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; EP1087855A1; DE59904169D1; JP2002514511A

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.