DE102020106476A1

DE102020106476A1 - SCHWEIßEN VON UNGLEICHEN MATERIALIEN MIT MERKMALEN IN DER ANLAGEFLÄCHE

Info

Publication number: DE102020106476A1
Application number: DE102020106476.4A
Authority: DE
Inventors: Huaxin Li; Jahnavi Narkar; Craig D. Reynolds
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2020-10-15
Also published as: US20200324358A1

Abstract

Ein Verfahren zum Widerstandsschweißen erster und zweiter Teile, die aus unähnlichen Materialien gebildet sind, beinhaltet das Anordnen einer ersten Elektrode auf einer Seite des ersten Teils und einer zweiten Elektrode auf einer Seite des zweiten Teils. In einer Anlage-Fläche des zweiten Teils werden durch erhöhte Teile getrennte Rillen gebildet. Über den Elektrodensatz wird Druck auf das erste und zweite Teil ausgeübt, und die Teile werden über die Elektroden erhitzt, um eine Verbindung zwischen den Teilen herzustellen. Eine geschweißte Baugruppe besteht aus einem ersten und einem zweiten metallischen Teil, die miteinander verschweißt sind. Der zweite Teil kann eine Anlage-Fläche haben, die eine Anzahl von Rillen definiert, die durch erhöhte Teile getrennt sind. Die Anlage-Flächen der Teile können in einem Winkel von 10-80 Grad zu einer ersten Teileachse (und/oder einer Schweißdruckachse) angeordnet werden.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Der technische Bereich dieser Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf das Widerstandsschweißen von ungleichen Materialien.
EINLEITUNG
Das Ringschweißen mit kapazitiver Entladung (CDRR) ist ein bekanntes Fügeverfahren, das auf dem Widerstand gegen den Fluss eines elektrischen Stroms durch überlappende Metallwerkstücke und über ihre Anlage-Fläche(n) beruht, um die zum Schweißen erforderliche Wärme zu erzeugen. Zur Durchführung eines solchen Schweißprozesses wird ein Satz von gegenüberliegenden Schweißelektroden an ausgerichteten Ringen auf gegenüberliegenden Seiten des Werkstückstapels eingespannt. Der elektrische Strom wird dann durch die Metallwerkstücke von einer Schweißelektrode zur anderen geleitet. Der Widerstand gegen den Fluss dieses elektrischen Stroms erzeugt Wärme innerhalb der Metallwerkstücke und an ihrer (ihren) Schnittstelle(n). Wenn der Werkstückstapel ähnliche Metallwerkstücke -enthält, wie z.B. zwei oder mehr überlappende Stahlwerkstücke, erzeugt die erzeugte Wärme eine geschmolzene Schicht an der/den Schicht-Grenzfläche(n) und erstreckt sich somit durch alle oder einen Teil jedes gestapelten Metallwerkstücks. In dieser Hinsicht trägt jedes der ähnlich zusammengesetzten Metallwerkstücke Material zur kommenden geschmolzenen Schweißschicht bei. Nach Beendigung des Durchgangs von elektrischem Strom durch den Werkstückstapel werden die Werkstücke zusammengepresst und die geschmolzene Schweißschicht erstarrt zu einer Schweißverbindung, die die benachbarten Metallwerkstücke miteinander verschweißt.
Das CDRR-Schweißverfahren (Capacitive Discharge Resistance Ring) verläuft etwas anders, wenn der Werkstückstapel unterschiedliche Metallwerkstücke enthält. Vor allem dann, wenn der Werkstückstapel ein Aluminium- und ein Stahlwerkstück umfasst, die sich überlappen und einander gegenüberliegen, um eine Anlage-Grenzfläche zu bilden, erzeugt die Wärme, die innerhalb des Schüttgutmaterials und an der Anlage-Grenzfläche des Aluminium- und Stahlwerkstücks erzeugt wird, eine geschmolzene Schweißschicht innerhalb des Aluminiumwerkstücks. Die Anlage-Fläche des Stahlwerkstücks bleibt fest und intakt, und folglich schmilzt das Stahlwerkstück aufgrund seines viel höheren Schmelzpunkts nicht und verbindet sich nicht mit der geschmolzenen Schweißschicht, obwohl Elemente aus dem Stahlwerkstück, wie z.B. Eisen, in die geschmolzene Schweißschicht diffundieren können. Diese geschmolzene Schweißschicht benetzt die gegenüberliegende Anlage-Fläche des Stahlwerkstücks und erstarrt nach Beendigung des Stromflusses zu einer Schweißverbindung, die die beiden unterschiedlichen Werkstücke miteinander verbindet oder verlötet.
Das CDRR-Schweißverfahren für die verschiedenen Kombinationen von Metallwerkstücken, die sich in einem Werkstückstapel befinden können, stellt jedoch gewisse Herausforderungen dar. Zum Beispiel sind die Schmelzbereiche für Aluminiumlegierungen und Stahlwerkstoffe sehr unterschiedlich, d.h. sie liegen etwa 900°C auseinander, was dazu führt, dass Aluminium schmilzt, während der Stahl fest bleibt und an der Fügestelle eine Erstarrungsporosität erzeugen kann, die die Verbindung schwächt. Darüber hinaus bilden Aluminium und Stahl eine Reihe spröder intermetallischer Verbindungen an der Grenzfläche, die, wenn sie zu dick sind, die Verbindung schwächen können.
