DE19845465B4

DE19845465B4 - Überlappunsstoß-Schweißanordnung sowie diesbezügliches Schweißverfahren zur Ausbildung derselben

Info

Publication number: DE19845465B4
Application number: DE19845465.1A
Authority: DE
Inventors: Hideaki Shirai; Yoshinori Ohmi; Hiroyasu Morikawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-10-03
Filing date: 1998-10-02
Publication date: 2014-01-02
Anticipated expiration: 2018-10-03
Also published as: DE19845465A1; US6221505B1

Abstract

Überlappungsstoß-Schweißstruktur, umfassend ein erstes Teil (11, 21) und ein zweites Teil (12, 22), die durch Schweißen an einem vorbestimmten Überlappungsabschnitt (10) überlappen und aneinander fixiert sind, wobei ein geschmolzener Randabschnitt (15) an dem Überlappungsabschnitt (10) durch Ausstrahlen eines Schweißstrahls (8) zu einer Außenfläche des ersten Teils (11, 21) an einem Schweißbereich ausgebildet ist, der von einer vorderen Endseite (151) des ersten Teils (11, 21) um einen gegebenen Abstand beabstandet ist, und als ein verschweißter und geschmolzener Abschnitt dient, der durch einen Übergangsabschnitt zwischen dem ersten Teil (11, 21) und dem zweiten Teil (12, 22) gebildet ist; wobei die vordere Endseite (151) des geschmolzenen Randabschnitts (15) schräg unter einem stumpfen Winkel (α) größer als 90° auf eine nackte Außenseite des zweiten Teils (12, 22) verläuft, die nicht durch das erste Teil (11, 21) überlappt ist; und wobei der geschmolzene Randabschnitt (15) eine Verdünnungsrate S = B/(A + B) aufweist, die in einen Bereich gleich oder kleiner als 45% fällt, wobei ”A” eine Querschnittsfläche des geschmolzenen Randabschnitts (15) darstellt, in welches das erste Teil (11, 21) übergeht, und ”B” eine Querschnittsfläche des geschmolzenen Randabschnitts (15) darstellt, in welchen das zweite Teil (12, 22) übergeht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überlappungsstoß-Schweißanordnung und ein diesbezügliches Schweißverfahren.
Zum Verbinden von zwei Elementen bzw. Teilen gehören zum Stand der Technik verschiedene Aneinanderfüganordnungen. Unter diesen befindet sich die Überlappungsstoß-Schweißanordnung weit verbreitet im Einsatz, und zwar aufgrund der einfachen Positionierung der beiden zu verschweißenden Teile, bevor der Schweißvorgang durchgeführt wird.
Bei dieser Art von Überlappungsstoß-Schweißstruktur besteht die Möglichkeit, daß ein bestimmter Abschnitt einer konzentrierten Spannung unterworfen wird, was zu einer Rißausbildung im geschweißten Abschnitt führt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Überlappungsstoß-Schweißstruktur und ein diesbezügliches Schweißverfahren zu schaffen, die in der Lage sind, die Spannung in wirksamer Weise zu mildern bzw. aufzuheben, welche auf einen geschmolzenen Abschnitt einwirkt, und zu verhindern, daß der geschmolzene Abschnitt Risse verursacht.
Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich der Struktur durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 15 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 7 bzw. 11. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung demnach mit anderen Worten eine Überlappungsstoß-Schweißstruktur mit einem ersten Teil und einem zweiten Teil, welche Endabschnitte aufweisen, die überlappt und durch Schweißen an einem vorbestimmten Überlappungsabschnitt fixiert sind. Ein geschmolzener Randabschnitt ist am Überlappungsabschnitt als geschmolzener und ausgehärteter Abschnitt gebildet, der in das erste Teil und das zweite Teil übergeht. Eine vordere Endseite bzw. -fläche des geschmolzenen Randabschnitts verläuft unter einem stumpfen Winkel größer als 90° in bezug auf eine nackte Außenfläche bzw. -seite des zweiten Teils schräg, die durch das zweite Teil nicht überlappt ist.
Bevorzugt weist das zweite Teil einen Stabkörper auf, der in eine Bohrung des ersten Teils eingesetzt ist. Das erste Teil weist eine Rippe auf, die im Kontakt mit dem zweiten Teil gebracht ist.
Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Teil um einen Legierungsstahl der Ni-Gruppe, aufweisend die Bestandteile (in Gew.%) C (≤ 0,05), Si (≤ 0,30), Mn (≤ 1,25), P (≤ 0,04), S (≤ 0,03) und Ni(40,00~50,00). Bei dem zweiten Teil handelt es sich um einen Edelstahl der Martensit-Gruppe, aufweisend die Bestandteile (in Gew.%) C (≤ 1,20), Si (≤ 1,00), Mn (≤ 1,25), P (≤ 0,04), S (≤ 0,03) und Cr (≤ 18,00). Eine Verdünnungsrate S = B/(A + B) ist gleich oder kleiner als 45%, wobei ”A” eine Querschnittsfläche des geschmolzenen Randabschnitts bezeichnet, die in das erste Teil übergeht, und ”B” eine Querschnittsfläche des geschmolzenen Randabschnitts bezeichnet, die in das zweite Teil übergeht.
Alternativ handelt es sich bei dem ersten Teil um einen Edelstahl der Ferrit-Gruppe, aufweisend die Bestandteile (in Gew.%) C (≤ 0,12), Si (≤ 3,00), Mn (≤ 1,25), P (≤ 0,04), S (≤ 0,03), Cr (≤ 20,00) und Al (≤ 5,00). In diesem Fall ist die Verdünnungsrate S = B/(A + B) gleich oder kleiner als 30%.
Der geschmolzene Randabschnitt ist an dem Überlappungsabschnitt durch Ausstrahlen eines Schweißstrahls auf die Außenseite des Überlappungsabschnitts gebildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Schweißverfahren zum Ausbilden der Überlappungsstoß-Schweißstruktur zum Verbinden des ersten Teils mit dem zweiten Teil. In einem ersten Schritt wird der Überlappungsabschnitt durch Überlappen der Endabschnitte des ersten Teils und des zweiten Teils gebildet. In einem zweiten Schritt wird der Laserstrahl auf einen vorbestimmten Bestrahlungspunkt auf der Außenseite des Überlappungsabschnitts verschoben von einer Endfläche bzw. -seite desselben ausgestrahlt. In einem dritten Schritt wird der geschmolzene Randabschnitt entlang einem Außenrand des Überlappungsabschnitts als der geschmolzene und ausgehärtete Abschnitt gebildet, der in das erste Teil und das zweite Teil übergeht.
Bevorzugt wird der Stabkörper des zweiten Teils in die Bohrung des ersten Teils eingeführt, um den Überlappungsabschnitt zu bilden. Eine distale Endfläche des zweiten Teils wird in Kontakt mit der Rippe gebracht, die in der Bohrung des ersten Teils gebildet ist.
Bevorzugt wird die Ausstrahlung des Schweißstrahls entlang dem gesamten Umfang des Überlappungsabschnitts derart durchgeführt, daß die vordere Endfläche bzw. -seite des geschmolzenen Randabschnitts unter einem stumpfen Winkel größer als 90° in bezug auf die nackte Außenseite des zweiten Teils schräg verläuft, die durch das erste Teil nicht überlappt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Schweißverfahren zum Ausbilden einer Überlappungsstoß-Schweißstruktur zum Verbinden eines ersten Teils mit einem zweiten Teil, die in Formen konfiguriert sind, die sich von denjenigen der vorstehend erläuterten Teile unterscheiden. Das erste Teil weist einen Kopfabschnitt, einen Schaftabschnitt und ein Loch auf, das sich in dem Kopfabschnitt und dem Schaftabschnitt erstreckt. In einem ersten Schritt wird ein Überlappungsabschnitt durch Einführen des zweiten Teils in das Loch des ersten Teils gebildet, um einen Überlappungsabschnitt auszubilden. Ein Schweißstrahl wird auf einen vorbestimmten Bestrahlungspunkt auf einer Außenseite des Schaftelements des Überlappungsabschnitts ausgestrahlt. Ein geschmolzener Abschnitt wird entlang dem Umfang des Überlappungsabschnitts als geschmolzener und ausgehärteter Abschnitt gebildet, der in das erste Teil und das zweite Teil übergeht.
