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.