Darüber hinaus werden Stahl-Zahnräder oft aufgekohlt, um die Oberflächen der Stahl-Zahnräder zu härten, um ein Zahnrad herzustellen, das den Anforderungen an die Haltbarkeit bei Anwendungen in Automobilantrieben gerecht wird. Um die intermetallischen Verbindungen an den Trennflächen einer Stahl-Aluminium-Schweißverbindung zu reduzieren, wird aufgekohlter Stahl in der Regel vor dem Schweißen entkohlt. Die Entkohlung ist jedoch teuer.
Diese Herausforderungen machen die Herstellung starker Verbindungen schwierig, teuer und zeitaufwendig. Dementsprechend sind Fortschritte beim Schweißen von unähnlichen Materialien wünschenswert.
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung bietet eine Möglichkeit, aufgekohlte Stahlteile solide mit Aluminiumteilen zu verschweißen, ohne die Stahlteile zu entkohlen. Es können Rillen in die Anlage-Fläche des Stahls geformt werden, um eine größere Stromdichte auf der Stahlseite zu erreichen, was zu einer Aluminium-Stahl-Schweißverbindung führt, die die Materialien miteinander verschweißt, ohne das Aluminiumteil übermäßig zu schmelzen und spröde intermetallische Materialien zu bilden. Die Anlage-Flächen der Stahl- und Aluminiumteile können auch in einem Winkel zur Schweißdruckachse oder zu den Achsen der Teile angeordnet werden, was ebenfalls die Bildung von intermetallischen Materialien an der Grenzfläche während eines Widerstandsschweißprozesses reduziert.
In einer Form, die mit den anderen hier vorgestellten Formen kombiniert oder von ihnen getrennt werden kann, umfasst ein Verfahren zum Widerstandsschweißen die Bereitstellung eines ersten und zweiten metallischen Teils, wobei der erste und zweite Teil aus unterschiedlichen Materialien gebildet wird. Der zweite Teil hat eine Anlage-Fläche, die eine Anzahl von Rillen definiert, wobei die Rillen durch erhöhte Abschnitte getrennt sind. Das Verfahren umfasst die Bereitstellung eines Satzes von Gegenschweiß-Elektroden, wobei der Satz von Gegenschweiß-Elektroden eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst. Die erste Elektrode ist auf einer Seite des ersten Teils angeordnet, und die zweite Elektrode ist auf einer Seite des zweiten Teils angeordnet. Das Verfahren umfasst ferner das Aufbringen von Druck auf das erste und zweite Teil über den Elektrodensatz und die Erwärmung des ersten und zweiten Teils über die Elektroden, um eine Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Teil zu bilden.
In einer anderen Form, die mit den anderen hier vorgesehenen Formen kombiniert oder von ihnen getrennt werden kann, ist eine Ring- oder Punktgeschweißte Baugruppe vorgesehen, die ein erstes Teil aus Metall und ein zweites Teil aus Metall umfasst, das mit dem ersten Teil durch eine Reihe von Schweißverbindungen verschweißt ist. Der erste und der zweite Teil bestehen aus unterschiedlichen Materialien. Der zweite Teil hat eine Anlage-Fläche, die eine Anzahl von Rillen definiert, wobei die Rillen durch erhöhte Abschnitte getrennt sind.
In einer weiteren Form, die mit den anderen hier vorgestellten Formen kombiniert oder davon getrennt werden kann, umfasst ein Ring oder eine punktgeschweißte Baugruppe ein metallisches erstes Teil, das eine Achse des ersten Teils definiert und eine erste Anlage-Fläche aufweist, und ein metallisches zweites Teil, das eine Achse des zweiten Teils definiert und eine zweite Anlage-Fläche aufweist. Die erste und zweite Achse stehen senkrecht zueinander. Das erste und der zweite Teil bestehen aus unterschiedlichen Materialien. Das erste und das zweite Teil werden durch eine Reihe von Schweißverbindungen miteinander verschweißt. Die erste Anlage-Fläche wird durch die Schweißverbindungen mit der zweiten Anlage-Fläche verbunden. Die erste Anlage-Fläche ist in einem Winkel zur Achse des ersten Teils angeordnet, und die zweite Anlage-Fläche ist in einem Winkel zur Achse des ersten Teils angeordnet, wobei der Winkel im Bereich von 10 Grad bis 80 Grad liegt.
Zusätzliche Funktionen oder Aspekte können optional angeboten werden. Zum Beispiel kann der zweite Teil aus einer Stahllegierung und/oder der erste Teil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet werden. Der erste Teil kann als Aluminium-Nabe und der zweite Teil als Stahl-Zahnrad ausgeführt werden.
In einem anderen Aspekt kann der zweite Teil, der aus der Stahllegierung gebildet wird, so aufgekohlt werden, dass er auf der Anlage-Oberfläche mehr Kohlenstoff enthält als in der Mitte des zweiten Teils. Der Schritt der Anwendung von Druck und Wärme zur Bildung der Verbindung kann durchgeführt werden, ohne die Stahllegierung des zweiten Teils zu entkohlen.
In einem weiteren Aspekt kann der Schritt der Erwärmung des ersten und zweiten Teils über die Elektroden den Einsatz eines kapazitiven Entladungsschweißverfahrens beinhalten. Der Schritt der Druckausübung kann die Ausübung von Druck in axialer Richtung entlang einer Druckachse beinhalten.
Noch ein weiterer Aspekt ist, dass jeder erhöhte Teil vor dem Schritt der Druckausübung eine Anfangshöhe haben kann, und der Schritt der Druckausübung kann das zumindest teilweise Zusammendrücken der erhöhten Teile auf eine Endhöhe beinhalten, die kleiner als die Anfangshöhe ist. Die fertige Höhe der erhöhten Teile kann kleiner oder gleich 70% der Ausgangshöhe sein.
