DE102020100520A1

DE102020100520A1 - LASER-SCHWEIßEN VON STAHL ZU KUGELGRAPHITGUSS

Info

Publication number: DE102020100520A1
Application number: DE102020100520.2A
Authority: DE
Inventors: Huaxin Li; Sen J. Zhou
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2020-01-13
Publication date: 2020-08-06
Also published as: CN111531278A; CN111531278B; US11517980B2; US20200246917A1

Abstract

Ein Verfahren zum Laserschweißen eines Stahlsubstrats und eines duktilen Eisensubstrats wird zusammen mit einer lasergeschweißten Anordnung offenbart, die durch Anwendung des offenbarten Verfahrens gebildet werden kann. Bei dem offenbarten Laserschweißverfahren wird eine Laserschweißverbindung zwischen den Substraten Stahl und Sphäroguss hergestellt. Die Laserschweißverbindung beinhaltet eine Schmelzzone aus einer Austenit-Eisenlegierung, die eine Zusammensetzung aufweist, die sich aus dem Vermischen von geschmolzenen Teilen des Stahls und des duktilen Eisensubstrats als Teil des Laserschweißprozesses ergibt. Die austenitische Eisenlegierung, die die Schmelzzone der Laserschweißverbindung bildet, weist einen Kohlenstoffgehalt von 2 Gew.-% oder mehr und ein Nickeläquivalent von 60% oder mehr auf und kann ohne Vorwärmung der Stahl- und Sphäroguss-Substrate vor dem Schweißen oder unter Verwendung eines Schweißdrahtes zum Einbringen eines Fremdmetalls in das durch den Laserstrahl erzeugte geschmolzene Substratmaterial erreicht werden.

Description

EINFUHRUNG
Die Herstellung bestimmter Artikel - insbesondere komplexer Mehrkomponentenstrukturen wie beispielsweise Automobile - erfordert manchmal ein Stahlsubstrat und ein duktiles Eisensubstrat. Der Legierungsgehalt des Stahlsubstrats und/oder des duktilen Eisensubstrats hat lange Zeit die Bemühungen erschwert, die Substrate mit einem Laser zusammenzuschweißen. Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt oder der Kohlenstoffäquivalenz einer Eisenlegierung nimmt die Härte der Legierung zu und damit die Schweißbarkeit der Legierung aufgrund der Bildung harter und spröder Gefügephasen (z.B. Martensit) innerhalb der Schmelzzone der Schweißnaht und der umgebenden-Wärmeeinflusszone ab, wenn sich das bei dem vorgeschriebenen Laserschweißvorgang entstehende geschmolzene Substratmaterial schnell verfestigt. Diese harten und spröden Gefügephasen sind anfälliger für verschiedene Formen der Rissbildung, einschließlich Abschreckrisse durch Thermoschock und/oder wasserstoffinduzierte Kaltrisse. Die daraus resultierende mangelnde Zähigkeit oder Bruchfestigkeit der Schweißverbindung kann letztendlich die Anfälligkeit der Verbindung für vorzeitigen Ausfall unter Belastung erhöhen.
In der Vergangenheit wurden mehrere Methoden eingesetzt, um die Schweißbarkeit von Stahl- und Gussteilen zu verbessern. Diese bisherigen Bemühungen erforderten insbesondere das Vorwärmen der Substrate Stahl und Sphäroguss am Fügepunkt sowie die Zuführung eines Nickelbasis-Fülldrahtes in den Laserstrahl, um eine entsprechende Nickellegierung in das durch den Laserstrahl erzeugte geschmolzene Substratmaterial einzumischen. Das Vorwärmen der Substrate Stahl und Sphäroguss reduziert die Temperaturschwankungen zwischen dem geschmolzenen Stahl und dem duktilen Eisenmaterial, die durch den Laserstrahl erzeugt werden, und den kälteren, umgebenden, unbeeinflussten Basisteilen der Substrate. Dies trägt dazu bei, die Schrumpfungsspannungen zu minimieren, die beim Erstarren des geschmolzenen Materials entstehen können, die Wärmeverlustgeschwindigkeit des geschmolzenen Materials und damit die Erstarrungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Materials zu verlangsamen, um die Bildung harter Gefügephasen zu minimieren, und Wasserstoff beim Erstarren aus dem geschmolzenen Material entweichen zu lassen. Jeder dieser resultierenden Effekte kann die Neigung der fertigen Schweißnaht zum Riss bei Belastung reduzieren. Die Verwendung eines Fülldrahtes auf Nickelbasis bringt Fremdmetall in das durch den Laserstrahl erzeugte geschmolzene Substratmaterial ein und verändert so die Zusammensetzung des geschmolzenen Substratmaterials in eine Zusammensetzung, die beim Verfestigen weniger wahrscheinlich harte mikrostrukturelle Phasen bildet.
Die Umsetzung eines Vorwärmplans und die Verwendung eines Nickelbasis-Zusatzwerkstoffdrahtes sind nicht immer verfügbare Optionen oder zumindest unter bestimmten Umständen nicht bevorzugt. So kann beispielsweise der Stahl und/oder das duktile Eisensubstrat zuvor wärmebehandelt worden sein, um einen bestimmten Satz mechanischer Eigenschaften durch Anlassen oder eine andere Behandlung zu erreichen. Das Vorwärmen des Substrats oder das Einbringen eines Fremdmetalls in die durch den Laserstrahl erzeugte Schmelze kann die sorgfältig vorgegebenen Eigenschaften eines oder beider Substrate beeinträchtigen und Unsicherheit in den Fügeprozess und die Fähigkeit der Substrate, nach dem Schweißen wie vorgesehen zu arbeiten, mit sich bringen. Zu diesem Zweck wurden mechanische Verbindungselemente wie Schrauben, Nieten, Fließlochschrauben und Nietmuttern typischerweise zum Verbinden von Stahl- und Gussuntergründen verwendet. Mechanische Verbindungselemente erhöhen jedoch das Gewicht des gefertigten Artikels und sind zeitaufwändig und arbeitsintensiv zu installieren. Eine alternative Technik zum Laserschweißen eines Stahlsubstrats und eines duktilen Eisensubstrats miteinander, die kein Vorwärmen oder die Verwendung eines Zusatzwerkstoffs auf Nickelbasis erfordert, wäre daher von Vorteil.