Bevorzugt besteht das erste Teil aus einem Magnetmaterial, aufweisend zumindest einen Stahl, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Silizium-Stahl, Legierungsstahl der Ni-Gruppe und Ferrit-Edelstahl. Das zweite Teil besteht aus einem verschleißbeständigen Metallmaterial, aufweisend zumindest einen Stahl, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus einem Legierungswerkzeugstahl, einem Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl und einem Edelstahl der Martensit-Gruppe. Die Verdünnungsrate S = B/(A + B) liegt im Bereich von 15 bis 45%.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Überlappungsstoß-Schweißstruktur mit einem ersten Teil, das den Kopfabschnitt, den Schaftabschnitt und das Loch aufweist, das sich in den Kopfabschnitt und den Schaftabschnitt erstreckt. Der Überlappungsabschnitt ist zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil gebildet, das in das Loch des ersten Teils eingesetzt ist. Der geschmolzene Abschnitt ist entlang dem Umfang des Überlappungsabschnitts als der geschmolzene und ausgehärtete Abschnitt ausgebildet, der in das erste Teil und das zweite Teil übergeht.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; es zeigen:
1 eine Querschnittansicht einer Überlappungsstoß-Schweißanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine perspektivische Ansicht von ersten und zweiten Teilen in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 eine Querschnittansicht der ersten und zweiten Teile, die in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden sind,
4 eine vergrößerte Querschnittansicht zur Erläuterung von Bestrahlungspunkten eines Laserstrahls in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 eine vergrößerte Schnittansicht zur Erläuterung einer Verdünnungsrate eines geschmolzenen Randabschnitts in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
6A eine Querschnittansicht eines ersten Teils in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
6B eine Vorderansicht eines zweiten Teils in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
7 eine Querschnittansicht der ersten und zweiten Teile, die in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden sind,
8 eine Querschnittansicht einer Überlappungsstoß-Schweißanordnung in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
9A eine perspektivische Ansicht einer Überlappungsstoß-Schweißanordnung in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
9B eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Überlappungsstoß-Schweißanordnung in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
9B eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Überlappungsstoß-Schweißanordnung in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
10 eine Querschnittansicht eines wesentlichen Teils der Überlappungsstoß-Schweißanordnung in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
11 eine Ansicht zur Erläuterung der Verbindung von zwei Teilen, die in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschweißt bzw. schweißverbunden werden sollen,
12 eine Querschnittansicht einer Verdünnungsrate ”S” eines geschmolzenen Abschnitts, der in zwei geschweißte Teile in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung übergeht,
13 eine perspektivische Ansicht einer Schweißanordnung in Übereinstimmung mit einem Vergleichsbeispiel,
14 eine vergrößerte Querschnittansicht eines wesentlichen Teils der in 13 gezeigten Schweißanordnung,
15 eine perspektivische Ansicht einer Schweißanordnung in Übereinstimmung mit einem weiteren Vergleichsbeispiel,
16 eine vergrößerte Querschnittansicht eines wesentlichen Teils der in 15 gezeigten Schweißanordnung,
17 eine Ansicht der Beziehung zwischen der Laserenergie und der Bedingung bzw. dem Zustand des geschmolzenen Abschnitts in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
18 eine Querschnittansicht des geschmolzenen Abschnitts, der gebildet wird, wenn die Verdünnungsrate ”S” 10% beträgt,
19 eine Querschnittansicht des geschmolzenen Abschnitts, der gebildet wird, wenn die Verdünnungsrate ”S” 35% beträgt,
20 eine Querschnittansicht des geschmolzenen Abschnitts, der gebildet wird, wenn die Verdünnungsrate ”S” größer als 45% ist, und
21 eine Kennlinienansicht einer Beziehung zwischen der Laserenergie und der Verdünnungsrate ”S” des geschmolzenen Abschnitts in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 bis 5 zeigen eine Überlappungsstoß-Schweißanordnung sowie ein diesbezügliches Schweißverfahren in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Eine Überlappungsstoß-Schweißanordnung 1 gemäß der ersten Ausführungsform umfaßt ein erstes Teil 11 und ein zweites Teil 12. Das erste Teil 11 und das zweite Teil 12 weisen jeweilige Endabschnitte in Überlappung und durch Schweißen an einem vorbestimmten Überlappungsabschnitt 10 fixiert auf.
Das Strahlen eines Schweißstrahls 8 auf eine Außenfläche 117 des ersten Teils 11 führt dazu, daß das erste Teil 11 und das zweite Teil 12 miteinander verschmelzen. Abkühlen des geschweißten Abschnitts läßt einen ausgehärteten geschmolzenen Randabschnitt 15 zurück. Der geschmolzene Randabschnitt 15 geht in die überlappten Bereiche des ersten Teils 11 und des zweiten Teils 12 über. Eine Vorderendseite bzw. vordere Stirnseite 151 des geschmolzenen Randabschnitts 15 verläuft unter einem stumpfen Winkel α größer als 90° in bezug auf eine nackte bzw. freiliegende Außenseite des zweiten Teils 12 schräg, welche nicht mit dem ersten Teil 11 überlappt.
Wie in 2 gezeigt, handelt es sich bei dem ersten Teil 11 um ein rundes Rohr bzw. eine runde Röhre mit einer zylindrischen Bohrung (d. h. einem zylindrischen Hohlraum) 110, und es besteht aus einem Legierungsstahl der Nickel- bzw. Ni-Gruppe. Das zweite Teil 12 ist ein runder massiver Stab bzw. eine Stange, hergestellt aus einem Edelstahl der Martensit-Gruppe. Der Innendurchmesser des ersten Teils 11 ist im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des zweiten Teils 12.
Die nachfolgenden Tabellen 1 und 2 zeigen die chemischen Bestandteile (in Gew.%), die in den ersten Teil 11 (Legierungsstahl der Ni-Gruppe) und dem zweiten Teil 12 (Edelstahl der Martensit-Gruppe) enthalten sind. Tabelle 1

