WO1999058287A1 - Verfahren zum verbinden eines gussteiles mit einem teil aus einsatzgehärtetem stahl und nach diesem verfahren hergestellter bauteil - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Verbinden eines Gussteiles (1) mit einem Teil (2) aus einsatzgehärtetem Stahl durch Schweissen, besteht darin, dass zuerst an den ansonsten fertig bearbeiteten Teilen (1, 2) die zu verschweissenden Flächen (3, 7) zur Vorbereitung zum grösseren Teil wie für eine schmale Nut (10, 11) abgetragen und dann die Teile (1, 2) aneinandergefügt und unter Zufuhr eines austenitischen Schweissdrahtes (28) mittels eines Hochenergiestrahles verschweisst werden. Bei einem so hergestellten Bauteil kann parallel zur Schweissnaht eine weitere Nut (6) mit rundem Nutgrund vorgesehen sein. Auf diese Weise können verschiedene Werkstoffe in serientauglicher hoher Qualität und Dauerfestigkeit verbunden werden.

Description


  
 



  VERFAHREN ZUM VERBINDEN EINES GUSSTEILES MIT EINEM
TEIL AUS   EINSATZGEHÄRTETEM    STAHL UND NACH DIESEM
VERFAHREN HERGESTELLTER BAUTEIL Die Erfindung handelt von einem Verfahren zum Verbinden eines Gussteiles mit einem Teil aus einsatzgehärtetem Stahl und von einem nach diesem Verfahren hergestellten   Bauteil.   



  Die Verbindung von Bauteilen aus unterschiedlichen und zum Teil fertig bearbeiteten und   bereits    gehärteten   Teilen    ist in der modernen Fertigungs  technik    sehr   erwünscht, weil    eine Anordnung   häufig      unterschiedlichen    Anforderungen genügen muss, die mit einem einzigen Material nicht er  reichbar    sind. Dann   müssen      für    einzelne Elemente eines Bauteiles verschiedene Werkstoffe eingesetzt werden, um ein Optimum an wirtschaftlicher   Herstellung    und mechanischen Eigenschaften zu erreichen.



  So stellt sich   beispielsweise    in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen oft das Problem, ein fein bearbeitetes und gehärtetes Zahnrad mit einem hohlen Gehäuseteil komplizierter   Form,    der naturgemäss ein Gussteil ist, zu verbinden.   Zahnräder    sind meist   einsatzgehärtet,      ihr      Grundgefuge    ist dadurch   blindgehärtet,    was zwar hohe   Festigkeit,    aber sehr geringe   Zä-       higkeit und Bruchdehnung, verglichen mit normalseglühtem Stahl mit    ferritisch-perlitischem   Gefüge,    bedeutet.

   Die   Gussteile    bestehen vorzugs  weise    aus Stahlguss, weissem Temperguss oder Sphäroguss,   ihr    Kohlenstoffgehalt   beträgt      meist    über 2 %.



     Üblicherweise    werden solche Teile mittels hochfester Schrauben verbunden. Solche Schraubverbindungen   erfordern    aber   ausreichend    dimensionierte Flansche und   erhöhen    so Raumbedarf und   Gewicht    des   Bauteiles.   



     Nebstbei    ist der   Zeitaufwand    bei Zusammenbau und   beim      Zerlegen,    vor allem wenn die Verbindung nach langer   Betriebsdauer    unlösbar geworden ist, erheblich. Schweissen   verbietet    sich wegen des fertig bearbeiteten Zustandes   (Verzug)    und weil sowohl Guss als auch einsatzgehärteter Stahl schwer   schweissbar    sind. Ausserdem muss bei den hohen dynamischen Belastungen die Verbindung absolut sicher und mit hoher   Qualität    reproduzierbar herzustellen sein.



