DE102007011242A1

DE102007011242A1 - Verfahren zum Herstellen von Antriebsstrangteilen

Info

Publication number: DE102007011242A1
Application number: DE102007011242A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. Deibl; Thomas Dipl.-Ing. Stange; Reiner Dipl.-Ing. Stiehl
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Deibl Martin Dipl-Ing De; STANGE, THOMAS, DIPL.-ING., DE; Stiehl Reiner Dipl-Ing De
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2027-03-09
Also published as: DE102007011242B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Antriebsstrangteilen für einen Antriebsstrang, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Um die Herstellung von Antriebsstrangteilen zu vereinfachen, werden zwei Antriebsstrangteile, die aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind und/oder unterschiedliche Querschnitte aufweisen, insbesondere nicht rotationssymmetrisch sind und/oder unterschiedliche Wandstärken aufweisen, an wenigstens einer Verbindungsstelle, wobei eine Oberfläche wenigstens eines der Antriebsstrangteile wenigstens bereichsweise eine Primäroxidschicht aufweist, durch die Abfolge der folgenden Verfahrensschritte schweißverbunden: Behandeln der Oberfläche wenigstens im Bereich der Verbindungsstelle durch ein thermisch induziertes Reduktionsverfahren zum Entfernen der Primäroxidschicht; Verschweißen der Antriebsstrangteile.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Antriebsstrangteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Für die Verbindung von Bauteilen, beispielsweise von Blechteilen und Profilteilen, sind Schweißverbindungen allgemein bekannt. Insbesondere können Press-Schweißverfahren angewendet werden. Bei Press-Schweißverfahren wird eine ausreichend äußere Kraft aufgewendet, um an zwei Fügeflächen der miteinander zu verbindenden Bauteile eine mehr oder weniger starke plastische Verformung zu bewirken. Im Allgemeinen erfolgt ein derartiger Schweißvorgang ohne Zugabe von Schweißzusätzen. Die Bauteile werden an ihren Fügeflächen erwärmt, um das Verbinden zu ermöglichen oder zu erleichtern. Es handelt sich dabei um ein sehr wirtschaftliches Verfahren, da es rasch und ohne größeren apparativen Einsatz durchführbar ist. Zudem werden damit dauerfeste stoffschlüssige Verbindungen hergestellt. Besonders gut verschweißbar sind gleiche oder im Wesentlichen gleiche Metalle und Metalllegierungen.
Problematisch ist ein Verschweißen, wenn die zu verbindenden Bauteile aus unterschiedlichen Materialen gebildet sind, beispielsweise aus unterschiedlichen Metallen oder Legierungen wie Aluminium und Stahl oder Gusseisen und Stahl.
Ein Press-Schweißen ist dabei nur unter genau definierten, schwierig einzuhaltenden Schweißbedingungen möglich. Sämtliche bekannte Schweißverfahren, insbesondere das Reibschweißen, haben zudem den Nachteil, dass eine Anzahl von Verschleißteilen an den Schweißmaschinen entsteht.
Beim Verschweißen von Bauteilen aus Gusseisen beispielsweise ist eine aufwändige Wärmebehandlung durch ein entsprechendes Heizwerkzeug erforderlich. Andere bekannte Schweißverfahren, wie beispielsweise Reibschweißen bzw. Magnetarc-Schweißen, erfordern geschlossene Querschnitte. Beim Reibschweißen werden üblicherweise entweder die Grenzflächen durch Reibung zwischen den sich berührenden und normalerweise relativ zueinander rotierenden Bauteilen erwärmt, oder es wird alternativ ein getrennt rotierendes Reibelement verwendet. Die Schweißnaht kommt durch eine anschließend einwirkende Stauchkraft zustande. Beim Magnetarc-Schweißen handelt es sich um ein Press-Schweißverfahren mit magnetisch bewegtem Lichtbogen.
