DE10045031A1

DE10045031A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von duktilem Eisen und Stahl

Info

Publication number: DE10045031A1
Application number: DE10045031A
Authority: DE
Inventors: Mark Shuster; Gregory A Fett; James A Duggan; Oscar Mnushkin
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2001-04-12
Also published as: US6308882B1; BR0004115A; JP2001162390A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verbinden von duktilem Eisen mit Stahl angegeben, welches die Schritte umfaßt, bei denen ein metallisches Material zwischen einer ersten Komponente aus duktilem Eisen und einer zweiten Komponente aus Stahl aufgebracht wird. Die bei dieser Verfahrensweise gebildete Verbindung hat eine Grenzfläche zwischen den beiden Komponenten, und die ersten und die zweiten Komponenten werden miteinander stoffschlüssig beispielsweise mittels Schweißen verbunden. Die Grenzfläche umfaßt das metallische Material. Das metallische Material umfaß vorzugsweise einen Nickelsprühauftrag auf den Verbindungsbereich. Das erhaltene Grenzschichtmaterial ist eine Schweißraupenzone, welche vorzugsweise Nickel mit einer Konzentration in einem Bereich von etwa 22% bis etwa 32%, insbesondere zwischen etwa 30% und 32% enthält. Der Schweißschritt nach der Erfindung umfaßt vorzugsweise den Einsatz von Laserenergie, um eine örtliche Erschmelzung bzw. Verschmelzung der Komponenten und des matallischen Materials zu erzielen.

Description

Die Erfindung befaßt sich allgemein mit einer Schweißverbindung von Stahl mit duktilem Eisen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Bildung einer Schnittstelle zwischen einem Stahlbauteil und einem Bauteil aus dukti lem Eisen unter Einsatz des Lichtbogenschweißens, Laserschweißens und/- oder Reibungsschweißens.

Die Erzeugung einer Verbindung oder einer Schweißverbindung zwischen Materialien, die unterschiedliche thermische Expansions- und Kontraktions eigenschaften haben, ist schon seit langem mit Schwierigkeiten behaftet. Obgleich erwünscht, wurden viele Versuche unternommen, derartige Materia lien mit Hilfe einer stoffschlüssigen Verbindung oder einer Schweißverbin dung zu verbinden, die eine physikalische Eigenfestigkeit besitzt, die gleich oder größer als jene der stoffschlüssig zu verbindenden Materialien ist. Insbesondere treten Schwierigkeiten auf, wenn unterschiedliche Metalle in unterschiedlichem Ausmaß bei der Erstellung der Schweißverbindung schrumpfen. Die Unterschiede bei den Kontraktionsraten der Metalle führt zu Eigenspannungen, welche in Rißbildungen und Schwächungen des Gebildes resultieren. Die Schwierigkeit von sich ändernden Kontraktionsraten ist insbesondere dann von großer Bedeutung, wenn Stahl und duktiles Eisen zu verbinden sind.

Eine technologische Hauptherausforderung stellt das Verhindern der Bildung von Rissen infolge von Eigenspannungen dar, die in der Umgebung einer stoffschlüssigen Verbindung oder Schweißverbindung langzeitig nach dem Einsatz des Bauteils auftreten. Wenn Stahl und duktiles Eisen miteinander zu verbinden sind, hat die Schweißkonstruktion eine stark durch Wärme beauf schlagte Zone, welche die Verbindungsstelle umgibt, welche auch die Nei gung besitzt, daß eine Versprödung im Verbindungsbereich dadurch auftitt, daß Kohlenstoff vom Stahl in die Eisenmatrix übergeht. Wenn ein NiRod 55 eingesetzt wird, um duktiles Eisen und Stahl zu verbinden, wie dies heutzuta ge der Fall ist, können eventuell einige Rißkorrosionserscheinungen in dem die Verbindung umgebenden Bereich auftreten. Daher ist es erwünscht, ein widerstandsfähiges, schnelles und zuverlässiges Verfahren zum Verbinden von Stahl mit duktilem Eisen bereitzustellen, bei dem die erhaltene Ver bindung eine minimale durch Wärme beeinflußte Zone, eine maximale Ermüdungsfestigkeit und eine starke Korrisionswiderstandsfähigkeit hat.