In einem weiteren Aspekt kann das erste Teil eine Anlage-Fläche in einer Anlage-Ebene definieren, wobei die Anlage-Ebene in einem Winkel zur Druckachse angeordnet ist. Der Winkel kann im Bereich von 10 Grad bis 80 Grad oder im Bereich von 30 Grad bis 60 Grad liegen. Die Anlage-Fläche des ersten Teils berührt zumindest die erhöhten Teile der Anlage-Fläche des zweiten Teils. Bei Variationen, die eine Nabe und ein Zahnrad umfassen, kann die Nabe eine radiale Ebene definieren, die sich entlang eines Radius der Nabe erstreckt, und die Nabe kann eine Anlage-Fläche haben, die sich entlang einer Anlage-Ebene erstreckt, die in einem Winkel zwischen 10 und 80 Grad oder zwischen 30 und 60 Grad in Bezug auf die radiale Ebene angeordnet ist. Die Anlage-Fläche der Nabe berührt mindestens einen Teil der Anlage-Fläche des Stahl-Zahnrads. Das Stahl-Zahnrad kann eine Drehachse definieren. Die Anlage-Fläche des Stahl-Zahnrads kann in einem ersten Winkel zur Drehachse und die Anlage-Fläche der Nabe in einem zweiten Winkel zur Drehachse angeordnet werden. Der erste und der zweite Winkel können jeweils im Bereich von 10 bis 80 Grad oder im Bereich von 30 bis 60 Grad liegen.
Die oben genannten und andere Vorteile und Merkmale werden den Fachleuten aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Figuren ersichtlich.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Figuren dienen nur zur Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Mehrkomponenten-Baugruppe mit einer Nabe und einem Zahnrad zeigt, wobei Nabe und Zahnrad durch Schweißnähte gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung miteinander verbunden sind;
2 ist eine Querschnittsansicht der Mehrkomponentenversammlung von 1, entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der Mehrkomponenten-Baugruppe von 1-2, aufgenommen entlang des Schnittes 3 in 2, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
4 ist eine weiter vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils der Mehrkomponenten-Baugruppe von 1-3, aufgenommen entlang des Schnittes 4 in 3, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
5 ist ein Blockdiagramm, das ein Verfahren des Ringschweißen mit kapazitiver Entladung (CDRR) veranschaulicht, das zum Schweißen der in 1-4 dargestellten Mehrkomponenten-Baugruppe gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann;
6A ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil des Zahnrads und der Nabe von 1-4 zeigt, wobei das Zahnrad und die Nabe, wie in 5 gezeigt, vor der Durchführung eines Schweißvorgangs gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung nebeneinander angeordnet sind;
6B ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil des Zahnrads und der Nabe von 1-4 und 6A zeigt, einschließlich eines Elektrodenpaars, das die Außenseiten von Zahnrad und Nabe berührt, um den Schweißvorgang von 5 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung durchzuführen;
6C ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil des Zahnrads und der Nabe von 1-4 und 6A-6B zeigt, wobei das Zahnrad und die Nabe durch die Schweißoperation von 5 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zusammengefügt wurden;
7A ist eine Querschnittsansicht einer anderen Variante einer Mehrkomponenten-Baugruppe, die eine Nabe und ein Zahnrad umfasst, wobei die Nabe und das Zahnrad durch Ring- oder Punktschweißungen gemäß den Prinzipien dieser Offenbarung miteinander verbunden sind, und
7B ist eine Querschnittsansicht der Ausrüstung von 7A, entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es wird ein Verfahren des Widerstandsschweißens vorgestellt, die die Bildung einer Reihe von Schweißverbindungen zwischen unterschiedlichen Materialien umfasst. Eine resultierende Werkstückbaugruppe wird ebenfalls offengelegt. Zu den ungleichen Materialien können Stahl und Aluminium oder eine Aluminiumlegierung gehören. In einigen Fällen kann der Stahl aufgekohlt werden, um eine gute Verschleißfestigkeit zu erreichen. Durch die Bereitstellung einer Vielzahl von Rillen, die durch erhöhte Abschnitte im Stahl getrennt sind, wird die Stromdichte im Stahl konzentriert, wodurch es möglich ist, die Schweißverbindungen angemessen zu formen, ohne den Stahl zu entkohlen. Die Schweißverbindung kann auch oder alternativ dadurch erleichtert werden, dass die Schweißflächen in Winkeln zur Achse, über die der Druck durch die Schweißelektroden ausgeübt wird, oder in Winkeln zu den Achsen der beiden zusammengeschweißten Teile angeordnet werden, um die intermetallischen Verbindungen an der Schweißstelle zu reduzieren.
Unter Bezugnahme auf die 1-4 wird eine geschweißte Baugruppe bereitgestellt und im Allgemeinen mit 10 bezeichnet. Die geschweißte Baugruppe 10 enthält eine Nabe 12 aus Aluminium (oder einer Aluminiumlegierung), die an ein Stahl-Zahnrad 14 geschweißt ist, das auf seiner Außenfläche eine Vielzahl von Zähnen 16 aufweist. Um eine gute Verschleißbeständigkeit zu gewährleisten, kann das Stahl-Zahnrad 14 aufgekohlt werden, so dass es auf seinen Oberflächen mehr Kohlenstoff enthält als in einem Zentrum und in anderen Bereichen unter der Oberfläche.