Andere bekannte Press-Schweißverfahren, wie beispielsweise ein Ultraschall-Schweißen oder ein Linearreibschweißen, sind nur für kleine Bauteilmassen geeignet und somit nur bedingt anwendbar. Beim Ultraschall-Schweißen handelt es sich um eine bekannte Art des Press-Schweißens, wobei einer statischen Kraft überlagerte mechanische Schwingungen hoher Frequenz und geringer Amplitude zu einer Schweißnaht zwischen zwei zu verbindenden Bauteilen führen. Dabei bleibt zwar eine Temperatur deutlich unter der Schmelztemperatur, jedoch ist dieses Schweißverfahren aus Stabilitätsgründen nur bedingt einsetzbar.
Beim Schmelzschweißverfahren, bei dem die Fügeflächen der zu verbindenden Bauteile angeschmolzen werden müssen, ist ein Arbeiten oberhalb der Schmelztemperatur erforderlich, insbesondere beim Verschweißen von Bauteilen aus Gusseisen. Dies hat als nachteilige Folge, dass ein hoher Ledeburit- und Martensitanteil entsteht, zu dessen Beseitigung eine Wärmenachbehandlung erforderlich ist.
Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 299 22 396 U1 ist eine Pressschweißvorrichtung für Werkstücke aus unterschiedlichen Werkstücken mit einer Plastifizierungsvorrichtung für die Werkstücke bekannt. Aus der europäischen Patentschrift EP 1 317 988 B1 ist ein Bauteil bei Fahrwerkskomponenten mit einer durch Pressschweißen erzeugten Verbindung bekannt. Aus der europäischen Patentschrift EP 0 561 164 B1 und der deutschen Patentschrift DE 42 09 101 B2 sind Verfahren zum Verbinden von Sphärogussteilen mit Stahl oder Stahlguss bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung von Antriebsstrangteilen für einen Antriebsstrang, insbesondere in Kraftfahrzeugen aller Arten (LKW, PKW, usw.), zu vereinfachen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Günstige Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Herstellen von Antriebsstrangteilen für einen Antriebsstrang, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, dadurch gelöst, dass zwei Antriebsstrangteile, die aus unterschiedlichen oder gleichen Werkstoffen gebildet sind und/oder unterschiedliche Querschnitte aufweisen, insbesondere nicht rotationssymmetrisch sind und/oder unterschiedliche Wandstärken aufweisen, an wenigstens einer Verbindungsstelle, wobei eine Oberfläche wenigstens eines der Antriebsstrangteile wenigstens bereichsweise eine Primäroxidschicht aufweist, durch die Abfolge der folgenden Verfahrensschritte schweißverbunden werden: Behandeln der Oberfläche wenigstens im Bereich der Verbindungsstelle durch ein thermisch induziertes Reduktionsverfahren zum Entfernen der Primäroxidschicht; Verschweißen der Antriebsstrangteile. Dieses erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden auch als PREDOX-Verfahren bezeichnet. Durch den Einsatz neuer Werkstoffpaarungen wie z.B. Stahl/Guss und Guss/Guss sowie das induktive Pressschweißen können bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs deutliche Kosteneinsparungen umgesetzt werden. Bei der Paarung unterschiedlicher Materialien, z.B. von Guss- mit Umform- oder Schmiedeteilen, lassen sich Bauteile unterschiedlichsten Materialeigenschaften und Geometrien herstellen, die durch die einzelnen Materialien und Herstellungsverfahren nie erreicht werden können. Zudem sind aufgrund dieser Materialpaarungen weitere Gewichtsreduzierungen und die Bearbeitung auf Maschinen mit kleineren und somit kostengünstigeren Abmessungen möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache Art und Weise die Herstellung von zukünftigen Antriebsstrangteilen aus Guss- und Stahlteilen.