BESCHREIBUNG DER OFFENLEGUNG
Ein Verfahren zum Laserschweißen eines Stahlsubstrats und eines duktilen Eisensubstrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst mehrere Schritte. Ein Schritt besteht darin, eine Stoß-Fläche eines Stahlsubstrats gegen eine Stoß-Fläche eines duktilen Eisensubstrats anzulegen, um eine Schweißnaht zwischen den Substraten zu definieren. Die Stoß-Flächen stellen eine Grenzfläche her, um eine Stoß-Grenzfläche herzustellen, die sich von der Schweißnaht aus erstreckt. Ein weiterer Schritt des Verfahrens besteht darin, einen Laserstrahl auf das Stahlsubstrat und das duktile Eisensubstrat zu richten. Der Laserstrahl hat eine zentrale Längsachse. Ein weiterer Schritt des Verfahrens ist die Herstellung einer Laserschweißverbindung mit dem Laserstrahl. Die Laserschweißverbindung weist eine Schmelzzone aus einer Austenit-Eisenlegierung auf, die eine Zusammensetzung aufweist, die sich vom Stahlsubstrat und dem duktilen Eisensubstrat ableitet. Die Schmelzzone erstreckt sich entlang der Stoß-Grenzfläche der Substrate Stahl und Sphäroguss bis in eine Tiefe und dringt weiter in jedes der Substrate Stahl und Sphäroguss ein. Ein Volumen der Schmelzzone, das in das duktile Eisensubstrat eindringt, ist größer als ein Volumen der Schmelzzone, das in das Stahlsubstrat eindringt.
Das Verfahren gemäß der vorgenannten Ausführungsform kann zusätzliche Schritte beinhalten oder weiter definiert werden. So kann beispielsweise die Austenit-Eisenlegierung der Schmelzzone einen Kohlenstoffgehalt von 2 Gew.-% oder mehr, ein Chromäquivalent von 6% oder weniger und ein Nickeläquivalent von 60% oder mehr aufweisen. Als weiteres Beispiel kann der Schritt des Richtens des Laserstrahls auf das Stahlsubstrat und das duktile Eisensubstrat das Versetzen der zentralen Längsachse des Laserstrahls in Richtung des duktilen Eisensubstrats in Bezug auf die Schweißnaht umfassen, so dass ein größerer Anteil des Laserstrahls auf das duktile Eisensubstrat trifft als das Stahlsubstrat. Darüber hinaus können in noch einem weiteren Beispiel das Stahlsubstrat und das duktile Eisensubstrat zusammenarbeiten, um eine Nut zu definieren, und die Schweißnaht, die durch die Stoß-Fläche des Stahlsubstrats und die Stoß-Fläche des duktilen Eisensubstrats definiert ist, kann innerhalb der Nut angeordnet sein. Und in noch einem weiteren Beispiel kann das Stahlsubstrat eine Zusammensetzung aufweisen, die Eisen, 0,60 Gew.-% bis 1,10 Gew.-% Kohlenstoff, 0,9 Gew.-% bis 1,80 Gew.-% Chrom und 0,15 Gew.-% bis 0,70 Gew.-% Silizium umfasst, und das duktile Eisensubstrat kann eine Zusammensetzung aufweisen, die Eisen, 3,0 Gew.-% bis 4,2 Gew.-% Kohlenstoff und 2,2 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% Silizium umfasst.
Der Schritt des Bildens der Laserschweißverbindung in dem Verfahren gemäß der vorgenannten Ausführungsform kann das Schmelzen eines Abschnitts des Stahlsubstrats und eines Abschnitts des duktilen Eisensubstrats beinhalten, um ein geschmolzenes Substratmaterial zu erzeugen, das ein vermischtes Stahlmaterial aus dem Stahlsubstrat und ein duktiles Eisenmaterial aus dem duktilen Eisensubstrat umfasst, und das Verfestigen des geschmolzenen Substratmaterials in die Laserschweißverbindung durch Abkühlen des geschmolzenen Substratmaterials mit einer Geschwindigkeit zwischen 300°C/s und 600°C/s. In einer Implementierung umfasst das Schmelzen des Abschnitts des Stahlsubstrats und des Abschnitts des duktilen Eisensubstrats das Vorschieben eines Strahlpunktes des Laserstrahls entlang der Schweißnaht, um eine Spur aus geschmolzenem Substratmaterial hinter dem Strahlpunkt zu bilden. In einer weiteren Implementierung umfasst das Schmelzen des Abschnitts des Stahlsubstrats und des Abschnitts des duktilen Eisensubstrats das Pulsen des Laserstrahls an Ort und Stelle, um einen Pool aus geschmolzenem Substratmaterial unter und nach außen von einem Strahlpunkt des Laserstrahls zu erzeugen und wachsen zu lassen.
Ein Verfahren zum Laserschweißen eines Stahlsubstrats und eines duktilen Eisensubstrats gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst mehrere Schritte. Ein Schritt besteht darin, eine Stoß-Fläche eines Stahlsubstrats gegen eine Stoß-Fläche eines duktilen Eisensubstrats anzulegen, um eine Schweißnaht zwischen den Substraten zu definieren. Die Stoß-Flächen stellen eine Grenzfläche her, um eine Stoß-Grenzfläche herzustellen, die sich von der Schweißnaht aus erstreckt. Ein weiterer Schritt des Verfahrens besteht darin, einen Laserstrahl auf das Stahlsubstrat und das duktile Eisensubstrat zu richten. Der Laserstrahl hat eine zentrale Längsachse. Noch ein weiterer Schritt des Verfahrens besteht darin, einen Abschnitt des Stahlsubstrats und einen Abschnitt des duktilen Eisensubstrats mit dem Laserstrahl zu schmelzen, um geschmolzenes Substratmaterial zu erzeugen, das ein vermischtes Stahlmaterial aus dem Stahlsubstrat und duktiles Eisenmaterial aus dem duktilen Eisensubstrat umfasst. Ein weiterer Schritt des Verfahrens besteht darin, das geschmolzene Substratmaterial zu einer Laserschweißverbindung zu verfestigen, die eine Schmelzzone aus einer Austenit-Eisenlegierung aufweist, die eine Zusammensetzung aufweist, die sich aus dem Stahlsubstrat und dem duktilen Eisensubstrat ableitet. Die Schmelzzone erstreckt sich entlang der Stoß-Grenzfläche der Substrate Stahl und Sphäroguss bis in eine Tiefe und dringt weiter in jedes der Substrate Stahl und Sphäroguss ein. Die Austenit-Eisenlegierung der Schmelzzone weist einen Kohlenstoffgehalt von 2 Gew.-% oder mehr und ein Nickeläquivalent von 60% oder mehr auf.
Das Verfahren gemäß der vorgenannten Ausführungsform kann zusätzliche Schritte beinhalten oder weiter definiert werden. So kann beispielsweise der Schritt des Verfestigens des geschmolzenen Substratmaterials in der Laserschweißverbindung das Abkühlen des geschmolzenen Substratmaterials mit einer Geschwindigkeit zwischen 300°C/s und 600°C/s umfassen. In einem weiteren Beispiel ist ein Volumen der Schmelzzone, das in das duktile Eisensubstrat eindringt, größer als ein Volumen der Schmelzzone, das in das Stahlsubstrat eindringt. In noch einem weiteren Beispiel kann der Schritt des Richtens des Laserstrahls auf das Stahlsubstrat und das duktile Eisensubstrat das Versetzen der zentralen Längsachse des Laserstrahls in Richtung des duktilen Eisensubstrats in Bezug auf die Schweißnaht umfassen, so dass ein größerer Anteil des Laserstrahls auf das duktile Eisensubstrat trifft als das Stahlsubstrat. In noch einem weiteren Beispiel umfasst eine Implementierung des Schrittes des Schmelzens eines Teils des Stahlsubstrats und eines Teils des duktilen Eisensubstrats das Vorschieben eines Strahlpunktes des Laserstrahls entlang der Schweißnaht, um eine Spur aus geschmolzenem Substratmaterial hinter dem Strahlpunkt zu bilden. Eine weitere Implementierung des Schrittes des Schmelzens eines Abschnitts des Stahlsubstrats und eines Abschnitts des duktilen Eisensubstrats umfasst das Pulsen des Laserstrahls an Ort und Stelle, um einen Pool aus geschmolzenem Substratmaterial unter und nach außen von einem Strahlpunkt des Laserstrahls zu erzeugen und zu wachsen.