Siehe 2-4: Eine Vielzahl von Schweißverbindungen 18 verbindet die Nabe 12 und das Zahnrad 14 an einer Anlage-Fläche 20 zwischen einer Anlage-Fläche 22 der Nabe 12 und einer Anlage-Fläche 24 des Stahl-Zahnrads 14. Die Anlage-Fläche 24 des Stahlrades 14 definiert eine Vielzahl von Nuten 26, die durch eine Vielzahl von erhöhten Abschnitten 28 getrennt sind. Der Schweißvorgang bewirkt, dass das Aluminium an der Anlage-Fläche 22 zu einer Schweißverbindung 30 schmilzt, die die Rillen 26 der Stahl-Anlage-Fläche 24 zumindest teilweise ausfüllen kann. Außerdem bewirkt der Schweißvorgang eine Verkleinerung der erhöhten Teile 28, die im Folgenden näher beschrieben werden.
Das Stahl-Zahnrad 14 definiert eine Drehachse X, die ebenfalls eine Achse ist, die entlang des Zentrums des Zahnrads 14 angeordnet ist. In dem abgebildeten Beispiel ist die Anlage-Fläche 24 des Stahlrades 14 in einem Winkel A zur Drehachse X und einer beliebigen Achse X', die parallel zur Drehachse X verläuft, angeordnet. Der Winkel A kann im Bereich von 10 Grad bis 80 Grad liegen, oder in anderen Beispielen kann der Winkel A im Bereich von 30 Grad bis 60 Grad liegen. Die Anlage-Fläche 22 der Nabe 12 ist in Kontakt mit der Anlage-Fläche 24 des Stahl-Zahnrads 14 und im Allgemeinen parallel zu dieser angeordnet, und als solche ist die Anlage-Fläche 22 der Nabe 12 auch unter dem Winkel A in Bezug auf die Drehachse X und die Parallelachse X' angeordnet. Die Anlage-Fläche 22 der Nabe 12 berührt mindestens die erhöhten Teile 28 der Anlage-Fläche 24 des Getriebes 14.
Die Nabe 12 kann eine radiale Achse R definieren, die entlang der Radien der Nabe 12 verläuft. Die radiale Achse R der Nabe 12 steht senkrecht zur Achse X des Zahnrads 14. Die Naben-Anlagefläche 22 ist in einem Winkel B zur Naben-Radialachse R angeordnet. Da die Zahnrad-Anlagefläche 24 im Allgemeinen koplanar und parallel zur Anschlagfläche 22 der Nabe 12 angeordnet ist, ist die Zahnrad-Anlagefläche 24 im Winkel B zur Naben-Radialachse R und zu jeder Achse R', die parallel zur Radialachse R verläuft, angeordnet. Der Winkel B kann im Bereich von 10 Grad bis 80 Grad liegen, oder in einigen Beispielen kann der Winkel B im Bereich von 30 Grad bis 60 Grad liegen.
Unter Bezugnahme auf die 5, 6A, 6B und 6C und unter weiterer Bezugnahme auf die 1-4 wird ein Verfahren des Widerstandsschweißens zweier Teile 12, 14 zusammen in einem Blockdiagramm dargestellt und in 5 allgemein mit 100 bezeichnet. Das Verfahren 100 umfasst einen Schritt 102 zum Bereitstellen eines metallischen ersten Teils, wie z.B. der Nabe 12, und einen Schritt 104 zum Bereitstellen eines metallischen zweiten Teils, wie z.B. des Getriebes 14. Wie oben beschrieben, können das erste und der zweite Teil 12, 14 aus unterschiedlichen Materialien wie Aluminium und Stahl gebildet werden. Alternativ könnten jedoch auch andere, ungleiche Materialien verwendet werden. Das zweite Teil 14 ist mit einer Anlage-Fläche 24 versehen, die eine Vielzahl von Nuten 26 darin definiert, wobei die Nuten 26 durch erhöhte Abschnitte 28 getrennt sind. Jedes erhöhte Teil 28 hat eine Anfangshöhe i₁, wie in 6A dargestellt. 6A zeigt das erste und zweite Teil 12, 14, die nebeneinander angeordnet sind, bevor der Druck zwischen den Schweißelektroden ausgeübt und die Teile 12, 14 erwärmt werden, um die Teile 12, 14 zu verbinden.
Das Verfahren 100 umfasst ferner einen Schritt 106, bei dem ein Satz von gegenüberliegenden Schweißelektroden an den Seiten der Teile bereitgestellt wird. Genauer gesagt, und unter Bezugnahme auf 6B, ist eine erste Elektrode 40 auf einer Seite 42 des ersten Teils 12 und eine zweite Elektrode 44 auf einer Seite 46 des zweiten Teils 14 angeordnet.
Das Verfahren 100 umfasst dann einen Schritt 108, bei dem über den Elektrodensatz 40, 44 Druck auf das erste und zweite Teil 12, 14 ausgeübt und das erste und zweite Teil 12, 14 über die Elektroden 40, 44 erhitzt wird, um eine Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Teil 12, 14 zu bilden. In einigen Variationen beinhaltet der Schritt 106 des Aufbringens von Druck und des Erwärmens der Teile 12, 14 das zumindest teilweise Zusammendrücken der Vielzahl von erhöhten Abschnitten 28 auf eine fertige Höhe i₂, die geringer ist als die Anfangshöhe i₁. Unter Bezugnahme auf 6C sind z.B. die Teile 12, 14 mit dem Schweiß-Verfahren 100 zusammengefügt dargestellt. Die erhöhten Teile 28 haben eine Endhöhe i₂, die geringer ist als die Anfangshöhe i_i. Die Fertighöhe i₂ kann 70% der Anfangshöhe i₁ betragen, oder die Fertighöhe i₂ kann weniger als 70% der Anfangshöhe i_i betragen.
