DE3730226A1 - Loetverbindung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lötverbindung zwischen mechanisch vorzugsweise hoch belasteten Teilen, insbesondere aus Stahl oder Stahllegierungen, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die bekannten Lötverbindungen, bei denen die miteinander verbun­ denen Teile stumpf aneinander stoßen oder sich überlappend, bei­ spielsweise unter Bildung einer Stufe, übergreifen, sind für me­ chanisch hoch beanspruchte Teile und Verbindungen nicht einsetz­ bar, da ihre mechanische Belastbarkeit wesentlich geringer ist als diejenige des Grundmaterials, also des Materials, aus dem die miteinander verbundenen Teile bestehen. Dies gilt vor allem für Teile aus Stahl oder Stahllegierungen. Wenn eine hohe mechanische Belastbarkeit gefordert wird, werden deshalb die Teile miteinan­ der verschweißt. Schweißverbindungen erfordern aber nicht nur ei­ ne schweißgerechte Konstruktion, was in vielen Fällen eine opti­ male Anpassung der Teile an ihre Funktion ausschließt. Sie können auch mit einem beträchtlichen Fertigungsaufwand verbunden sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Lötver­ bindungen dahingehend zu verbessern, daß sie auch bei mechanisch hoch belasteten Teilen, insbesondere solchen aus Stahl oder Stahllegierungen, anwendbar sind. Diese Aufgabe löst eine Lötver­ bindung mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Durch die Konus- oder Keilform in wenigstens einem Teilbereich der Verbindungsflächen und durch die Ausbildung der Teile derart, daß sie wenigstens im Bereich der Konus- oder Keilflächen spalt­ frei aneinander anlegbar sind, läßt sich bei geeigneter Wahl des Lötverfahrens im Bereich der konus- oder keilförmigen Flächen eine Festigkeit der Lötverbindung erzielen, die der Festigkeit des Grundmaterials nicht nachsteht, selbst wenn das Grundmaterial ein hochfester Stahl ist. Vorteilhaft ist auch, daß dann, wenn die Konstruktion mehrere Lötverbindungen aufweist, diese alle gleichzeitig hergestellt werden können.

Im Hinblick auf die Belastbarkeit der Lötverbindung ist es vor­ teilhaft, wenn die Verbindungsflächen insgesamt in Konus- oder Keilflächen liegen, also Flächen, welche einen Winkel ein­ schließen mit der Richtung, in welcher sich die miteinander zu verbindenden Teile bei der Verringerung der Lötfuge während des Lötvorgangs bewegen. Es kann sich aber auch an wenigstens eines der beiden Enden der Konus- oder Keilfläche eine zylindrische Fläche beziehungsweise eine ebene Fläche anschließen. Dies ist vor allem bei Verbindungen von zylindrischen und hohlzylindri­ schen Teilen bedeutsam.

Eine maximale Belastbarkeit der Lötverbindung erreicht man dann, wenn sie als eine Diffusionsverbindung mit Legierungsbildung aus­ gebildet ist, was durch eine Hochtemperaturlötung erreichbar ist. Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfaren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Lötverbindung aufzuzeigen. Die­ se Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 4.

Insbesondere dann, wenn das Grundmaterial Stahl ist, werden die zu verbindenden Teile auf eine Temperatur über 600°C, vorzugsweise über 900°C,

erhitzt.

Vorteilhafterweise erfolgt diese Erhitzung mit Hilfe von Infra­ rotstrahlen oder auf induktivem Wege, da beide Erhitzungsverfah­ ren auch unter Schutzgas und im Vakuum angewendet werden kön­ nen.

Da bei einer bevorzugten Ausführungsform das Lot in Form einer Folie zwischen die Verbindungsflächen gelegt wird, die dadurch zunächst einen relativ großen Abstand voneinander haben, werden die miteinander zu verbindenden Teile während des Lötvorgangs im Sinne einer Annäherung ihrer Verbindungsflächen aneinander belas­ tet. Beim Schmelzen des Lotes verringert sich dann der Spalt selbsttätig auf einen Wert sehr nahe bei Null.

