-
Die Erfindung betrifft eine Schweißnaht nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Sollen in einem Verbundbauteil Eisenwerkstoffe mittels Schweißen gefügt werden, führt das in der Regel zu einer Einschränkung in der Auswahl der Werkstoffe, die durch den Kohlenstoffgehalt der Eisenwerkstoffe bestimmt ist. Die Grenze für einfach und prozesssicher schweißbare Werkstoffe liegt etwa bei 0,2 Gewichtsprozent (Gew.-%) bis 0,3 Gew.-% Kohlenstoff. Stärker kohlenstoffhaltige Stähle und Gusseisenwerkstoffe härten unter normalen Schweißverfahren wie E-, MIG- oder MAG-Schweißverfahren auf, was zu einer erhöhten Rissbildung und einem daraus resultierenden Festigkeitsverlust der Schweißnaht führt.
-
In der
DE 10 2005 057 317 A1 ist ein, an sich schon vorteilhaftes Verfahren zum Schweißen von Eisenwerkstoffen mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt beschrieben.
-
Des Weiteren offenbart die
US 2006/0237412 A1 Schweißgutzusammensetzungen, die zu verbesserten mechanischen Eigenschaften beim Schweißen von Gusseisen führen sollen. Die
US 4 534 793 A offenbart Materialien und ein Verfahren zum Schweißen von Gusseisen. Aus der
US 3 466 422 A ist eine Bogenschweißelektrode bekannt.
-
Die
GB 1 154 269 A offenbart ebenfalls Bogenschweißelektroden. Der
DE 10 2007 018 702 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Laserschweißverbindung als bekannt zu entnehmen. Die
DE 10 2005 057 317 A1 offenbart ein Verfahren zum Laserschweißen von metallischen Werkstoffen. Außerdem ist aus der
US 3 556 777 A ein Schweißgut bekannt.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften einer Schweißnaht beim Verschweißen von Eisenwerkstoffen mit einem höherem Kohlenstoffanteil herbeizuführen, wobei gleichzeitig die Prozesskosten gesenkt werden sollen.
-
Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Schweißnaht mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
-
Die Schweißnaht nach Patenanspruch 1 befindet sich zwischen zwei Eisenwerkstoffen, wobei mindestens einer dieser Werkstoffe einen Kohlenstoffanteil von mehr als 0,3 Gew.-% aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass eine gezielte Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes in der Schweißnaht auf einen Wert zwischen 1 Gew.-% und 2 Gew.-% einen besonders guten Kompromiss zwischen einerseits einer möglichst geringen Härte und einer möglichst hohen Duktilität bewirkt. Der Kohlenstoffanteil in der Schweißnaht liegt dabei bevorzugt zwischen 1,25 Gew.-% und 1,75 Gew.-%, und weiter bevorzugt zwischen 1,4 Gew.-% und 1,6 Gew.-% ganz besonders bevorzugt bei 1,5 Gew.-%, wobei eine technische Ungenauigkeit bei der Darstellung der Schweißnaht von 0,2 Gew.-% berücksichtigt werden muss.
-
Gegenüber Sonderschweißverfahren (z. B. Hybrid-Verfahren) ist die durch den Anspruch 1 beschriebene Schweißnaht mit geringem Energieaufwand herstellbar, sie ist umweltverträglich, da auf nickelhaltige Zusatzwerkstoffe verzichtet werden kann und sie ist durch eine technisch verhältnismäßig einfache Prozessführung darstellbar.
-
Des Weiteren ist es vorgesehen, dass die Schweißnaht einen Zusatzwerkstoff aufweist, der vom Kohlenstoffgehalt in Gewichtsprozent derart auf die zu schweißenden Werkstoffe abgestimmt ist, dass das arithmetische Mittel zwischen dem Kohlenstoffgehalt der zu schweißenden Werkstoffe und des Zusatzwerkstoffes in dem Konzentrationsintervall von 1 Gew.-% und 2 Gew.-% Kohlenstoff liegt, wobei der Zusatzwerkstoff in Form einer Folie beigefügt ist.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform weist die Schweißnaht zumindest teilweise ein austenitisches Gefüge auf. Unter austenitischen Gefüge versteht γ-Mischkristalle im Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm. Diese Mischkristalle entstehen beispielsweise bei der Abschreckung des Werkstoffes aus einer Temperatur von über 1000° C. Austenitisches Gefüge weist zwar eine niedrige Streckgrenze aber auch eine hohe Zähigkeit auf. In der Schweißnaht sind bevorzugt zumindest Reste eines austenitischen Gefüges (Restaustenit) vorhanden, die für die hohe Zähigkeit der Schweißnaht sorgen.