Vor der Anwendung von Wärme und Druck durch die Elektroden 40, 44, um die Teile 12, 14 in Einheit zu befestigen, können die Teile 12, 14 durch eine oder mehrere Vorrichtungen relativ zueinander positioniert und gestützt werden, um die Teile 12, 14 zu überlappenden Werkstücken zu formen, an denen der Schweißvorgang durchgeführt wird. Ein organisches Zwischenmaterial, wie z.B. ein Durchschweißkleber oder eine Versiegelung, kann optional zwischen den geläppten Werkstücken in jedem Stapel-eingefügt werden, falls gewünscht. Obwohl der Werkstückstapel in diesem Beispiel nur aus dem Stahl-Zahnrad 14 und der Aluminium-Nabe 12 besteht, könnten zusätzliche Schichten aus Metall oder Teilen in den Werkstückstapel aufgenommen werden. Zum Beispiel könnte der Werkstückstapel alternativ drei, vier oder mehr Komponenten umfassen, auf die die Elektroden 40, 44 wirken.
Wie oben beschrieben, kann beispielsweise das Stahl-Zahnrad 14 aus Stahl und die Aluminium-Nabe 12 aus unlegiertem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet werden. Zum Beispiel kann die Aluminiumlegierung, wenn sie legiert ist, mindestens 85 Gew.-% Aluminium enthalten. Die Nabe 12 aus unlegiertem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung kann entweder beschichtet oder unbeschichtet sein. Einige bemerkenswerte Aluminiumlegierungen, die das beschichtete oder unbeschichtete Aluminiumsubstrat bilden können, sind eine Aluminium-Magnesium-Legierung, eine Aluminium-Silizium-Legierung-, eine- Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung und eine- Aluminium-Zink-Legierung. Falls beschichtet, kann die Aluminium-Nabe 12 eine Oberflächenschicht aus einem feuerfesten Oxidmaterial (nativ und/oder während der Herstellung bei hohen Temperaturen erzeugt, z.B. Walzzunder) enthalten, das aus Aluminiumoxidverbindungen und möglicherweise anderen Oxidverbindungen wie z.B. denen von Magnesiumoxid besteht, wenn das Aluminiumsubstrat Magnesium enthält. Das Aluminiumsubstrat kann auch mit einer Schicht aus Zink, Zinn oder einer Metalloxid-Umwandlungsschicht aus Oxiden von Titan, Zirkonium, Chrom oder Silizium, wie in US Pat Nr. 9.987.705beschrieben, beschichtet werden.. Die Aluminium-Nabe 12 oder ein anderes Aluminiumteil kann in Schmiede- oder Gussform geliefert werden. Zum Beispiel kann die Nabe 12 aus einer 3xxx-, 4xxx-, 5xxx-, 6xxx- oder 7xxx-Serie aus einer Aluminium-Knetlegierungsblechschicht, einer Extrusion, einem Schmiedeteil oder einem anderen bearbeiteten Artikel bestehen. Alternativ kann die Nabe 12 aus einem Gussteil aus Aluminiumlegierung der Serien 4xx.x, 5xx.x, 6xx.x oder 7xx.x bestehen. Einige spezifischere Arten von Aluminiumlegierungen, die verwendet werden können, sind u.a. die- Aluminium-Magnesium-Legierung AA5754 und AA5182-, die- Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierung- AA6111 und AA6022-, die Aluminium-Zink-Legierung AA7003 und AA7055 sowie die- Aluminium-Druckgusslegierung -Al10SiMg. -Die Aluminium-Nabe 12 kann darüber hinaus in einer Vielzahl von Härtegraden eingesetzt werden, einschließlich geglüht (O), kaltverfestigt (H) und lösungsgeglüht (T), falls gewünscht.
Das Stahl-Zahnrad 14 kann aus einer Vielzahl von Stärken und Güten geformt werden und kann entweder beschichtet oder unbeschichtet sein. Der verwendete Stahl kann warm- oder kaltgewalzt sein und kann aus Baustahl, interstitialfreiem Stahl, aus brennhärtbarem-Stahl, hochfestem, niedrig legiertem Stahl (HSLA), Dualphasenstahl (DP), Complexphasenstahl (CP), martensitischem Stahl (MART), TRIP-Stahl, TWIP-Stahl (Twining Induced Plasticity) und/oder Borstahl bestehen, z.B. wenn der Stahl press-gehärteten Stahl (PHS) enthält. Wenn es beschichtet ist, kann das Stahl-Zahnrad 14 eine Oberflächenschicht aus Zink (z.B. feuerverzinkt oder galvanisch verzinkt), einer Zink-Eisen-Legierung (z.B. galvanisch geglüht oder galvanisch abgeschieden), einer Zink-Nickel-Legierung, Nickel, Aluminium, einer Aluminium-Magnesium-Legierung, einer Aluminium-Zink-Legierung oder einer- Aluminium-Silizium-Legierung aufweisen-, wobei jede dieser Schichten eine Dicke von bis zu 50 µm- haben kann.
