DE602004003138T2

DE602004003138T2 - Verfahren zum Schweissen von Elementen aus Sintermaterial

Info

Publication number: DE602004003138T2
Application number: DE602004003138T
Authority: DE
Inventors: Piergiorgio Romanin; Massimo Asti; Silvio Corrias; Marco Pidria
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2004-07-13
Filing date: 2004-07-13
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2024-07-14
Also published as: CN100484684C; BRPI0506373A; ATE344706T1; DE602004003138D1; JP2008506535A; US20070039930A1; EP1616655A1; EP1616655B1; WO2006008606A1; ES2275198T3; CN1898057A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Laserschweißen von Elementen aus gesintertem Material.
Bisher sind die Techniken und Verfahren, die auf diesem Gebiet entwickelt worden sind, nicht vollständig zufriedenstellend von dem Gesichtspunkt der Qualität der Schweißstelle aus, die erhalten wird. Dieses ist in der Tatsache begründet, dass das gesinterte Material Unterschiede in der Dichte im Vergleich zu beruhigtem Stahl aufweist. Während des Schweißvorgangs tendiert das geschmolzene Material dazu, sich im Volumen zu verringern und die residualen Porositäten auszufüllen. Während des Abkühlens des geschmolzenen Bereichs verursacht dieses Phänomen die Bildung von Fehlstellen und Rissen, die die Güte der Schweißstelle beeinträchtigen. Außerdem trägt die Luft, die in der Porositäten enthalten ist, zu der Bildung der zuvor genannten Fehlstellen bei.
Lösungen, die bisher in dem Versuch vorgeschlagen wurden, dieses Problem zu lösen (siehe z.B. die deutsche Patentanmeldung DE 40 19 098 ) sind nicht vollständig zufriedenstellend und bringen in jedem Fall Komplikationen in dem Verfahren und dem dafür geeigneten Werkzeug mit sich.
JP-A-08 290292 offenbart ein Verfahren für das Laserschweißen eines ersten Elements und eines zweiten Elements, in dem zumindest das genannte erste Element aus gesintertem Material besteht und in dem ein Laserstrahl in der Nähe des Schweißbereichs fokussiert wird, wobei das genannte Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Laserschweißvorgang unter Hinzufügung eines Schweißmaterials in Form eines festen Einsatzes ausgeführt wird.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, sämtliche der zuvor genannten Mängel zu überwinden und insbesondere zu gewährleisten, dass Laserschweißstellen von gesintertem Material mit einer hohen Qualität erhalten werden.
Angesichts des Erreichens dieses Ziels betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laserschweißen eines ersten Elements und eines zweiten Elements, in dem zumindest das genannte erste Element aus gesintertem Material besteht und in dem ein Laserstrahl in der Nähe des Schweißbereichs fokussiert ist, und worin der Laserschweißvorgang unter Hinzufügung eines Schweißmaterials durchgeführt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Schweißmaterial gleichzeitig mit dem Schweißvorgang hinzugefügt wird und in der Form von Metallstäuben vorliegt.
Studien und Experimente, die von dem Anmelder durchgeführt worden sind, haben gezeigt, dass das Verfahren der Erfindung aufgrund der zuvor genannten Eigenschaften in der Lage ist, sämtliche obigen Mängel zu beheben.
Es wird bemerkt, das das Zuführen eines Flusses von Stäuben zu einem Schweißbereich während eines Laserschweißvorgangs aus EP-A-0 444 550 bekannt ist.
Der Staub, der als Schweißmaterial verwendet wird, ist vorzugsweise eine Mischung aus Metallstäuben, deren Zusammensetzung entsprechend dem zu schweißenden gesintertem Material variiert.