-
Die Schweißnaht ist hierbei relativ schmal ausgestaltet, nämlich 0,5 mm und 2 mm, bevorzugt bis 1,1 mm. Durch eine derart schmale Schweißnaht wird eine häufig erhöhte Härte in einer Übergangszone vom Werkstoff zur Schweißnaht kompensiert.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zweier Bauteile, welche über eine oben beschriebene Schweißnaht verbindbar sind. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, jeweils eine Kante jedes Bauteils im Stoßbereich zwischen den Bauteilen, also dort wo die Schweißnaht zwischen den Bauteilen angebracht werden soll, in einem Winkel von 45° abzufasen. Die Breite des abgefasten Bereiches beträgt dabei idealerweise 0,2 bis 0,4 mm. Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, den Zusatzstoff in Form der Folie in diesen Stoßbereich zwischen das erste und das zweite Bauteil einzulegen, wobei dieser Zusatzstoff in Form einer Folie um 0,4 bis 0,6 mm über eine Oberfläche zumindest eines Bauteils und um 0,6 bis 1 mm von einer Unterkante eines abgefasten Bereiches zumindest eines Bauteils übersteht. Durch eine solche Anordnung wird der Einsatz der Vorrichtung zur Regelung von Schweißparametern beim Laserstrahlschweißen, wie sie in der
DE 19716293 A1 offenbart ist, ermöglicht. Genannte Offenlegungsschrift soll hier als vollumfänglich mitoffenbart gelten. Die angegebenen Werte für den Überstand des folienförmigen Zusatzwerkstoffes sind durch die Detektierbarkeit des Werkstoffes in genanntem Regelungsverfahren eingegrenzt. Die Untergrenze wird dabei gebildet durch die Erkennbarkeit des Zusatzwerkstoffes, die Obergrenze durch mögliche Tropfenbildung durch Wärmestau. Insbesondere wird so eine Fokuslagenregelung, sowie eine Durchschweißregelung ermöglicht.
-
Im Weiteren sei auf einzelne, exemplarische Ausgestaltungsformen der Erfindung näher eingegangen. Dabei zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch eine Schweißnaht, wobei 1 kein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel zeigt, und
- 2 einen Querschnitt durch eine Schweißnaht unter Verwendung einer Folie als Zusatzwerkstoff.
- 3 einen Querschnitt durch eine Anordnung zweier Bauteile mit einem im Stoßbereich eingefügten folienförmigen Zusatzwerkstoff, welche über eine erfindungsgemäße Schweißnaht verbindbar sind.
-
Beispiel 1, Verschweißen von Gusseisen mit einem Vergütungsstahl:
-
Beim Verschweißen eines Gusseisen-Werkstoffes 4, 4' mit einem Vergütungsstahl 6 gemäß 1 liegen beispielsweise folgende Kohlenstoffgehalte in Gew.-% in den Werkstoffen vor:
- Gusseisen, GGG 60: 3,2 Gew.-% Kohlenstoff (C)
- Vergütungsstahl C 45: 0,45 Gew.-% C
- Es wird kein Zusatzwerkstoff eingesetzt.
- (Bei dieser und bei den folgenden Berechnungen des Kohlenstoffgehaltes wird stets idealisierend davon ausgegangen, dass von jedem Werkstoff dasselbe Volumen in die Schweißnaht eingeht.)
-
Daraus ergibt sich als arithmetisches Mittel ein Kohlenstoffgehalt (Gew.-%) in der Schweißnaht, von
-
Dieser Kohlenstoffgehalt von 1,85 Gew.-% liegt zwar im gewünschten Intervall von 1 Gew.-% bis 2 Gew.-%, ganz besonders vorteilhaft ist jedoch der Bereich von etwa 1,5 Gew.-%. Um diesen Kohlenstoffgehalt von 1,5 Gew.-% einzustellen, ist es zweckmäßig, einen Versatz der Schweißnaht in den Bereich des Vergütungsstahles durchzuführen. Hierdurch wird dem Schweißgut weniger als 50 Volumen % an Gusswerkstoff und mehr als 50 Volumen % Vergütungsstahl zugeführt, was eine Reduktion des Kohlenstoffgehaltes in der Schweißnaht zur Folge hat. Eine derartige Technik ist bereits in der eingangs zitierten Schrift beschrieben.
-
Die Schweißnaht 2 ist hierbei sehr schmal, sie beträgt gemäß 1 in einem unteren Bereich etwa 0,5 mm und in einem oberen Bereich etwa 1,1 mm. Hierbei verjüngt sich die Schweißnaht von einer Oberseite 18 zu einer Unterseite 20. Eine derartige Schweißnaht kann bevorzugt durch ein Laserschweißverfahren erzielt werden. Weiter mögliche Schweißverfahren sind das Elektronenstrahlschweißen, das Plasmaschweißen, aber grundsätzlich auch Hybridschweißverfahren sowie MAG, MIG oder WIG-Verfahren.