In einigen Varianten kann das Stahl-Zahnrad 14 durch Aufkohlen wärmebehandelt werden, um eine bessere Verschleißfestigkeit zu erreichen. In solchen Fällen kann das Stahl-Zahnrad 14 an seinen Oberflächen, wie z.B. der Anlage-Oberfläche 24, eine größere Menge Kohlenstoff enthalten als in einem Zentrum oder anderen Bereichen innerhalb des Stahl-Zahnrads 14, die von den äußeren Oberflächen nach innen gerichtet sind. Das Verfahren 100 kann ohne Entkohlung der Anlage-Fläche 24 des Stahlrades 14 durchgeführt werden, da die Rillen 26 und die Winkel A, B auch ohne Entkohlung eine gute Schweißverbindung ermöglichen. Die Rillen 26 sorgen für eine Konzentration der Wärme an den Rillen 26 der Stahlseite, wodurch die Bildung von intermetallischen Materialien an der Verbindung reduziert wird. Schräg liegende Flächen 22, 24 reduzieren ebenfalls die Bildung von intermetallischen Verbindungen aufgrund von Scherspannungen der Schrägflächen 22, 24. Somit kann der Schritt 108 des Anwendens von Druck und Wärme zum Bilden der Verbindung durchgeführt werden, ohne die Stahllegierung des zweiten Teils 14 zu entkohlen, da die intermetallische Bildung ohne die Notwendigkeit einer Entkohlung reduziert werden kann.
Die Elektroden 40, 44 können einen Teil einer Schweißpistole bilden, mit der Schweißnähte zwischen der Nabe 12 und dem Zahnrad 14 hergestellt werden können, um diese miteinander zu verbinden. Wie hier verwendet wird, bezieht sich eine „Schweißnaht“, „geschweißt“ oder „Schweißen“ auf ein Widerstandsschweißverfahren zum Verbinden, bei dem benachbarte Werkstücke durch das Durchleiten eines elektrischen Stroms erhitzt werden, um benachbarte Werkstücke widerstandsmäßig zu erwärmen, bis mindestens eines der Werkstücke an einer Anlage-Fläche schmilzt, um die benachbarten Werkstücke miteinander zu verbinden. In ähnlicher Weise wird der Begriff „Schweißnaht“ hier auch als Oberbegriff verwendet, der die Schweißstruktur umfasst, die überlappende Aluminium- oder Stahlwerkstücke miteinander verschweißt, sowie eine Schweißverbindungsstruktur, die ein Aluminiumwerkstück und ein angrenzendes überlappendes Stahlwerkstück an jeder Schweißstelle, an der geschweißt wird, miteinander verbindet oder verlötet.
Die erste und zweite Schweißelektrode 40, 44 können mechanisch und elektrisch an die Schweißzange (nicht abgebildet) gekoppelt werden, die die Bildung einer schnellen Folge von Ring- oder Punktschweißungen unterstützen kann. Die Schweißpistole kann beispielsweise eine Pistole vom Typ C, eine Pistole vom Typ X oder ein anderer Typ sein. Die Schweißzange kann mit einer Stromversorgung oder einer Kondensatorbank verbunden sein, die elektrischen Strom zwischen den Schweißelektroden 40, 44 gemäß einem oder mehreren programmierten Schweißplänen liefert, die von einer Schweißsteuerung verwaltet werden. Die Schweißpistole kann auch mit Kühlmittelleitungen und zugehörigen Steuergeräten ausgestattet sein, um während des Schweißvorgangs jeder der Schweißelektroden 40, 44 eine Kühlflüssigkeit, wie z.B. Wasser, zuzuführen, um die Temperatur der Elektroden 40, 44 zu steuern. Die Elektroden 40, 44 können beispielsweise als durchgehende oder segmentierte Ringe geformt sein.
Hinsichtlich ihrer Positionierung in Bezug auf die Teile 12, 14 ist die erste Schweißelektrode 40 für den Kontakt mit der Seite 42 der Nabe 12 und die zweite Schweißelektrode 44 für den Kontakt mit der Seite 46 des Zahnrads 14 positioniert. In einigen Beispielen können die Schweißzangenarme (nicht abgebildet) so betrieben werden, dass die Schweißelektroden 40, 44 zueinander hin konvergieren oder eingeklemmt werden und eine Klemmkraft auf den Werkstückstapel, der durch die Teile 12, 14 an der Schweißstelle gebildet wird, Aufbringen, sobald die Elektroden 40, 44 mit ihren jeweiligen Werkstückstapelseiten 42, 46 in Kontakt gebracht werden. Die Elektroden 40, 44 übertragen elektrischen Strom während jedes Betätigens der Schweißzange zum Schweißen. Die Elektroden können jede Art von gewünschtem Ende haben, wie z.B. eine Kugelnase, eine Mehrringkuppel, eine Oberflächenstruktur oder jede andere gewünschte Konfiguration. Die Schweißpistole (nicht abgebildet) kann elektrischen Strom zwischen den Elektroden 40, 44 und durch die Teile 12, 14 an der Schweißstelle leiten.
Der ausgetauschte elektrische Strom kann ein elektrischer Gleichstrom sein, der von einem Netzteil (nicht abgebildet) geliefert wird, das mit der ersten und zweiten Schweißelektrode 40, 44 elektrisch kommuniziert. In einigen Varianten kann ein kapazitives Entladungsschweißverfahren verwendet werden, so dass die durch die Elektroden 40, 44 freigesetzte Schweißenergie durch eine große Kondensatorbank (nicht abgebildet) bereitgestellt wird. Daher können die Schweißzeiten kurz und konzentriert sein. Es können ein oder mehrere Impulse angelegt werden.