Der Konstruktion von zum Beispiel Tellerrädern, Antriebswellen oder Achsbrücken eröffnen sich neue Möglichkeiten der Gestaltung, die ohne das erfindungsgemäße Verfahren nicht möglich gewesen wären. Durch die Anwendung des PREDOX-Verfahrens können weiterhin die Herstellkosten für Antriebsstrangteile massiv reduziert werden. Das Verfahren ermöglicht ein verzugarmes Verbinden von Antriebsstrangteilen aus Guss- und Stahlwerkstoffen oder Gusswerkstoffen.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstrangteile Teile einer Achsbrücke umfassen. Die Antriebsstrangteile umfassen mindestens eine Antriebswelle, eine Gelenkwelle und/oder eine Achswelle und/mindestens ein Tellerrad. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird kein Zusatzwerkstoff benötigt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eines der schweißverbundenen Antriebsstrangteile aus einem Gusswerkstoff und das damit schweißverbundene Antriebsstrangteil aus einem Stahlwerkstoff gebildet sind. Bei den Antriebsstrangteilen handelt es sich vorzugsweise um fertig bearbeitete Antriebsstrangteile. Hierdurch können z.B. auch in der Logistik massive Kosteneffekte erzielt werden, da die Bildung der Varianten zu einem sehr späten Produktionszeitpunkt erfolgt. Vorzugsweise wird ein Tellerrad aus Stahl mit einem Ausgleichsgehäuseteil aus Guss schweißverbunden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Gelenkwellenteil aus Stahl oder Aluminium mit einer Gelenkgabel und/oder einem Gelenkzapfen aus Guss schweißverbunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht aus von einem Schweißverfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Antriebsstrangteilen an wenigstens einer Verbindungsstelle, wobei eine Oberfläche der Antriebsstrangteile vor dem Schweißverbinden wenigstens bereichsweise eine Primäroxidschicht aufweist. In einem ersten Verfahrensschritt wird die Oberfläche der Antriebsstrangteile wenigstens im Bereich der Verbindungsstelle durch ein thermisch induziertes Reduktionsverfahren zum Entfernen der Primäroxidschicht behandelt und in einem zweiten Verfahrensschritt verschweißt. Besonders bevorzugt ist das dabei angewandte Verfahren ein Pressschweißverfahren. Vorteilhafterweise können damit Antriebsstrangteile, die aus schwer verschweißbaren oder bislang nicht verschweißbaren Materialien gebildet sind, beispielsweise beliebige Gusseisen- und Stahlverbindungen, miteinander verbunden werden. Das Verfahren ist jedoch auch auf andere Metalle anwendbar, wie Kupferverbindungen, Aluminium und dergleichen.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass das erfindungsgemäße Verfahren ein Verschweißen unterhalb der Schmelztemperatur an beliebigen Schweißnahtquerschnitten ermöglicht, wobei die Schweißnahtquerschnitte auch z.B. als Vieleck mit einer beliebigen Wandstärke ausgebildet sein können. Insbesondere ist es auch möglich, als offene Profile ausgebildete Schweißnahtquerschnitte miteinander zu verbinden. Zudem wird günstigerweise ein Verschweißen beliebiger Antriebsstrangteilmassen ermöglicht. Auch hinsichtlich der Antriebsstrangteilform existiert keinerlei Beschränkung. So ist zweckmäßigerweise auch ein Schweißen extrem großer Antriebsstrangteile ohne Wanddickenbeschränkung möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere auch im Bereich der Automobilindustrie, wo Aggregateteile wie zum Beispiel Achsen mit unterschiedlichsten Fügestellen dauerfest verbunden werden, insbesondere für Produktionsserien mit hohen Stückzahlen und kurzen Taktzeiten.
Als vorbereitende Maßnahme des erfindungsgemäßen Verfahrens können die miteinander zu verbindenden Antriebsstrangteile wenigstens an ihren Fügestellen mechanisch bearbeitet werden, wobei besonders bevorzugt ein planparalleler Stumpfstoß ausgebildet wird. Auch eine Anschrägung der Schweißquerschnitte ist im Bedarfsfall möglich. Zur Herstellung einer besonders dauerfesten Verbindung können die Fügestellen zweckmäßigerweise gereinigt werden, um Öl, Fett oder sonstige Verunreinigungen zu entfernen.
Zum Befreien der Antriebsstrangteiloberflächen von üblicherweise vorhandenen, störenden Primäroxidschichten ist ein Reduktionsverfahren vorgesehen, wobei ein Medium in Kontakt mit der Oberfläche im Bereich der Verbindungsstelle gebracht und wenigstens der Bereich der Verbindungsstelle auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Primäroxidschichten an den vorgesehenen Fügestellen beziehungsweise Verbindungsstellen beispielsweise durch eine thermisch induzierte Feststoffreduktion beziehungsweise durch eine thermisch induzierte Gasphasenreduktion entfernt werden. Die Temperatur während des Reduktionsverfahrens kann abhängig vom verwendeten Medium eingestellt werden. Das Verschweißen der Antriebsstrangteile erfolgt dann bevorzugt unter einem definierten Druck von etwa 50 bis 300 N/mm².