Das Stahlsubstrat und das duktile Eisensubstrat des Verfahrens gemäß der vorgenannten Ausführungsform können bestimmte Zusammensetzungen aufweisen. So kann beispielsweise das Stahlsubstrat eine Zusammensetzung aufweisen, die Eisen, 0,60 Gew.-% bis 1,10 Gew.-% Kohlenstoff, 0,9 Gew.-% bis 1,80 Gew.-% Chrom und 0,15 Gew.-% bis 0,70 Gew.-% Silizium umfasst, und das duktile Eisensubstrat kann eine Zusammensetzung aufweisen, die Eisen, 3,0 Gew.-% bis 4,2 Gew.-% Kohlenstoff und 2,2 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% Silizium umfasst. Darüber hinaus kann in einer Implementierung eine in das Stahlsubstrat gebildete Kerbe und eine in das duktile Eisensubstrat gebildete Kerbe zusammenwirken, um eine Nut zu definieren, und die Schweißnaht, die durch die Stoß-Fläche des Stahlsubstrats und die Stoß-Fläche des duktilen Eisensubstrats definiert ist, kann innerhalb der Nut angeordnet sein. Auch in einer bestimmten Praxis des Verfahrens gemäß der vorgenannten Ausführungsform kann das Stahlsubstrat ein Außenring eines Wälzlagers und das Substrat aus duktilem Eisen ein Rand eines versetzten Kettenrades sein.
Eine lasergeschweißte Anordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Stahlsubstrat, ein duktiles Eisensubstrat und eine Laserschweißverbindung, die das Stahlsubstrat und das duktile Eisensubstrat zusammenschweißt. Die Laserschweißverbindung weist eine Schmelzzone auf, die aus einer Austenit-Eisenlegierung mit einer Zusammensetzung besteht, die sich aus dem Stahlsubstrat und dem duktilen Eisensubstrat ableitet. Die Schmelzzone dringt in jedes der Stahlsubstrate und des duktilen Eisensubstrats ein, und die Austenit-Eisenlegierung der Schmelzzone weist einen Kohlenstoffgehalt von 2 Gew.-% oder mehr, ein Chromäquivalent von 6% oder weniger und ein Nickeläquivalent von 60% oder mehr auf. Bei einer Implementierung der vorgenannten Laserschweißbaugruppe ist ein Volumen der Schmelzzone, das in das duktile Eisensubstrat eindringt, größer als ein Volumen der Schmelzzone, das in das Stahlsubstrat eindringt.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht eines Stahlsubstrats und eines duktilen Eisensubstrats beim Laserschweißen der beiden Substrate gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine Draufsicht auf das Stahlsubstrat und das in 1 dargestellte duktile Eisensubstrat beim Laserschweißen entlang der Schnittlinie 2-2;
3 ist eine Querschnittsansicht des Stahlsubstrats und des in den 1-2 dargestellten duktilen Eisensubstrats zusammen mit einer Laserschweißverbindung, die die beiden Substrate zu einer lasergeschweißten Baugruppe zusammenschweißt;
4 enthält zwei Tabellen, die bevorzugte Zusammensetzungen für das Stahlsubstrat und das duktile Eisensubstrat gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen;
5 ist eine Draufsicht auf ein Stahlsubstrat und ein duktiles Eisensubstrat beim Laserschweißen der beiden Substrate gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
6 ist eine Querschnittsansicht des Stahlsubstrats und des duktilen Eisensubstrats, wie dargestellt in
5 zusammen mit einer Laserschweißverbindung, die die beiden Substrate zu einer lasergeschweißten Anordnung verschweißt; und
7 ist eine Querschnittsansicht eines Wälzlagers und eines versetzten Kettenrades, wie sie betriebsmäßig installiert sind, sowie Zeichnungsdarstellungen, die veranschaulichen, wie die beiden Komponenten gemäß den Praktiken der vorliegenden Offenbarung lasergeschweißt werden können.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ein Verfahren zum Laserschweißen eines Stahlsubstrats und eines duktilen Eisensubstrats wird zusammen mit einer lasergeschweißten Anordnung offenbart, die durch Anwendung des offenbarten Verfahrens gebildet werden kann. Wie im Folgenden näher erläutert, beinhaltet das offenbarte Laserschweißverfahren das Bilden einer Laserschweißverbindung zwischen den Substraten Stahl und Sphäroguss. Die Laserschweißverbindung beinhaltet eine Schmelzzone aus einer Austenit-Eisenlegierung, die eine Zusammensetzung aufweist, die sich aus dem Vermischen von geschmolzenen Teilen des Stahls und des duktilen Eisensubstrats als Teil des Laserschweißprozesses ergibt. Die austenitische Gefügephase (γ-Phase) der Eisenlegierung weist ein flächenzentriertes kubisches (FCC) Kristallgitter auf und ist duktiler und weist eine wesentlich höhere Zähigkeit (d.h. Bruchfestigkeit) auf als die metastabile Martensit-Mikrogefügephase, die sich typischerweise bildet, wenn Eisenlegierungen, einschließlich solcher aus duktilem Eisen und Stahl, schnell von erhöhten Temperaturen abgekühlt werden. Beim offenbarten Laserschweißverfahren wird in der Schmelzzone der Laserschweißverbindung eine Austenit-Eisenlegierung hergestellt, indem sichergestellt wird, dass das durch den Laserstrahl erzeugte geschmolzene Substratmaterial einen bestimmten minimalen Kohlenstoffgehalt und Nickeläquivalenzgehalt aufweist (die folglich auch in der verfestigten Eisenlegierung vorhanden sind), und indem die Abkühlgeschwindigkeit des geschmolzenen Substratmaterials beim Übergang in die Laserschweißverbindung gesteuert wird.