C Si Mn P S Ni Fe

≤ 0,05 ≤ 0,30 ≤ 1,25 ≤ 0,04 ≤ 0,03 40,00~ 50,00 Rest

Tabelle 2

C Si Mn P S Cr Fe

≤ 1,20 ≤ 1,00 ≤ 1,25 ≤ 0,04 ≤ 0,03 ≤ 18,00 Rest
Beim Schweißen bzw. Verschweißen des ersten Teils 11 mit dem zweiten Teil 12 wird der Rundstabkörper des zweiten Teils 12 in die zylindrische Bohrung 110 des ersten Teils 11 preßeingepaßt. 3 zeigt den Überlappungsabschnitt 10, der durch Koppeln des zweiten Teils 12 in das erste Teil 11 gebildet wird.
4 zeigt den Laserstrahl 8, wie etwa einen YAG-Laser, der geeignet ist, eine ausreichende Schweißenergie bereitzustellen, welcher Strahl auf die äußere Zylinderfläche 117 des ersten Teils 11 gestrahlt wird. Eine Vorderendseite bzw. eine vordere Stirnseite 116 des ersten Teils 11 senkrecht zur Außenseite des zweiten Teils 12 ist dem Laserstrahl 8 nicht direkt ausgesetzt.
Wie in 4 gezeigt, wird der Laserstrahl 8 auf einen ausgewählten Bestrahlungspunkt gerichtet, der von der Vorderendseite 116 mit einer Distanz bzw. einem Abstand L1 verschoben bzw. versetzt ist. Ein weiterer Bestrahlungspunkt für den Laserstrahl 8 ist mit einer Distanz bzw. einem Abstand L2 von der Vorderendseite 116 verschoben bzw. versetzt. Um eine zufriedenstellende Festigkeit an den geschmolzenen Randabschnitt 15 zu erzielen, beträgt ein bevorzugter Wert für die Distanz L1 0,35 mm ± 0,05 mm, während ein bevorzugter Wert für die Distanz L2 um 0,85 mm ± 0,1 mm beträgt.
Die Impulsbestrahlung des Laserstrahls 8 wird entlang dem gesamten zylindrischen Umfang des ersten Teils 11 angewendet bzw. aufgebracht, während die vorstehend genannte Verschiebungsdistanz von der Endseite bzw. -fläche 116 beibehalten wird. Infolge davon wird der geschmolzene Randabschnitt 15 am Rand des ersten Teils 11 gebildet, wie in 1 gezeigt. Dieses Schweißverfahren wird üblicherweise als Punktschweißen bezeichnet. Es ist jedoch auch möglich, das Punktschweißen durch Nahtschweißen zu ersetzen. Das Nahtschweißen wird durch kontinuierliches Anwenden des Laserstrahls 8 in derselben Weise realisiert.
Der geschmolzene Randabschnitt 15, der durch die Bestrahlung des Laserstrahls 8 derart gebildet wurde, weist eine vordere Endseite 151 auf, die unter einem stumpfen Winkel α größer als 90° in bezug auf die nackte Außenseite des zweiten Teils 12 schräg verläuft.
Beispielsweise beträgt eine bevorzugte Verdünnungsrate ”S” des resultierenden geschmolzenen Randabschnitts 15 35%. Ein zulässiger Wert der Verdünnungsrate ”S” ist gleich oder kleiner als 45%. In diesem Fall wird die Verdünnungsrate ”S” durch die folgende Gleichung ausgedrückt: S = B/(A + B) × 100(%) (1) wobei ”A” und ”B” die Querschnittsflächen des geschmolzenen Randabschnitts 15 bezeichnen, die in das erste Teil 11 bzw. 12 übergehen. 5 zeigt eine Querschnittansicht unter Darstellung der Flächen ”A” und ”B” des geschmolzenen Randabschnitts 15 unterteilt durch eine Grenzlinie 105 zwischen den überlappten ersten und zweiten Teilen 11 und 12.
In Übereinstimmung mit der vorstehend erläuterten Überlappungsstoß-Schweißanordnung gemäß der ersten Ausführungsform ist die Außenseite des ersten Teils 11 gleichmäßig gekrümmt und mit der Außenseite des zweiten Teils 12 durch Bereitstellen des geschmolzenen Endabschnitts 15 verbunden, der eine vordere Endseite 151 aufweist, die unter einem stumpfen Winkel α größer als 90° in bezug auf die nackte Außenseite des zweiten Teils 12 schräg verläuft, wie in 1 gezeigt.
Die Überlappungsstoß-Schweißanordnung gemäß der ersten Ausführungsform verursacht keinen Riß oder Ausschnitt am vorderen Rand des geschmolzenen Randabschnitts 15. Es ist deshalb möglich, zu verhindern, daß die vordere Endseite des ersten Teils 11 in dem Überlappungsabschnitt 10 einer konzentrierten Spannung unterworfen wird.
Außerdem weist der geschmolzene Randabschnitt 15 mit der Verdünnungsrate ”S” = 35% eine relativ hohe Zähigkeit bzw. Festigkeit auf, die es gestattet, sämtliche Probleme zu vermeiden, die aus Rissen herrühren, die in den geschweißten Abschnitten in den herkömmlichen Schweißanordnungen auftreten.
Das Preßeinpassen des runden Stabkörpers des zweiten Teils 12 in die zylindrische Bohrung des ersten Teils 11 dient außerdem dazu, zu verhindern, daß ein bestimmter Abschnitt einer konzentrierten Spannung unterworfen bzw. ausgesetzt wird. Dies ergibt eine Schweißstruktur mit hervorragender Ermüdungsfestigkeit.
6 bis 8 zeigen eine Überlappungsstoß-Schweißanordnung und ein diesbezügliches Schweißverfahren in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ein erstes Teil 21 weist, wie in 6A gezeigt, einen durchmessergrößeren Abschnitt 211 und einen durchmesserkleineren Abschnitt 212 auf. Außerdem weist das erste Teil 21 eine sich axial erstreckende zylindrische Bohrung (d. h. ein Durchgangsloch) 210 auf. Eine Ringrippe 214 steht in radialer Einwärtsrichtung von der inneren Zylinderwand der Zylinderbohrung 210 vor.
Ein zweites Teil 22 weist, wie in 6B gezeigt, einen massiven durchmessergrößeren Abschnitt 221 und einen durchmesserkleineren Abschnitt 222 auf. Ein Außendurchmesser des durchmesserkleineren Abschnitt 222 ist im wesentlichen gleich einem Innendurchmesser des Innendurchmessers der Zylinderbohrung 210 des ersten Teils 21. Der durchmesserkleinere Abschnitt 222 ist in die zylindrische Bohrung 210 des ersten Teils 21 preßeingepaßt.
Beim Verschweißen des ersten Teils 21 mit dem zweiten Teil 22 wird der durchmesserkleinere Abschnitt 222 in die zylindrische Bohrung 210 des ersten Teils 21 preßeingepaßt. Eine distale Endfläche 223 des durchmesserkleineren Abschnitts 222 wird in Kontakt mit der Ringrippe 214 gebracht. 7 zeigt den Überlappungsabschnitt 10, gebildet durch Koppeln des ersten Teils 22 in das erste Teil 21.
8 zeigt den geschmolzenen Randabschnitt 15, der durch Strahlen des Laserstrahls 8 auf die äußere Zylinderfläche 217 des ersten Teils 21 in derselben Weise gebildet wird wie bei der ersten Ausführungsform.
In Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform wird das zweite Teil 22 in Kontakt mit der Ringrippe 214 gebracht. Diese Anordnung dient dazu, die Spannung zu mildern oder zu beseitigen, die in einer Druckrichtung bzw. Kompressionsrichtung zwischen dem ersten Teil 21 und dem zweiten Teil 22 wirkt.
Im folgenden wird eine mögliche Modifikation erläutert. Anstatt den in der Tabelle 1 gezeigten Legierungsstahl der Ni-Gruppe zu verwenden, kann das erste Teil 21 oder 22 aus einem Edelstahl der Ferritgruppe hergestellt werden. In diesem Fall ist eine bevorzugte Verdünnungsrate ”S” geringer als 30%. Die Tabelle 3 zeigt die chemischen Bestandteile (in Gew.%) des Edelstahls der Ferritgruppe. Tabelle 3