Vorzugsweise wird die sich an den Erwärmungsvorgang anschließende Abkühlungszeit derart gesteuert, daß die Teile und/oder die Löt­ verbindung eine Wärmebehandlung, insbesondere eine Vergütung, er­ fahren. Hieran kann sich selbstverständlich, falls erforderlich, eine zweite Wärmebehandlung, beispielsweise ein Anlassen, an­ schließen. Ferner kann man während der Abkühlung Stickstoff, ins­ besondere gasförmigen Stickstoff, zum Zwecke der Nitrierung auf die Teile einwirken lassen. Da diese Nitrierung bei Temperaturen über 400°C erfolgen kann, ist die Zeitdauer des Nitriervorgan­ ges wesentlich kürzer als bei der übichen Nitrierung im Nitrier­ bad.

Die Lötfolie, die zwischen die Verbindungsflächen eingelegt wird, hat vorzugsweise die Form der Verbindungsflächen. Da die Lötfolie gestanzt und/oder tiefgezogen werden kann, bereitet es keine Schwierigkeiten, die Lötfolie in ihrer Kontur und Form an die Verbindungsflächen anzupassen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine unvollständig und teilweise im Schnitt darge­ stellte Ansicht einer Antriebswelle für ein Kraft­ fahrzeug mit Vorderradantrieb,

Fig. 2 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt aus Fig. 2 vor dem Lötvorgang,

Fig. 3 einen vergrößert dagestellten Ausschnitt gemäß Fig. 2 nach dem Lötvorgang,

Fig. 4 einen Längsschnitt einer Getriebewelle für ein Kraftfahrzeuggetriebe,

Fig. 5 eine unvollständig und teilweise im Schnitt darge­ stellte Ansicht einer Kurbelwelle für eine Hubkol­ benmaschine,

Fig. 6 eine unvollständig und teilweise im Schnitt darge­ stellte Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Kurbelwelle gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine unvollständig und teilweise im Schnitt darge­ stellte Ansicht einer Kurbelwelle für eine Hubkol­ benmaschine,

Fig. 8 eine unvollständig dargestellte Ansicht eines Ge­ häuses für ein Sperrdifferential für Kraftfahrzeug­ achsen,

Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX der Fig. 8,

Fig. 10 einen Längsschnitt einer Hochdruck-Gasflasche.

Bei der in Fig. 1 dargestellen Antriebswelle 1 für ein Kraftfahr­ zeug mit Vorderradantrieb sind nur die beiden gleich ausgebilde­ ten Endstücke 2, die im Bereich ihres freien Endabschnittes ein Vielkeilprofil 3 aufweisen, aus Vollmaterial hergestellt. Das Mittelstück 4, das einen etwas größeren Außendurchmesser als die Endstücke 2 hat, ist hingegen aus Gewichtsgründen als Hohlwelle ausgebildet.

Um eine derartige Antriebswelle kostengünstig fertigen zu können, ist nur ein kurzer Endabschnitt 4′ des Mittelstückes 4 einstückig mit jedem der beiden Endstücke 2 ausgebildet. Jeder dieser beiden Endabschnitte 4′ ist in seiner dem Endstück 2 abgekehrten Endzone mit einem Außenkonus versehen, der sich von seiner Außenmantel­ fläche bis zu einer schmalen Stirnfläche 5 erstreckt, welche sich an die Innenmantelfläche anschließt. Dieser Außenkonus bildet die Verbindungsfläche 6 des Endabschnittes 4′.

An dem gleichachsig mit dem Endabschnitt 4′ zu verbindenen Rohr 4′′ ist ein Innenkonus vorgesehen, dessen Konuswinkel mit demje­ nigen des Außenkonus am Endabschnitt 4′ übereinstimmt. Dieser von der Außenmantelfläche zur Innenmantelfläche des Rohres 4′′ durch­ gehende Innenkonus bildet die Verbindungsfläche 7 des Rohres 4′′. Die beiden Verbindungsflächen 6 und 7 können spaltfrei aneinander anliegen.

Zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen den Verbindungsflä­ chen 6 und 7, deren Belastbarkeit nicht unter derjenigen des Rohres 4′′ liegt, wird zwischen die Verbindungsflächen 6 und 7 eine Lötfolie B gelegt, die in ihrer Form und Größe an die Ver­ bindungsflächen 6 und 7 angepaßt ist, also einen Hohlkegelstumpf bildet. Dann wird die Antriebswelle 1 in einem Vakuumofen auf eine Temperatur von 900° bis 1000°C erhitzt. Die Antriebswelle 1 ist dabei in axialer Richtung belastet, damit beim Schmelzen der Lötfolie 8 der Abstand zwischen den miteinander zu verbinden­ den Verbindungsflächen 6 und 7 sich nahezu auf den Wert Null ver­ ringert, wie dies Fig. 3 zeigt. Selbstverständlich werden bei diesem Lötvorgang alle Lötverbindungen gleichzeitig hergestellt, und zwar als Diffusionsverbindung mit Legierungsbildung. An­ schließend wird der Abkühlungsvorgang derart gesteuert, daß so­ wohl der Stahl, aus dem die Antriebswelle 1 besteht, als auch, falls erforderlich, die Lötstellen, einer Wärmebehandlung zum Zwecke der Vergütung unterworfen werden. Außerdem kann man, so­ fern eine Nitrierung erforderlich ist, gasförmigen Stickstoff auf die zu nitrierenden Teile einwirken lassen. Da diese Nitrierung bei einer relaiv hohen Temperatur von über 400°C erfolgen kann, genügt in der Regel eine Nitrierdauer von 15 bis 20 Minuten.

Die in Fig. 4 dargestelle Getriebewelle 10 ist wie die Antriebs­ welle gemäß Fig. 1 zur Gewichtsverminderung und Reduzierung der Drehmasse als Hohlwelle ausgebildet. Sie ist, wie Fig. 4 zeigt, aus zwei hohl geschmiedeten Teilen 11 und 12 zusammengesetzt, von denen im Ausführungsbeispiel jeder einen Zahnkranz 13 in dem hohl geschmiedeten Abschnitt trägt. Die außen zylindrische Endzone dieses Abschnitts des Teils 11 ist mit einem von der Außenmantel­ fläche zu der Innenmantelfläche durchgehenden Innenkonus verse­ hen, welcher die Verbindungsfläche 16 des Teiles 11 bildet. Die Verbindungsfläche 17 des Teiles 12 bildet ein mit dem Innenkonus korrespondierender Außenkonus, der sich von der Außenmantelfläche bis zur Innenmantelfläche des Teiles 12 erstreckt. Selbstver­ ständlich könnte der Außenkonus am Teil 11 und der Innenkonus am Teil 12 vorgesehen sein, wie auch beim dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 3 die Zuordnung von Außenkonus und Innenkonus zu den beiden Teilen vertauscht sein könnte.

Das Herstellen der Lötverbindung zwischen den Verbindungsflächen 16 und 17 sowie die anschließende Wärmebehandlung und gegebenen­ falls vorzunehmende Nitrierung erfolgt in gleicher Weise wie bei der Antriebswelle gemäß den Fig. 1 bis 3.

Wie Fig. 5 zeigt, kann man zum Zwecke der Massenreduzierung die Kurbelzapfen 21 einer Kurbelwelle 20 und auch deren Hauptlager­ zapfen 22 als Hohlwelle ausbilden. An die Lagerwangen 23 sind, vorzugsweise durch Schmieden, hohle Zapfenteile angeformt. Wie Fig. 5 für den Kurbelzapfen 21 zeigt, ist dessen einer, außen zy­ lindrischer Zapfenteil 24 mit einem zur Zapfenachse konzentri­ schen Innenkonus versehen, der an der Außenmantelfläche beginnt, jedoch im Abstand von der Innenmatelfläche endet. Hier schließt sich an den Innenkonus ein kurzer zylindrischer Abschnitt an, der als Zentrieransatz dient und an einer Schulterfläche endet. Die Verbindungsfläche 26 des Zapfenteils 24 besteht also aus dem Innenkonus, dem zylindrischen Abschnitt und der Schulterfläche. Der andere Zapfenteil 25 weist eine korrespondierende Verbin­ dungsfläche 27 auf, wobei die Toleranzen so gewählt sind, daß sich beide Verbindungsflächen 26 und 27 spaltfrei aneinander an­ legen können.