Unter Bezugnahme auf die 1-3 wird eine bevorzugte Ausführungsform des Laserschweißverfahrens beschrieben. Wie in 1 dargestellt, beinhaltet das Verfahren das Zusammenbringen eines Stahlsubstrats 10 und eines duktilen Eisensubstrats 12 in ein Werkstück 14 zur Vorbereitung auf das Laserschweißen. Das Stahlsubstrat 10 ist vorzugsweise ein kohlenstoffreicher,-chromhaltiger, niedrig legierter Stahl mit einer Zusammensetzung, die Eisen als Hauptlegierungsbestandteil zusammen mit 0,60 Gew.-% bis 1,10 Gew.-% Kohlenstoff, 0,9 Gew.-% bis 1,80 Gew.-% Chrom und 0,15 Gew.-% bis 0,70 Gew.-% Silizium umfasst, wobei eine Gesamtmenge aller Legierungselemente 3 Gew.-% oder weniger beträgt. Mehrere zusätzliche Legierungselemente, die auch in der Zusammensetzung des Stahlsubstrats vorhanden sein können, beinhalten bis zu 1,80 Gew.-% Mangan, bis zu 0,025 Gew.-% Phosphor, bis zu 0,025 Gew.-% Schwefel und bis zu 0,25 Gew.-% Molybdän zusammen mit industriell akzeptierten Verunreinigungen. Das Stahlsubstrat 10 kann aufgekohlt (d.h. einsatzgehärtet) oder ungekohlt sein. Wenn das Stahlsubstrat 10 aufgekohlt ist, weist es einen Kern mit der vorstehend beschriebenen Legierungszusammensetzung und ein aufgekohltes Gehäuse auf, das den Kern umschließt. Das aufgekohlte Gehäuse beinhaltet ein zusätzliches 0,6 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% Kohlenstoff, der in das Substrat 10 bis zu einer Gehäusetiefe von normalerweise 1-2 mm eingegossen wird. Der zusätzliche Kohlenstoff wird bei erhöhter Temperatur, z.B. 850°C bis 1090°C, in das Stahlsubstrat 10 eingegossen, wobei der zugegebene Kohlenstoff in einer festen Lösung aus einer stabilen Austenitphase des Stahls gelöst wird, gefolgt von einem Abschrecken des Substrats, typischerweise in Öl oder einer wässrigen-Polymerlösung, um die Austenitphase des Stahls innerhalb der Hüllentiefe in die härtere Martensitphase zu überführen.
Das duktile Eisensubstrat 12 weist eine Zusammensetzung auf, die Eisen als Hauptlegierungsbestandteil zusammen mit 3,0 Gew.-% bis 4,2 Gew.-% Kohlenstoff und 2,2 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% Silizium beinhaltet. Mehrere zusätzliche Legierungselemente, die auch in der Zusammensetzung vorhanden sein können, beinhalten bis zu 1,0 Gew.-% Mangan, bis zu 0,06 Gew.-% Magnesium, bis zu 0,3 Gew.-% Nickel, bis zu 0,8 Gew.-% Molybdän, bis zu 0,06 Gew.-% Phosphor, bis zu 0,035 Gew.-% Schwefel und bis zu 0,40 Gew.-% Kupfer entlang industriell akzeptierter Verunreinigungen. Duktiles Eisen weist eine gute Torsionsfestigkeit, Schlag- und Ermüdungsbeständigkeit sowie Verschleißfestigkeit auf, und seine erhöhte Duktilität (im Vergleich zu Grauguss) ist darauf zurückzuführen, dass ausgefällter Kohlenstoff die Form von Kugelgraphitkügelchen annimmt, die in einer eisenbasierten Matrix dispergiert sind, die normalerweise Perlit und/oder Ferrit beinhaltet. Die kugelförmigen Graphitkügelchen entstehen durch die knötchenbildenden Elemente, wie beispielsweise Magnesium, die mit Graphitausscheidungen interagieren und das isotrope Wachstum in Sphäroide forcieren. Wenn sie in der Matrix auf Eisenbasis verteilt sind, neigen die kugelförmigen Graphitkügelchen dazu, die Bildung von Rissen als Reaktion auf Stress zu verhindern. Und während die Zusammensetzungen der Substrate Stahl und Sphäroguss 10, 12 einer gewissen Varianz unterliegen, sind die Zusammensetzungen mehrerer handelsüblicher Stähle und Sphärogüsse, die für das offenbarte Verfahren geeignet sind, in den Tabellen 1 bzw. 2 von 4 dargestellt.
Wenn das Stahlsubstrat 10 und das duktile Eisensubstrat 12 in das Werkstück 14 zusammengeführt werden, stößt eine Stoß-Fläche 16 des Stahlsubstrats 10 an eine Stoß-Fläche 18 des duktilen Eisensubstrats 12. Diese Stoß-Flächen 16, 18 nehmen beim Anlehnen direkten Kontakt auf und bilden eine Stoß-Grenzfläche 20, die sich von einer Schweißnaht 22 erstreckt. Wie in 2 am besten dargestellt, ist die Schweißnaht 22 die sichtbare Begrenzungslinie der Stoß-Grenzfläche 20, an der die Substrate Stahl und Sphäroguss 10, 12 beginnen, von der Stoß-Grenzfläche 20 weg zu divergieren. In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Schweißnaht 22 innerhalb einer Nut 24, die durch das Stahlsubstrat 10 und das Sphäroguss-Substrat 12 zusammenwirkend definiert ist. Insbesondere kann in jedem der Stahlsubstrate 10 und 12 eine Kerbe 26, 28 in Form einer Halbnut gebildet werden. Jede der Kerben 26, 28 kann eine Fasenkerbe mit einer schrägen ebenen Fläche (wie dargestellt), eine Kantenfalzkerbe mit zwei ebenen Flächen sein, die sich in einem Winkel im Bereich von 80° bis 130° schneiden, oder eine Kantenhohlkehle mit einer konkaven radiusförmigen Fläche, um nur einige Optionen für eindringende Kerbenprofile zu nennen. Die Nut 24 ist jedoch nicht zwingend zur Anwendung des offenbarten Laserschweißverfahrens erforderlich und muss daher nicht unbedingt in allen Ausführungsformen ausgebildet werden.
Sobald die Substrate Stahl und Sphäroguss 10, 12 in das Werkstück 14 zusammengeführt sind, das durch geeignete Vorrichtungen positioniert und fixiert werden kann, wird ein Laserstrahl 32 auf die Substrate Stahl und Sphäroguss 10, 12 gerichtet. Die Energie des Laserstrahls 32 breitet sich entlang einer zentralen Längsachse 34 des Laserstrahls 32 nach vorne aus. Der Laserstrahl 32 trifft auf jedes der Substrate 10, 12 aus Stahl und duktilem Eisen, während seine Energie fokussiert und über einen Strahlpunkt 36 verteilt ist. Der Laserstrahl 32 kann ein Festkörper- oder CO₂-Laserstrahl sein, und er kann relativ zu den Substraten 10, 12 und der Schweißnaht 22 bewegt oder vorgeschoben werden, indem der Laserstrahl 32 in einer festen Ausrichtung ausgerichtet wird, einen Laserkopf bildet und dann das Werkstück 14, den Laserkopf oder beide bewegt wird, um die gewünschte Relativbewegung des Laserstrahls und der Substrate 10, 12 zu erreichen. Der Laserstrahl 32 kann darüber hinaus ein kontinuierlicher Laser oder ein gepulster Laser sein und eine Leistungsdichte an der Strahlstelle 36 erreichen, die ausreicht, um zumindest jedes der Stahl- und Sphäroguss-Substrate 10, 12 zu schmelzen und, falls gewünscht, zusätzlich ein zentrales und säulenförmiges Schlüsselloch aus verdampftem Metall und meist Plasma direkt unter dem Laserstrahl 32 zu erzeugen.
