EP1667810A1 - Verfahren zum plasma-, laser- oder elektronstrahlschweissen von zu hoher aufhärtung neigenden artgleichen oder artverschiedenen werkstoffen mit kupfer oder einer kupferlegierung als zusatzmaterial - Google Patents

Verfahren zum plasma-, laser- oder elektronstrahlschweissen von zu hoher aufhärtung neigenden artgleichen oder artverschiedenen werkstoffen mit kupfer oder einer kupferlegierung als zusatzmaterial

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EP1667810A1
EP1667810A1 EP04761048A EP04761048A EP1667810A1 EP 1667810 A1 EP1667810 A1 EP 1667810A1 EP 04761048 A EP04761048 A EP 04761048A EP 04761048 A EP04761048 A EP 04761048A EP 1667810 A1 EP1667810 A1 EP 1667810A1
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EP
European Patent Office
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weld seam
copper
melted
impurities
copper alloy
Prior art date
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Withdrawn
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EP04761048A
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French (fr)
Inventor
Oskar Kehrer
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Magna Drivetrain AG and Co KG
Original Assignee
Magna Drivetrain AG and Co KG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1667810A1 publication Critical patent/EP1667810A1/de
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Definitions

  • the invention relates to a method for welding materials of the same or different types, such as cast iron, cast steel, malleable cast iron, sintered material, case-hardened steel, steel with a high C content, tempered steel, high-strength steel, etc., using a high-energy beam, and an application of the process and machine parts that are welded after the process.
  • materials of the same or different types such as cast iron, cast steel, malleable cast iron, sintered material, case-hardened steel, steel with a high C content, tempered steel, high-strength steel, etc.
  • a method for connecting a cast part to a part made of case-hardened steel by means of a high-energy beam is known from AT 003253 Ul.
  • this known method it is possible to connect components made of different and partly finished and / or already hardened parts by welding, for example components which are used in drive trains of motor vehicles. It is thus possible to connect a finely machined and hardened gearwheel to a hollow housing part designed as a cast part, wherein the gearwheel can also be case-hardened and the cast part can be formed from cast steel, white malleable cast iron or spheroidal cast iron.
  • the invention aims to avoid the disadvantages and difficulties outlined above and has as its object to provide a method of the type described above, with which it is possible to use even very delicate components which, after welding, must still have a very high level of accuracy, such as For example, parts that do not allow a shift in the contact pattern of a toothing to be connected with one another, with the lowest possible heat affected zone and high economic efficiency, so that the method can also be used advantageously for mass production.
  • this object is achieved in that, by means of the high-energy beam in the weld seam, copper or an alloy with a high copper content, as well as material of the material to be welded or the materials to be welded, which limit the weld seam, are melted and the material or materials are welded with solidification of the melt that forms.
  • the provision of copper in the weld seam or an alloy with a high copper content has the effect that a melt which has a significantly lower melting point than in the prior art is formed in the weld seam, which melting point is reduced, for example, by one third compared to a steel melt.
  • the alloy with a high copper content that is melted in the weld seam preferably has a minimum copper content of 38%.
  • the copper in the weld in various ways, i.e. to bring in this.
  • the copper which is melted or the copper-containing alloy is introduced into the weld seam in the form of an additional wire supplied during welding.
  • the copper or the copper-containing alloy can also be introduced into the weld seam according to a preferred method before welding, such as by plating, rolling, spraying, inserting a shaped body, etc.
  • Another variant is characterized in that the copper is applied chemically or galvanically in the weld seam prior to welding, optionally with additions of other alloying elements, such as Sn and / or Zn.
  • a plasma beam or a laser beam or an electron beam can advantageously be used as the high-energy beam, the use of a plasma beam or an electron beam offering the advantage that no splashes occur, thereby saving finished surfaces, such as tooth flanks, for example, from being covered.
  • the method according to the invention can advantageously be applied to machine parts, at least one of which is made of one of the materials specified in claim 1, and the machine parts have already been finished.
  • An advantage of using the method according to the invention for connecting two parts forming a machine part can be seen in the fact that there is no need to prepare a weld seam, i.e. it is not an additional processing, such as the removal (twisting) of a carburized insert layer, required.
  • a particularly expedient application of the method according to the invention is given for parts of a drive train of an off-road and / or road vehicle, in particular for machine parts of such a drive train provided with teeth.
  • the invention also relates to a machine part, formed by at least two parts welded together, the weld seam being formed by the method according to the invention.
  • a weld seam with a high copper content preferably more than 38%, has a cross-sectional dimension smaller than 10mm x 1.5mm, preferably smaller than 6mm x 0.8mm.