Die Korngröße der Stäube liegt vorzugsweise zwischen 0,010 und 0,100 mm. Die Stube werden mithilfe einer Adduktionsdüse hinzugefügt. Die genannte Düse kann eine Düse getrennt von der Düse sein, die normalerweise für das Hinzufügen des Schutzgases verwendet wird, das während des Laserschweißvorgangs notwendig ist. Alternativ kann eine einzige Düse für sowohl die Schweißstäube als auch für das Schutzgas verwendet werden. Die Wahl hängt hauptsächlich von der Geometrie der zu schweißenden Verbindung ab.
Ebenso liegt der Winkel des Hinzufügens der Stäube vorzugsweise zwischen 15° und 45° relativ zu der Ebene der zu schweißenden Verbindung. Außerdem können für bestimmte Arten von Verbindungen besonders geformte Laserstrahlen verwendet werden, die z.B. einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen, oder solche mit einem zweifachen fokussierenden Brennpunkt (d.h. mit einem zweifachen Zielpunkt), um den Schweißbereich optimal abzudecken.
An der Verbindung zwischen den zwei Elementen wird vorzugsweise eine Kehlung mit geeigneter Geometrie zur Verfügung gestellt.
Für bestimmte Zusammensetzungen von gesinterten Materialien ist es möglich, Laserquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen (CO₂, Nd-YAG, Hochleistungs-Laserdiode) zu verwenden.
Die Erfindung soll weiter mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, die lediglich als nicht einschränkende Beispiele zur Verfügung gestellt werden, in denen:
1 schematisch eine erste mögliche Implementation des Schweißverfahrens gemäß der Erfindung zeigt, das für das Schweißen eines Getriebes für eine Transmission für ein Motorfahrzeug verwendet wird,
2 eine Ansicht der Vorrichtung von 1 gemäß dem Pfeil II von 1 ist, und
3 schematisch eine mögliche Implementation des Schweißverfahrens zeigt, das nicht Teil der Erfindung ist, welches für das Schweißen eines Getriebes für eine Transmission für ein Motorfahrzeug verwendet wird.
Die Beispiele, die in den begleitenden Figuren gezeigt sind, beziehen sich auf den Fall eines Getriebes 1 aus gesintertem Material (lediglich teilweise in den 1 bis 3 gezeigt), das in einer Transmission eines Motorfahrzeugs zu verwenden ist. Auf dem Getriebe 1 ist mit einer Überlagerung und anschließendem Laserschweißen ein Synchronring 2 angebracht, der z. B. aus massivem oder beruhigtem Stahl besteht. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet den Endbereich eines fokussierenden Kopfes eines Laserstrahls L. In dem veranschaulichenden Beispiel ist der Kopf entsprechend einer vertikalen Achse 4 parallel zu der Achse 5 des Getriebes 1 ausgerichtet. Während des Schweißprozesses wird das Getriebe 1 (durch eine Einrichtung irgendeines bekannten Typs) um seine Achse auf eine solche Weise in Drehung versetzt, dass eine relative Bewegung des Laserstrahls L relativ zu dem Teil verursacht wird, wodurch die Ausführung eines ringförmigen Schweißwulstes W entlang der Verbindungsfläche zwischen dem Getriebe 1 und dem Synchronring 2 an einem Ende des Getriebes hervorgebracht wird.
In dem Fall der ersten Implementation von 1 und 2 wird benachbart zu dem Laserfokussierungskopf eine Düse N für das Hinzufügen des Schutzgases, das normalerweise während des Laserschweißprozesses verwendet wird, zur Verfügung gestellt.
Gemäß der ersten Implementation der Erfindung wird die Düse N ebenso für das Hinzufügen von Schweißmaterial in der Form metallischer Stäube verwendet. Wenn es notwendig ist, kann getrennt von der Düse N eine zweite Düse T (2) für das Hinzufügen der Stäube zur Verfügung gestellt werden. In diesem Fall wird die Düse N lediglich für das Liefern des Schutzgases verwendet.