C Si Mn P S Cr Al Fe

≤ 0,12 ≤ 3,00 ≤ 1,25 ≤ 0,04 ≤ 0,03 ≤ 20,00 ≤ 5,00 Rest
Die Formen der ersten und zweiten Teile sind nicht auf die runden oder zylindrischen Körper beschränkt und können deshalb in verschiedene Formen, wie etwa rechteckige Körper konfiguriert werden.
Im folgenden werden charakteristische Merkmale der ersten und zweiten Ausführungsformen erläutert.
Wie aus der vorstehend angeführten Erläuterung hervorgeht, stellen die vorstehend genannten ersten und zweiten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Überlappungsstoß-Schweißstruktur bereit, welche das erste Teil 11; 21 und das zweite Teil 12; 22 umfaßt, die Endabschnitte aufweisen, die durch Schweißen überlappt und durch Schweißen fixiert sind, und zwar an einem vorbestimmten Überlappungsabschnitt 10. Der geschmolzene Randabschnitt 15 ist am Überlappungsabschnitt 10 als geschmolzener und gehärteter Abschnitt gebildet, der in das erste Teil 11; 21 und das zweite Teil 12; 22 übergeht. Die vordere Endseite 151 des geschmolzenen Randabschnitts 15 verläuft unter einem stumpfen Winkel α größer als 90° in bezug auf die nackte Außenseite des zweiten Teils 12; 22 schräg, die nicht mit dem ersten Teil 11; 21 überlappt ist.
In Übereinstimmung mit dieser Anordnung ist es möglich, den geschmolzenen Randabschnitt 15 unterschiedlich von der herkömmlichen Kehle zu bilden, die rechtwinklig entlang den Grenzen zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil vorgesehen ist (siehe veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. Kokai 60-60175 ), und außerdem unterschiedlich von der herkömmlichen Schweißstruktur unter Verwendung eines sogenannten Schweißstabs oder einer -elektrode. Der geschmolzene Randabschnitt 15 gemäß der vorliegenden Erfindung erbringt eine erhöhte Schweißfestigkeit und einen gleichmäßig gekrümmten Verbindungsabschnitt zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil. Der stumpfe Schrägwinkel α der vorderen Endseite 151 des geschmolzenen Randabschnitts 15 dient dazu, zu verhindern, daß ein bestimmter Abschnitt einer konzentrierten Spannung ausgesetzt wird.
Das zweite Teil 12; 22 weist einen Stabkörper auf, der in die Bohrung 110; 210 des ersten Teils 11; 21 eingesetzt ist. Das erste Teil 21 weist die Rippe 214 auf, die in Kontakt mit dem zweiten Teil 22 gebracht ist. Das Bereitstellen der Rippe 214 dient dazu, eine Spannung zu mäßigen oder zu beseitigen, die in der Druck- bzw. Kompressionsrichtung zwischen dem ersten Teil 21 und dem zweiten Teil 22 wirkt.
Das Preßeinpassen des runden Stabkörpers des zweiten Teils 12 in die zylindrische Bohrung des ersten Teils 11 dient dazu, zu verhindern, daß ein bestimmter Abschnitt einer konzentrierten Spannung ausgesetzt wird. Dies erbringt eine Schweißstruktur mit hervorragender Ermüdungsfestigkeit.
Bei dem ersten Teil handelt es sich um einen Legierungsstahl der Ni-Gruppe umfassend die Bestandteile (in Gew.%) C (≤ 0,05), Si (≤ 0,30), Mn (≤ 1,25), P (≤ 0,04), S (≤ 0,03), Ni (40,00~50,00) und Fe(Rest). Bei dem zweiten Teil handelt es sich um einen Edelstahl der Martensit-Gruppe, umfassend die Bestandteile (in Gew.%) C (≤ 1,20), Si (≤ 1,00), Mn (≤ 1,25), P (≤ 0,04), S (≤ 0,03), Cr (≤ 18,00) und Fe(Rest). Die Verdünnungsrate S = B/(A + B) ist gleich oder kleiner als 45%, wobei ”A” die Querschnittsfläche des geschmolzenen Randabschnitt 15 bezeichnet, die in das erste Teil 11; 21 übergeht, und wobei ”B” die Querschnittsfläche des geschmolzenen Randabschnitts 15 bezeichnet, die in das zweite Teil 12; 22 übergeht.
Alternativ handelt es sich bei dem ersten Teil um einen Edelstahl der Ferritgruppe, umfassend die Bestandteile (in Gew.%) C (≤ 0,12), Si (≤ 3,00), Mn (≤ 1,25), P (≤ 0,04), S (≤ 0,03), Cr (≤ 20,00), Al (≤ 5,00) und Fe (Rest). Bei dem zweiten Teil handelt es sich um einen Edelstahl der Martensit-Gruppe, umfassend die Bestandteile (in Gew.%) C (≤ 1,20), Si (≤ 1,00), Mn (≤ 1,25), P (≤ 0,04), S (≤ 0,03), Cr (≤ 18,00) und Fe(Rest). In diesem Fall ist die Verdünnungsrate S = B/(A + B) gleich oder kleiner als 30%.
Durch Verwenden der vorstehend erläuterten Stähle für die ersten und zweiten Teile ist es möglich, eine erhöhte Robustheit bzw. Beständigkeit gegenüber Ermüdung bereitzustellen.
Die Beschränkungen der jeweiligen chemischen Bestandteile, die in den ersten und zweiten Teilen enthalten sind, bestehen aus den folgenden Gründen.

<1> Legierungsstahl der Nickel-Gruppe für das erste Teil: C (≤ 0,05) --- Der Bestandteil ”C” wird zugesetzt, um eine ausreichende Materialfestigkeit aufrecht zu erhalten. Wenn der Gewichtsanteil von ”C” 0,05% übersteigt, werden die magnetischen Eigenschaften beeinträchtigt. Si (≤ 3,00) --- Der Bestandteil ”Si” wird als Desoxidator und als Anreicherungselement zugesetzt. Wenn der Gewichtsanteil von ”Si” 0,30% übersteigt, wird das Material brüchig. Mn (≤ 1,25) --- Der Bestandteil ”Mn” wird als Desoxidatorelement zugesetzt, das bei der Herstellung des Stahls verwendet wird. Wenn der Gewichtsanteil von ”Mn” 1,25% übersteigt, wird die Verarbeitbarkeit beeinträchtigt. P (≤ 0,04) --- Der Bestandteil ”P” wird zugesetzt, um die Rißempfindlichkeit zu erhöhen. Wenn der Gewichtsanteil von ”P” 0,04% übersteigt, wird die Schweißbarkeit beeinträchtigt. S (≤ 0,03) --- Der Bestandteil ”S” wird zugesetzt, um die Viskosität des geschmolzenen Metalls zu verringern und die Rißempfindlichkeit zu erhöhen. Wenn der Gewichtsanteil von ”S” 0,03% übersteigt, wird die Schweißbarkeit beeinträchtigt. Ni (40,00~50,00) --- Der Bestandteil ”Ni” wird dem Hauptbestandteil zugesetzt und ist notwendig, die Korrosionsbeständigkeit und die magnetischen Eigenschaften zu verbessern. Wenn der Gewichtsanteil von ”Ni” geringer als 40% oder größer als 50% ist, werden sowohl die Korrosionsbeständigkeit wie die magnetischen Eigenschaften beeinträchtigt.
<2> Edelstahl der Martensit-Gruppe für das erste Teil: C (≤ 1,20) --- Der Bestandteil ”C” wird zugesetzt, um eine ausreichende Materialfestigkeit und Härte aufrecht zu erhalten. Wenn der Gewichtsanteil von ”C” 1,20% übersteigt, werden sowohl die Schweißbarkeit wie die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigt. Si (≤ 1,00) --- Der Bestandteil ”Si” wird als Desoxidator sowie als Anreicherungselement zugesetzt. Wenn der Gewichtsanteil von ”Si” 1,0% übersteigt, wird das Material brüchig. Mn (≤ 1,25) --- Der Bestandteil ”Mn” wird als Desoxidatorelement zugesetzt, das bei der Herstellung von Stahl verwendet wird. Wenn der Gewichtsanteil von ”Mn” 1,25% übersteigt, wird die Verarbeitbarkeit beeinträchtigt. P (≤ 0,04) --- Der Bestandteil ”P” wird zugesetzt, um die Rißempfindlichkeit zu erhöhen. Wenn der Gewichtsanteil von ”P” 0,04% übersteigt, wird die Schweißbarkeit beeinträchtigt. S (≤ 0,03) --- Der Bestandteil ”S” wird zugesetzt, um die Viskosität des geschmolzenen Metalls zu verringern und die Rißempfindlichkeit zu erhöhen. Wenn der Gewichtsanteil von ”S” 0,03% übersteigt, wird die Schweißbarkeit beeinträchtigt. Cr (≤ 18,00) Der Bestandteil ”Cr” wird zugesetzt, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhalten. Wenn der Gewichtsanteil von ”Cr” 18,00% übersteigt, wird das Material brüchig.
<3> Edelstahl der Ferritgruppe für das erste Teil: C (≤ 0,12) --- Der Bestandteil ”C” wird zugesetzt, um eine ausreichende Materialfestigkeit beizubehalten. Wenn der Gewichtsanteil von ”C” 0,12% übersteigt, werden sowohl die Verarbeitbarkeit wie die magnetischen Eigenschaften beeinträchtigt. Si (≤ 3,00) --- Der Bestandteil ”Si” wird zugesetzt, um die magnetische Permeabilität zu verbessern. Wenn der Gewichtsanteil von ”Si” 3,00% übersteigt, wird das Material brüchig. Mn (≤ 1,25) --- Der Bestandteil ”Mn” wird als Desoxidatorelement zugesetzt, das bei der Herstellung von Stahl verwendet wird. Wenn der Gewichtsanteil von ”Mn” 1,25% übersteigt, wird die Verarbeitbarkeit beeinträchtigt. P (≤ 0,04) --- Der Bestandteil ”P” wird zugesetzt, um die Rißempfindlichkeit zu erhöhen. Wenn der Gewichtsanteil von ”P” 0,04% übersteigt, wird die Schweißbarkeit beeinträchtigt. S (≤ 0,03) --- Der Bestandteil ”S” wird zugesetzt, um die Viskosität des geschmolzenen Metalls zu verringern und die Rißempfindlichkeit zu erhöhen. Wenn der Gewichtsanteil von ”S” 0,03% übersteigt, wird die Schweißbarkeit beeinträchtigt. Cr (≤ 20,00) Der Bestandteil ”Cr” wird zugesetzt, um die Korrosionsbeständigkeit bereitzustellen. Wenn der Gewichtsanteil von ”Cr” 20,00% übersteigt, wird das Material brüchig und die Kaltverarbeitbarkeit wird beeinträchtigt. Außerdem werden die Kosten erhöht. Al (≤ 5,00) --- Der Bestandteil ”Al” wird zugesetzt, um den magnetischen spezifischen Widerstand zu erhöhen. Wenn der Gewichtsanteil von ”Al” 5,00% übersteigt, wird die Verarbeitbarkeit beeinträchtigt.