  Aus der   EP 277 712 A    ist ein aus   zwei      miteinander-erschweissten    Metall  teilen    bestehender Ventilstössel bekannt. Ein Teil besteht aus hochkohlenstoffhaltigem oder legiertem Stahl oder aus härtbarem Gusseisen ; der andere aus Flussstahl   (Kohlenstoffgehalt    0,05 bis 0.2 %), dessen   Schweisseigenschaften    unproblematisch sind. Die   beiden    Teile werden ohne vorherige Schweissnahtbearbeitung mittels eines Hochenergiestrahles   miteinander-erschweisst.    Es   gibt    also keinen Raum   für    eine   flüssige      Schweisszone.    Der eine Teil wird an der Berührungsfläche entkohlt.

   Zur Ausbildung einer austenitischen   Schweisszone    wird eine   Nickelscheibe    eingelegt oder der eine oder andere Teil an seiner   Schweissfläche      vernik-    kelt.  



     Nachteilig ist daran die vor dem Schweissen notwendige Entkohlung und    die vorher und nachher erforderliche Wärmebehandlung. Durch die einander berührenden zu verschweissenden   Flächen    ist auch eine   über    die Tiefe der Naht   gleichmässige      Schweissung    nicht   gewährleistet, weil    der Hochenergiestrahl auf seinem Weg entlang der   Flächen      bereits    Energie   abgibt    und dadurch in der Tiefe nur mehr schwach ist.

   Das eigentliche Problem ist somit schon in dem einfachen Fall, in dem nur einer der Teile aus einem schwer schweissbaren Werkstoff besteht. nicht gelöst : die Beherrschung des   Kohlenstoffes    und die Herstellung einer   über    die gesamte Schweissnaht   risssicheren    Verbindung. Letztere ist aber zur   Übertragung      grosser Kräfte sehr wichtig.   



  Es ist daher Ziel der Erfindung, eine den Belastungs-und Werkstoffverhältnissen gewachsene und seriensichere Schweissverbindung solcher   Bauteile    zu   ermöglichen.    Das wird mittels des   erfindungsgemässen    Verfahrens   erreicht.    Es besteht darin, dass an den ansonsten fertig bearbeiteten   Teilen    die zu   verbindenden      Flächen    zur   Schweissvorbereitung    zumindest   teilweise    abgetragen werden, sodass eine schmale U-Nut, Y-Nut oder V-Nut entsteht, und dass sodann die Teile aneinandergefügt und unter Zu  fuhr    eines austenitischen   Schweissdrahtes    mittels eines Hochenergiestrahles verschweisst werden.



  Dadurch, dass sich die   beim    Schweissen mit Hochenergiestrahl (z. B. Laser oder Elektronenstrahl) unübliche   Schweissnahtvorbereitung    wie fur eine schmale   U-Naht,    Y-Naht oder V-Naht oder deren   Mischformen      über    einen grösseren Teil der zu verschweissenden   Flächen      erstreckt,    wird ein   Raum geschaffen. in dem viel von dem Material des zugeführten   Schweissdrahtes    einlegiert wird. Dank dem scharf   gebündelten    Hochenergiestrahl werden die   Wände    des Raumes (die   aufgekohlten    zu verbindenden   Flächen    der   Teile)    nur mit sehr geringer Tiefe aufgeschmolzen.



  Deshalb kann dort nur wenig Kohlenstoff in die   Schweisse    einlegieren, zumal sich der   wenige    Kohlenstoff   über    das Volumen des Raumes verteilt. Dadurch   bleibt    in der   Schweisszone    und auf deren   beiden      Seiten    das   Gefüge      grossteils    erhalten. In dem Raum bildet sich aus dem   zugeführten      Schweissdraht    eine austenitische   Schweisse,    die mit den   beiden    Grundwerkstoffen   kompatibel    ist.

   Dadurch entsteht eine   risssichere    Schweissnaht hoher   Dauerfestigkeit,    bei guter Reproduzierbarkeit trotz in der Praxis auftretender   chargenbedingter    Schwankungen.