  • the weld seam is to be understood as the remelted material, formed from the parts to be welded together and the welding filler. It has been shown that parts welded with a laser beam or an electron beam have a weld seam of max. 1mm wide, whereas a plasma jet welds up to max. 1.5mm forms.
  • the two parts to be welded to one another are preferably supported with at least one mating surface, so that no special alignment of the parts is necessary during the welding process.
  • FIGS. 1A, IB, 3 and 5 shown in the drawing show machine parts in section, which are to be connected by means of a weld seam, and FIGS. 2, 4 and 6 show micrographs of the weld seams associated with these machine parts.
  • a laser welding system with the following characteristics was used for the three exemplary embodiments described below: Rofin Sinar 860 HF beam source with 6 kW beam power; C0 2 -Laser HF-excited, laser head with rotating swivel axis, Crossjet and integrated wire feed unit; Sinumerik 840 D control, focal lengths between 150 and 300mm (preferred: 250mm focal length).
  • the ratio wire feed speed to welding speed according to the invention is between 0.8: 1 to 3: 1, a preferred range is 1: 1 to 2: 1, a particularly suitable setting is the ratio 1, 5: 1, which was chosen for the exemplary embodiments.
  • All of the exemplary embodiments described below are connections to drive trains for motor vehicles.
  • the required welding depths result from the height of the torque to be transmitted and from the diameter at which the welded connection is provided. Usual welding depths are between 1, 5 and 8mm, preferably between 3 and 5mm.
  • the resulting path energies result in a range between 0.5 to 4 kJ / cm, a preferred range is 0.7 to 2 kJ / cm, an optimal value is 1.
  • a differential housing 1 is to be welded to a clutch basket 2 to form a unit.
  • the differential housing 1 is made of spheroidal graphite cast iron GJS-500-7
  • the clutch basket 2 is made of tempered steel 40 NiCrMo 22, tempered to 1100 N / mm 2 , hardened and tempered.
  • the two parts 1, 2 are supported against one another by means of two pairs of fitting surfaces 3, 4, namely a radially directed pair 3 and a cylindrical pair 4.
  • the area 5, which is provided for the weld seam, extends radially from the cylindrical pair of mating surfaces 4 to the outside.
  • a radial fitting surface 3 is arranged below, ie radially on the inside of the weld seam to be provided, ie the area 5.
  • weld preparation i.e. a cavity 6, which extends radially around the circumference of the parts and is narrow in cross section and is similar to a tulip seam, was provided for the weld, the radially outer edges 7 being broken.
  • the welding was carried out using a 1 mm thick copper welding wire with a path energy of 0.9 kJ / cm at a welding depth of 3.64 mm.
  • FIG. 2 shows a metallographic cross section through the weld 8 according to the embodiment shown in FIG. 1A, the weld depth being dimensioned; it is 3.64mm.
  • the extremely narrow weld seam 8 and the likewise extremely narrow heat-affected zone 9 can be seen.
  • the differential housing 10 is made of spheroidal graphite GJS-600-3, the ring gear 11 is made of case-hardened steel 20 MnCr 5.
  • the ring gear 11 is seated on the differential housing 10 with a cylindrical 12 and a radial 13 centering or fitting surface; apart from a usual edge break, no special seam preparation was provided.
  • the surface 13 of the ring gear 11 on which welding is carried out, i.e. the radially extending surface 13 was not covered when carburizing, and the insert layer was not removed before welding.
  • the housing 15 has a first axially normal surface 17 to be welded, which is adjoined by a cylindrical collar 18 which forms an outer cylindrical fitting surface 19. At a point of greater wall thickness, the housing can be provided with a circumferential groove 20 which runs parallel to the first surface to be welded and which is rounded in cross section.
  • a second surface 21 to be welded lying in a plane normal to the axis and a cylindrical fitting surface 22 which sits on the cylindrical fitting surface 19 of the housing 15.
  • An extension 23 is provided between the cylindrical mating surfaces 19 and 22 and the surfaces 17 and 21 to be welded.
  • the axis of rotation of the housing is designated by 24 and the welding head is designated by 25.
  • the welding was done in the blind hardened base material; the insert layer was removed by hard turning.
  • a weld seam preparation was carried out, similar to that according to FIGS. 1A and 1B.
  • the welding was carried out with a path energy of 1.3 kJ / cm at a welding depth of about 6mm.
  • the metallographic cross section can be seen in FIG. 6.
  • the welding depth is 6 mm.
  • the method according to the invention can be used in many ways. Different welding preparations are possible:
  • Butt joint, - V preparation, - U preparation, - HV preparation, - HU preparation, - combination of the above preparations, - only usual edge break for joining (pressing) the two parts to be welded "no" seam preparation, other gap (surfaces to be welded do not completely collide).