Unter Berücksichtigung der Beschränkung der Verdünnungsrate ”S” wird der geschmolzene Randabschnitt brüchig, wenn ”S” den vorgenannten Wert übersteigt, und zwar in jedem Fall.
Der geschmolzene Randabschnitt 15 wird am Überlappungsabschnitt 10 gebildet durch Strahlen bzw. Ausstrahlen eines Schweißstrahls 8, wie etwa eines Laserstrahls, eines Elektronenstrahls oder eines Lichtbogenstrahls auf die Außenfläche bzw. Außenseite 117, 217 des Überlappungsabschnitts 10. Die Verwendung dieser Art eines Schweißstrahls ist einfach, um die Bestrahlungsposition auf der Außenseite des Überlappungsbereichs zu kontrollieren bzw. zu steuern.
Die ersten und zweiten Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung stellen das Schweißverfahren zum Ausbilden der Überlappungsstoß-Schweißstruktur außerdem bereit. Das Schweißverfahren umfaßt die folgenden Schritte. In einem ersten Schritt wird der Überlappungsabschnitt 10 durch Überlappen der Endabschnitte des ersten Teils 11; 21 mit dem zweiten Teil 12; 22 gebildet. In einem zweiten Schritt wird der Schweißstrahl 8 zu einem vorbestimmten Bestrahlungspunkt auf der Außenseite 117, 217 des Überlappungsabschnitts 10 versetzt bzw. verschoben von der Endfläche bzw. -seite 116 ausgestrahlt. In einem dritten Schritt wird der geschmolzene Randabschnitt 15 am Überlappungsabschnitt 10 gebildet, und zwar als geschmolzener und gehärteter Abschnitt, der in das erste Teil 11; 21 und das zweite Teil 12; 22 übergeht.
Zum Ausbilden des Überlappungsabschnitts 10 wird der Stabkörper des zweiten Teils 12; 22 in die Bohrung 110; 210 des ersten Teils 11; 21 durch Preßeinsetzen eingesetzt bzw. eingeführt. Die distale Endfläche 223 des zweiten Teils 22 wird in Kontakt mit der Rippe 214 gebracht, die in der Bohrung 210 des ersten Teils 21 gebildet ist.
Die Ausstrahlung des Schweißstrahls 8 wird entlang dem gesamten zylindrischen Umfang des Überlappungsabschnitts 10 derart durchgeführt, daß die vordere Endseite bzw. Stirnfläche 151 des geschmolzenen Randabschnitts 15 unter einem stumpfen Winkel α größer als 90° in bezug auf die nackte Außenseite des zweiten Teils 12; 22 schräg verläuft, welche durch das erste Teil 11; 21 nicht überlappt ist.
9A, 9B und 10~12 zeigen eine Überlappungsstoß-Schweißanordnung und ein diesbezügliches Schweißverfahren in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Eine Überlappungsstoß-Anordnung 308 gemäß der dritten Ausführungsform umfaßt wie in den 9A, 9B und 10~11 gezeigt, ein erstes Teil 302 und ein zweites Teil 303. Das erste Teil 302 weist einen zylindrischen Körper mit einem Kopfabschnitt 321 und einem Schaftabschnitt 322 auf, die integral miteinander gebildet sind. Ein zylindrisches Durchgangsloch 323 erstreckt sich vollständig in axialer Richtung des ersten Teils 302. Das zweite Teil 303 weist einen Rohrkörper mit einem Durchgangsloch 230 auf. Der Außendurchmesser des zweiten Teils 303 ist im wesentlichen identisch zum Innendurchmesser des Durchgangslochs 323 des ersten Teils 302. Das zweite Teil 303 wird in das Durchgangsloch 323 des ersten Teils 302 preßeingesetzt, um einen Überlappungsabschnitt 310 zu bilden, wo das erste Teil 302 und das zweite Teil 303 überlappen.
Wie in 9A gezeigt, wird die Ausstrahlung eines Laserstrahls 307 mit einer Leistung von 380 W mit einer Geschwindigkeit von 25 mm/s entlang dem gesamten zylindrischen Umfang des Überlappungsabschnitts 310 durchgeführt, d. h. entlang der Außenfläche des Schaftabschnitts 322 des zweiten Teils 302.
Dies führt dazu, daß das erste Teil 302 und das zweite Teil 303 miteinander verschmelzen. Das Abkühlen des geschweißten Abschnitts hinterläßt einen ausgehärteten geschmolzenen Abschnitt 301. Der geschmolzene Abschnitt 301 geht in die überlappten Bereiche des ersten Teils 302 und des zweiten Teils 303 über, wie in 10 und 12 gezeigt.
Das erste Teil 302 besteht aus einem magnetischen Material, wie etwa Siliziumstahl, Legierungsstahl der Ni-Gruppe oder einem Ferrit-Edelstahl.
Tabelle 4 zeigt die chemischen Bestandteile (in Gew.%) eines bevorzugten Siliziumstahls für das erste Teil 302. Tabelle 4

C Si Mn P S Pb Fe

≤ 0,02 ≤ 3,00 ≤ 0,30 ≤ 0,02 ≤ 0,02 ≤ 0,25 Rest
Die Tabellen 1 und 3, die im Zusammenhang mit den vorstehend genannten ersten und zweiten Ausführungsformen erläutert sind, zeigen die chemischen Bestandteile des bevorzugten Legierungsstahls der Ni-Gruppe und des Ferrit-Edelstahls für das erste Teil 302.
Das zweite Teil 303 besteht aus einem verschleißbeständigen Metallmaterial, wie etwa einem Legierungswerkzeugstahl, einem Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl bzw. einem Edelstahl der Martensit-Gruppe.
Die Tabelle 5 zeigt die chemischen Bestandteile (in Gew.%) eines bevorzugten Legierungswerkzeugstahls für das zweite Teil 303. Tabelle 5

C Si Mn P S V Cr Mo Fe

≤ 2,4 ≤ 1,2 ≤ 0,6 ≤ 0,03 ≤ 0,03 ≤ 2,2 ≤ 15,0 ≤ 3,0 Rest
Tabelle 6 zeigt die chemischen Bestandteile (in Gew.%) eines bevorzugten Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahls für das zweite Teil 303. Tabelle 6