  Da bei einem Hochenergiestrahl die auf die Länge der Schweissnaht bezogene   zugefuhrte    Wärmemenge klein ist, ist die Wärmeeinflusszone am Rand und die dadurch entstehende   spröde    Zone so schmal, dass sie sich auf die   Elastizität    der gesamten Verbindung nicht nennenswert auswirkt.



  Die schmale Schweissnut (sie ist wesentlich schmaler als bei einer konventionellen Lichtbogenschweissnaht)   bietet    weiters den Vorteil, einerseits das Eindringen des Hochenergiestrahles nicht zu   behindern    und andererseits dem Strahl doch so nahe zu sein, dass dessen Wand die erforderliche Schweisstemperatur   erreicht,    und auch nicht überschreitet.



  Somit wird der Hochenergiestrahl nicht nur hinsichtlich seiner hohen Energiekonzentration und dadurch geringen Aufheizung des   Werkstük-    kes, sondern auch zu einem metallurgischen Zweck genutzt. Das Material  der schlecht verschweissbaren   Grundwerkstoffe    wird so durch einen mit   beiden      Grundwerkstoffen      kompatiblen    Zusatzwerkstoff ersetzt.



  In einer bevorzugten   Ausführungsweise    sind besonders hoch belastbare Verbindungen herstellbar. Sie besteht darin, dass die bei der   Schweiss-      nahtvorbereitung    hergestellte Schweissnut einen Querschnitt   aufweist,    der dem Querschnitt der fertigen Schweissnaht entspricht, insbesondere äquidistant ist (Anspruch 2). Dadurch   bleibt    die aufgeschmolzene Zone der zu verschweissenden   Flächen      über    die gesamte Tiefe   gleich    schmal, wodurch die hohe   Qualität    der Verbindung über die gesamte Tiefe der Naht gesichert ist.



  In Versuchen wurde festgestellt, dass bei hoher   Masshaltigkeit    der Verbindung eine optimale   Durchschweissung    und damit eine maximale Dauer  festigkeit    erzielt wird, wenn die Tiefe der U-Nut oder V-Nut 2/3 bis 7/8 der   Strahleindringtiefe      beträgt    (Anspruch 3).



  Der   Schweissdraht    kann so beschaffen sein, dass er bei der   beim      Schwei-    ssen mit Hochenergiestrahl sehr hohen Abkühlungsgeschwindigkeit ein austenitisches Gefüge spontan ausbildet, er kann aber auch durch Legie  rungselemente    von   vornherein    austenitisch sein.   Vorteilhafterweise    ent  hält    der   Schweissdraht    mindestens 50 % Nickel (Anspruch 4).

   Dadurch wird die Austenitbildung   unabhängig    von der Abkühlungsgeschwindigkeit sichergestellt und das Nickel bildet in der Aufmischung mit den   bei-    den Grundwerkstoffen eine besonders zuverlässige   rissfreie    Pufferzone   zwischen    den   beiden    verbundenen   Teilen.     



  In besonders schwierigen Fällen kann es   vorteilhaft    sein, die einsatzgehärtete Schicht vor der   Schweissnahtvorbereitung    zumindest   teilweise    abzutragen (Anspruch 5), soferne das bei der Schweissnahtvorbereitung selbst   geschieht.    Solche Fälle liegen vor, wenn ein besonderes Einsatzverfahren   angewendet    wird, wenn sich die an die zu verschweissenden   Flächen    anschliessenden Querschnitte bzw die   Steifigkeiten    der verbundenen Teile stark unterscheiden.