  • the case layer can remain completely in place, be partially or completely worked off, or the surface to be welded is covered from the outset to prevent carburization (mechanically with a ring, from the frame holder, through pastes, through galvanic coatings, such as copper plating or the like).
  • the weld seam can come to lie axially, radially or at an angle.
  • the copper-containing intermediate layer can be provided either galvanically, electrochemically, by spraying, mechanically by rolling, pressing on, clamping, inserting / inserting, pressing on before the welding process or by supplying additional wire / additional powder during the welding process.
  • the method according to the invention permits the welding of materials which usually cause a large hardening during welding.
  • a sintered steel hardened from the sintering heat minimum density 6.6 g / cm 3
  • a carbon content of 0.6 to 0.9% e.g. FLC-4608 or FLNC-4408
  • carburizing is not necessary.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Schweißen von zu hoher Aufhärtung neigenden artgleichen oder artverschiedenen Werkstoffen (1, 2), wie Gusseisen, Stahlguss, Temperguss, Sinterwerkstoff, einsatzgehärtetem Stahl, Stahl mit hohem C-Gehalt, vergütetem Stahl, hochfestem Stahl etc., wird ein Hochenergiestrahl eingesetzt. Um auch heikle fertigbearbeitete und eine hohe Genauigkeit aufweisende Teile (1, 2) miteinander durch Schweißen verbinden zu können, und zwar in wirtschaftlicher Weise, wird mittels des Hochenergiestrahles in der Schweißnaht Kupfer oder eine Legierung mit hohem Kupfergehalt, sowie Material des zu verschweißenden Werkstoffes bzw. der zu verschweißenden Werkstoffe, die die Schweißnaht begrenzen, zum Aufschmelzen gebracht und es werden der Werkstoff bzw. die Werkstoffe unter Erstarrung der sich bildenden Schmelze verschweißt.

Description

VERFAHREN ZUM PLASMA- , LASER- ODER ELEKTRONSTRAHLSCHWEISSEN VON ZU HOHER AUFHÄRTUNG NEIGENDEN ARTGLEICHEN ODER ARTVERSCHIEDENEN WERKSTOFFEN MIT KUPFER ODER EINER KUPFERLEGIERUNG ALS ZUSATZMATERIAL
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen von zu hoher Aufhärtung neigenden artgleichen oder artverschiedenen Werkstoffen, wie Gusseisen, Stahlguss, Temperguss, Sinterwerkstoff, einsatzgehärtetem Stahl, Stahl mit hohem C-Gehalt, vergütetem Stahl, hochfestem Stahl etc., mittels eines Hochenergiestrahles sowie eine Anwendung des Verfahrens und Maschinenteile, die nach dem Verfahren geschweißt sind.
Ein Verfahren zum Verbinden eines Gussteils mit einem Teil aus einsatzgehärtetem Stahl mittels eines Hochenergiestrahles ist aus der AT 003253 Ul bekannt. Mittels dieses bekannten Verfahrens ist es möglich, Bauteile aus unterschiedlichen und zum Teil fertig bearbeiteten und/oder bereits gehärteten Teilen durch Schweißen zu verbinden, beispielsweise Bauteile, die in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen Verwendung finden. So ist es möglich, ein feinbearbeitetes und gehärtetes Zahnrad mit einem hohlen als Gussteil ausgeführten Gehäuseteil zu verbinden, wobei das Zahnrad auch einsatzgehärtet und der Gussteil aus Stahlguss, weißem Temperguss oder Sphäroguss gebildet sein kann. Hierdurch ist es möglich, solche Teile räum- und gewichtsparend auszuführen, zumal die bisher zur Verbindung solcher Teile vorgesehenen hochfesten Schrauben und die diese aufnehmenden Flansche entfallen können.
Beim Schweißen der oben beschriebenen Teile besteht immer die Gefahr, dass durch die hohe Temperatur der beim Schweißen gebildeten Schmelze - also des umgeschmolzenen Materials gebildet von Material der zu verschweißenden Teile und eines Schweißzusatzes - eine große Wärmeeinbringung und damit doch ein Verzug der miteinander zu verbindenden Teile stattfinden. Eine weitere Schwierigkeit kann auftreten, wenn die Viskosität der Schmelze zu groß, d.h. die Schmelze zu dickflüssig ist, wodurch sich nur geringe Schweißgeschwindigkeiten ergeben, was sich nicht nur auf die Wärmeeinbringung, sondern auch auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt.