Nach der Erfindung wird hierzu ein Verfahren zum Verbinden von duktilem Eisen mit Stahl bereitgestellt. Zuerst wird ein metallisches Material zwischen einer ersten duktilen Eisenkomponente und einer zweiten Stahlkomponente aufgebracht. Dann wird ein Grenzflächenmaterial gebildet, welches das metallische Material umfaßt, indem die ersten und die zweiten Komponenten mit dem metallischen Material stoffschlüssig verbunden werden bzw. ver schweißt werden. Das metallische Material umfaßt vorzugsweise Nickel mit einer Konzentration von größer oder gleich etwa 70%. Wenn Nickel einge setzt wird, kann es in Form eines selbstfließenden Materials mit etwa 70% Nickel aufgebracht werden. Vorzugsweise wird jedoch ein exothermes Pulver auf den Verbindungsbereich gesprüht, wobei das Pulver etwa 95% Nickel und etwa 5% Aluminium enthält. In jedem Fall ist das erhaltene Grenzflä chenmaterial eine Schweißraupenzone, welche vorzugsweise Nickel mit einer Konzentration in einem Bereich von etwa 22% bis etwa 32% und insbeson dere zwischen 30% und 32% umfaßt.

Der Schweißschritt nach der Erfindung umfaßt vorzugsweise den Einsatz von Laserenergie, um eine örtliche Fusion der Komponenten des metallischen Materials zu erzeugen. Die Laserenergie kann gemäß einem spiralförmigen Weg zur Bildung einer Raupenzone zur Einwirkung gebracht werden, woraus eine widerstandsfähigere und festere Stoffschlußverbindung insgesamt resultiert. Alternativ kann ein Reibungsschweißen eingesetzt werden, um die Komponenten zu verbinden. Das Reibungsschweißen kann alleine eingesetzt werden oder es kann im Anschluß daran ein Lichtbogenschweißvorgang oder ein Laserschweißen durchgeführt werden.

Als ein Beispiel nach der Erfindung ist die erste Komponente ein Lenkkabel aus duktilem Eisen, und die zweite Komponente ist ein Stahlrohrmaterial. Bei einem zweiten Beispiel werden die erste Komponente und die zweite Kom ponente zur Bildung einer Fahrzeugachse verbunden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:

fig. 1A eine Querschnittsansicht einer Antriebswelle, welche gemäß der Erfindung geschweißt oder aus wenigstens zwei Kompo nenten stoffschlüssig verbunden ist;

Fig. 1B eine Querschnittsansicht der in Fig. 1A gezeigten Antriebs welle;

Fig. 1C eine Draufsicht einer Antriebswelle, welche eine duktile Eisen komponente und eine Stahlkomponente hat;

Fig. 2A eine Schnittansicht einer gewichtsmäßig leichten Achse, welche gemäß der Erfindung mittels Schweißen verbunden ist; und

Fig. 2B eine Querschnittsansicht der gewichtsmäßig leichten Achse nach Fig. 2A.