  In solchen Fällen ist es auch   vorteilhaft,    wenn mindestens einer der   bei-    den Teile parallel zur Schweissnaht eine   weitere    Nut mit rundem Nutgrund   aufweist    (Anspruch 6). Eine derartige   örtliche      Querschnittsvermin-      derung    hat bei   Schweissverbindungen      kreissymmetrischer    Teile in einer achsnormalen Ebene, besonders aber bei zylindrischen   Schweissflächen,    die   vorteilhafte    Wirkung, Differenzen des Schrumpfes bzw der   Schrumpfgeschwindigkeit    auszugleichen, ohne jedoch eine   Kerbwirkung      auszuuben.   



  Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und   erläutert.    Es zeigen :
Fig.   1    : Ein erstes   Ausführungsbeispiel    eines   erfindungsgemässen    Bau teiles,
Fig. 2 : Detail II in Fig.   1,      vergrössert,   
Fig. 3 : ein   zweites      Ausführungsbeispiel    eines erfindungsgemässen
Bauteiles,
Fig. 4 : Detail IN-in Fig. 3,   vergrössert.   



  In Fig. l ist das Gehäuse eines Differentiales mit   1    und ein mit diesem zu einem   Bauteil    verbundenes Zahnrad mit 2   bezeichnet.    Das Gehäuse   1     besteht aus weissem   Temperguss,      Stahlguss    oder Sphäroguss, zB GGG 40,50,60 oder   GTW-S38,    das Zahnrad 2 aus Stahl und ist einsatzgehärtet. Das Gehäuse   1      weist    eine erste   achsnormale    zu   verschweissende      Flä-    che 3 auf, an die ein   zylindrischer      Kragen    4 anschliesst, der eine äussere   zylindrische    Passfläche 5 bildet.

   Das   Gehäuse      1    kann an einer Stelle   grö-    sserer   Wandstärke    mit einer parallel zur ersten zu verschweissenden   Fläche    verlaufenden   Umfangsnut    6 versehen sein, die im Querschnitt gerundet ist. Am Zahnrad 2 ist eine in einer Ebene normal zur Achse liegende   zweite    zu verschweissende   Fläche    7 und eine   zylindrische    Passfläche 8 vorgesehen, die auf der   zylindrischen    Passfläche 5 sitzt. Die   zylindrische    Passfläche 8 kann am   Übergang    zur zweiten zu verschweissenden   Fläche    7 zurückgenommen sein, sodass sich eine   Erweiterung    9 bildet.

   Diese erleichtert die   Fertigung    und das   Aufschieben    des Zahnrades auf den Kragen 4 und verbessert erforderlichenfalls die   Durchschweissung    der Wurzel. Mit 18 ist die Drehachse des   Bauteiles    und mit 20 der   Schweisskopf    bezeichnet.



  Fig. 2 zeigt die   beiden    Teile   gefügt    und in zur   Schweissung    vorbereitetem Zustand. Es ist zu erkennen, dass die   zweite    zu verschweissende   Fläche    7 nach innen nur bis zur   Erweiterung    9 reicht. Sie ist zum grösseren Teil abgetragen, sodass die erste   Hälfte    10 einer schmalen Nut entsteht. Der Querschnitt der Nut kann die Form eines Y, U oder V, oder Kombinationen dieser haben. Die bei der   Schweissvorbereitung    hergestellte   Schweiss-    nut hat   idealerweise    einen Querschnitt, der dem der fertigen Schweissnaht    äquidistant ist. In derselben Weise ist die erste zu verschweissende Fläche    bearbeitet.

   Am   Übergang    zur   äusseren      Zylinderfläche    kann eine Rundung oder eine gebrochene Kante 12 vorgesehen sein. In diese schmale U-Nut  10,11 wird   beim      Schweissen    mittels eines   Hochenergiestrahles    (Elektronen-oder Laserstrahl) das Material eines austenitischen   Schweissdrahtes    28   eingeführt,    sodass sich in der U-Nut eine   Schweisse    bildet.