Eine Laserschweißverbindung 38 (3), die das Stahlsubstrat 10 und das Sphäroguss-Substrat 12 miteinander verschmilzt, wird dann mit dem Laserstrahl 32 gebildet. Die Laserschweißverbindung 38 weist eine Schmelzzone 40 auf, die aus einer Austenit-Eisenlegierung besteht, die eine Zusammensetzung aufweist, die von dem Stahlsubstrat 10 und dem duktilen Eisensubstrat 12 abgeleitet ist und eine Kombination aus diesem ist. Eine wärmebeeinflusste Zone (HAZ) ist außerhalb der Laserschweißverbindung 38 um die Schmelzzone 40 vorhanden. Wie in 3 dargestellt, erstreckt sich die Schmelzzone 40 der Laserschweißverbindung 38 entlang der zwischen den Stoß-Flächen 16, 18 der Stahl- und Sphäroguss-Substrate 10, 12 gebildeten Stoß-Grenzfläche 20 bis zu einer Tiefe 42, die teilweise (wie dargestellt) oder vollständig durch die Stoß-Grenzfläche 20 hindurchgeht. Die Eisenlegierung, die die Schmelzzone 40 bildet, wird mit der mikrostrukturellen Phase aus Austenit und nicht mit der harten und spröden mikrostrukturellen Phase aus Martensit hergestellt, indem die Legierung mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung versehen und die Legierung aus dem geschmolzenen Zustand mit einer bestimmten Abkühlrate verfestigt wird. Die Kombination aus der chemischen Zusammensetzung der Austenit-Eisenlegierung und der vorgeschriebenen Abkühlgeschwindigkeit wird vorzugsweise wie im Folgenden näher beschrieben erreicht.
Die chemische Zusammensetzung der Austenit-Eisenlegierung, die die Schmelzzone 40 bildet, beinhaltet eine bestimmte Menge an Kohlenstoff sowie ein minimales Nickeläquivalent und optional ein maximales Chromäquivalent. Genauer gesagt, weist die Austenit-Eisenlegierung einen Kohlenstoffgehalt von 2 Gew.-% oder mehr, ein Nickeläquivalent von 60% oder mehr und ein Chromäquivalent von 6% oder weniger auf. Jedes der Nickeläquivalente und das Chromäquivalent ist ein empirischer Gewichtsprozentwert, der die kombinierten Effekte verschiedener Legierungselemente mit einer entsprechenden Menge an Nickel bzw. Chrom korreliert. Das Nickeläquivalent und das Chromäquivalent werden durch die folgenden Gleichungen berechnet (alle Elementkürzel entsprechen dem Gewichtsprozentsatz des jeweiligen Elements): $Ni eq . (wt %) = Ni+ (30 \times C) + (0.5 \times Mn)$
$Cr eq . (wt %) =Cr + Mo + (1.5 \times Si) + (0.5 \times Nb)$
Zusätzlich zur spezifizierten chemischen Zusammensetzung wird die Eisenlegierung aus einer Masse von geschmolzenem Substratmaterial verfestigt, das durch den Laserstrahl 32, wie nachstehend beschrieben, mit einer Abkühlrate zwischen 300°C/s und 600°C/s erzeugt wird, um eine austenitische Gefügephase zu gewährleisten.
Unter nunmehr spezifischer Bezugnahme auf die 1 und 2 wird ein besonderer Ansatz zur Herstellung der Laserschweißverbindung 38 mit ihrer austenitischen Schmelzzone 40 aus Eisenlegierungen beschrieben. Hier wird im Rahmen der Ausrichtung des Laserstrahls 32 auf das Stahlsubstrat 10 und das Sphäroguss-Substrat 12 die zentrale Längsachse 34 des Laserstrahls 32 in Richtung des Sphäroguss-Substrats relativ zur Schweißnaht 22 so versetzt, dass mehr des Laserstrahls 32 auf das Sphäroguss-Substrat 12 trifft als das Stahlsubstrat 10. Dadurch bedeckt der Strahlpunkt 36 des Laserstrahls 32 immer noch die Schweißnaht 22, aber ein größerer Teil des Strahlpunkts 36 wird im Vergleich zum Stahlsubstrat 10 auf das Sphäroguss-Substrat 12 projiziert. An diesem Punkt beinhaltet das Bilden der Laserschweißverbindung 38 das Schmelzen eines Abschnitts 44 des Stahlsubstrats 10 und eines Abschnitts 46 des duktilen Eisensubstrats 12 mit dem Offset-Laserstrahl 32, um eine Sammlung von geschmolzenem Substratmaterial 48 zu erzeugen, das eine Mischung aus Stahlmaterial aus dem geschmolzenen Abschnitt 44 des Stahlsubstrats 10 und duktilem Eisenmaterial aus dem geschmolzenen Abschnitt 46 des duktilen Eisensubstrats 12 umfasst. Das geschmolzene Substratmaterial 48 wird dann in der Laserschweißverbindung 38 verfestigt, indem das geschmolzene Substratmaterial 48 mit einer Kühlrate zwischen 300°C/s und 600°C/s abgekühlt wird. Es gibt keine Größen- oder Formbeschränkungen für die Laserschweißverbindung 38.
Die Laserschweißverbindung 38 kann, wie hier gezeigt, eine längliche Nahtschweißverbindung sein, die ein Stich in einem Gesamtmuster oder ein ganzes kontinuierliches Nahtbild sein kann. In diesem Zusammenhang beinhaltet das Schmelzen der Abschnitte 44, 46 der Substrate Stahl und Sphäroguss 10, 12 das Vorschieben des Strahlpunktes 36 des Laserstrahls 32 relativ zu und entlang der Schweißnaht 22 von einer Stelle auf der Schweißnaht 22 zu einer anderen Stelle auf der Schweißnaht 22. Das Vorrücken des Strahlpunktes 36 bildet eine Spur aus geschmolzenem Substratmaterial 48 hinter der Vorwärtsbewegung des Strahlpunktes 36, der sich entlang der Stoß-Grenzfläche 20 bis zu einer Tiefe 42' sowie seitlich in die Substrate 10, 12 erstreckt. Durch das Versetzen des Laserstrahls 32 in Richtung des duktilen Eisensubstrats 12 während des Vortriebs des Strahlpunktes 36 ist der Abschnitt 46 des duktilen Eisensubstrats 12, der durch den Laserstrahl 32 geschmolzen wird, in Gewichtsmenge größer als der Abschnitt 44 des geschmolzenen Stahlsubstrats 10, der wiederum eine größere Menge des kohlenstoffreicheren duktilen Eisens in die Spur des geschmolzenen Substratmaterials 48 als das Stahlmaterial einleitet. Dadurch wird sichergestellt, dass der erforderliche minimale Kohlenstoffgehalt von 2 Gew.-% sowie das erforderliche minimale Nickeläquivalent und das maximale Chromäquivalent innerhalb des geschmolzenen Substratmaterials 48 und damit der austenitischen Eisenlegierung der daraus erstarrenden Schmelzzone 40 erhalten werden. In vielen Fällen reicht ein Versatzabstand 50 zwischen der Schweißnaht 22 und der zentralen Längsachse 34 des Laserstrahls 32 von 0,010 mm bis 0,200 mm, wobei das Gewichtsverhältnis von duktilem Eisenwerkstoff zu Stahlwerkstoff, der in die Spur von geschmolzenem Substratwerkstoff 48 einleitet, mit zunehmendem Versatzabstand 50 größer wird und umgekehrt.