Die Erfindung befaßt sich mit einem Schweißverfahren bzw. mit einem Verfahren zur Erstellung einer stoffschlüssigen Verbindung, bei dem eine weiche Grenzfläche zwischen einer Stahlkomponente und einer duktilen Eisenkomponente erzeugt wird, wie dies in den Figuren gezeigt ist. Als ein erstes Anwendungsbeispiel der Erfindung beziehen sich die Fig. 1A bis 1C auf ein Gabelteil 11 aus duktilem Eisen, welches mit einem Stahlrohrma terial 12 verbunden ist, um eine Antriebswelle 13 für ein Fahrzeug zu bilden.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung wird die Antriebswelle 13 dadurch hergestellt, daß zuerst ein Überzug 15 auf Metall basis, wie ein Überzug auf Nickelbasis, ein Überzug auf rostfreier Stahlbasis oder ein Überzug auf Kupferbasis, auf einen Bereich 14 der Gabel 11 aus duktilem Eisen und/oder dem Stahlrohrmaterial 12 aufgebracht wird, und zwar an den Stellen, an denen die Komponenten 11 und 12 miteinander zu verbinden sind. Der Überzug 15 auf Metallbasis kann aufgebracht werden, währenddem das Schweißen unter Einsatz eines Metalldrahtes zur Ver bindung der Antriebswellenkomponenten 11 und 12 durchgeführt wird. Wenn ein Draht auf Metallbasis beim Lichtbogenschweißverfahren eingesetzt wird, wird in bevorzugter Weise die Schweißablagerung mit Hilfe des Drahts durch ein selbstfließendes Material bewirkt, welches etwa 70% Nickel umfaßt. Als eine Schweißenergiequelle kann ein Brenner für ein Lichtbogenschweißen eingesetzt werden. Insbesondere hat sich aber das Laserschweißen als vorteilhaft erwiesen, und zwar hinsichtlich des Einflusses von Nickel auf das Bereitstellen einer rißfreien Schweißverbindung, einer möglichst kleinen durch Wärme beeinflußten Zone und hinsichtlich einer geringen Versprödung beim geschweißten Metall. Wie in den Fig. 1A und 1B gezeigt ist, wird die Schweißverbindung 10 unter Einsatz eines Lasers ausgebildet, der eine ausreichende Energie besitzt, um den Stahl 12 und den zuvor aufgesprühten Überzug 15 auf Nickelbasis zu durchdringen und ferner auch die Gabel 11 aus duktilem Eisen zu durchdringen. Zur Vergrößerung der Schweißfestigkeit kann der Laser auf mehreren spiralförmig verlaufenden Bahnen um eine Verbindungsstelle geführt werden. Währenddem die Wärme auf einer spiral förmigen Bahn auf die Verbindung unter Einsatz eines Brenners einwirkt, kann ein Laser es genau gestatten, daß die jeweilige spiralförmig verlaufen de Bahn in ausreichendem Maße eng angrenzend an der Schweißnaht während des vorangehenden Durchganges verläuft, ohne daß die vorhande ne und bereits erstellte Schweißnaht beeinträchtigt wird.

Es wird bei der ersten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung ein Sprühüberzug 15 auf Nickelbasis entweder auf das Stahlrohrmaterial 12 und/oder die Gabel 11 aus duktilem Eisen vor dem eigentlichen Verbindungs vorgang aufgebracht. Dieser Auftrag erfolgt an Stelle eines Nickelflußmittels während des Schweißens. Das Aufbringen eines Materials auf Nickelbasis unter Einsatz von modernen Sprühtechniken bringt den Vorteil mit sich, daß sich die Menge und die örtliche Lage des aufgebrachten Materials auf Alumi niumbasis zuverlässiger vorbestimmen lassen. Ferner lassen sich die Eigen heiten und die Flexibilität der erhaltenen Kombination aus duktilem Eisen und Stahl einfach einstellen, und die Verbindung läßt sich auf wesentlich kosten günstigere Weise als bei dem Fall herstellen, wenn ein Nickelflußmittel während des Schweißvorgangs bei der Ablagerung eingesetzt wird. Ein exothermes Aluminid-Nickelpulver, welches etwa 95% Nickel und 5% Alumi nium enthält, hat ein insbesondere gutes Adhäsionsvermögen mit den Ober flächen der Komponenten 11, 12. Bei allen Anwendungsfällen wird es bevor zugt, daß die Grenzfläche 10, welche zwischen den Komponenten 11 und 12 gebildet wird, die man durch irgendeine Anwendung einer Schweißnaht gebildet hat, zwischen etwa 22% und etwa 32% Nickel, und insbesondere zwischen etwa 30% und 32% Nickel enthält. In Abhängigkeit von der Aus legung der Verbindung kann eine Mehrzahl von unterschiedlichen Laser schweißparametern sowie Überzugstiefen und Ausbildungsformen derselben erstellt werden, um die Grenzfläche oder den Grenzbereich zu schaffen, welcher die bevorzugte Konzentration von Nickel darin hat.