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der oben geschilderten Nachteile und Schwierigkeiten und stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit dem es möglich ist, auch sehr heikle Bauteile, die nach dem Verschweißen noch eine sehr hohe Genauigkeit aufweisen müssen, wie z.B. Teile, die keine Verlagerung des Tragbildes einer Verzahnung erlauben, miteinander zu verbinden, und zwar mit geringstmöglicher Wärmeeinflusszone und hoher Wirtschaftlichkeit, sodass das Verfahren auch für eine Massenfertigung vorteilhaft angewandt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels des Hochenergiestrahles in der Schweißnaht Kupfer oder eine Legierung mit hohem Kupfergehalt, sowie Material des zu verschweißenden Werkstoffes bzw. der zu verschweißenden Werkstoffe, die die Schweißnaht begrenzen, zum Aufschmelzen gebracht und der Werkstoff bzw. die Werkstoffe unter Erstarrung der sich bildenden Schmelze verschweißt werden. Das Vorsehen von Kupfer in der Schweißnaht bzw. einer Legierung mit hohem Kupfergehalt bewirkt, dass eine gegenüber dem Stand der Technik einen wesentlich geringeren Schmelzpunkt aufweisende Schmelze in der Schweißnaht gebildet wird, welcher Schmelzpunkt beispielsweise gegenüber einer Stahlschmelze um ein Drittel reduziert ist.
Hierdurch ergibt sich gegenüber Schweißnähten mit Stahlschmelze eine geringere Wärmeeinbringung und damit ein geringerer Verzug. Zudem ist die Schmelze mit Kupfer dünnflüssiger, was die Möglichkeit eröffnet, mit sehr hohen Schweißgeschwindigkeiten, die über den bisher bekannten Schweißgeschwindigkeiten liegen, zu arbeiten. Die Schweißzeit ist gegenüber dem Stand der Technik auf die Hälfte und weniger reduziert. Weisen die zu verbindenden Teile Verzahnungen auf, so brauchen diese nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht korrigiert zu werden. Zudem sind für erfindungsgemäß verbundene Teile hohe stoßartige Momente übertragbar.
Vorzugsweise weist die in der Schweißnaht zum Schmelzen gebrachte Legierung mit hohem Kupfergehalt einen Mindestgehalt an Kupfer von 38% auf.
Es ist möglich, das Kupfer in verschiedener Art und Weise in der Schweißnaht vorzusehen, d.h. in diese einzubringen. Gemäß einer ersten Variante wird das zum Aufschmelzen gebrachte Kupfer bzw. die kupferhältige Legierung in Form eines beim Schweißen zugeführten Zusatzdrahtes in die Schweißnaht eingebracht.
Das Kupfer bzw. die kupferhältige Legierung kann jedoch auch nach einem bevorzugten Verfahren vor dem Verschweißen in die Schweißnaht eingebracht werden, wie durch Plattieren, Aufwalzen, Aufspritzen, Einlegen eines Formkörpers etc.
Eine weitere Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfer in der Schweißnaht vor dem Schweißen chemisch oder galvanisch aufgebracht wird, gegebenenfalls mit Zusätzen anderer Legierungselemente, wie Sn und/oder Zn.
Unterschiedliche vorteilhafte Zusammensetzungen der Schweißnaht sind in den Unteransprüchen 6 bis 22 spezifiziert. Als Hochenergiestrahl lässt sich vorteilhafterweise ein Plasmastrahl oder ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl einsetzen, wobei der Einsatz eines Plasmastrahls oder eines Elektronenstrahls den Vorteil bietet, dass keine Spritzer entstehen, wodurch man sich eine Abdeckung von fertig bearbeiteten Flächen, wie z.B. Zahnflanken etc., erspart.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich vorteilhaft auf Maschinenteile anwenden, von denen mindestens einer aus einem der im Anspruch 1 angegebenen Werkstoffe gefertigt ist, und wobei die Maschinenteile bereits fertig bearbeitet sind.
Ein Vorteil der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbinden zweier einen Maschinenteil bildender Teile ist darin zu sehen, dass eine Schweißnahtvorbereitung entfallen kann, d.h. es ist keine zusätzliche Bearbeitung, wie z.B. das Entfernen (Abdrehen) einer aufgekohlten Einsatzschicht, erforderlich.
Eine besonders zweckmäßige Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für Teile eines Antriebsstranges eines Gelände- und/oder Straßenfahrzeuges gegeben, im speziellen für mit einer Verzahnung versehene Maschinenteile eines solchen Antriebsstranges.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Maschinenteil, gebildet von mindestens zwei miteinander verschweißten Teilen, wobei die Schweißnaht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildet wurde. Eine solche Schweißnaht mit hohem Kupfergehalt, vorzugsweise mehr als 38%, hat eine Querschnittsdimension kleiner als 10mm x 1,5mm, vorzugsweise kleiner als 6mm x 0,8mm. Unter Schweißnaht ist das umgeschmolzene Material, gebildet aus den miteinander zu verschweißenden Teilen und dem Schweißzusatz, zu verstehen. Es hat sich gezeigt, dass mit einem Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl geschweißte Teile eine Schweißnaht von max. 1mm Breite aufweisen, wogegen ein Plasmastrahl Schweißnähte bis max. 1,5mm bildet.
