinflußten Zonen eine Querdicke wesentlich kleiner als die Breite der Fusionsproduktzone besitzen.
5. Nockenfolger für einen Verbrennungsmotor, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

a) einen Basisteil, ausgebildet aus einer Eisenkohlenstoff legierung mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von ungefähr 0,05% bis ungefähr 0,20%,

b) einen Reaktionsteil mit einer abriebsbeständigen Aussenoberflache, wobei der Reaktionsteil aus einem Material aufgebaut ist, welches ausgewählt ist aus der folgenden Gruppe: eine Eisenkohlenstofflegierung mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von ungefähr 0,60 bis ungefähr 1,00%, eine Eisenkohlenstofflegierung mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von ungefähr 0,20% bis ungefähr 0,50%, eine Eisenkohlenstofflegierung mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von ungefähr 2,50% bis ungefähr 3,50% oder eine zusammengesetzte abriebsbeständige Legierung mit einer nicht eisenhaltigen Metallzusammensetzung,

c) eine die Basis- und Reaktionsteile verbindende Schweißzone mit einer Schmelzlegierung der Basis- und Reaktionslegierungsteile, wobei die Schweißzone sich im ganzen um den Umfang der Basis- und Reaktionsteile herum erstreckt.
6. Nockenfolger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Reaktionsteil eine im ganzen dünne Plattengestalt besitzt und daß

b) die Schweißzone eine maximale Breite kleiner als das Doppel der Dicke des Reaktionsteils aufweist.

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7. Nockenfolger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der BasisLuil eine Rohrform besitzt, und zwar mit einer Wanddicke im Bereich von 0,05 Zoll (1,27 mm) bis O,11 Zoll (2,54 mm), und daß

b) der Reaktionsteil eine Dicke im Bereich von annähernd 0,06 Zoll (1,52 mm) bis 0,125 Zoll ( 3,28 mm) besitzt.
8. Nockenfolger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisteil eine Rohrform aufweist.
9. Nockenfolger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißzone folgendes aufweist:

a) eine Schmelzproduktzone, in der Teile des Basis- und Reaktionsteils in einer ersten Zusammensetzung legiert sind,

b) eine erste wärmebeeinflußte Zone in dem Basisteil und benachbart zur Schmelzproduktzone, wobei die erste wärme- beeinflußte Zone gekennzeichnet durch eine zweite Legierungszusammensetzung ist, und

c) eine zweite wärmebeeinflußte Zone zwischen dem Reaktionsteil und der Schmelzproduktzone und gekennzeichnet durch eine dritte Legierungszusammensetzung, wobei die ersten und zweiten wärmebeeinflußten Zonen eine Querdicke besitzen, die wesentlich kleiner ist als die Breite der Schmelzproduktzone.
10. Nockenfolger für eine Verbrennungskraftmaschine, ins besondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:

a) ein metallisches Basisteil,

b) ein metallisches Reaktionsteil mit einer im ganzen dünnen Plattenform und einer Außenoberfläche mit einer minimalen Härte von ungefähr 55 auf der Rockwell-C-Skala, und

c) eine Schweißzone, welche die Basis- und Reaktionsteile verbindet und eine Schmelzlegierung der Basis- und Reaktionslegierungsteile aufweist, wobei die Schmelzzone sich im ganzen um den Umfang der Basis- und Reaktionsteile herum erstreckt.

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11. Nockenfolger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißzone eine maximale Breite kleiner als das Doppelte der Dicke des Reaktionsteils besitzt.
12. Nockenfolger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Basisteil eine Rohrform mit einer Wanddicke im Bereich von 0,05 Zoll (1,27 mm) bis 0,11 Zoll (2,54 mm) besitzt und

b) der Reaktionsteil eine Dicke im Bereich von annähernd 0,06 Zoll (1,52 mm) bis 0,125 Zoll (3,18mm) besitzt.
13. Nockenfolger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißzone folgendes aufweist:

a) eine Schmelzproduktzone, in der Teile des Basis- und Reaktionsteils in einer ersten Zusammensetzung legiert ' sind,

b) eine erste wärmebeeinflußte Zone in dem Basisteil und benachbart zur Schmelzproduktzone, wobei die erste wärmebeeinflußte Zone gekennzeichnet ist durch eine zweite Legierungszusammensetzung, und

c) eine zweite wärmebeeinflußte Zone zwischen dem Reaktionsteil und der Schmelzproduktzone und gekennzeichnet durch eine dritte Legierungszusammensetzung, wobei die ersten und zweiten wärmebeeinflußten Zonen eine querverlaufende Dicke wesentlich kleiner als die Breite der Schmelzproduktzone aufweisen.
14. Nockenfolger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisteil eine im ganzen rohrförmige Gestalt besitzt.
15. Nockenfolger zur Verwendung in einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

a) einen Netallbasisteil, gebildet aus einem ersten eisenhaltigen Metall,

b) einen metallischen, im ganzen dünnen Plattenreaktionsteil, gebildet aus einer Zusammensetzung unterschiedlich