-
Die Schweißnaht wird nach dem Schweißen aus einer Temperatur von Oberhalb 1000° C schnell abgeschreckt, wodurch in der Schweißnaht ein austenitisches Gefüge erhalten bleibt. Dieses Restaustenit mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 1,5 Gew.-% weist eine - für ein Gefüge mit diesem Kohlenstoffgehalt - hohe Duktilität auf, wobei die Härte vergleichsweise gering ausfällt. Die Kombination aus niedriger Härte und hoher Duktilität in Verbindung mit der sehr schmalen Schweißnaht führt dazu, dass die Schweißnaht auch dynamischen Beanspruchungen gut widerstehen kann.
-
Beispiel 2, Schweißen von Gusseisen und Baustahl:
-
Dieses Beispiel entspricht dem Beispiel 1 in den wesentlichen Parametern. Lediglich der Kohlenstoffanteil im Stahl ist mit 0,25 Gew.-% geringer als im Vergütungsstahl. Für die Kohlenstoffkonzentrationen in der Schweißnaht ergibt sich dann wie folgt:
- Gusseisen, GGG 60: 3,2 Gew.-% C
- Stahl 25 Mo CR 4: 0,25 Gew.-% C
- Es wird kein Zusatzwerkstoff eingesetzt.
-
Daraus ergibt sich als arithmetisches Mittel ein Kohlenstoffgehalt (Gew.-%) in der Schweißnaht, von
-
Auch in diesem Beispiel ist ein Nahtversatz in den Bereich des Stahles zweckmäßig, um den Kohlenstoffanteil in der Schweißnaht weiter auf 1,5 Gew.-% zu reduzieren. Auch hier erfolgt ein Abschrecken zur Erzielung des vorteilhaften austenitischen Gefüges. Die mechanischen Eigenschaften dieser Schweißnaht sind analog der aus dem Beispiel 1 und basieren auf denselben mechanischen Eigenschaften. Eine weitere mögliche Werkstoffkombination zu diesem Beispiel ist GGG50 und 20MoCr4E.
-
Den Beispielen 1 und 2 ist es gemeinsam, dass bei diesen Schweißnähten kein Zusatzwerkstoff zum Einsatz kommt. Der gewünschte Kohlenstoffgehalt der Schweißnaht in Kombination des vorteilhaften austenitischen Gefüges lässt sich aus den zu verschweißenden Werkstoffen durch den gezielten Versatz der Schweißnaht (Nahtpositionierungsverfahren) erzielen.
-
Beabsichtigt man jedoch zwei Vergütungsstähle miteinander zu verschweißen, kann die Korrektur durch die Nahtpositionierung jedoch nicht zum Erfolg führen, da keiner der zu verschweißenden Werkstoffe die gewünschten 1,5 Gew.-% an Kohlenstoff aufweist. In diesem Fall ist ein Zusatzwerkstoff zum Verschweißen erforderlich. Dies ist im folgenden Beispiel erläutert.
-
Beispiel 3, Verschweißen von zwei Vergütungsstählen:
-
- Vergütungsstahl C 45: 0,45 Gew.-% C
- Zusatzwerkstoff (Folie): 2,6 Gew.-% C
-
Daraus ergibt sich als arithmetische Mittel ein Kohlenstoffgehalt (Gew.-%) in der Schweißnaht, von
-
Zur Darstellung einer derartigen Schweißnaht 14 wird eine Folie 16 gemäß 2 als Zusatzwerkstoff zwischen die zu verschweißenden Werkstücke 8 und 10 aus Vergütungsstahl gelegt. Die Folie weist einen genau auf den Kohlenstoffgehalt der zu verschweißenden Vergütungsstähle abgestimmten Kohlenstoffgehalt von hier 2,55 Gew.-% auf, um zu dem bevorzugten Kohlenstoffgehalt von 1,5 Gew.-% in der Schweißnaht zu gelangen. Sollten andere Vergütungsstähle mit geringfügig variierenden Kohlenstoffgehalten verschweißt werden oder sollte gegebenenfalls ein anderer Wert als 1,5 Gew.-% aus dem vorteilhaften Intervall von 1 Gew.-% bis 2 Gew.-% Kohlenstoffgehalt angestrebt werden, so wird der Kohlenstoffgehalt der Folien entsprechend angepasst.