Vorzugsweise sind die beiden miteinander zu verschweißenden Teile mit mindestens einer Passfläche gegeneinander abgestützt, sodass keine spezielle Ausrichtung der Teile während des Schweißvorganges erforderlich ist.
Wie schon weiter oben erwähnt, kann zumindest einer der Teile vor dem Verschweißen mit fertig bearbeiteten Präzisionsflächen, wie einer Verzahnung, versehen sein. Die Erfindung ist nachfolgend anhand meherer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die in der Zeichnung dargestellten Figuren 1A, IB, 3 und 5 zeigen Maschinenteile im Schnitt, die mittels einer Schweißnaht zu verbinden sind, und die Figuren 2, 4 und 6 zeigen Schliffbilder der jeweils zu diesen Maschinenteilen zugehörigen Schweißnähte.
Für die drei nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele wurde eine Laserschweißanlage mit folgenden Kenndaten eingesetzt: Strahlquelle Rofin Sinar 860 HF mit 6 kW Strahlleistung; C02-Laser HF-angeregt, Laserkopf mit Dreh-Schwenkachse, Crossjet und integrierter Drahtvorschubeinheit; Steuerung Sinumerik 840 D, Fokussierspiegelbrennweiten zwischen 150 und 300mm (bevorzugt: 250 mm Brennweite). Bei Verwendung eines l,0mm-Masivdrahtes aus Cu ist das Verhältnis Drahtvorschubgeschwindigkeit zu Schweißgeschwindigkeit erfindungsgemäß zwischen 0,8 : 1 bis 3 : 1, ein bevorzugter Bereich daraus ist 1 : 1 bis 2 : 1, eine besonders geeignete Einstellung ist das Verhältnis 1,5 : 1, welche für die Ausführungsbeispiele gewählt wurde.
Bei sämtlichen nachfolgend beschriebenen Ausfuhrungsbeispielen handelt es sich um Verbindungen an Antriebssträngen für Kraftfahrzeuge. Die erforderlichen Einschweißtiefen ergeben sich jeweils aus der Höhe des zu übertragenden Drehmoments und aus dem Durchmesser, an dem die Schweißverbindung vorgesehen ist. Übliche Einschweißtiefen liegen zwischen 1 ,5 und 8mm, bevorzugt zwischen 3 und 5mm. Die daraus resultierenden Streckenenergien ergeben einen Bereich zwischen 0,5 bis 4 kJ/cm, ein bevorzugter Bereich ist 0,7 bis 2 kJ/cm, ein optimaler Wert ist 1.
Gemäß dem in den Fig. 1 A, IB dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Differentialgehäuse 1 mit einem Kupplungskorb 2 zu einer Einheit zu verschweißen. Das Differentialgehäuse 1 ist von Gusseisen mit Kugelgrafit GJS-500-7 gebildet, der Kupplungskorb 2 ist aus Vergütungsstahl 40 NiCrMo 22, vergütet auf 1100 N/mm2, gefertigt, gehärtet und angelassen.
Gemäß Fig. 1A sind die beiden Teile 1, 2 mittels zweier Passflächenpaare 3, 4 gegeneinander abgestützt, und zwar einem radial gerichteten Paar 3 und einem zylinderförmig gestalteten Paar 4. Der Bereich 5, der für die Schweißnaht vorgesehen ist, erstreckt sich radial von dem zylinderförmigen Passflächenpaar 4 nach außen. Gemäß der in Figur IB dargestellten Ausführungsform ist eine radiale Passfläche 3 unterhalb, d.h. radial innenseitig der vorzusehenden Schweißnaht, d.h. des Bereiches 5, angeordnet.
In beiden Fällen erfolgte eine Schweißnahtvorbereitung, d.h. es wurde für die Schweißstelle ein sich radial um den Umfang der Teile erstreckender und im Querschnitt schmaler U- förmiger, einer Tulpennaht ähnlicher Hohlraum 6 vorgesehen, wobei die radial außenliegenden Kanten 7 gebrochen wurden.
Die Schweißung erfolgte unter Zufuhr eines 1 mm starken Kupferschweißdrahtes mit einer Streckenenergie von 0,9 kJ/cm bei 3,64 mm Einschweißtiefe. Die chemische Zusammensetzung des Kupferdrahtes war folgende: Sn = 1,5%, Mn = 1,5%, Fe = 0,5%, Si = 4%, AI = 0,01%, Pb = 0,02%, Rest = Cu.
