DE102005057317B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Laserschweißen von Eisenguss- und Stahlwerkstoffen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Laserschweißen von Eisenguss- und Stahlwerkstoffen Download PDFInfo
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen eines Eisengusswerkstoffs mit einem Stahlwerkstoff.
- Sollen Eisengusswerkstoffe untereinander und/oder in Verbindung mit Stahlwerkstoffen lasergeschweißt werden, so stellt dies hohe Anforderungen an den Schweißprozess. Um eine qualitativ hochwertige Schweißung zu erreichen, wird die Schweißung herkömmlicherweise unter Verwendung teuerer Zusatzstoffe und mit geringer Vorschubgeschwindigkeit unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Dies hat einen hohen Kosten- und Betreuungsaufwand der Produktionsschweißmaschinen zur Folge. Weiterhin stellt das Laserschweißen mit Zusatzstoff, der typischerweise in Drahtform zugeführt wird, einen schwer zu beherrschenden Prozess dar.
- Aus der
DE 100 56 485 A1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen eines metallischen Werkstoffs in Form von Stahl bekannt, bei dem als Schweißlaser ein Faserlaser verwendet wird. - Des Weiteren ist aus der
DE 102 38 236 A1 bekannt, Teile eines Ausgleichsgehäuses mit einem Tellerrad in einem Ausgleichsgetriebe für ein Kraftfahrzeug mittels eines Laserstrahls zu verschweißen. - Die
DE 103 04 473 A1 beschreibt allgemein das Laserschweißen mit einem Faserlaser. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Prozess kostengünstiger und einfacher zu gestalten.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Danach wird zum Laserschweißen eines Eisengusswerkstoffs mit einem Stahlwerkstoff als Schweißlaser ein Scheiben- oder Faserlaser verwendet, wobei die Schweißnaht beim Verschweißen eines Eisengusswerkstücks mit einem Stahlwerkstück parallel versetzt neben der Fügestelle der Werkstücke angeordnet wird.
- Der als Schweißlaser eingesetzte Scheiben- oder Faserlaser wird vorzugsweise bei einer Wellenlänge von 1030 nm betrieben. Mit Hilfe dieses Lasers kann eine hohe Schweißgeschwindigkeit von bis zu 6 m/min und eine große Schweißtiefe erreicht werden. Die dabei erzeugte Schweißnaht ist sehr schlank und weist näherungsweise parallele Schweißnahtflanken auf. Aufgrund der schlanken Schweißnaht sind die im Bauteil durch die Schweißung eingebrachten Schrumpfspannungen sehr gering. Zwar können durch die hohe Schweißgeschwindigkeit im Bereich der Schweißnaht harte Gefügezonen erzeugt werden; jedoch sind diese aufgrund der geringen Breite der Schweißnaht so klein und die durch die Schweißung im Bauteil erzeugten Eigenspannungen so gering, dass – trotz möglicher harter Gefügezonen – die Duktilität der verschweißten Werkstoffe ausreicht, um eine qualitativ hochwertige, rissfreie Schweißungen zu erreichen. Auf die Zugabe von Zusatzwerkstoffen kann dabei verzichtet werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch metallurgisch problematische Metallwerkstoffe bzw. Werkstoffkombination prozesssicher geschweißt werden; insbesondere ermöglicht das Verfahren das Laserschweißen von Eisengusswerkstoffen untereinander und in Verbindung mit Stahlwerkstoffen. Im Unterschied zum herkömmlichen Laserschweiß-Verfahren, bei dem versucht wird, die Duktilität der Schweißbereiche durch eine geringe Vorschubgeschwindigkeit und Zugabe von Zusatzwerkstoff positiv zu beeinflussen, beruht das erfindungsgemäße Verfahren auf einer schnellen und kalten Schweißung; die eventuell damit einhergehende Ledeburit- und Martensitbildung im Bereich der Schweißnaht wird in Kauf genommen, da sie auf den sehr schmalen Bereich der Schweißnaht begrenzt ist.
- Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass aufgrund der hohen Schweißgeschwindigkeiten die Zykluszeiten stark reduziert werden können. Weiterhin kann auf Zusatzwerkstoff verzichtet werden, der beim konventionellen Verfahren in Form von Draht oder Einlegeteilen zugeführt werden muss; außerdem entfällt die Zugabe von Prozessgasen. So können beispielsweise Ausgleichsgetriebe für Kraftfahrzeuge unter geringeren Zusatzwerkstoffkosten mit wesentlich höherer Schweißgeschwindigkeit geschweißt werden. Die dabei erzeugten Bauteile sind preiswerter und verzugsärmer als die konventionell hergestellten.
- Vorteilhafterweise wird beim Verschweißen eines Eisengusswerkstücks mit einem Stahlwerkstück die Schweißnaht parallel versetzt neben der Fügestelle der Werkstücke angeordnet. Dabei ist es günstig, die Schweißnaht in Richtung des Gusswerkstücks zu versetzen. So wird das beim Schweißen erweichte Material hauptsächlich aus dem kohlenstoffreichen Gusswerkstoff gebildet, was eine geringe Härte, eine hohe Duktilität und somit eine geringe Rissneigung im Bereich der Schweißnaht zur Folge hat.
- Weiterhin hat sich ein Versatz der Schweißnaht von 0,1 mm als besonders günstig erwiesen.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
- Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Ausgleichsgetriebes mit einem Tellerrad und einem Ausgleichsgehäuse, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens verschweißt werden; -
2 eine Detaildarstellung des Schweißbereichs, -
3 eine alternative Ausgestaltung des Schweißbereichs, -
4 einen charakteristischen Härteverlauf beim parallelen Versetzen der Schweißnaht in den Gusswerkstoff sowie -
5 einen charakteristischen Härteverlauf beim parallelen Versetzen der Schweißnaht in den Stahlwerkstoff. -
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Ausgleichsgetriebes1 mit einem Tellerrad3 und einem Ausgleichsgehäuse2 , die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens verschweißt werden. Ein derartiges Ausgleichsgetriebe1 ist zum Beispiel in der deutschen PatentschriftDE 100 13 429 C1 offenbart, deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung übernommen wird. Das Tellerrad3 besteht beispielsweise aus einem Einsatzstahl (z. B. 25MoCr4E), während das Ausgleichsgehäuse2 aus einem Gusswerkstoff (z. B. GGG50) gebildet ist. Das Ausgleichsgehäuse2 ist mit einer Anlageschulter8 versehen. Die Anlageschulter8 ist auf dem Umfang9 des Ausgleichsgehäuses2 angeformt, auf dem das Tellerrad3 aufgepresst ist, und erstreckt sich bezüglich der Symmetrieachse des Tellerrades3 in radialer Richtung über den Umfang9 des Ausgleichsgehäuses2 hinaus. Die dem Tellerrad3 zugewandte Seite der Anlageschulter8 bildet somit eine ringförmige ebene Auflagefläche4 , auf die die ringförmige ebene Bodenfläche5 des Tellerrads3 aufgepresst wird. Das Ausgleichsgehäuse2 und das Tellerrad3 werden anschließend entlang des zwischen den Flächen4 ,5 gebildeten Spalts6 verschweißt. Hierzu wird ein (in der Figur schematisch dargestellter) Scheiben- oder Faserlaser7 verwendet, dessen Strahl10 in der Ebene des Spalts6 auf die zu verbindenden Bauteile2 ,3 gelenkt wird. - Neben der in
1 dargestellten radialen Anordnung der Schweißnaht11 am Ausgleichsgehäuse2 ist das Verfahren ebenso gut dazu geeignet, Schweißnähte in axialen Anordnungen zu erzeugen. - Ein Scheibenlaser ist eine spezielle Form des Festkörperlasers, bei welchem das aktive Medium (der Laser-Kristall) die Form einer Scheibe hat, also die Länge des Laser-Kristalls deutlich geringer ist als der Durchmesser. Der Laserstrahl wird auf dem kurzen Weg durch die Scheibe (sie ist üblicherweise zwischen 80 μm und 200 μm dick) erzeugt. Einer der Resonatorspiegel ist an der Rückseite der Kristallscheibe aufgedampft, der andere Spiegel ist der Auskoppelspiegel und befindet sich in einiger Entfernung von der Scheibe.