C Si Mn P S Cr W V Fe

≤ 1,6 ≤ 0,5 ≤ 0,4 ≤ 0,03 ≤ 0,03 ≤ 4,5 ≤ 19,0 ≤ 5,2 Rest
Tabelle 2, die im Zusammenhang mit der vorstehend genannten ersten Ausführungsform erläutert ist, zeigt die chemischen Bestandteile des bevorzugten Edelstahls der Martensit-Gruppe für das zweite Teil 303.
Eine Verdünnungsrate ”S” des geschmolzenen Abschnitts 301 liegt im Bereich von 15% bis 45%. Beispielsweise ist die Verdünnungsrate ”S” auf 35% eingestellt, wenn das erste Teil 302 aus dem Siliziums-Stahl der Tabelle 4 besteht, und wenn das zweite Teil 303 aus dem Legierungswerkzeugstahl von Tabelle 5 besteht.
Was die detaillierten Abmessungen des ersten Teils 302 betrifft, hat der Kopfabschnitt 321 einen Durchmesser von 22 mm und eine axiale Länge von 6,2 mm. Der Schaftabschnitt 322 hat einen Außendurchmesser von 8 mm, eine Dicke ”t” von 0,6 mm und eine axiale Länge von 3 mm. Das zweite Teil 303 hat einen Durchmesser von 6,5 mm, eine Dicke von 3 mm und eine axiale Länge von 20 mm.
Die Überlappungsstoß-Schweißanordnung gemäß der dritten Ausführungsform wird bevorzugt für ein Betätigungsventil verwendet, das in einer Kraftstoffeinspritzdüse eines Verbrennungsmotors eingebaut ist. Diese Art eines Betätigungsventils sieht eine elektromagnetische Ein-Ausschaltsteuerung vor.
Als nächstes werden die Funktionen und Wirkungen der dritten Ausführungsform erläutert.
Zunächst wird das zweite Teil 303 in das Durchgangsloch 323 des ersten Teils 302 eingeführt. Daraufhin wird die Bestrahlung bzw. Ausstrahlung des Laserstrahl 307 entlang dem gesamten zylindrischen Umfang der Außenfläche des Schaftabschnitts 322 durchgeführt. Das erste Teil 302 und das zweite Teil 303 verschmelzen miteinander durch dieses Laserschweißen. Daraufhin wird der lasergeschweißte Abschnitt abgekühlt, um auszuhärten, wobei der geschmolzene Abschnitt 301 verbleibt, der in die überlappten Bereiche des ersten Teils 302 und des zweiten Teils 303 übergeht. Während des Abkühlvorgangs wird das zweite Teil 302 einer Druck- bzw. Kompressionskraft ausgesetzt, die in radialer Richtung in Richtung auf sein Zentrum einwirkt. Der Rohrkörper 303 absorbiert diese Druckkraft. Die Korngrenze der gewonnenen Metallkristalle ist stark. Es liegt keine Abscheidung von Verunreinigungselementen vor. Der geschmolzene Abschnitt 301 ist frei von Rissen.
Da der Rohrkörper des zweiten Teils 303 aus dem verschleißfesten Metallmaterial hergestellt ist, weist die Überlappungsstoß-Schweißanordnung 308 gemäß der dritten Ausführungsform eine hervorragende Festigkeit gegenüber Verschleiß und Abrieb auf, wenn sie in einer Kraftstoffeinspritzdüse verwendet wird.
Vergleichsbeispiel 1
13 und 14 zeigen eine Vergleichsschweißanordnung. Das Ausstrahlen des Laserstrahls 302 wird entlang einem Kreis mit einem vorbestimmten Durchmesser auf einem kreisförmigen flachen Abschnitt 329 des Kopfabschnitts 321 des ersten Teils 302 durchgeführt. Der kreisförmige flache Abschnitt 329 und das zweite Teil 303 verschmelzen miteinander infolge des Laserschweißens und härtet daraufhin aus. Der kreisförmige flache Abschnitt 329 weist eine Dicke von 0,6 mm auf. Das zweite Teil 303 besitzt einen massiven zylindrischen Körper. Der Rest der Anordnung ist im wesentlichen identisch zu derjenigen der dritten Ausführungsform.
Vergleichsbeispiel 2
15 und 16 zeigen eine weitere Vergleichsschweißanordnung. Das zweite Teil 303 erstreckt sich über das Durchgangsloch 323 des ersten Teils 302. Die obere Endfläche des zweiten Teils 303, die aus dem Durchgangsloch 323 freiliegt, ist mit dem flachen Ringabschnitt des Kopfabschnitts 321 bündig. Die Bestrahlung des Laserstrahls 307 wird entlang der kreisförmigen Grenze zwischen dem flachen Ringabschnitt 329 des Kopfabschnitts 321 und dem zweiten Teil 303 angewendet. Der Rest der Anordnung ist im wesentlichen identisch zu derjenigen gemäß der dritten Ausführungsform.
Experiment 1
17 zeigt das Ergebnis eines Experiments, das durchgeführt wurde, um die Schweißfestigkeit bzw. -stärke der Schweißanordnung in sowohl der dritten Ausführungsform wie dem Vergleichsbeispiel 1 und dem Vergleichsbeispiel 2 zu ermitteln.
Wie aus 17 hervorgeht, erzielt die dritte Ausführungsform einen zufriedenstellenden geschmolzenen Abschnitt 301 mit einer Schweißfestigkeit von 500 kgf, und sie verursacht keine Rißbildung, wenn die Laserenergie sich in einem weiten Bereich von 270 W bis 450 W befindet. Die Schweißfestigkeit ist nicht zufriedenstellend, wenn die Laserenergie geringer als 270 W ist, während eine Neigung besteht, daß ein Riß in dem geschmolzenen Abschnitt erzeugt wird, wenn die Laserenergie 450 W übersteigt.
Andererseits erzielen die Vergleichsbeispiele 1 und 2 zufriedenstellende geschmolzene Abschnitte äquivalent zu denjenigen der dritten Ausführungsform, wenn die Laserenergie sich in relativ schmalen Bereichen von 270~375 W und 270~315 W befinden.
Es wird angenommen, daß beide Vergleichsbeispiele 1 und 2 aufgrund einer Spannung Risse verursachen, welche auf den Verbindungsabschnitt einwirken, oder aufgrund des Einflusses der Zusammensetzungen des geschmolzenen Abschnitts.
Experiment 2
Ein weiteres Experiment wurde durchgeführt, um die Beziehung zwischen der Verdünnungsrate ”S” und der Natur des geschmolzenen Abschnitts zu ermitteln, der in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform gebildet wurde. 18 zeigt den geschmolzenen Abschnitt 301, der gebildet wird, wenn die Verdünnungsrate ”S” 10% beträgt. In diesem Fall ist der Übergang des geschmolzenen Abschnitts 301 in das zweite Teil 303 nicht zufriedenstellend. Die Schweißfestigkeit ist deshalb unzureichend. 19 zeigt den geschmolzenen Abschnitt 301, der gebildet wird, wenn die Verdünnungsrate ”S” 35% beträgt. In diesem Fall ist der Übergang des geschmolzenen Abschnitts 301 in das zweite Teil 303 zufriedenstellend. Die Schweißfestigkeit ist deshalb adäquat. 20 zeigt den geschmolzenen Abschnitt 301, der gebildet wird, wenn die Verdünnungsrate ”S” größer als 45% ist. In diesem Fall ist der Übergang des geschmolzenen Abschnitts 301 in das zweite Teil 303 viel zu tief. Dies verursacht unerwünschte Risse 395 in dem geschmolzenen Abschnitt 301.
Experiment 3