Fig. 2 zeigt einen metallografischen Querschliff durch die Schweißnaht 8 gemäß der in Fig. 1 A dargestellten Ausführungsform, wobei die Schweißnahttiefe bemaßt ist; sie beträgt 3,64mm. Zu erkennen ist die äußerst schmale Schweißnaht 8 und die ebenfalls äußerst schmale wärmebeeinflusste Zone 9.
Fig. 3 zeigt ein Differentialgehäuse 10, hergerichtet zum Verschweißen mit einem Tellerrad 11. Das Differentialgehäuse 10 ist aus Kugelgrafit GJS-600-3 gebildet, das Tellerrad 11 ist aus einsatzgehärtetem Stahl 20 MnCr 5 gefertigt.
Das Tellerrad 11 sitzt mit einer zylindrischen 12 und einer radialen 13 Zentrier- bzw. Passfläche am Differentialgehäuse 10 auf; es wurde außer einem üblichen Kantenbruch keine spezielle Nahtvorbereitung vorgesehen. Die Fläche 13 des Tellerrades 11, an der geschweißt wird, d.h. die sich radial erstreckende Fläche 13, wurde beim Aufkohlen nicht abgedeckt, und es wurde vor dem Schweißen auch nicht die Einsatzschicht abgetragen.
Aus der Fig. 4, dem metallografischen Querschliff, ist zu ersehen, dass hier ebenfalls nur eine sehr geringe wärmebeeinflusste Zone 9 gebildet wurde. Am oberen Rand der Schweißnaht 8 ist - ebenso wie in Fig. 2 - deutlich ein charakteristischer Bereich 14 von zuletzt erstarrter Restschmelze zu erkennen. Die Schweißung erfolgte mit einer Streckenenergie von 1 kJ/cm bei 4,5 mm Einschweißtiefe unter Zuführung eines Kupferdrahtes mit 1 mm Durchmesser und einer folgenden chemischen Zusammensetzung: AI = 9,8%, Fe = 1,1%, Rest = Cu. Fig. 5 zeigt ein Ausgleichsgetriebegehäuse 15 aus Gusseisen mit Kugelgrafit GJG-500-7, an dem ein Zahnrad 16 aus einsatzgehärtetem Stahl 18 CrNiMo 7 - 6 anzuschweißen ist. Das Gehäuse 15 weist eine erste achsnormale zu verschweißende Fläche 17 auf, an die ein zylindrischer Kragen 18 anschließt, der eine äußere zylindrische Passfläche 19 bildet. Das Gehäuse kann an einer Stelle größerer Wandstärke mit einer parallel zur ersten zu verschweißenden Fläche verlaufenden Umfangsnut 20 versehen sein, die im Querschnitt gerundet ist.
Am Zahnrad 16 sind eine in einer Ebene normal zur Achse liegende zweite zu verschweißende Fläche 21 und eine zylindrische Passfläche 22 vorgesehen, die auf der zylindrischen Passfläche 19 des Gehäuses 15 sitzt. Zwischen den zylindrischen Passflächen 19 und 22 und den zu verschweißenden Flächen 17 und 21 ist eine Erweiterung 23 vorgesehen. Mit 24 ist die Drehachse des Gehäuses und mit 25 der Schweißkopf bezeichnet.
Das Schweißen erfolgte im blindgehärteten Grundmaterial; die Einsatzschicht wurde durch Hartdrehen entfernt. Es erfolgte eine Schweißnahtvorbereitung, ähnlich wie gemäß Fig. 1 A und IB. Die Schweißung erfolgte mit einer Streckenenergie von 1,3 kJ /cm bei etwa 6mm Einschweißtiefe. Die chemische Zusammensetzung des Schweißzusatzwerkstoffes war folgende: Sn = 1,2%, Mn = 1,8%, Fe = 0,8%, Si = 3,3%, Spuren von Ag, Rest = Cu. Der metallografische Querschliff ist aus Fig. 6 zu ersehen.
Auch hier ist eine sehr geringe wärmebeeinflusste Zone zu erkennen. Die Einschweißtiefe beträgt 6 mm.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vielseitig anwendbar. So sind unterschiedliche Schweißvorbereitungen denkbar:
Stumpfstoß, - V-Vorbereitung, - U-Vorbereitung, - HV- Vorbereitung, - HU- Vorbereitung, - Kombination aus den oberen Vorbereitungen, - nur üblicher Kantenbruch für das Fügen (Aufpressen) der zwei zu verschweißenden Teile = „keine" Nahtvorbereitung, andere Lücke (zu verschweißende Flächen stoßen nicht ganz zusammen). Dabei kann im Falle einer Einsatzhärtung die Einsatzschicht vollständig stehenbleiben, teilweise oder ganz abgearbeitet werden oder die zu verschweißende Fläche wird von vornherein zur Aufkohlungsbehinderung abgedeckt (mechanisch mit Ring, von der Gestellhalterung, durch Pasten, durch galvanische Überzüge, wie Verkupfern o.a.).