- Vorteil dieser Form des Lasers ist die bessere Kühlung des Laserkristalls: dieser ist mit der verspiegelten Fläche auf eine Wärmesenke geklebt und erleidet durch die kurzen Wege der Wärmeableitung in nur eine Richtung geringe thermische Spannungen, wodurch exzellente Strahlqualitäten und hohe Leistungen pro Volumen erreicht werden. Typisches Kristallmaterial ist stark Ytterbium – dotiertes YAG (Yttrium-Aluminium-Granat) beim so genannten Yb:YAG-Laser. Scheibenlaser werden optisch mit Laserdioden angeregt und haben hohe Wirkungsgrade (bis zu 70 Prozent). Der hier bevorzugt verwendete Scheibenlaser hat eine sehr hohe Ausgangsleistung von 6 Kilowatt. Diese hohe Ausgangsleistung ist erforderlich, um die bei dieser Anwendung gewünschte hohe Schlankheit der Schweißnaht in Verbindung mit einer hohen Eindringtiefe zu erreichen.
- Bei einem Faserlaser dagegen weist das aktive Medium, der Laser-Kristall, eine im Vergleich zum Durchmesser große Länge auf. Der Faserlaser ist eine spezielle Form des Festkörperlasers. Der dotierte Kern einer Glasfaser bildet bei einem Faserlaser das Aktive Medium. Es handelt sich also um einen Glaslaser mit Lichtwellenleiter-Eigenschaften. Das Laserlicht, welches durch die Faser geleitet wird, erfährt aufgrund der großen Länge eine sehr hohe Verstärkung.
- Faserlaser werden optisch gepumpt, im Allgemeinen, indem parallel zum Faserkern oder in diesen Strahlung von Diodenlasern eingekoppelt wird.
- Wesentliche Vorteile dieser Bauform sind die hohe Strahlqualität des erzeugten Lichts, eine hohe Effizient des Konversionsprozesses, die gute Kühlung durch die große Oberfläche der Faser, der robuste Aufbau sowie die effektive Fertigungstechnologie durch Verwendung faserintegrierter Komponenten. Das häufigste Dotierungselement für den laseraktiven Faserkern ist Erbium, gefolgt von Ytterbium und Neodym.
- Die Wellenlänge der Laserstrahlung liegt vorzugsweise bei 1030 nm. Durch Rotation des Zusammenbaus aus Ausgleichsgehäuse
2 und Tellerrad3 um die (in der Figur nicht gezeigte) Symmetrieachse des Tellerrades3 kann der Zusammenbau mit einer umlaufenden Schweißnaht11 versehen werden, die in der Ebene des Spalts6 verläuft. Die Verwendung eines Scheiben- oder Faserlasers7 ermöglicht dabei eine Schweißnaht11 , deren Flanken12 ,12' näherungsweise parallel verlaufen, deren Breite13 nur etwa 0,5 mm beträgt und deren Tiefe14 bei näherungsweise 6 mm liegt. Diese Schweißnaht11 unterscheidet sich damit grundlegend von herkömmlichen Schweißnähten, die typischerweise ein hufnagelförmiges Profil aufweisen und – bei dem in1 gezeigten Anwendungsfall und einer Schweißtiefe von 5 mm – im Bereich der Auftrefffläche15 typischerweise eine Breite von 1,5 mm bis 2,5 mm haben, während sie in einer Tiefe von 4 mm typischerweise eine Breite von 0,7 mm haben. Gegenüber diesen herkömmlichen Schweißnähten ist die erfindungsgemäß erzeugte Schweißnaht11 – bei vergleichbarer Schweißtiefe14 – also wesentlich schmaler, so dass auch das durch die Laserstrahlung aufgeschmolzene Volumen wesentlich geringer ist. Diese schmale Schweißnaht11 wird dadurch erreicht, dass bei der verwendeten Laserwellenlänge nur eine sehr geringe Plasmabildung im Bereich der Werkstückoberfläche15 erfolgt. Aufgrund der schmalen Schweißnaht11 sind die durch die Schweißung eingebrachten Eigenspannungen so gering, dass eine rissfreie Schweißverbindung gewährleistet werden kann. Die Schweißgeschwindigkeit liegt zwischen 3 m/min und 6 m/min und ist damit erheblich höher als die beim herkömmlichen Laserschweißen verwendete Schweißgeschwindigkeit. Obwohl aufgrund der hohen Schweißgeschwindigkeit eine Erzeugung von Ledeburit- und Martensiteinlagerungen im Bereich der Schweißnaht11 nicht ausgeschlossen werden kann, ist aufgrund der geringen Schweißnahtbreite13 deren Volumen so gering, dass dennoch eine hohe Festigkeit der Schweißverbindung sichergestellt wird. -