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von der des Basisteils und mit einer gehärteten abriebsbeständigen Oberfläche, die eine Minimalhärte von ungefähr 55 auf der Rockwell-C-Skala besitzt, und

c) Mittel zur Verbindung des Basisteils mit dem Reaktionsteil, wobei die Verbindungsmittel folgendes aufweisen: i) eine Schmelzproduktzone, in der Teile des Basis- und Reaktionsteils in einer ersten Zusammensetzung legiert sind,

ii) eine erste wärmebeeinflußte Zone in dem Basisteil und benachbart zu der Schmelzproduktzone, wobei die erste wärmebeeinflußte Zone gekennzeichnet ist durch eine zweite Legierungszusammensetzung, und
iii) eine zweite wärmebeeinflußte Zone zwischen dem Reaktionsteil und der Schmelzproduktzone und gekennzeichnet durch eine dritte Legierungszusammensetzung, wobei die ersten und zweiten wärmebeeinflußten Zonen eine Querdicke wesentlich kleiner als die Schmelzproduktzone besitzen.
16. Nockenfolger nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsteil gebildet wird aus einem Material ausgewählt aus der folgenden Gruppe: eine Eisenkohlenstofflegierung mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von ungefähr 0,60% bis ungefähr 1,00%, eine Eisenkohlenstofflegierung mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von ungefähr 0,20% bis 0,50% oder eine Eisenkohlenstofflegierung mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von ungefähr 2,50% bis ungefähr 3,50%.
17. Nockenfolger nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisteil gebildet wird durch eine Eisenkohlenstofflegierung mit einem Kohlenstoffgehalt im Bereich von ungefähr 0,05% bis 0,20%.
18. Nockenfolger nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Schweißzone eine Maximalbreite kleiner als das Doppel der Dicke des Reaktionsteils besitzt.

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19. Nockenfolger nach Anspruch 15/ dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Basisteil eine rohrförmige Gestalt besitzt, und zwar mit einer Wanddicke im Bereich von 0,05 Zoll (1,27 mm) bis 0,11 Zoll (2,54 mm) und daß

b) der Reaktionsteil eine Dicke im Bereich von annähernd 0,06 Zoll (1,51 mm) bis 0,125 Zoll (3,18mm) besitzt.
20. Nockenfolger nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißzone folgendes aufweist:

a) eine Schmelzproduktzone, in der Teile des Basis- und Reaktionsteils in einer ersten Zusammensetzung legiert sind,

b) eine erste wärmebeeinflußte Zone in dem Basisteil und benachbart zur Schmelzproduktzone, wobei die erste wärmebeeinflußte Zone gekennzeichnet ist durch eine zweite Legierungszusammensetzung, und ,

c) eine zweite wärmebeeinflußte Zone zwischen dem Reaktionsteil und der Schmelzproduktzone und gekennzeichnet durch eine dritte Legierungszusammensetzung, wobei die ersten und zweiten wärmebecinflußten Zonen eine Querdicke besitzen, die wesentlich kleiner ist als die Breite der Schmelzproduktzone.
21. Nockenfolger nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisteil eine Rohrform besitzt.
22. Verfahren zur Laserschweißung einer Anordnung bestehend aus ersten und zweiten Gliedern längs einer Vorschweiüzwischenfläche definiert durch die zusammenpassenden Oberflächenteile der ersten und zweiten Glieder, wobei das Verfahren folgende Schritte vorsieht:

a) Vorsehen einer Laserstrahl emittierende Leistungsquelle,

b) Vorbeibewegen der Anordnung mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit bezüglich der Laserstrahlleistungsquelle,

c) Leiten eines fokussierten Strahls aus Laserenergie mit einem ersten Leistungspegel gegen die Zwischenfläche und Erhöhung der Leistung auf einen zweiten Leistungspegel inner-

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halb eines vorbestimmten Zeitintervalls,

d) Aufrechterhaltung des fokussierten Laserstrahls auf dem zweiten Leistungspegel, bis eine vorgewählte Position längs der Zwischenfläche erreicht ist, und

e) Abschalten der Laserstrahlleistungsquelle.
23. Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch den Schritt der Verringerung der Leistung vom zweiten Pegel auf den ersten Pegel innerhalb des vorbestimmten Zeitintervalls, bevor die Laserleistungsstrahlquelle abgeschaltet wird.
24. Verfahren zur metallurgischen Verbindung erster und swelter Glieder, gebildet aus eisenhaltigen Legierungen, durch Laserschweißen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Festklemmen des ersten Glieds am zweiten Glied mit einer vorbestimmten Einheitsbelastung, wobei die ersten und zweiten Glieder eine verschwelßbare Zwischenfläche dazwischen bilden,

b)'Ausrichtung der ersten und zweiten Glieder derart, daß die Überlappung an der Zwischenfläche kleiner ist als eine vorbestimmte Größe,

c) Vorbeibewegung der Zwischenfläche an der Laserstrahlerzeugungsquelle mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, ausgehend von einem Startpunkt an der Zwischenfläche,

d) Fokussierung eines Laserenergiestrahls mit vorbestimmter Impulsrate und einer ersten vorbestimmten Leistung derart, daB der Strahl auf einer vorbestimmten Tiefe unterhalb der Außenoberfläche der Zwischenfläche fokussiert ist,

f) Beendigung des Fokussierstrahls,

g) Leiten eines kontinuierlichen Laserenergiestrahls auf die Zwischenfläche, beginnend an dem erwähnten Startpunkt, und mit einem zweiten vorbestimmten Leistungspegel und Erhöhung der Leistung des so ausgestrahlten Strahls auf einen dritten vorbestimmten Leistungspegel innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls, während sich die Vorbeibewegung fortsetzt,

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h) Fortsetzung der Leitung des Strahls mit dem dritten vorbestimmten Leistungspegel auf die Zwischenfläche, bis eine vorgewählte Position längs der Zwischenfläche erreicht ist, und
i) Abschalten des Laserenergiestrahls.

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