Die Schweißnaht kann dabei je nach konstruktiver Lösung axial, radial oder schräg zu liegen kommen.
Die kupferhältige Zwischenschicht kann entweder galvanisch, elektrochemisch, durch Aufspritzen, mechanisch durch Walzen, Aufpressen, Klemmen, Einlegen/Beilegen, Aufpressen vor dem Schweißprozess oder durch Zufuhr von Zusatzdraht/Zusatzpulver während des Schweißprozesses vorgesehen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet das Schweißen von Werkstoffen, die üblicherweise beim Schweißen eine große Aufhärtung verursachen. Statt eines einsatzgehärteten Stahles kann auch ein aus der Sinterhitze gehärteter Sinterstahl (Mindestdichte 6,6 g/cm3), der hochdruckgasabgeschreckt ist, verschweißt werden. Bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,6 bis 0,9% (z.B. FLC-4608 oder FLNC-4408) ist ein Aufkohlen desselben nicht erforderlich. Typische Bereiche der Legierungselemente der Sinterstähle: Fe = 89,15 bis 97,75%; C = 0,6 bis 0,9%; Ni = 0 bis 7%; Mo = 0,39 bis 1,7%; Cu = 0 bis 3%. Bei Triebsätzen oft verwendete Phosphatierungen der Oberfläche stören den erfindungsgemäßen Schweißprozess ebenfalls in keiner Weise.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Schweißen von zu hoher Aufhärtung neigenden artgleichen oder artverschiedenen Werkstoffen, wie Gusseisen, Stahlguss, Temperguss, Sinterwerkstoff, einsatzgehärtetem Stahl, Stahl mit hohem C-Gehalt, vergütetem Stahl, hochfestem Stahl etc., mittels eines Hochenergiestrahles, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Hochenergiestrahles in der Schweißnaht Kupfer oder eine Legierung mit hohem Kupfergehalt, sowie Material des zu verschweißenden Werkstoffes bzw. der zu verschweißenden Werkstoffe, die die Schweißnaht begrenzen, zum Aufschmelzen gebracht und der Werkstoff bzw. die Werkstoffe unter Erstarrung der sich bildenden Schmelze verschweißt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Schweißnaht zum Schmelzen gebrachte Legierung mit hohem Kupfergehalt einen Mindestgehalt an Kupfer von 38% aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Aufschmelzen gebrachte Kupfer bzw. die kupferhältige Legierung in Form eines beim Schweißen zugeführten Zusatzdrahtes in die Schweißnaht eingebracht wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfer bzw. die kupferhältige Legierung vor dem Verschweißen in die Schweißnaht eingebracht wird, wie durch Plattieren, Aufwalzen, Aufspritzen, Einlegen eines Formkörpers etc.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfer in der Schweißnaht vor dem Schweißen chemisch oder galvanisch aufgebracht wird, gegebenenfalls mit Zusätzen anderer Legierungselemente, wie Sn und/oder Zn.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch 55-70% Cu, Rest Zn und gegebenenfalls Verunreinigungen.
7. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch 80-86% Cu, Rest Sn und gegebenenfalls Verunreinigungen.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt der in die Schweißnaht eingebrachten Kupferlegierung in einem Bereich zwischen 950° und 1.150°C liegt.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass reines Kupfer in die Schweißnaht eingebracht wird, und zwar mit einem Gehalt zwischen 99,0 bis 99,9%), Rest Verunreinigungen.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferlegierung mit nachfolgender Zusammensetzung in der Schweißnaht zum Schmelzen gebracht wird: Cu 41,0 bis 99,9%, Sn 0 bis 13,0%, Zn 0 bis 38,0%, Mn 0 bis 13,0%, Ni 0 bis 1,5%, Fe 0 bis 0,5%, Ag 0 bis 1,0% und gegebenenfalls Verunreinigungen.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferlegierung mit nachfolgender Zusammensetzung in der Schweißnaht zum Schmelzen gebracht wird: Sn ca. 0,6 bis 10%, Si bis 0,3 %, Mn bis 0,3 %>, Rest Cu und gegebenenfalls Verunreinigungen.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferlegierung mit nachfolgender Zusammensetzung in der Schweißnaht zum Schmelzen gebracht wird: Cu 87 bis 95%, Sn 5 bis 13%>, vorzugsweise Sn ca. 6,0%, insbesondere Sn ca. 12%, Rest jeweils Cu und gegebenenfalls Verunreinigungen.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferlegierung mit nachfolgender Zusammensetzung in der Schweißnaht zum Schmelzen gebracht wird: Cu 56,0 bis 62,0%, Zn 38 bis 44%, Spuren < 1% von Si, Sn, Mn und Fe und gegebenenfalls Verunreinigungen.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferlegierung mit nachfolgender Zusammensetzung in der Schweißnaht zum Schmelzen gebracht wird: Cu 96,5 bis 97,5%, Ni 2,5 bis 3,5%, und max. 0,15%o Verunreinigungen.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferlegierung mit nachfolgender Zusammensetzung in der Schweißnaht zum Schmelzen gebracht wird: Cu 98,8 bis 99,2%, Ag 0,8 bis 1,2% und gegebenenfalls Verunreinigungen.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferlegierung mit nachfolgender Zusammensetzung in der Schweißnaht zum Schmelzen gebracht wird: Sn bis 1,5%, Mn bis 1,5% , Fe bis 0,5%, Si 2,4 bis 4,0%>, Rest Cu und gegebenenfalls Verunreinigungen bis 0,5%.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferlegierung mit nachfolgender Zusammensetzung in der Schweißnaht zum Schmelzen gebracht wird: Si ca. 3,0%, Mn ca. 1,0%, Sn, Fe, Zn je ca. 0,1%, Rest Cu und gegebenenfalls Verunreinigungen.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferlegierung mit nachfolgender Zusammensetzung in der Schweißnaht zum Schmelzen gebracht wird: Mn ca. 2,5%, Sn ca. 0,8%, Rest Cu und gegebenenfalls Verunreinigungen.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferlegierung mit nachfolgender Zusammensetzung in der Schweißnaht zum Schmelzen gebracht wird: AI 7,5 bis 14,0%, Mn max. 1,7%, Fe max. 1 ,0%, Rest Cu und gegebenenfalls Verunreinigungen.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferlegierung mit nachfolgender Zusammensetzung in der Schweißnaht zum Schmelzen gebracht wird: bevorzugt AI ca. 8,0% oder AI ca. 10,0%, Fe ca. 1,0%), Rest jeweils Cu und gegebenenfalls Verunreinigungen.
21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferlegierung mit nachfolgender Zusammensetzung in der Schweißnaht zum Schmelzen gebracht wird: AI ca. 7,5%, Mn ca. 1,7%, Fe ca. 0,7% oder AI 12,0 bis 14,0%, Rest jeweils Cu und gegebenenfalls Verunreinigungen.
22. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupferlegierung mit nachfolgender Zusammensetzung in der Schweißnaht zum Schmelzen gebracht wird: Mn bis 13,0%, AI bis 8,0%, Fe bis 2,5%, Ni bis 2,0%», Rest Cu und gegebenenfalls Verunreinigungen.
23. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Hochenergiestrahl ein Plasmastrahl eingesetzt wird.
24. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Hochenergiestrahl ein Laserstrahl eingesetzt wird.
25. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Hochenergiestrahl ein Elektronenstrahl eingesetzt wird.
26. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25, zum Verbinden von einen Maschinenteil bildenden Teilen, von denen mindestens einer gefertigt ist aus den in Anspruch 1 angegebenen Werkstoffen, welche Maschinenteile fertig bearbeitet sind.
27. Anwendung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die den Maschinenteil bildenden Teile ohne Schweißnahtvorbereitung zusammengefügt und miteinander verschweißt werden.
28. Anwendung nach Anspruch 26 oder 27, für Maschinenteile der Fahrzeugtechnik, insbesondere Teile des Antriebsstranges für ein Gelände- und/oder Straßenfahrzeug, im speziellen für mit einer Verzahnung versehene Maschinenteile.
29. Maschinenteil, gebildet von mindestens zwei miteinander verschweißten Teilen, von denen mindestens ein Teil aus einem der im Anspruch 1 genannten Werkstoffe gebildet ist, gekennzeichnet durch ein umgeschmolzenes Material mit hohem Cu-Gehalt, vorzugsweise Cu > 38%, wobei die Schweißnaht eine Querschnittsdimension kleiner als 10mm x 1,5mm, vorzugsweise kleiner als 6mm x 0,8mm, aufweist.
30. Maschinenteil nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile mit mindestens einer Passfläche, vorzugsweise einem.Presssitz,. gegeneinander abgestützt sind.
31. Maschinenteil nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Teile vor dem Verschweißen mit fertig bearbeiteten Präzisionsflächen, wie einer Verzahnung etc., versehen ist.
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