Wie oben angegeben stellen die verwendeten Stäube eine Mischung von Metallstäuben dar, deren Zusammensetzungen entsprechend dem zu schweißenden gesinterten Material und der von der Schweißstelle geforderten Leistungsfähigkeit variieren.
Die Korngröße der Stäube liegt vorzugsweise zwischen 0,010 und 0,100 mm.
Wie ebenso oben erwähnt, ist die Düse, die für das Hinzufügen der Stäube verwendet wird, vorzugsweise mit einem Winkel von zwischen 15° und 45° relativ zu der Ebene der Verbindung (der horizontalen Ebene mit Bezug auf die Zeichnung) geneigt.
Eine zweite mögliche Implementation der Erfindung ist in 3 mit einer Darstellung ähnlich derjenigen von 1 gezeigt; in der genannten Figur werden die selben Bezugszeichen der vorhergehenden Figuren verwendet, um Elemente zu bezeichnen, die technisch denjenigen äquivalent sind, die bereits oben beschrieben worden sind.
Wie oben angegeben, ändert sich die Zusammensetzung des Schweißmaterials, das gemäß der Erfindung zur Verfügung gestellt wird, entsprechend den Anwendungen und hauptsächlich als eine Funktion des zu schweißenden gesinterten Materials und der von der Schweißstelle geforderten Leistungsfähigkeit.
In dem Fall der Implementation von 3 wird in Entsprechung mit der Verbindung zwischen den zwei Komponenten 1, 2, die zu schweißen sind, eine Kehlung mit definierter Geometrie, die mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet ist, zur Verfügung gestellt und vorzugsweise zu einem Teil in der Komponente 1 und zu einem Teil in der Komponente 2 ausgebildet.
Wenn die Zusammensetzung des Schweißmaterials für die spezielle Anwendung festgelegt ist, wird an der Kehlung 6 ein aus dem identifizierten Schweißmaterial beschafftes Element, bezeichnet durch das Bezugszeichen 7, z.B. mit einer im wesentlichen ringförmigen Form positioniert, welches somit zwischen die zwei Komponenten 1, 2, die zu schweißen sind, eingebracht wird. Danach wird der Prozess durch Fokussieren des Laserstrahls L auf den Verbindungsbereich, in dem das Element 7, das aus dem Schmelzmaterial hergestellt ist, positioniert ist, vervollständigt.
Man beachte, dass die Vorrichtung, die in dem Fall der Implementation von 3 verwendbar ist, im wesentlichen der der ersten Implementation ähnlich ist; natürlich wird in dem Fall der 3 lediglich die Düse N für das Liefern nur des Schutzgases zur Verfügung gestellt, welches während des Laserschweißprozesses verwendet wird, wohingegen die Düse T nicht notwendig ist. Es hindert jedoch nichts an der Verwendung der selben Vorrichtung, die geeignet ist, beide Verfahren auszuführen, d.h. die mit den Düsen N und T versehen ist, oder mit einer einzigen Düse N. die ebenso für das Hinzufügen von Schweißmaterial in der Form von Metallstäuben verwendbar ist. Offensichtlich wird für die Zwecke der zweiten Implementation in dem Fall der Vorrichtung, die mit beiden Düsen N, T versehen ist, die Düse T nicht verwendet, und in dem Fall der Vorrichtung, die mit einer einzigen Düse N versehen ist, wird die genannte Düse lediglich dazu verwendet, um das Schutzgas zu liefern. Die Verfügbarkeit einer geeigneten Vorrichtung für beide Implementationen ist vorteilhaft, da in einem ersten Schritt die Technik, die mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben worden ist, verwendet werden kann, um den Schweißprozess zu verfeinern, d.h. die optimale Zusammensetzung des Schweißmaterials zu identifizieren; in einem zweiten Schritt wird das so identifizierte Schweißmaterial verwendet, um die Elemente 7 zu erhalten, die die Stäube ersetzen, auch wenn sie deren Zusammensetzung widerspiegeln.