3 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Schweißbereichs beim Verschweißen eines Stahlwerkstücks3 mit einem Gusswerkstück2 . Dabei trifft der Strahl10 des Scheibenlasers7 nicht direkt an der Fügestelle16 zwischen den beiden Werkstücken2 ,3 auf, sondern ist parallel dazu versetzt. Der Versatz17 , d. h. der Abstand zwischen der Auftrefflinie des Strahls10 auf der Werkstückoberfläche und der Fügestelle16 , beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 0,1 mm. Der Versatz17 erfolgt dabei in Richtung des Gusswerkstücks2 . - In
4 ist ein beispielhafter Härteverlauf18 für eine durch ein Verfahren mit einem solchen Versatz17 in Richtung des Gusswerkstücks2 erzeugte Schweißnaht11 dargestellt. Das Diagramm zeigt auf der Abszisse Messpunkte in Querrichtung zur Schweißnaht11 , deren Abstand voneinander jeweils 0,2 mm beträgt, während auf der Ordinate die Vickershärte an dem jeweiligen Messpunkt aufgetragen ist. Über alle Messpunkte wird durch das Verfahren eine geringe Härte von maximal 450 HV erzielt. Der Werkstoff ist hiermit auch im Bereich der Schweißnaht11 noch ausreichend duktil. Rissbildung wird dabei weitgehend vermieden. Dieser Effekt resultiert aus der außermittigen Anordnung der Schweißnaht11 in Richtung des Gusswerkstoffs, der den höheren Kohlenstoffgehalt aufweist, so dass das Schweißgut vorwiegend aus diesem hohen kohlenstoffhaltigen Gusswerkstoff gebildet wird. So stellt sich in der Schweißnaht11 ein hoher Anteil des duktilen Restaustenitgefüges ein. - Im Gegensatz dazu weist eine in die andere Richtung, in den Stahlwerkstoff versetzte Schweißnaht
11 ein deutlich härteres Gefüge auf, wie in5 dargestellt. Dort ist der Härteverlauf19 , analog zu4 für eine um 0,1 mm in Richtung des Stahlwerkstücks versetzte Schweißnaht11 dargestellt. Der Werkstoff im Bereich der Schweißnaht11 besitzt hier eine hohe Härte von 800 HV, was auf die Bildung des Schweißgutes vorwiegend aus dem niedrig kohlenstoffhalteigen Stahlwerkstoff mit geringem Anteil des Gusswerkstoffs zurückzuführen ist. - Durch einen verhältnismäßig geringen Versatz
17 des Schweißstrahls lässt sich also ein großer Effekt ini Bezug auf die Rissfestigkeit und Duktilität der Schweißnaht erzielen. Der oben beschriebene Versatz muss durch eine geeignete Lageregelung und -überwachung des Laserstrahls über die Länge der Schweißnaht eingehalten werden. - Dabei kann der Wert des Versatzes variieren, in Abhängigkeit von den eingesetzten Materialien. Die oben beschriebenen 0,1 mm sind nur beispielhaft zu verstehen.
- Neben der oben beschriebenen Verschweißung eines Ausgleichsgetriebes kann das erfindungsgemäße Verfahren auf beliebige Bauteile angewandt werden.
Claims (4)
- Verfahren zum Laserschweißen eines Eisengusswerkstoffs mit einem Stahlwerkstoff, wobei als Schweißlaser (
7 ) ein Scheiben- oder Faserlaser verwendet wird dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (11 ) beim Verschweißen eines Eisengusswerkstücks (2 ) mit einem Stahlwerkstück (3 ) parallel versetzt neben der Fügestelle (16 ) der Werkstücke (2 ,3 ) angeordnet wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (
11 ) in Richtung des Gusswerkstücks (2 ) versetzt angeordnet wird. - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (
11 ) mit einem Versatz (17 ) von 0,1 mm von der Fügestelle (16 ) angeordnet wird. - Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Verschweißen eines Ausgleichsgehäuses (
2 ) mit einem Tellerrad (3 ) in einem Ausgleichsgetriebe für ein Kraftfahrzeug verwendet wird.
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