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens für kleine Stückzahlen kann als Medium ein Flussmittel, vorzugsweise in Form eines Pulvers und/oder einer Folie und/oder einer Paste und dergleichen, auf die Antriebsstrangteiloberfläche aufgetragen werden. Besonders bevorzugt wird das Flussmittel auf den Werkstoff abgestimmt, aus dem die zu verbindenden Antriebsstrangteile gefertigt sind. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, für Materialen wie Gusseisen beziehungsweise Stahl beispielsweise Natriumborat als Flussmittel einzusetzen.
Ist das Flussmittel nach der Antriebsstrangteilvorbereitung in geeigneter Form auf die Schweißquerschnitte aufgebracht, können die Antriebsstrangteile anschließend in einer Pressvorrichtung eingespannt werden und mit einem spezifischen Druck von etwa bis zu 150 N/mm², vorzugsweise 30 bis 100 N/mm², an den vorgesehenen Verbindungsstellen zusammengepresst werden. Es können selbstverständlich auch andere Drücke vorgesehen sein, abhängig vom Werkstoff, Antriebsstrangteil und dergleichen. Zur Reduktion der Primäroxidschichten kann der Bereich der Verbindungsstelle auf eine Arbeitstemperatur des Flussmittels erhitzt und über einen definierten Zeitraum konstant gehalten werden. Als geeignete Maßnahme zur Erhitzung kann beispielsweise eine induktive Erwärmung angewendet werden oder eine Ofenbehandlung erfolgen. Die Art der Wärmezufuhr kann geeignet auf die zu fügenden Antriebsstrangteile abgestimmt werden. Wird Natriumborat als Flussmittel verwendet, können die Verbindungsstellen bevorzugt auf etwa 1100°C erhitzt werden. Es hat sich als günstig erwiesen, diese Temperatur über einen Zeitraum konstant zu halten.
Sobald die gewünschte Oberflächenaktivität zum Entfernen der Primäroxidschichten erreicht ist, kann der Stauchdruck auf etwa 20 bis 150 N/mm², insbesondere auf etwa 30 bis 100 N/mm², erhöht und vorzugsweise die Wärmezufuhr gleichzeitig beendet werden. In dieser Stauchphase können Reste des Flussmittels aus dem Schweißquerschnitt an der Verbindungsstelle heraustreten. Während der Abkühlphase kann vorgesehen sein, dass der Druck über einen definierten Zeitraum konstant gehalten wird.
Das vorgeschlagene PREDOX-Verfahren zeichnet sich vorteilhaft durch eine sehr geringe Schweißwulstbildung aus.
In einer alternativen, insbesondere für große Stückzahlen wirtschaftlichen, günstigen Ausführungsform des Verfahrens kann als Medium ein reduzierendes Arbeitsgas verwendet werden. Das reduzierende Arbeitsgas kann beispielsweise ein nichtbrennbares Argon-Wasserstoffgemisch oder Stickstoff-Wassergemisch sein. Der Wasserstoff liegt dabei in molekularer Form vor. Das Mischungsverhältnis ist vorzugsweise so einzustellen, dass ein nichtentzündliches Gemisch entsteht.
Als vorbereitende Maßnahme können die zu verbindenden Antriebsstrangteile so in eine Pressvorrichtung eingespannt werden, dass ein Spalt zwischen den Antriebsstrangteilen verbleibt. Die Größe des Spaltes ist eine prozessentscheidende Größe und liegt antriebsstrangteilspezifisch vorzugsweise bei etwa 0,01 bis 2 mm.