Alle Lötstellen der Kurbelwelle 20 werden gleichzeitig nach dem in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Verfahren ausgeführt. Die zwischen die Verbindungs­ flächen 26 und 27 einzulegende Lötfolie hat vorzugsweise die Form der Verbindungsflächen 26 und 27. Bei einer ausreichenden Dicke der Lötfolie genügt es aber, wenn die Lötfolie zwischen den Ko­ nusflächen und den zylindrischen Flächen liegt, da das flüssige Lot von selbst zwischen die Schulterfläche des Zapfanteils 24 und die ihr zugekehrte Stirnfläche des Zapfenteils 25 eindringt.

Wie Fig. 6 zeigt, kann man den Kurbelzapfen 21′ einer Kurbelwelle 20′ und ebenso natürlich auch die Hauptlagerzapfen 22′ auch so teilen, daß sich sowohl an das eine als auch das andere Ende der Konusfläche ein kurzer zylindrischer Abschnitt als Zentrieransatz anschließt, was es dann erforderlich macht, im Anschluß an den zylindrischen Abschnitt je eine Schulterfläche beziehungsweise eine Stirnfläche vorzusehen.

Das bei dem Ausführungsgeispiel gemäß Fig. 5 zur Form der Löt­ folie Gesagte gilt auch für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6. Die Lötfolie kann die Form der Verbindungsflächen haben. Sie kann aber auch nur an den beiden zylindrischen Zonen und der konischen Zone anliegen. Sofern die zylindrischen Zonen relativ klein sind, kann es sogar genügen, die Lötfolie auf den konischen Teil der Verbindungsflächen zu beschränken. In jedem Fall muß jedoch sichergestellt sein, daß die Verbindungsflächen in Anlage anein­ ander kommen können, damit sich beim Schmelzen der Lötfolie der Spalt zwischen den Verbindungsflächen bis auf einen nahe bei Null liegenden Wert reduzieren kann.

Vor allem dann, wenn bei einer Kurbelwelle 30 die Zapfenlänge relativ groß sein muß, wie dies beispielsweise der Fall ist, wenn der Kurbelzapfen 31 in Achsrichtung nebeneinander zwei oder mehr Pleuel trägt, kann die in Fig. 7 dargestellte Konstruktion vor­ teilhaft sein. Außerdem weist diese Konstruktion den Vorteil auf, daß die Wangen 33 gleich ausgebildet sind, da die einstückig mit ihnen ausgebildeten, beispielsweise durch Hohlschmieden geformten Zapfenteile 34 eine gleiche Form haben. Sie weisen im Ausfüh­ rungsbeispiel einen sich von der Außenmantelfläche zur Innenman­ telfläche erstreckenden Außenkonus als Verbindungsfläche 36 auf. Selbstverständlich könnte statt des Außenkonus ein Innenkonus vorgesehen sein. Außerdem wäre es möglich, am einen oder beiden Enden des Konus einen Zentrieransatz in Form einer zylindrischen Zone vorzusehen.

Ergänzt wird der Kurbelzapfen 31 durch ein zylindrisches Mittel­ stück 35, das beidseitig mit je einem an den Außenkonus der Zap­ fenteile 34 angepaßten Innenkonus versehen. Diese beiden Innen­ konusse bilden je eine Verbindungsfläche 37.

Da alle Lötverbindungen gleichzeitig hergestellt werden können, wird der Aufwand dadurch, daß der Kurbelzapfen 31 zwei Lötstellen aufweist, praktisch nicht vergrößert. Die Herstellung der Lötver­ bindungen und die anschließende Wärmebehandlung erfolgt in der bereits beschriebenen Weise. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird deshalb auf die Ausführungen in Verbindung mit dem Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 3 Bezug genommen.

Wie die Fig. 8 und 9 am Beispiel eines Gehäuses für ein Sperr­ differential zeigen, lassen sich konische oder kegelige Verbin­ dungsflächen auch an dicken, plattenförmigen Bauteilen vorsehen. Daher ist die erfindungsgemäße Lötverbindung beispielsweise auch bei Stanzwerkzeugen anwendbar.

Das als Ganzes mit 40 bezeichnete Gehäuse weist einen rohrförmi­ gen Mittelabschnitt 41 auf, an dessen einem Ende ein einstückig mit ihm ausgebildeter Flansch 42 vorgesehen ist.