  Wegen des   scharfaebündelten    Strahles und der hohen   Schweissge-      schwindigkeit    werden die   Wände      10,11    der U-Nut nur in geringer Tiefe aufgeschmolzen.   sodass    nur wenig Kohlenstoff aus den   beiden      Teilen    einlegieren kann und sich in der   Schweisse    ein stabiles austenitisches Gefüge bilden kann.

   Die   Schweisse    bildet in   Wandnähe    eine sehr schmale Wärmeeinflusszone mit martensitischem   Gefüge    oder   Zwischenstufen-    Gefuge auf der   Stahlseite    und martensitischem, ledeburitischem oder   Zwischenstufen-Gefüge    auf der   Gussseite.    Die Grenze 13 der   Schweisszo-    ne ist strichliert   eingezeichnet.    Die   Schweissung    findet in einer inerten oder aktiven   Schutzgasatmosphäre    statt.

   Der zugeiührte Schweissdraht 28   enthält    einen mit den   beiden      Grmdwerkstoffen    kompatiblen Zusatzwerkstoff, vorzugsweise einen austenitischen Werkstoff, etwa mit einem Nickelgehalt   von 20 bis 100    %.



  Fig. 3 zeigt einen   anderen      Bauteil,    der wieder aus einem Gehäuse 21 und einem Zahnrad   2'.    hier einem Tellerrad besteht. Die Werkstoffpaarung ist im wesentlichen dieselbe. Der Unterschied gegenüber dem vorherigen   Ausführungsbeispiel    besteht darin, dass die   beiden    zu verschweissenden   Flächen    23,27   Zylinderflächen    sind. Mit 25 und 26 sind wieder runde Nuten   bezeichnet.    die dem   Ausgleich    von Wärmedehnungen dienen sollen.



  Fig. 4 zeigt im Detail die   vorbereitenden      Schweissflächen    23,27 die beide   wieder je    die erste und   zweite      Hälfte    30,31 einer schmalen   U-förmigen     
Nut zeigen, die zur Schweissnahtvorbereitung abgetragen wurden, sodass nur mehr der kleinere Teil der zu verschweissenden   Flächen    gleichzeitig als Passfläche dient. An der Passfläche 27 des Tellerrades 22 kann die ein satzgehärtete Schicht abgetragen sein, was in der   Zeichnung    nicht er  ; kennbar    ist.   

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Verbinden eines Gußteiles (1 :21) mit einem Teil (2;22) aus einsatzgehärtetem Stahl durch Schweissen. dadurch gekennzeichnet, daß
a) an den ansonsten fertig bearbeiteten Teilen ( 1.2:21,22) die zu verschweißenden Flächen (3,7;23,27) zur Schweißvorbereitung zumindest teilweise abgetragen werden, sodaß eine schmale U-Nut, Y-Nut oder V-Nut ( 10, 1 1 ;30,31 ) entsteht,
b) die Teile ( 1.2:21 ,22) sodann aneinandergefügt und unter Zufuhr eines austenitischen Schweißdrahtes (28) mittels eines Hochenergiestrahles verschweißt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Schweißnahtvorbereitung hergestellte Schweißnut einen Querschnitt aufweist, der dem Querschnitt der fertigen Schweißnaht entspricht, insbesondere äquidistant ist. 1 1
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Nut ( 10, 1 1 ;30.31 ) 2/3 bis 7/8 der Schweißtiefe beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der austenitische Schweißdraht (28) mindestens 30 % Nickel enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzschicht bei der Seh weiß Vorbereitung zumindest teilweise abgetragen wird.
6. Bauteil, bestehend aus einem mit einem Teil ( 1 :21) aus Stahlguß, weissem Temperguß oder Sphäroguß verschweissten Teil (2;22) aus einsatzgehärtetem Stahl, wobei die verschweissten Flächen (3,7;23,27) kreisringförmig sind, das nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt ist.
7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Teile ( 1,2;21 ,22) parallel zur Schw eißnaht eine weitere Nut (6;25, 26) mit rundem Nutgrund aufweist.
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