Wenn der Sprühüberzug 15 auf Nickelbasis vor der Verbindung der Kom ponenten 11, 12 aufgebracht wird, können die Komponenten auch durch einen Reibungsschweißvorgang (Trägheitsschweißvorgang) verbunden werden. Während das Reibungsschweißen ein schnelles Verfahren darstellt, und in vielen Fällen ausreichend und zuverlässig ist, um das Schmelzen der beteiligten Komponenten aufrecht zu erhalten, läßt sich die Zuverlässigkeit der Schweißverbindung dadurch stark steigern, daß man im Anschluß an das Reibungsschweißen ein Laserschweißen vornimmt. Wenn man im Anschluß an das Reibungsschweißen ein Laserschweißen gemäß der voranstehenden Beschreibung durchführt, erhält man wesentlich verbesserte Verhältnisse hinsichtlich der Grenzfläche zwischen den Komponenten 11, 12 dahinge hend, daß Nickel in den voranstehend beschriebenen bevorzugten Konzen trationsbereichen vorhanden ist. Auch das messerähnliche Laserschweißen führt zu einer intensiven und örtlichen Verschmelzung der Komponenten 11, 12 und des Materials 15 auf Nickelbasis, so daß ermöglicht wird, daß die Schweißverbindung eine genaue Gestalt bei entsprechendem Winkel hat. Hierdurch ergeben sich ausreichende Flexibilitäten hinsichtlich der Erstellung von widerstandsfähigen Stoffschlußverbindungen zwischen duktilem Eisen und Stahlmaterial.

Bei einem zweiten Beispiel nach der Erfindung, welches in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist, wird ein Stahlrohrmaterial 16 mit einem duktilen Eisen 17 zur Bildung einer Fahrzeugachse 18 verbunden. Die Schweißraupe 19 umgibt die Umfangsteile sowohl des Stahlrohrmaterials 16 als auch der Komponente 17 aus duktilem Eisen, um eine Grenzfläche zwischen den beiden Komponenten zu bilden. In Abhängigkeit von Einflußgrößen, wie der Dicke der zu verschweißenden Komponenten, der Schweißenergiequelle usw. , kann die Schweißnaht dadurch gebildet werden, daß die Energie senkrecht zur Längserstreckung des Stahlrohrmaterials 16 aufgebracht wird, wie dies mit einem Pfeil 20 angedeutet wird, oder daß sie parallel zur Läng serstreckung des Stahlrohrs 16 aufgebracht wird, wie dies mit einem Pfeil 21 verdeutlicht ist.

Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung wird die Achse 18 dadurch hergestellt, daß zuerst ein Überzug auf Metallbasis (nicht gezeigt, da die Schweißverbindung 19 in den Fig. 2A und 2B in einem fertiggestellten Zustand gezeigt ist), wie beispielsweise ein Überzug auf Nickelbasis, ein Überzug auf rostfreier Stahlbasis, oder ein Überzug auf Kupferbasis, auf einen Bereich des duktilen Eisens 17 und/oder des Stahl rohrmaterials 16 aufgebracht wird, an dem diese Komponenten 16, 17 zu verbinden sind. Der Überzug auf Metallbasis kann aufgebracht werden, währenddem die Achskomponenten 16, 17 unter Einsatz eines Metalldrahtes verschweißt werden, vorzugsweise aus einem selbstfließenden Material, welches etwa 70% Nickel gemäß dem voranstehend erörterten ersten Bei spiel umfaßt. Als eine Schweißenergiequelle wird bevorzugt das Laser schweißen eingesetzt, wodurch man die zuvor bereits erörterten Vorteile erhält. Um ferner die Schweißfestigkeit zu erhöhen, kann der Laser auf mehreren spiralförmigen Bahnen um eine Verbindungsstelle geführt werden, wobei jeder Durchgang die gesamte Schweißverbindung verstärkt, ohne die beim zuvor durchgeführten Durchgang gebildete Schweißverbindung zu beeinträchtigen.

Es wird wiederum bevorzugt, daß ein Sprühüberzug auf Nickelbasis entweder auf das Stahlrohrmaterial 16 und/oder das duktile Eisen 17 vor der Ver bindung an Stelle eines Nickelflußmittels aufgebracht wird, welches beim Schweißvorgang eingesetzt wird. Der Grund hierfür ist voranstehend bereits geschildert worden. Wiederum wird es bevorzugt, daß die Schweißgrenz stelle 19, welche zwischen den Komponenten 16, 17 gebildet wird, zwischen etwa 22% und etwa 32% Nickel, und insbesondere zwischen etwa 30% und etwa 32% Nickel enthält. In Abhängigkeit von der Auslegung der Verbindung lassen sich unterschiedliche Laserschweißparameter, Überzugstiefen und Formen erstellen, um die gewünschte Schnittstelle mit der bevorzugten Nickelkonzentration zu erhalten. Ein Reibungsschweißen kann allein oder vorzugsweise in Verbindung mit einer anschließenden Laserschweißbehand lung durchgeführt werden, um die Achskomponenten 16, 17 miteinander zu verbinden.