Unter Bezugnahme auf 6C erzeugt der Durchgang von elektrischem Strom durch die Teile 12, 14 Wärme und erzeugt eine geschmolzene Aluminiumschweißschicht 50 innerhalb des Aluminiumteils 12, die an das Stahlteil 14 angrenzt und dieses berührt. Die geschmolzene Aluminiumschweißschicht 50 benetzt den angrenzenden Stahlteil 14, der kein geschmolzenes Material zur Schweißschicht 50 beiträgt. Die Schweißschicht 50 kann die Rillen 26, die sich auf der Anlage-Fläche 24 des Stahlteils 14 bilden, teilweise (oder vollständig) ausfüllen. Wenn der elektrische Strom nicht mehr fließt, erstarrt die geschmolzene Aluminiumschweißschicht 50 in der in 4 gezeigten festen Schweißverbindung 30, um die Aluminium- und Stahlteile 12, 14 miteinander zu verschweißen oder zu verlöten.
Der Schritt 108 der Druckbeaufschlagung kann die Druckbeaufschlagung in axialer Richtung entlang einer Druckachse beinhalten, z.B. die Stahlteilachse X oder eine beliebige Achse X', die parallel zur Teilachse X verläuft. Die Nabe 12 definiert eine Anlage-Fläche 22 in einer Anlageebene P, wobei die Anlageebene P unter dem Winkel A in Bezug auf die Druckachse X (die in diesem Beispiel die gleiche Achse wie die Drehachse X ist) und in Bezug auf die parallele Achse X' angeordnet ist. Wie oben beschrieben, liegt der Winkel A im Bereich von 10 Grad bis 80 Grad, oder besser gesagt im Bereich von 30 bis 60 Grad. Vor dem Schweißen berührt die Anlage-Fläche 22 der Nabe 12 mindestens die erhöhten Teile 28 der Anlage-Fläche 24 des Getriebes 14. Wie oben beschrieben, definiert die Nabe 12 eine radiale Ebene oder Achse R, die sich entlang eines Radius der Nabe 12 erstreckt, und die Befestigungsebene P ist in einem Winkel B zur radialen Ebene oder Achse R und zur Achse oder Ebene R' angeordnet, der parallel zur radialen Ebene oder Achse R verläuft. Der Winkel B beträgt ebenfalls zwischen 10 und 80 Grad oder in einigen Variationen im Bereich von 30 bis 60 Grad.
Durch die Anordnung der Fügestellen 22, 24 unter einem Winkel zur Druckachse X kann die Bildung intermetallischer Werkstoffe aufgrund von Scherspannungen reduziert werden. Wenn die Bildung von intermetallischen Werkstoffen reduziert wird, ist die Schweißverbindung stärker, weil die intermetallischen Verbindungen Sprödigkeit verursachen.
Unter Bezugnahme auf 7A wird nun eine weitere Variante eines Teils einer Geschweißte Baugruppe bereitgestellt und im Allgemeinen mit 210 angegeben. Es sollte verstanden werden, dass die Schweißgruppe 210 der oben beschriebenen Schweißgruppe 10 ähnlich oder gleich sein kann, außer wenn sie als anders beschrieben wird. Daher wird die Beschreibung der Schweißgruppe 10 durch Bezugnahme auf die Beschreibung der Schweißgruppe 210 aufgenommen, und die Schweißgruppe 210 kann nach dem Verfahren 100 gebildet werden.
Die geschweißte Baugruppe 210 enthält eine Nabe 212 aus Aluminium (oder einer Aluminiumlegierung), die an ein Stahl-Zahnrad 214 geschweißt ist, das an seiner Außenfläche 17 eine Vielzahl von Zähnen 216 aufweist. Um eine gute Verschleißbeständigkeit zu gewährleisten, kann das Stahl-Zahnrad 214 aufgekohlt werden, so dass es auf seinen Oberflächen mehr Kohlenstoff enthält als in einem Zentrum oder in Teilen 19 unter den Oberflächen. Das Stahl-Zahnrad 214 und die Aluminium-Nabe 212 sind an den jeweiligen Anlage-Flächen 224, 222 miteinander verschweißt.
Unter Bezugnahme auf 7A-7B definiert die Anlage-Fläche 224 des Stahlrades 214 eine Vielzahl von Rillen 226, die durch eine Vielzahl von erhöhten Abschnitten 228 getrennt sind. Der Schweißvorgang bewirkt, dass das Aluminium an der Anlage-Fläche 222 zu einer Schweißverbindung schmilzt, die die Rillen 226 der Stahl-Anlage-Fläche 224 zumindest teilweise ausfüllen kann. Außerdem kann der Schweißvorgang dazu führen, dass die erhöhten Teile 228, wie oben in Bezug auf das Verfahren 100 beschrieben, kleiner werden.
Das Stahl-Zahnrad 214 definiert eine Drehachse 200X. In dem abgebildeten Beispiel ist die Anlage-Fläche 224 des Stahlrades 214 im Allgemeinen senkrecht zur Drehachse 200X angeordnet. Die Anlage-Fläche 222 der Nabe 212 ist in Kontakt mit und parallel zur Anlage-Fläche 224 des Stahlrades 214 angeordnet, und als solche ist die Anlage-Fläche 222 der Nabe 212 auch allgemein senkrecht zur Drehachse 200X angeordnet. Die Anlage-Fläche 222 der Nabe 212 berührt vor und während des Schweißvorgangs mindestens die erhöhten Teile 228 der Anlage-Fläche 224 des Zahnrads 214.