21 zeigt die Beziehung zwischen der Laserenergie und der Verdünnungsrate ”S” des geschmolzenen Abschnitt 301, experimentell gewonnen von der Schweißanordnung gemäß der dritten Ausführungsform durch Variieren der Laserausgangsleistung sowie der Dicke des Schaftabschnitts 322, wenn der Schaftabschnitt 322 sich mit einer Geschwindigkeit bzw. Drehzahl von 22 mm/s dreht.
Wie aus 21 hervorgeht, erzielt die dritte Ausführungsform einen zufriedenstellenden geschmolzenen Abschnitt in einem weiten Bereich der Laserenergie ohne Verursachung eines Risses oder eines Spritzers, wenn die Verdünnungsrate ”S” sich im Bereich von 15~45% befindet. Betreffend die Beziehung zwischen der Schaftdicke ”t” und der Verdünnungsrate ”S” verursacht eine 45% übersteigende Verdünnungsrate einen Riß. Wenn die Grenze bzw. Beschränkung der Schweißfestigkeit niedriger als 500 kgf ist, kann ein zufriedenstellender geschmolzener Abschnitt selbst dann gebildet werden, wenn die Verdünnungsrate ”S” geringer als 15% ist.
Wie aus der vorstehend angeführten Beschreibung hervorgeht, stellt die vorstehend genannte dritte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ein Schweißverfahren und eine Überlappungsstoß-Schweißstruktur zum Verbinden des ersten Teils 302 mit dem zweiten Teil 303 bereit. Das erste Teil weist den Kopfabschnitt 321, den Schaftabschnitt 322 und das Loch 323 auf, das sich in dem Kopfabschnitt 321 und dem Schaftabschnitt 322 erstreckt. Beim Schweißvorgang wird der Überlappungsabschnitt 310 durch Einführen des zweiten Teils 303 in das Loch 323 des ersten Teils 302 gebildet, um den Überlappungsabschnitt 310 zu bilden. Daraufhin wird der Schweißstrahl 307 an den vorbestimmten Bestrahlungspunkt auf der Außenfläche des Schaftteils 322 des Überlappungsabschnitts 310 ausgestrahlt. Daraufhin wird der geschmolzene Abschnitt 301 entlang einem Umfang des Überlappungsabschnitts 310 als geschmolzener und ausgehärteter Abschnitt ausgebildet, der in das erste Teil 302 und das zweite Teil 303 übergeht.
Wie in 9B gezeigt, wird der geschmolzene Abschnitt 301 einer Zugspannung ausgesetzt, und zwar durch Einwirken in einer Umfangsrichtung ”C” sowie in einer axialen Richtung ”D”. In Übereinstimmung mit der Schweißstruktur, die durch das vorstehend erläuterte Schweißverfahren verwirklicht ist, kann jedoch die Zugspannung, die in der Umfangsrichtung ”C” einwirkt, durch den Schaftabschnitt 322 absorbiert werden, der in der radialen Richtung sich zusammenzieht. Das Zusammenziehen des Schaftabschnitts 322 verursacht eine Festlegkraft zum festen Halten des Rohrkörpers des zweiten Teils 302, welches in das Loch 323 des ersten Teils 302 eingesetzt ist. Mit anderen Worten sind der Schaftabschnitt 322 und das zweite Teil 303 an einer anderen Kontaktfläche als dem geschmolzenen Abschnitt 301 festsitzend festgelegt. Die in der axialen Richtung ”D” einwirkende Zugspannung kann deshalb durch den sich vom geschmolzenen Abschnitt 301 unterscheidenden Abschnitt wirksam absorbiert werden. Dies verhindert signifikant, daß der geschmolzene Abschnitt 301 einer konzentrierten Spannung ausgesetzt wird.
In Übereinstimmung mit dem Schweißverfahren gemäß der dritten Ausführungsform ist die Korngrenze der gebildeten Metallkristalle außerdem stark. Es liegt keine Abscheidung von Verunreinigungselemente vor. Der geschmolzene Abschnitt 301 ist deshalb frei von Rissen. Ein weiter Laserenergiebereich kann eingesetzt werden, um den geschmolzenen Abschnitt 301 in der vorstehend erläuterten Weise auszubilden.
Das erste Teil 302 ist aus dem Magnetmaterial hergestellt, daß zumindest einen Stahl umfaßt, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus dem Silizium-Stahl (Tabelle 4), dem Legierungsstahl der Ni-Gruppe (Tabelle 1) und dem Ferrit-Edelstahl (Tabelle 3) besteht.
Das zweite Teil 303 besteht aus einem verschleißfesten Metallmaterial umfassend zumindest einen Stahl, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus dem Legierungsstahl (Tabelle 5), dem Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl (Tabelle 6) und dem Edelstahl der Martensit-Gruppe (Tabelle 2) besteht.
In Übereinstimmung mit dieser Anordnung kann die resultierende Überlappungsfuge bzw. -naht bzw. -verbindung als magnetisch kontrolliertes Stück oder Teil verwendet werden, wenn das erste Teil 302 aus dem Magnetmaterial besteht. Die resultierende Überlappungsverbindung weist außerdem eine hervorragende Festigkeit gegenüber Verschleiß und Abrieb auf, da das zweite Teil 303 aus dem verschleißfesten Metallmaterial besteht.
Die Verdünnungsrate S = B/(A + B) liegt im Bereich von 15 bis 45%, wobei ”A” eine Querschnittsfläche des geschmolzenen Abschnitts 301 bezeichnet, die in das erste Teil 302 übergeht, und wobei ”B” eine Querschnittsfläche des geschmolzenen Abschnitt 301 bezeichnet, die in das zweite Teil 303, wie in 12 gezeigt, übergeht.
Wenn die Verdünnungsrate ”S” sich im vorstehend erläuterten Bereich befindet, geht der geschmolzene Abschnitt 301 in das erste Teil 302 und das zweite Teil 303 mit ausreichender Tiefe über. Wenn die Verdünnungsrate ”S” geringer als 15% ist, ist die Schweißstärke bzw. -festigkeit des geschmolzenen Abschnitts 301 unzureichend. Wenn die Verdünnungsrate ”S” größer als 45% ist, besteht die Möglichkeit bzw. Gefahr, daß in dem geschmolzenen Abschnitt 301 Risse ausgebildet werden.
Die Verdünnungsrate ”S” kann durch Einstellen der Energie des Laserstrahls 307 oder durch Variieren der Dicke ”t” des Schaftabschnitts 322 kontrolliert bzw. gesteuert werden.
Wenn eine erforderliche Schweißstärke bzw. -festigkeit 500 kgf beträgt, ist es bevorzugt, daß die Dicke ”t” des Schaftabschnitts 322 im Bereich von 0,4 mm bis 0,8 mm liegt, um eine ausreichende Schweißfestigkeit zu erzielen. Wenn die Dicke ”t” geringer als 0,4 mm ist, kann der Schaftabschnitt 322 einen Riß aufgrund mechanischer Schwäche verursachen, und zwar infolge einer dünnen Plattendicke desselben. Wenn die Dicke ”t” größer als 0,8 mm ist, erfordert dies eine übermäßig hohe Laserenergie, die zu einer Wärmeverzerrung führen kann.
Diese Erfindung kann in unterschiedlichen Ausführungsformen verkörpert sein, die sämtliche unter den Schutzumfang der Erfindung fallen. Die vorstehend erläuterten aktuellen Ausführungsformen dienen deshalb lediglich der Beschreibung der Erfindung und sind in keinster Weise für diese beschränkend. Sämtliche Ausführungsformen der Erfindung fallen in den Umfang der anliegenden Ansprüche.