Obgleich voranstehend die Erfindung an Hand von bevorzugten Ausführungs beispielen näher beschrieben und erläutert worden ist, ist die Erfindung natürlich hierauf nicht beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zur Verbindung von duktilem Eisen mit Stahl, welches die folgenden Schritte aufweist:
Aufbringen eines metallischen Materials zwischen einer ersten Komponente, welche aus duktilem Eisen besteht, und einer zweiten Komponente, welche aus Stahl besteht;
Ausbildung eines Grenzschichtmaterials, welches das metalli sche Material mit einer Konzentration in einem Bereich von etwa 22% bis etwa 32% aufweist und welches durch Schweißen der ersten Komponente, der zweiten Komponente und des metallischen Materials gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material Nickel mit einer Konzentration von wenigstens etwa 70% aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Nickel unter Einsatz eines selbstfließenden Materials mit etwa 70% Nickel vor dem Auftrag bereitgestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Nickel unter Einsatz eines exothermen Pulvers bereitgestellt wird, welches etwa 95% Nickel und etwa 5% Aluminium aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß das Grenzflächenmaterial eine Schweißraupenzone ist, welche Nickel als metallisches Material aufweist, welches mit einer Konzentration in einem Bereich von etwa 22% bis etwa 32% vorhan den ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Grenzflächenmaterial eine Schweißraupenzone ist, welche Nickel mit einer Konzentration in einem Bereich von etwa 30% bis 32% aufweist.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das Schweißen unter Einsatz von Laserenergie zum örtlichen Erschmelzen bzw. Verschmelzen der ersten Komponen te, der zweiten Komponente und des metallischen Materials erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserenergie zur Bildung einer spiralförmig verlaufenden Raupenzone aufgebracht wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste Komponente eine Lenkgabel aus dukti lem Eisen ist, und daß die zweite Komponente ein Stahlrohrmaterial ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich net, daß der Schritt zum Auftragen einer Schicht ein Aufsprühen eines Überzugs auf Nickelbasis auf die erste Komponente oder die zweite Komponente aufweist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß das Schweißen das Reibungsschweißen umfaßt, und im Anschluß ein Lichtbogenschweißen oder Laserschweißen einge setzt wird.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die erste Komponente und die zweite Komponente zusammen eine Fahrzeugachse bilden.

13. Gegenstand mit einer Komponente aus duktilem Eisen und einer Komponente aus Stahl, welcher folgendes aufweist: ein Grenzflächenmaterial, welches ein metallisches Material mit einer Konzentration in einem Bereich von etwa 22% bis etwa 32% aufweist, und die Komponente aus duktilem Eisen mit der Komponen te aus Stahl verbindet.

14. Gegenstand nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material Nickel ist.

15. Gegenstand nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Grenzflächenmaterial eine Schweißraupenzone ist, welche Nickel mit einer Konzentration in einem Bereich von etwa 22% bis etwa 32% enthält.

16. Gegenstand nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Nickel in einer Konzentration in einem Bereich von etwa 30% bis etwa 32% vorhanden ist.

17. Gegenstand nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekenn zeichnet, daß das Grenzflächenmaterial eine Laserschweißung ist.

18. Gegenstand nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserschweißnaht spiralförmig ausgebildet ist.

19. Fahrzeugachse, welche folgendes aufweist:
eine duktiles Eisen enthaltende Komponente;
eine Stahl enthaltende Komponente; und
ein Grenzflächenmaterial, welches Nickel mit einer Konzen tration in einem Bereich von etwa 22% bis etwa 32% aufweist, und das die duktiles Eisen enthaltende Komponente mit der Stahlkom ponente verbindet.

20. Lenkvorrichtung für ein Fahrzeug, welche folgendes aufweist:
eine Lenkgabel aus duktilem Eisen;
ein Stahlrohrmaterial; und
ein Grenzflächenmaterial, welches Nickel mit einer Konzen tration in einem Bereich von etwa 22% bis etwa 32% aufweist und das die Komponente aus duktilem Eisen mit dem Stahlrohrmaterial ver bindet.