Unabhängig von der Implementation wird die relative Position der Achse des Laserstrahls L relativ zu der Achse der Verbindung entsprechend den zu schweißenden Materialien gewählt, und in dieser Hinsicht kann es in einigen Fällen geeignet sein, den Laserstrahl L mehr auf eines der zwei zu schweißenden Teile zu fokussieren; z.B. mit Bezug auf den beispielhaften Fall könnte ein Drittel des Durchmessers des Laserpunkts auf das Getriebe 1, das aus gesintertem Material hergestellt ist, und zwei Drittel auf den Ring 2 aus beruhigtem Stahl fokussiert werden.
Außerdem kann, wie oben angegeben, der Laserstrahl in einer besonderen Weise geformt sein, z.B. mit einem nicht-kreisförmigen Querschnitt, wie einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt, oder mit einem optischen Dual-Fokus-System mit einer Variation der Entfernung zwischen den erzeugten Laserpunkten, wenn dieses vorzuziehen ist, um den Schweißbereich optimal abzudecken.
Letztlich stellt das Verfahren die Verwendung von Laserquellen jeglicher Art, einschließlich von CO₂-, Nd-YAG-, Hochleistungs-Laserdioden-Quellen, zur Verfügung.
Das Verfahren kann auch verwendet werden, wenn der Ring 2 auch aus gesintertem Material anstatt aus beruhigtem Stahl hergestellt ist.
Natürlich können, ohne das Prinzip der Erfindung zu verändern, die Konstruktionsdetails und die Ausführungsformen stark gegenüber dem variieren, was hierin lediglich als Beispiel beschrieben und veranschaulicht worden ist, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er durch die Ansprüche definiert wird.

Claims

Ein Verfahren zum Laserschweißen eines ersten Elements (1) und eines zweiten Elements (2), in dem zumindest das genannte erste Element aus gesintertem Material besteht, den Schritt des Fokussierens eines Laserstrahls (L) in der Nähe des Schweißbereichs (W, 6) umfassend, wobei der Laserschweißvorgang unter Hinzufügung eines Schweißmaterials (7) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Schweißmaterial gleichzeitig mit dem Schweißvorgang hinzugefügt wird und in der Form von Metallstäuben vorliegt.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Staub eine Mischung aus Metallstäuben ist.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße der Stäube zwischen 0,010 und 0,100 mm liegt.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass getrennt von einer Düse (N) für das Hinzufügen von Schutzgas eine Düse (T) für das Hinzufügen der Stäube zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäube mithilfe der Düse (N), die für das Liefern von Schutzgas verwendet wird, hinzugefügt werden.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel des Hinzufügens der Stäube zwischen 15° und 45° relativ zu der Ebene des Schweißbereichs (W) liegt.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserschweißen an einem Verbindungsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Element (1, 2) ausgeführt wird, und dass an dem zuvor genannten Ver bindungsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Element (1, 2) ein Sitz oder eine Kehlung zum Empfangen des Staubmaterials vorgesehen ist.
Verfahren wie in Anspruch 7 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Sitz oder die Kehlung teilweise in dem ersten Element (1) und teilweise in dem zweiten Element (2), die zu schweißen sind, ausgebildet ist.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Position der Achse des Laserstrahls (L) relativ zu der Ebene des Schweißbereichs (W) entsprechend den Materialien gewählt wird, die das erste und das zweite Element (1, 2) bilden.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl zu einem größeren Maße auf eines von dem genannten ersten und zweiten Element (1, 2) fokussiert wird als auf das andere.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl mit einem nicht-kreisförmigen Querschnitt, wie einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt, geformt ist.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl mithilfe eines optischen Dual-Fokus-Systems mit einer Variation in dem Abstand zwischen den erzeugten Laserpunkten ausgebildet wird.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserquelle, die aus einem von CO₂, Nd-YAG, Hochleistungs-Laserdiode ausgewählt wird, verwendet wird.