WO1999058287A1

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

Info

Publication number: WO1999058287A1
Application number: PCT/AT1999/000117
Authority: WO
Inventors: Oskar Kehrer
Original assignee: Steyr-Daimler-Puch Fahrzeugtechnik Ag & Co. Kg
Priority date: 1998-05-12
Filing date: 1999-05-12
Publication date: 1999-11-18
Also published as: US6589671B1; EP1087855B1; JP2002514511A; EP1087855A1; DE59904169D1

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 Fertigungstechnik sehr erwünscht, weil eine Anordnung häufig unterschiedlichen Anforderungen genügen muß, die mit einem einzigen Material nicht erreichbar sind. Dann müssen für einzelne Elemente eines Bauteiles ver- schiedene 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 Grundgefüge ist dadurch blindgehärtet, was zwar hohe Festigkeit, aber sehr geringe Zä- 2 higkeit und Bruchdehnung, verglichen mit normal geglühtem Stahl mit ferritisch-perlitischem Gefüge, bedeutet. Die Gußteile bestehen vorzugsweise aus Stahlguß, weissem Temperguß oder Sphäroguß, ihr Kohlenstoffgehalt beträgt meist über 2 %.

Üblicherweise werden solche Teile mittels hochfester Schrauben verbunden. Solche Schraub Verbindungen 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 repro- duzierbar herzustellen sein.

Aus der EP 277 712 A ist ein aus zwei miteinander verschweißten Metallteilen 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 verschweißt. 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 m der Tiefe nur mehr schwach ist. Das eigentliche Problem ist somit schon m dem einfachen Fall, in dem nur einer der Teile aus einem schwer schweißbaren Werkstoff besteht, nicht gelost: die Be- herrschung des Kohlenstoffes und die Herstellung einer über die gesamte Schweißnaht rißsicheren Verbindung. Letztere ist aber zur Übertragung großer Kräfte sehr w ichtig.

Es ist daher Ziel der Erfindung, eine den Belastungs- und Werkstoffver- hältnissen gewachsene und seriensichere Schweißverbindung solcher Bauteile zu ermöglichen. Das wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht. Es besteht dann, daß an den ansonsten fertig bearbeiteten Teilen die zu \ erbindenden 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 Zufuhr eines austenitischen Schweißdrahtes mittels eines Hochenergiestrah- les verschweißt \ \ erden.

Dadurch, daß sich die beim Schweissen mit Hochenergiestrahl (z.B. La- ser oder Elektronenstrahl) unubliche Schweißnahtvorbereitung wie für eine schmale U-Naht, Y-Naht oder V-Naht oder deren Mischformen über einen größeren Teil der zu verschweißenden Flächen erstreckt, wird ein 4

Raum geschaffen, m dem viel von dem Material des zugeführten Schweißdrahtes emlegiert 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 m die Schweiße einlegieren, zumal sich der wenige Kohlenstoff über das Volumen des Raumes verteilt. Dadurch bleibt m der Schweißzone und auf deren beiden Seiten das Gefüge großteils erhalten. In dem Raum bildet sich aus dem zugefuhrten Schweißdraht eine austemtische Schweiße, die mit den beiden Grund- Werkstoffen kompatibel ist. Dadurch entsteht eine πßsichere Schweißnaht hoher Dauerfestigkeit, bei guter Reproduzierbarkeit trotz in der Praxis auftretender chargenbedingter Schwankungen.

Da bei einem Hochenergiestrahl die auf die Länge der Schweißnaht be- zogene zugeführte 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 v. esenthch schmaler als bei einer konventionellen Lichtbogenschweißnaht) bietet weiters den Vorteil, emer- seits 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 5 der schlecht verschweißbaren Grundwerkstoffe wird so durch einen mit beiden Grundwerkstoffen kompatiblen Zusatzwerkstoff ersetzt.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsweise sind besonders hoch belastbare Verbindungen herstellbar. Sie besteht darin, daß die bei der Schweißnahtvorbereitung hergestellte Schweißnut einen Querschnitt aufweist, der dem Querschnitt der fertigen Schweißnaht entspricht, insbesondere äqui- distant 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 Schweissen mit Hochenergiestrahl sehr hohen Abkühlungsgeschwindigkeit ein austenitisches Gefüge spontan ausbildet, er kann aber auch durch Legierungselemente von vornherein austenitisch sein. Vorteilhafterweise enthält 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. 6

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 Einsatz- verfahren 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 Querschnitts Verminderung hat bei Schweißverbindungen kxeissymmetrischer Teile in einer achsnormalen Ebene, besonders aber bei zylindrischen Schweißflächen, die vorteilhafte Wirkung, Differenzen des Schrumpfes bzw der Schrumpfgeschwindigkeit auszugleichen, ohne jedoch eine Kerbwirkung auszuüben.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es zeigen: Fig.1 : Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteiles, Fig.2: Detail II in Fig.1 , vergrößert,

Fig.3: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteiles. Fig.4: Detail IV in Fig.3, vergrößert.

In Fig.1 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 Fläche 3 auf, an die ein zylindrischer Kragen 4 anschließt, der eine äussere zylindrische Paßfläche 5 bildet. Das Gehäuse 1 kann an einer Stelle größerer 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 zylindπsche 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 Wur- zel. 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 Schweißnut 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 8

10,1 1 wird beim Schweißen mittels eines Hochenergiestrahles (Elektronen- oder Laserstrahl) das Material eines austenitischen Schweißdrahtes 28 eingeführt, sodaß sich m der U-Nut eine Schweiße bildet.

Wegen des scharfgebündelten Strahles und der hohen Schweißge- schwmdigkeit werden die Wände 10.1 1 der U-Nut nur m geringer Tiefe aufgeschmolzen, sodaß nur wenig Kohlenstoff aus den beiden Teilen emlegieren kann und sich in der Schweiße ein stabiles austenitisches Gefüge bilden kann. Die Schweiße bildet m Wandnähe eine sehr schmale Wärmeeinflußzone mit martensitischem Gefüge oder Zwischenstufen- Gefuge auf der Stahlseite und martensitischem, ledebuπtischem oder Zwischenstufen-Gefuge auf der Gußseite. Die Grenze 13 der Schweißzone ist stπchhert eingezeichnet. Die Schweißung findet m einer inerten oder aktiven Schutzgasatmosphäre statt. Der zugefuhrte Schweißdraht 28 enthält einen mit den beiden Grundwerkstoffen kompatiblen Zusatzwerkstoff, vorzugsw eise 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 22. hier einem Tellerrad besteht. Die Werkstoffpaarung ist im wesentlichen dieselbe. Der Unterschied gegenüber dem vorherigen Ausf hrungsbeispiel besteht dann, daß die beiden zu verschweißenden Flächen 23,27 Z\ linderflächen sind. Mit 25 und 26 sind wieder runde Nuten bezeichnet, die dem Ausgleich von Wärmedehnungen dienen sol- len.

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 9

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 einsatzgehärtete 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.