-
Alternativ zu dem hier verwendeten Zusatzwerkstoff in Folienform mit 2,6 Gew.-% C kann in einem weitern Ausführungsbeispiel für diese Werkstoffkombination Vergütungsstahl C45 - Vergütungsstahl C45 auch ein Zusatzwerkstoff aus GJS (Gusseisen mit Kugelgraphit) mit einem höheren Kohlenstoffgehalt (3,4 - 3,8 Gew.-% C) gewählt werden, der insgesamt einen höheren Kohlenstoffgehalt in der Schweißnaht bewirkt. Die Dicke der Folie ist dabei variabel und kann beispielsweise in der Größenordnung von 0,3 - 0,4 mm liegen.
-
Im Weiteren entspricht die Schweißnaht 14 nach Beispiel 3 der Schweißnaht 2 gemäß der 1 (Beispiele 1 und 2). Auch hier wird mit denselben mechanischen Resultaten ein schnelles Abschrecken bewirkt, was zu einem zumindest teilweisen austenitischen Gefüge führt. Die Wirkung dieses Gefüges wurde bereits unter Beispiel 1 näher erläutert. Das Gleiche gilt für die Schweißverfahren, die ebenfalls bereits zu den Beispielen 1 und 2 genannt sind.
-
Neben den in den Ausführungsbeispielen dargestellten Nahtbreiten von wenigstens 0,5 mm wird es durch den Einsatz neuer Lasertechnologien, insbesondere die Einführung der Single-Mode-Laser, möglich, den Laser immer stärker und schärfer zu fokussieren. Bei diesen Lasern werden 5kW Strahlleistung in Lichtleitfasern mit einem Durchmesser von 0,05 mm eingeführt. So ist es denkbar, mit dieser Technologie auch deutlich schmalere Nahtbreiten im Bereich von 0,2mm zu realisieren.
-
Allgemein müssen beim Durchführen des Verfahrens immer sämtliche Parameter
- - Nahtquerschnitt und
- - Kohlenstoffgehalte sowie
- - Volumina der beteiligten Komponenten
aufeinander abgestimmt werden.
-
In diesem Beispiel wurde als Zusatzwerkstoff die Verwendung einer Folie beschrieben. Es ist jedoch auch zweckmäßig, den Zusatzwerkstoff in anderer Form, beispielsweise durch eine vorher auf die Werkstücke aufgebrachte Spritzschicht (Plasmaspritzschicht oder Lichtbogendrahtspritzschicht) aufzubringen. Ferner ist es bei verschiedenen Werkstücken zweckmäßig, den Zusatzwerkstoff durch einen Draht mit dem gewünschten Kohlenstoffgehalt kontinuierlich dem Schweißprozess zuzufügen. Das Gleiche kann auch durch ein zugefügtes, auf den genauen Kohlenstoffgehalt eingestelltes Eispulver erfolgen.
-
3 zeigt schließlich eine Anordnung eines ersten Bauteils 100 und eines zweiten Bauteils 102, welche über eine oben beschriebene Schweißnaht verbindbar sind. Im Stoßbereich 104 zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil 100, 102 ist ein Zusatzwerkstoff 106 in Form einer Folie eingelegt. Die Dicke d1 des Zusatzwerkstoffes, und damit der Spaltabstand zwischen den Bauteilen 100, 102 soll hier d1 gleich 0,4 mm betragen. Der Kantenbereich 108 des ersten Bauteils 100 sowie der Kantenbereich 110 des zweiten Bauteils 102 sind dabei in einem Winkel α = 45° abgefast. Die Breite des abgefasten Bereiches d4 des ersten Bauteils 100 beträgt dabei 0,2 mm, die Breite d5 des abgefasten Bereiches 110 des zweiten Bauteils 102 0,4 mm.
-
Die Folie 106 erstreckt sich über die Oberfläche 112 des zweiten Bauteils 102 um eine Länge D2 hinaus, wobei dieser Überstand idealerweise 0,4 bis 0,6 mm betragen soll. Der Überstand d3 der Folie 106 über die Unterkante 114 des abgefasten Bereiches 110 des Bauteils 102, also des tiefer abgefasten Teiles, bewegt sich idealerweise in einem Längenbereich von 0,6 bis 1 mm.
-
Durch eine derartige Werkstückgeometrie wird wie bereits eingangs beschrieben der Einsatz einer Vorrichtung zur Regelung von Schweißparametern nach der
DE 19716293 A1 ermöglicht. Durch Einsatz einer CCT-Kamera und Auswertung der Schmelzbadgeometrie beim Verschweißen der in
3 gezeigten Anordnung ist es durch eine solche Vorrichtung ermöglicht, die Schweißnahtqualität, insbesondere die Nahtposition, die Fokuslage eines Laserstrahls, sowie die Durchschweißtiefe überwachen und gegebenenfalls regeln.
-
Als zu verschweißende Bauteile sind u. a. Getriebeteile, Wellen, wie Nockenwellen oder Kurbelwellen, sowie Fahrwerkskomponenten, Motorteile sowie Karosserieteile geeignet.