Sind die Antriebsstrangteile in der Pressvorrichtung eingespannt, wird das reduzierende Arbeitsgas ohne jede Hinzumischung von Fremdgasen, beispielsweise von Luft, durch den Spalt geführt. Ein Volumenstrom wird bevorzugt antriebsstrangteilspezifisch eingestellt. Prozessentscheidend ist, dass während des Durchströmens des Arbeitsgases eine Temperatur von mindestens 700°C, bevorzugt 1100°C, an den zu fügenden Flächen konstant gehalten wird. Bevorzugt erfolgt die Wärmezufuhr durch induktive Erwärmung. Die Wärmezufuhr kann jedoch auch auf jede andere Art erfolgen. Eine bevorzugte Einwirkungszeit als weiteres prozessentscheidendes Merkmal kann antriebsstrangteilspezifisch ermittelt werden. Bevorzugt beträgt die Einwirkungszeit etwa 5 Sekunden bis etwa zu 10 Minuten.
Sobald die gewünschte Oberflächenaktivität zum Entfernen der Primäroxidschichten erreicht ist, können die zu verbindenden Antriebsstrangteile unterhalb der Schmelztemperatur unter Anwendung eines spezifischen Stauchdruckes von etwa 20 bis 150 N/mm², insbesondere etwa 30 bis 100 N/mm², miteinander verschweißt werden. Ein Stauchweg, eine Stauchgeschwindigkeit und/oder die Temperatur können antriebsstrangteilspezifisch eingestellt werden.
Vorteilhafterweise ist eine Nachbehandlung der Schweißnähte, beispielsweise in Form einer Wärmenachbehandlung, bei richtiger Parameterwahl nicht erforderlich. Insbesondere ist das Schweißverbinden von Gusseisen-Stahlkombinationen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ohne Ledeburitbildung möglich. Auch eine Martensitbildung an Stahl kann bei richtiger Anwendung vermieden werden. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, dass fertig bearbeitete Antriebsstrangteile extrem verzugsarm geschweißt werden können.
Insgesamt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein sehr wirtschaftliches Verfahren, da es nicht nur schnell und ohne größeren apparativen Einsatz durchführbar ist, sondern weil auch keine Schweißzusatzwerkstoffe erforderlich sind. Durch das Schweißen unterhalb der Schmelztemperatur kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine besonders anwendungsfreundliche Methode bereitgestellt werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Antriebsstrangteilen für einen Antriebsstrang, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Antriebsstrangteile, die aus gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind und/oder unterschiedliche Querschnitte aufweisen, insbesondere nicht rotationssymmetrisch sind und/oder unterschiedliche Wandstärken aufweisen, an wenigstens einer Verbindungsstelle, wobei eine Oberfläche wenigstens eines der Antriebsstrangteile wenigstens bereichsweise eine Primäroxidschicht aufweist, durch die Abfolge der folgenden Verfahrensschritte schweißverbunden werden: a) Behandeln der Oberfläche wenigstens im Bereich der Verbindungsstelle durch ein thermisch induziertes Reduktionsverfahren zum Entfernen der Primäroxidschicht; b) Verschweißen der Antriebsstrangteile.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstrangteile Teile einer Achsbrücke umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstrangteile mindestens eine Antriebswelle, eine Gelenkwelle und/oder eine Achswelle umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsstrangteile mindestens ein Tellerrad umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der schweißverbundenen Antriebsstrangteile aus einem Gusswerkstoff und das damit schweißverbundene Antriebsstrangteil aus einem Stahlwerkstoff gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Reduktionsverfahrens die Oberfläche im Bereich der Verbindungsstelle mit einem Medium in Kontakt gebracht wird und wenigstens der Bereich der Verbindungsstelle auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen der Antriebsstrangteile unter einem definierten Druck von etwa 20–150 N/mm² erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur während des Reduktionsverfahrens vom Medium eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium ein Flussmittel, vorzugsweise in Form eines Pulvers und/oder einer Folie und/oder einer Paste, aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium ein reduzierendes Arbeitsgas verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche wenigstens im Bereich der Verbindungsstelle auf eine Arbeitstemperatur des Mediums erhitzt und über einen definierten Zeitraum auf konstanter Temperatur gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Erhöhung des Drucks während des Schweißverbindens der Antriebsstrangteile eine Wärmezufuhr an der Verbindungsstelle beendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck während des Abkühlens über einen definierten Zeitraum konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle auf wenigstens 700°C erhitzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stauchweg, eine Stauchgeschwindigkeit und/oder die Temperatur antriebsstrangteilspezifisch eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pressschweißverfahren ausgeführt wird.