Die Nabe 212 kann eine Radialachse 200R definieren, die entlang der Radien der Nabe 212 verläuft. Die Radialachse 200R der Nabe 212 steht senkrecht zur Getriebeachse 200X des Getriebes 214. Die Naben-Anlage-Fläche 222 ist im Allgemeinen parallel zur Radialachse 200R der Nabe angeordnet. Da die Zahnrad-Anlagefläche 224 im Allgemeinen koplanar und parallel zur Passfläche 222 der Nabe 212 angeordnet ist, ist die Zahnrad-Anlagefläche 224 im Allgemeinen parallel zur Naben-Radialachse 200R angeordnet.
Dementsprechend ist die Druckachse, entlang derer der Druck während des Schweißvorgangs ausgeübt wird, senkrecht zu den Anlage-Flächen 222, 224, weil die Druckachse koaxial oder parallel zur Zahnradachse 200X ist, die die Drehachse 200X des Zahnrads 214 ist. Der Rest der Beschreibung bezieht sich auf 1-6C gilt gleichermaßen für 7A-7B.
Die detaillierte Beschreibung und die Figuren oder Abbildungen sind unterstützend und beschreibend für die vielen Aspekte der vorliegenden Offenbarung. Die hier beschriebenen Elemente können kombiniert oder zwischen den verschiedenen Beispielen ausgetauscht werden. Während bestimmte Aspekte ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Aspekte für die Ausübung der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind. Die vorliegende Offenbarung ist nur beispielhaft, und die Erfindung wird ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Claims

Ein Verfahren zum Widerstandsschweißen, wobei das Verfahren umfasst: Liefern eines metallischen ersten Teils, Bereitstellen eines metallischen zweiten Teils, wobei der erste und der zweite Teil aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, wobei der zweite Teil eine Anlage-Fläche aufweist, die eine Vielzahl von Nuten darin definiert, wobei die Vielzahl von Nuten durch eine Vielzahl von erhöhten Abschnitten getrennt sind; Bereitstellen eines Satzes von Gegenschweiß-Elektroden, wobei der Satz von Gegenschweiß-Elektroden eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst, wobei die erste Elektrode auf einer Seite des ersten Teils und die zweite Elektrode auf einer Seite des zweiten Teils angeordnet ist; Aufbringen von Druck auf das erste und zweite Teil über den Elektrodensatz und Erwärmen des ersten und zweiten Teils über die Elektroden, um eine Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Teil zu bilden.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder erhöhte Abschnitt vor dem Schritt des Aufbringens von Druck eine Anfangshöhe aufweist, wobei der Schritt des Aufbringens von Druck das zumindest teilweise Komprimieren der Vielzahl von erhöhten Abschnitten auf eine Endhöhe einschließt, die kleiner als die Anfangshöhe ist, wobei die Endhöhe der Vielzahl von erhöhten Abschnitten weniger als oder gleich 70% der Anfangshöhe ist.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Teil aus einer Stahllegierung und der erste Teil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet wird, wobei der Schritt des Erwärmens des ersten und zweiten Teils über die Elektroden die Anwendung eines kapazitiven Entladungsschweißverfahrens einschließt.
Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Anwendens von Druck und Wärme zum Bilden der Verbindung ohne Entkohlung der Stahllegierung des zweiten Teils durchgeführt wird.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend das Bereitstellen des ersten Teils als Aluminium-Nabe und des zweiten Teils als Stahl-Zahnrad.
Das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Aufbringens von Druck das Aufbringen von Druck in einer axialen Richtung entlang einer Druckachse umfasst, wobei der erste Teil eine Anlage-Fläche in einer Anlage-Ebene definiert, wobei die Anlage-Ebene in einem Winkel in Bezug auf die Druckachse angeordnet ist, wobei der Winkel im Bereich von 10 Grad bis 80 Grad liegt, wobei die Anlage-Fläche des ersten Teils mindestens die erhöhten Abschnitte der Anlage-Fläche des zweiten Teils berührt.
Eine geschweißte Baugruppe, umfassend: ein metallisches erstes Teil, das eine Achse des ersten Teils definiert und eine erste Anlage-Fläche aufweist; und ein metallisches zweites Teil, das eine Achse des zweiten Teils definiert und eine zweite Anlage-Fläche aufweist, wobei die erste und die zweite Achse senkrecht zueinander stehen, wobei das zweite Teil mit dem ersten Teil durch eine Vielzahl von Schweißverbindungen verschweißt ist, wobei das erste und das zweite Teil aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, wobei das zweite Teil eine Anlage-Fläche aufweist, die eine Vielzahl von Nuten darin definiert, wobei die Vielzahl von Nuten durch eine Vielzahl von erhöhten Abschnitten getrennt ist, wobei die erste Anlage-Fläche mit der zweiten Anlage-Fläche durch die Vielzahl von Schweißverbindungen verbunden ist, wobei die erste Anlage-Fläche in einem Winkel in Bezug auf die Achse des ersten Teils und die zweite Anlage-Fläche in dem Winkel in Bezug auf die Achse des ersten Teils angeordnet ist, wobei der Winkel im Bereich von 10 Grad bis 80 Grad liegt.
Die geschweißte Baugruppe nach Anspruch 7, wobei der zweite Teil aus einer Stahllegierung und der erste Teil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist, wobei die Anlage-Fläche des zweiten Teils so aufgekohlt ist, dass sie auf der Anlage-Fläche mehr Kohlenstoff enthält als in der Mitte des zweiten Teils.
Die geschweißte Baugruppe nach Anspruch 7 oder 8, wobei der erste Teil eine Aluminium-Nabe und der zweite Teil ein Stahl-Zahnrad ist.
Die geschweißte Baugruppe nach Anspruch 7, Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei der erste und zweite Winkel jeweils im Bereich von 30 bis 60 Grad liegt.