Die durch den Laserstrahl 32 erzeugte Spur des geschmolzenen Substratmaterials 48 erstarrt, wenn der Energieeintrag des Laserstrahls 32 nachlässt und das geschmolzene Substratmaterial 48 unter Wärmeverlust an das umgebende Werkstück 14 abkühlt, wie in den 2 und 3 dargestellt. Die Strahleigenschaften des Laserstrahls 32 können die Abkühlgeschwindigkeit der Spur des geschmolzenen Substratmaterials 48 beim Übergang in die austenitische Eisenlegierung bestimmen, die die Schmelzzone 40 der Laserschweißverbindung 38 bildet. Tatsächlich ist die Abkühlrate von einer Reihe von Faktoren abhängig, insbesondere von der Leistung des Laserstrahls 32, der Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls 32 entlang der Schweißnaht 22 (die die lokalisierte Wärmeeinbringung in jedes der Stahl- und Sphäroguss-Substrate 10, 12 beeinflusst), den Abmessungen der Spur des geschmolzenen Substratmaterials 48 sowie der Absorptionsfähigkeit und den thermophysikalischen Eigenschaften der Stahl- und Sphäroguss-Substrate 10, 12. Der Laserstrahl 32 kann somit gesteuert werden, um die gewünschte Abkühlrate zu erhalten, die experimentell, durch Berechnung oder Prozessmodellierung bestätigt werden kann. So kann beispielsweise in einem Ansatz die Abkühlrate des Nachlaufs des geschmolzenen Substratmaterials 48 so gesteuert werden, dass sie zwischen 300°C/s und 600°C/s liegt, indem das Leistungsniveau des Laserstrahls auf 2 kW oder weniger begrenzt wird, die Verfahrgeschwindigkeit des Strahlpunktes 36 des Laserstrahls 32 entlang der Schweißnaht 22 auf 6 m/min oder weniger begrenzt wird und die Tiefe 42' des Nachlaufs des geschmolzenen Substratmaterials 48 durch die Stoß-Grenzfläche 20 (was letztlich der Tiefe 42 der Schmelzzone 40 der Laserschweißverbindung 38 entspricht) auf 3 mm oder weniger begrenzt wird.
Die Spur des geschmolzenen Substratmaterials 48 erstarrt in der Laserschweißverbindung 38, um eine lasergeschweißte Anordnung 52 bereitzustellen, in der das Stahlsubstrat 10 und das duktile Eisensubstrat durch die Verbindung 38 miteinander verschweißt sind. Die lasergeschweißte Baugruppe 52 ist im Allgemeinen in 3 dargestellt. In dieser besonderen Ausführungsform dringt die Schmelzzone 40 der Schweißverbindung 38 neben der Verlängerung entlang der Stoß-Grenzfläche 20 der Stahl- und Sphäroguss-Substrate 10, 12 bis zu ihrer Tiefe 42 auch seitlich (d.h. in einer Richtung quer zur Tiefe 42) in jedes der Stahlsubstrate 10 und 12 ein. Aufgrund des Versatzes des Laserstrahls 32 zum duktilen Eisensubstrat 12, wodurch der Abschnitt 46 des duktilen Eisensubstrats 12, der durch den Laserstrahl 32 geschmolzen wird, größer und größer in der Gewichtsmenge ist als der Abschnitt 44 des Stahlsubstrats 10, der geschmolzen wird - ein Volumen 54 der Schmelzzone 40, das in das duktile Eisensubstrat 12 eindringt, ist größer als ein Volumen 56 der Schmelzzone 40, das in das Stahlsubstrat 10 eindringt. Die Abgrenzung zwischen den eindringenden Volumina 54, 56 der Fusionszone 40 ist eine wiederhergestellte Ebene 58, die entlang der ursprünglichen Stoß-Grenzfläche 20 zwischen den Substraten Stahl und duktilem Eisen 10, 12 ausgerichtet ist.
Die Schmelzzone 40 der Laserschweißverbindung 38 besteht aus einer Austenit-Eisenlegierung, die im Vergleich zur Martensit-Mikrostrukturphase duktil und zäh ist, und weder das Stahlsubstrat 10 noch das Sphäroguss-Substrat 12 müssen vor dem Auftreffen auf die Substrate 10, 12 mit dem Laserstrahl 32 auf über Raumtemperatur (d. h. 25°C) vorgewärmt werden. Die Zuführung eines Fülldrahtes in den Laserstrahl 32, um Fremdmetall in die Spur des geschmolzenen Werkstückmaterials 48 einzubringen, um die Chemie des Substratmaterials 48 zu verändern, braucht ebenfalls nicht geübt zu werden. Bemerkenswert ist die Möglichkeit, sowohl das Vorwärmen als auch den Einsatz eines Schweißdrahtes zu vermeiden, da dadurch sichergestellt wird, dass die mechanischen Eigenschaften der Substrate Stahl und Sphäroguss 10, 12 nicht verändert werden. Neben der Bildung einer austenitischen Eisenlegierung in der Schmelzzone 40 unter Vermeidung von Vorwärmung und der Verwendung eines Schweißdrahtes kann die Bildung der Laserschweißverbindung 38 innerhalb der durch das Stahlsubstrat 10 und das Sphäroguss-Substrat 12 gemeinsam definierten Nut 24 die Funktionalität der Verbindung 38 verbessern. Durch das Bilden der Laserschweißverbindung 38 innerhalb der Nut 24 wird jede auf die Stahl- und/oder Sphäroguss-Substrate 10, 12 in der Nähe der Schweißverbindung 38 ausgeübte Spannung aufgrund der erhöhten Verformbarkeit der Substrate 10, 12 an der Stelle der Nut 24 immer auf die Schweißverbindung 38 gerichtet und in ihr konzentriert. Die konzentrierende Spannung in der Laserschweißverbindung 38 kann bevorzugt werden, da die Austenit-Eisenlegierung bruchfester sein kann als das Schüttgut des Stahlsubstrats 10 und/oder des duktilen Eisensubstrats 12.