Das andere Ende wird durch einen von der Außenmantelfläche zur Innenmantelfläche durchgehenden Innenkonus gebildet, welcher als Verbindungsfläche 46 dient. In diesen Innenkonus greift ein korrespondierend ausgebildeter Außenkonus ein, der die Außenman­ telfläche einer ringförmigen Platte 43 bildet, die einstückig mit einer Gehäusenabe 44 ausgebildet ist. Die durch den Außenkonus der ringförmigen Platte 43 gebildete Verbindungsfläche ist mit 47 bezeichnet.

Die Lötverbindung zwischen den Verbindungsflächen 46 und 47 wird wie bereits beschrieben hergestellt und weist wesentliche Vor­ teile auf gegenüber der bisher üblichen Schweißverbindung.

Wie Fig. 10 zeigt, kann die erfindungsgemäße Lötverbindung mit Vorteil auch beispielsweise zur kostengünstigen Herstellung einer Hochdruck-Gasflasche 50 verwendet werden. An den geschmiedeten Bodenteil 51 ist ein kurzer hohlzylindrischer Abschnitt ange­ formt, der mit einer von der Außenmantelfläche zur Innenmantel­ fläche durchgehenden konischen Fläche als Verbindungsfläche ver­ sehen ist. Eine korrespondierende Konusfläche weist ein zylin­ drischer Mittelteil 52 auf. Das andere Ende dieses Mittelteils 52 ist ebenfalls als konische Verbindungsfläche 56 ausgebildet. Eine korrespondierende konische Verbindungsfläche 57 ist an dem ge­ schmiedeten Halsteil 53 der Hochdruck-Gasflasche 50 vorgesehen.

An beiden Teilungsfugen wird zwischen die Verbindungsflächen eine an diese angepaßte Lötfolie gelegt. Dann erfolgt die Erwärmung im Vakuum auf eine Temperatur in der Größenordnung von 1000°C. Da­ bei ist die Hochdruck-Gasflasche 50 in ihrer Längsrichtung be­ lastet, damit beim Schmelzen des Lotes die Lötfuge sich schließt. Durch eine zeitlich gesteuerte Abkühlung im Anschluß an den Löt­ vorgang erfolgt ein Vergüten auf 900 bis 1200 N/mm².

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als wei­ tere Ausgestaltungen Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den An­ sprüchen erwähnt sind.

Claims (12)

1. Lötverbindung zwischen mechanisch vorzugsweise hoch belastbaren Teilen, insbesondere Teilen aus Stahl oder Stahllegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Lot miteinander verbundenen Verbindungsflächen (6, 7; 16, 17; 26, 27; 36, 37; 46, 47; 56, 57) der Teile (4′, 4′′; 11, 12; 24, 25; 34; 41, 43; 51, 52, 53) wenigstens teilweise in einer Konus- oder Keilfläche liegen und die miteinander verbundenen Teile eine eine spaltfreie Anlage zumindest der Konus- oder Keilflächen aneinan­ der gestattende Form haben.

2. Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß sich an wenigstens eines der beiden Enden der Konus­ fläche eine zylindrische Fläche als Teil der Verbindungsfläche anschließt.

3. Lötverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie als eine Diffusionsverbindung mit Legierungs­ bildung ausgebildet ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötung als Hochtemperaturlötung im Vakuum oder Hochvakuum ausge­ führt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile auf eine Temperatur über 600°C erhitzt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Teile während des Lötvorgangs im Sinne einer Annäherung ihrer Verbindungsflächen aneinander belastet sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sich an den Erwärmungsvorgang an­ schließende Abkühlung mit einem gesteuerten zeitlichen Verlauf zum Zwecke einer Wärmebehandlung der Teile und/oder der Lötstel­ len vorgenommen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man während der Abkühlung Stickstoff zum Zwecke der Nitrierung auf die Teile einwirken läßt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitrierung bei einer Temperatur der Teile über 400°C vorgenommen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß alle Lötverbindungen gleichzeitig hergestellt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei einander zugeordnete Verbindungsflächen eine Lötfolie eingelegt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötfolie zuvor gestanzt und/oder tiefgezogen wird.