Claims

Überlappungsstoß-Schweißstruktur, umfassend ein erstes Teil (11, 21) und ein zweites Teil (12, 22), die durch Schweißen an einem vorbestimmten Überlappungsabschnitt (10) überlappen und aneinander fixiert sind, wobei ein geschmolzener Randabschnitt (15) an dem Überlappungsabschnitt (10) durch Ausstrahlen eines Schweißstrahls (8) zu einer Außenfläche des ersten Teils (11, 21) an einem Schweißbereich ausgebildet ist, der von einer vorderen Endseite (151) des ersten Teils (11, 21) um einen gegebenen Abstand beabstandet ist, und als ein verschweißter und geschmolzener Abschnitt dient, der durch einen Übergangsabschnitt zwischen dem ersten Teil (11, 21) und dem zweiten Teil (12, 22) gebildet ist; wobei die vordere Endseite (151) des geschmolzenen Randabschnitts (15) schräg unter einem stumpfen Winkel (α) größer als 90° auf eine nackte Außenseite des zweiten Teils (12, 22) verläuft, die nicht durch das erste Teil (11, 21) überlappt ist; und wobei der geschmolzene Randabschnitt (15) eine Verdünnungsrate S = B/(A + B) aufweist, die in einen Bereich gleich oder kleiner als 45% fällt, wobei ”A” eine Querschnittsfläche des geschmolzenen Randabschnitts (15) darstellt, in welches das erste Teil (11, 21) übergeht, und ”B” eine Querschnittsfläche des geschmolzenen Randabschnitts (15) darstellt, in welchen das zweite Teil (12, 22) übergeht.
Überlappungsstoß-Schweißstruktur nach Anspruch 1, wobei das zweite Teil (12; 22) einen Stabkörper aufweist, der in eine Bohrung (110; 210) des ersten Teils (11; 21) eingesetzt ist.
Überlappungsstoß-Schweißstruktur nach Anspruch 2, wobei das erste Teil (21) eine Rippe (211) aufweist, die in Kontakt mit dem zweiten Teil (22) gebracht ist.
Überlappungsstoß-Schweißstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: das erste Teil (11, 21) ein Legierungsstahl der Ni-Gruppe ist, der die Bestandteile (in Gewichtsprozent) C (≤ 0,05), Si (≤ 0,30), Mn (≤ 1,25), P (≤ 0,04), S (≤ 0,03) und Ni (40,00~50,00) umfasst; und das zweite Teil (12, 22) ein Edelstahl der Martensit-Gruppe ist, der die Bestandteile (in Gewichtsprozent) C (≤ 1,20), Si (≤ 1,00), Mn (≤ 1,25), P (≤ 0,04), S (≤ 0,03) und Cr (≤ 18,00) umfasst.
Überlappungsstoß-Schweißstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: das erste Teil (11, 21) ein Edelstahl der Ferrit-Gruppe ist, der die Bestandteile (in Gewichtsprozent) C (≤ 0,12), Si (≤ 3,00), Mn (≤ 1,25), P (≤ 0,04), S (≤ 0,03), Cr (≤ 20,00) und Al (≤ 5,00) umfasst; und das zweite Teil (12, 22) ein Edelstahl der Martensit-Gruppe ist, der die Bestandteile (in Gewichtsprozent) C (≤ 1,20), Si (≤ 1,00), Mn (≤ 1,25), P (≤ 0,04), S (≤ 0,03) und Cr (≤ 18,00) umfasst.
Überlappungsstoß-Schweißstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der geschmolzene Randabschnitt (15) an dem Überlappungsabschnitt (10) durch Strahlen eines Laserstrahls (8) auf eine Außenfläche bzw. -seite (117, 217) des Überlappungsabschnitts (10) gebildet ist.
Schweißverfahren zum Ausbilden einer Überlappungsstoß-Schweißstruktur zum Verbinden eines ersten Teils (11, 21) und eines zweiten Teils (12, 22), umfassend die Schritte: Überlappen von Randabschnitten des ersten Teils (11, 21) und des zweiten Teils (12, 22) miteinander, um einen Überlappungsabschnitt (10) zu bilden; Abstrahlen eines Schweißstrahls (8) auf eine Außenfläche des Randabschnitts des ersten Teils (11, 21) an einem Schweißbereich, der mit einem vorbestimmten Abstand von einer Endfläche (151) des Randabschnitts des ersten Teils (11, 21) beabstandet ist; und Verschmelzen von Randabschnitten des ersten Teils (11, 21) und des zweiten Teils (12, 22) miteinander an dem Schweißbereich, woraufhin die Randabschnitte des ersten Teils (11, 21) und des zweiten Teils (12, 22) aushärten, um einen geschmolzenen Randabschnitt (15) an dem Schweißbereich auszubilden.
Überlappungsstoß-Schweißverfahren nach Anspruch 7, wobei ein Stabkörper des zweiten Teils (12; 22) in eine Bohrung (110; 210) des ersten Teils (11; 21) eingesetzt wird, um den Überlappungsabchnitt (10) zu bilden.
Überlappungsstoß-Schweißverfahren nach Anspruch 8, wobei eine distale Endfläche (223) des zweiten Teils (22) in Kontakt mit einer Rippe (214) gebracht wird, die in der Bohrung (210) des ersten Teils (21) gebildet ist.
Überlappungsstoß-Schweißverfahren nach Anspruch 7, wobei die Ausstrahlung des Schweißstrahls (8) entlang dem gesamten Umfang des Überlappungsabschnitts (10) derart durchgeführt wird, daß eine vordere Endseite bzw. -fläche (151) des geschmolzenen Randabschnitts (15) schräg unter einem stumpfen Winkel (α) größer als 90° in bezug auf die nackte Außenfläche bzw. -seite des zweiten Teils (12; 22) verläuft, die nicht mit dem ersten Teil (11; 21) überlappt ist.
Schweißverfahren zum Ausbilden einer Überlappungsstoß-Schweißstruktur zum Verbinden eines ersten Teils (302) und eines zweiten Teils (303), wobei das erste Teil einen Kopfabschnitt (321), einen Schaftabschnitt (322) und ein Loch (323) aufweist, das sich in dem Kopfabschnitt (321) und dem Schaftabschnitt (322) erstreckt, wobei das Schweißverfahren die Schritte umfasst: Einsetzen des zweiten Teils (303) in das Loch (323) des ersten Teils (302), um Randabschnitten der ersten und zweiten Teile (302, 303) zu ermöglichen, sich zur Ausbildung eines Überlappungsabschnitts (310) zu überlappen; Ausstrahlen eines Schweißstrahls (307) auf eine Außenfläche des Schaftabschnitts (322) des ersten Teils (302) an einem Schweißbereich, der um einen vorbestimmten Abstand von einer Oberfläche des Schaftabschnitts (322) beabstandet ist; und Verschmelzen der Randabschnitte des ersten Teils (302) und des zweiten Teils (303) miteinander an dem Schweißbereich, woraufhin der Schaftabschnitt (322) des ersten Teils (302) und des zweiten Teils (303) aushärten, um einen geschmolzenen Randabschnitt (301) an dem Schweißbereich auszubilden.
Schweißverfahren zum Ausbilden einer Überlappungsstoß-Schweißstruktur nach Anspruch 11, wobei das erste Teil (302) aus einem Magnetmaterial besteht, das zumindest einen Stahl umfaßt, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silizium-Stahl, Legierungsstahl der Ni-Gruppe und Ferrit-Edelstahl besteht.
Schweißverfahren zum Ausbilden einer Überlappungsstoß-Schweißstruktur nach Anspruch 11 oder 12, wobei das zweite Teil (303) aus einem verschleißfesten Metallmaterial besteht, das einen Stahl umfaßt, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Legierungswerkzeugstahl, einem Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl und einem Edelstahl der Martensit-Gruppe besteht.
Überlappungsstoß-Schweißstruktur, umfassend ein erstes Teil (302), das einen Kopfabschnitt (321), einen Schaftabschnitt (322) und ein Loch (323), das sich in dem Kopfabschnitt (321) und dem Schaftabschnitt (322) erstreckt, und ein zweites Teil (303) umfasst, welche einander überlappen und miteinander durch Schweißen an einem gegebenen Überlappungsabschnitt (310) verbunden sind, wobei ein geschmolzener Randabschnitt (301) in den Überlappungsabschnitt (310) durch Ausstrahlung eines Schweißstrahls (307) zu einer Außenfläche des Schaftabschnitts (322) des ersten Teils (302) an einem Schweißbereich ausgebildet ist, der von einer vorderen Endfläche des Schaftabschnitts (322) des ersten Teils (302) um einen gegebenen Abstand beabstandet ist und als ein verschweißter und geschmolzener Abschnitt dient, der aus einem Übergangsabschnitt zwischen dem Schaftabschnitt (322) des ersten Teils (302) und des zweiten Teils (303) gebildet ist; und wobei der geschmolzene Randabschnitt (301) eine Verdünnungsrate S = B/(A + B) aufweist, der in einen Bereich gleich oder kleiner als 45% fällt, wobei ”A” eine Querschnittsfläche des geschmolzenen Randabschnitts (301) darstellt, in welchen das erste Teil (302) übergeht, und wobei ”B” eine Querschnittsfläche des geschmolzenen Randabschnitts (301) darstellt, in welchen das zweite Teil (302) übergeht.
Überlappungsstoß-Schweißstruktur nach Anspruch 14, wobei das erste Teil (302) aus einem Magnetmaterial besteht, das zumindest einen Stahl umfasst, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Silizium-Stahl, Legierungsstahl der Ni-Gruppe und Ferrit-Edelstahl besteht.
Überlappungsstoß-Schweißstruktur nach Anspruch 14 oder 15, wobei das zweite Teil (303) aus einem verschleißfesten Metallmaterial besteht, das zumindest einen Stahl umfasst, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Legierungswerkzeugstahl, Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahl und Edelstahl der Martensit-Gruppe besteht.