Unter Bezugnahme auf die 5 und 6 wird ein weiterer Ansatz zur Ableitung einer Laserschweißverbindung 138 mit ihrer Schmelzzone 140 aus einer austenitischen Eisenlegierung beschrieben. In der folgenden Diskussion dieser speziellen Ausführungsform werden Bezugszeichen, die den in der Beschreibung der vorherigen Ausführungsform verwendeten Bezugszeichen entsprechen, verwendet, um ähnliche Elemente mit ähnlicher Funktionalität zu identifizieren. Zu diesem Zweck gilt die Beschreibung von Aspekten der in den 1-3 dargestellten, zuvor beschriebenen Ausführungsform gleichermaßen für Aspekte der folgenden Ausführungsform, die mit entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet sind, sofern nicht ausdrücklich anders beschrieben. Lediglich die materiellen Unterschiede der in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen werden hier diskutiert. Insbesondere kann bei dem vorliegenden Ansatz die Laserschweißverbindung 138 eine runde (von oben gesehen) Punktschweißverbindung im Gegensatz zur vorstehend beschriebenen langgestreckten Schweißnaht sein, während das Vorwärmen und die Verwendung eines Schweißdrahtes wiederum nicht unbedingt erforderlich sind. Das Laserschweißverfahren kann einen Offset-Laserstrahl 132 wie vorstehend beschrieben aus den gleichen Gründen verwenden, die sich auf das Erhalten einer bestimmten Zusammensetzung in der Eisenlegierung beziehen, die in der Schmelzzone 140 der Schweißverbindung 138 enthalten ist. Anstatt den Strahlpunkt 136 jedoch entlang der Schweißnaht 122 vorzurücken, wird der Laserstrahl 132 gepulst, während der Strahlpunkt 136 an einer einzigen Stelle auf der Schweißnaht 122 fixiert bleibt.
Das Pulsen des Laserstrahls 132 liefert Laserenergie in wiederkehrenden optischen Impulsen 160, die einen Pool aus geschmolzenem Substratmaterial 148 unterhalb und außerhalb des Strahlpunkts 136 des Laserstrahls 132 erzeugen und wachsen lassen, wie in 5 dargestellt. Die durchschnittliche Leistung des Laserstrahls 132 und die Pulswiederholrate (d.h. die Impulswiederholrate, Impulse pro Sekunde) gesteuert werden können, um eine Pulsenergie für jeden Impuls 160 zu erreichen, die bei wiederholter Abgabe und im Aggregat ausreicht, um die Stahl- und Sphäroguss-Substrate 110, 112 zu schmelzen und auch den resultierenden Pool an geschmolzenem Werkstückmaterial 148 in der Tiefe entlang der Stoß-Grenzfläche 120 bis in eine Tiefe und nach außen in die Substrate 10, 12 bis zu einer bestimmten Größe und einem bestimmten Volumen zu wachsen, während gleichzeitig die gewünschte Abkühlrate zwischen 300°C/s und 600°C/s im Pool an geschmolzenem Substratmaterial 148 beim Abkühlen und Verfestigen in der Laserschweißverbindung 138 erreicht wird. Nach dem Erstarren erstreckt sich die Schmelzzone 140 der resultierenden Laserschweißverbindung 138 entlang der Stoß-Grenzfläche 120 und durchdringt teilweise (wie dargestellt) oder vollständig die Stoß-Grenzfläche 120. Die Schmelzzone besteht nach wie vor aus einer austenitischen Eisenlegierung, weist aber auch ein Volumen 154 auf, das in das duktile Eisensubstrat 112 eindringt, das größer ist als ein Volumen 156 der Schmelzzone 140, das aufgrund des Versatzes des Laserstrahls 132 zum duktilen Eisensubstrat 112 in das Stahlsubstrat 110 eindringt. Und wie zuvor, um die Funktionalität der Laserschweißverbindung 138 zu verbessern, kann die Verbindung 138 innerhalb der Nut 124 gebildet werden, die durch das Stahlsubstrat 110 und das Sphäroguss-Substrat 112 gemeinsam definiert ist.
Das hierin beschriebene Laserschweißverfahren, einschließlich der Nahtschweiß- und Punktschweißverfahren, kann in einer Vielzahl von Zusammenhängen angewendet werden. In einer spezifischen Anwendung und unter Bezugnahme auf 7 kann das Verfahren zum Schmelzschweißen eines Wälzlagers 262 aus Stahl und eines Kettenrades 264 aus duktilem Eisen verwendet werden. Das Wälzlager 262 kann einen Innenring 266 und einen Außenring 268 beinhalten, die einander gegenüberliegende Außen- und Innenumfangsflächen aufweisen, zwischen denen eine Vielzahl von Wälzkörpern 270, wie beispielsweise Kugeln oder Rollen, angeordnet sind. Das Kettenrad 264 kann ein versetztes Kettenrad sein, das eine zentrale Nabe 272 zusammen mit einem axial verlängerten- Rand 274 beinhaltet, der von einem Flansch 276 abhängt, der sich radial von und um die zentrale Nabe 278 erstreckt. Der axial verlängerte Rand 274 beinhaltet eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Außenzähnen 280, die zur Drehmomentübertragung mit einer Rollenkette 282 ineinander greifen. Wie in 7 dargestellt, kann die zentrale Nabe 278 des Kettenrades 264 im eingebauten und in Betrieb mit einer Welle 284, wie beispielsweise einer Getriebeabtriebswelle, verzahnt oder anderweitig gekoppelt sein. Traditionell ist das Wälzlager 262 in eine Tasche 286 eingebettet, die durch den Rand 274 des Kettenrades 264 definiert ist und durch einen Presssitz zwischen dem Außenring 268 und dem Rand 274 gehalten wird, wodurch sich das Kettenrad 264 und der Außenring 268 gemeinsam drehen können, während der Innenring 266 über eine Stütznabe 288 eines Gehäuses oder einer anderen stationären Struktur geschoben und Presssitz erhalten wurde.
In einigen Fällen kann es jedoch vorkommen, dass das Wälzlager 262 und insbesondere der Außenring 268 axial vom Kettenrad 264 weg kriechen oder gehen, was die Lebensdauer des Lagers 262 verkürzen kann. Um dieses Problem zu lösen, kann das derzeit offenbarte Laserschweißverfahren verwendet werden, um das Wälzlager 262 und das Kettenrad 264 miteinander zu verschweißen. Wie hier und im Rahmen des vorstehend beschriebenen Laserschweißverfahrens anwendbar, bildet der Außenring 268 des Wälzlagers 262 das Stahlsubstrat und der Rand 274 des versetzten Kettenrades 264 das Substrat aus duktilem Eisen. Eine Außenumfangsfläche 290 des Außenrings 268 und eine Innenumfangsfläche 292 des Randes 274 bilden die berührenden Stoß-Flächen, die eine Stoß-Grenzfläche 320 in der vorstehend beschriebenen Weise bilden. Ein Laserstrahl 332 kann auf die Substrate Stahl und Sphäroguss gerichtet und betrieben werden, um eine Laserschweißverbindung 338 zu bilden, die wie vorstehend beschrieben teilweise oder vollständig durch die Stoß-Grenzfläche 320 eindringt. Die Laserschweißverbindung 338 kann je nach Konstruktionspräferenz und anderen Fertigungs- und/oder Produktspezifikationen eine längliche Schweißnaht oder Punktschweißung sein. Mehr als eine solche Laserschweißverbindung 338 kann zwischen den Substraten an verschiedenen beabstandeten Stellen um die ringförmige Stoß-Grenzfläche 320 herum gebildet werden, die zwischen dem Außenring 268 des Wälzlagers 262 und dem Rand 274 des versetzten Kettenrads 264 gebildet ist.
Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen und konkreten Beispiele hat lediglich beschreibenden Charakter; sie soll den Umfang der nachfolgenden Ansprüche nicht einschränken. Jeder der in den beigefügten Ansprüchen verwendeten Begriffe sollte seine gewöhnliche und übliche Bedeutung erhalten, sofern in der Beschreibung nicht ausdrücklich und unmissverständlich etwas anderes angegeben ist.

Claims

Ein Verfahren zum Laserschweißen eines Stahlsubstrats und eines duktilen Eisensubstrats, wobei das Verfahren umfasst: Aneinanderstoßen einer Stoß-Fläche eines Stahlsubstrats an eine Stoß-Fläche eines duktilen Eisensubstrats, um eine Schweißnaht zwischen den Substraten zu definieren, wobei die Stoß-Flächen an zwei Flächen kontaktieren, um eine Stoß-Grenzfläche herzustellen, die sich von der Schweißnaht erstreckt; Richten eines Laserstrahls auf das Stahlsubstrat und das duktile Eisensubstrat, wobei der Laserstrahl eine zentrale Längsachse aufweist; und Bilden einer Laserschweißverbindung mit dem Laserstrahl, wobei die Laserschweißverbindung eine Schmelzzone aufweist, die aus Austenit-Eisenlegierung besteht, die eine Zusammensetzung aufweist, die von dem Stahlsubstrat und dem duktilen Eisensubstrat abgeleitet ist, wobei sich die Schmelzzone entlang der Stoß-Grenzfläche des Stahl- und duktilen Eisensubstrats bis zu einer Tiefe erstreckt und weiter jeweils in das Stahlsubstrat und das duktile Eisensubstrat eindringt, und wobei ein Volumen der Schmelzzone, das in das duktile Eisensubstrat eindringt, größer ist als ein Volumen der Schmelzzone, das in das Stahlsubstrat eindringt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Austenit-Eisenlegierung der Schmelzzone einen Kohlenstoffgehalt von 2 Gew.-% oder mehr, ein Chromäquivalent von 6% oder weniger und ein Nickeläquivalent von 60% oder mehr aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Richten des Laserstrahls auf das Stahlsubstrat und das duktile Eisensubstrat das Versetzen der zentralen Längsachse des Laserstrahls in Richtung des duktilen Eisensubstrats in Bezug auf die Schweißnaht umfasst, so dass mehr des Laserstrahls auf das duktile Eisensubstrat trifft als auf das Stahlsubstrat.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bilden der Laserschweißverbindung umfasst; Schmelzen eines Abschnitts des Stahlsubstrats und eines Abschnitts des duktilen Eisensubstrats, um geschmolzenes Substratmaterial zu erzeugen, umfassend ein vermischtes Stahlmaterial aus dem Stahlsubstrat und ein duktiles Eisenmaterial aus dem duktilen Eisensubstrat; und Verfestigen des geschmolzenen Substratmaterials in die Laserschweißverbindung durch Abkühlen des geschmolzenen Substratmaterials mit einer Abkühlrate zwischen 300°C/s und 600°C/s.
Ein Verfahren zum Laserschweißen eines Stahlsubstrats und eines duktilen Eisensubstrats, wobei das Verfahren umfasst: Aneinanderstoßen einer Stoß-Fläche eines Stahlsubstrats an eine Stoß-Fläche eines duktilen Eisensubstrats, um eine Schweißnaht zwischen den Substraten zu definieren, wobei die Stoß-Flächen an zwei Flächen kontaktieren, um eine Stoß-Grenzfläche herzustellen, die sich von der Schweißnaht erstreckt; Richten eines Laserstrahls auf das Stahlsubstrat und das duktile Eisensubstrat, wobei der Laserstrahl eine zentrale Längsachse aufweist; Schmelzen eines Abschnitts des Stahlsubstrats und eines Abschnitts des duktilen Eisensubstrats mit dem Laserstrahl, um geschmolzenes Substratmaterial zu erzeugen, das ein vermischtes Stahlmaterial aus dem Stahlsubstrat und duktiles Eisenmaterial aus dem duktilen Eisensubstrat umfasst; und Verfestigen des geschmolzenen Substratmaterials zu einer Laserschweißverbindung mit einer Schmelzzone aus einer Austenit-Eisenlegierung, die eine Zusammensetzung aufweist, die von dem Stahlsubstrat und dem duktilen Eisensubstrat abgeleitet ist, wobei sich die Schmelzzone entlang der Stoß-Grenzfläche des Stahls und des duktilen Eisensubstrats bis in eine Tiefe erstreckt und weiter jeweils in das Stahlsubstrat und das duktile Eisensubstrats eindringt, und wobei die Austenit-Eisenlegierung der Schmelzzone einen Kohlenstoffgehalt von 2 Gew.-% oder mehr und ein Nickeläquivalent von 60% oder mehr aufweist.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verfestigen des geschmolzenen Substratmaterials in die Laserschweißverbindung das Abkühlen des geschmolzenen Substratmaterials mit einer Abkühlrate zwischen 300°C/s und 600°C/s umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine in das Stahlsubstrat gebildete Kerbe und eine in das duktile Eisensubstrat gebildete Kerbe zusammenwirken, um eine Nut zu definieren, und wobei die Schweißnaht, die durch die Stoß-Fläche des Stahlsubstrats und die Stoß-Fläche des duktilen Eisensubstrats definiert ist, innerhalb der Nut angeordnet ist.
Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Stahlsubstrat ein Außenring eines Wälzlagers ist und das duktile Eisensubstrat ein Rand eines versetzten Kettenrades ist.
Eine lasergeschweißte Anordnung, umfassend: ein Stahlsubstrat; ein duktiles Eisensubstrat; und eine Laserschweißverbindung, die das Stahlsubstrat und das duktile Eisensubstrat miteinander verschweißt, wobei die Laserschweißverbindung eine Schmelzzone aufweist, die aus einer Austenit-Eisenlegierung besteht, die eine vom Stahlsubstrat und dem duktilen Eisensubstrat abgeleitete Zusammensetzung aufweist, wobei die Schmelzzone in sowohl das Stahlsubstrat als auch das duktile Eisensubstrat eindringt, und wobei die Austenit-Eisenlegierung der Schmelzzone einen Kohlenstoffgehalt von 2 Gew.-% oder mehr, ein Chromäquivalent von 6% oder weniger und ein Nickeläquivalent von 60% oder mehr aufweist.
Die lasergeschweißte Anordnung nach Anspruch 9, wobei ein Volumen der Schmelzzone, das in das duktile Eisensubstrat eindringt, größer ist als ein Volumen der Schmelzzone, das in das Stahlsubstrat eindringt.