DE102018126718A1

DE102018126718A1 - SCHWEIßVERFAHREN UND NACH DEM SCHWEIßVERFAHREN HERGESTELLTES TEIL

Info

Publication number: DE102018126718A1
Application number: DE102018126718.5A
Authority: DE
Inventors: Huaxin Li; Daniel J. Wilson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2019-05-02
Also published as: US20190126386A1; CN109719382A

Abstract

Ein Verfahren zum Schweißen einer ersten Komponente an eine zweite Komponente beinhaltet Bereitstellen einer ersten Komponente einer ersten Legierung und Aufweisen einer Beschichtung einer zweiten Legierung auf einer Seite der ersten Komponente und Festkörperschweißen einer zweiten Komponente einer dritten Legierung an die Beschichtung der ersten Komponente. Die zweite Legierung beinhaltet nur Nichteisenverbindungen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Schweißverfahren und ein nach dem Schweißverfahren hergestelltes Teil.
EINLEITUNG
Diese Einleitung stellt im Allgemeinen den Kontext der Offenbarung dar. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder in dem in diesem Hintergrundabschnitt beschriebenen Umfang sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung ansonsten nicht als Stand der Technik gelten, werden gegenüber der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik zugelassen.
In einem typischen Kraftfahrzeug werden bestimmte Komponenten miteinander verschweißt. Einige Schweißnähte erfordern Komponenten, die aus verschiedenen Legierungen bestehen. So kann beispielsweise eine leichtere Legierung wie Aluminium oder Magnesium mit einer schwereren Legierung wie Stahl verbunden werden. Aufgrund der physikalischen und metallurgischen Eigenschaftsunterschiede zwischen diesen Legierungen ist die Festigkeit der Nahtstelle für bestimmte Anwendungen möglicherweise nicht stark genug. Insbesondere können die Bildung spröder intermetallischer Verbindungen und hohe Restspannungen in der Schweißnaht, die sich aus der Verwendung von Legierungen mit unterschiedlichen Eigenschaften ergeben, die Festigkeit der Nahtstelle begrenzen.
Diese Beschränkungen können die Fähigkeit zur Verringerung der Masse von Fahrzeugkomponenten verhindern und/oder verringern, was wiederum die Kraftstoffeffizienz, die Wirtschaftlichkeit, die Leistung, die Batterielebensdauer, die Reichweite und andere wichtige Eigenschaften eines Fahrzeugs verhindern und/oder verringern kann.
KURZDARSTELLUNG
In einem exemplarischen Aspekt beinhaltet ein Verfahren zum Schweißen einer ersten Komponente an eine zweite Komponente Bereitstellen einer ersten Komponente einer ersten Legierung und Aufweisen einer Beschichtung einer zweiten Legierung auf einer Seite der ersten Komponente und Festkörperschweißen einer zweiten Komponente einer dritten Legierung an die Beschichtung der ersten Komponente. Die zweite Legierung beinhaltet nur Nichteisenverbindungen.
In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist die erste Legierung eine Stahllegierung.
In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist die dritte Legierung eine Aluminiumlegierung.
In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist die dritte Legierung eine Magnesiumlegierung.
In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist das Festkörperschweißen Reibschweißen.
In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet das Verfahren ferner Auftragen der Beschichtung auf die erste Komponente.
In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet der Beschichtungsschritt mindestens eines der folgenden Verfahren: Plattieren, Schmelztauchen, Dampfabscheidung, physikalische Dampfabscheidung und chemische Dampfabscheidung.
In einem weiteren exemplarischen Aspekt besteht die zweite Legierung aus einer Nickelbasislegierung und einer Kupferbasislegierung.
In einem weiteren exemplarischen Aspekt liegt die Dicke der Beschichtung zwischen etwa 10 und 200 Mikrometern.
In einem weiteren exemplarischen Aspekt wird ein Teil für ein Fahrzeugantriebssystem durch ein Verfahren hergestellt, das die folgenden Schritte beinhaltet: Bereitstellen einer ersten Komponente einer ersten Legierung und Aufweisen einer Beschichtung aus einer zweiten Legierung auf einer Fläche der ersten Komponente und Festkörperschweißen einer zweiten Komponente einer dritten Legierung auf der Beschichtung der ersten Komponente. Die zweite Legierung beinhaltet nur Nichteisenverbindungen.
Auf diese Weise kann ein Bauteil mit einer deutlich reduzierten Masse bei gleichzeitigem Gewährleisten einer starken Verbindung zwischen ungleichen Metallen, wie beispielsweise Stahl und Aluminium bereitgestellt werden, indem das Potenzial für spröde intermetallische Verbindungen, die sich am Nahtübergang bilden, reduziert und/oder beseitigt wird. Dies ist besonders wertvoll in einem Automobilteil, wie beispielsweise in einem Fahrzeugantriebssystem, bei dem eine Reduzierung der Masse erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Kraftstoffverbrauch, Effizienz, Leistung, erweiterte Reichweite, verlängerte Lebensdauer der Batterie und dergleichen bewirken kann.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung. Es ist zu beachten, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der Offenbarung zu begrenzen.
Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einschließlich der Ansprüche und der Ausführungsformen leicht ersichtlich, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen genommen werden.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird verständlicher unter Zuhilfenahme der ausführlichen Beschreibung und der zugehörigen Zeichnungen, worin gilt:

1A ist ein schematisches Diagramm eines Rotationsreibschweißsystems;
1B ist die Seitenansicht von zwei exemplarischen Komponenten, die mit dem in 1A dargestellten System verschweißt sind; und
2 veranschaulicht einen exemplarischen Nahtübergang zwischen einer Stahlkomponente und einer Aluminiumkomponente, die mit einem Reibschweißsystem hergestellt wurde.

In den Zeichnungen werden dieselben Bezugszeichen für ähnliche und/oder identische Elemente verwendet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen ist in 1A bei 10 ein Rotationsreibschweißsystem dargestellt. Das System 10 beinhaltet einen Motor 12, der ein umlaufendes Spannfutter 16 dreht. Eine Bremse 14 wird zum Steuern der Drehzahl des umlaufenden Spannfutters 16 verwendet. Das System 10 beinhaltet ferner ein nicht umlaufendes Spannfutter 18, das an einen Hydraulikzylinder 24 gekoppelt ist.
Wenn das System 10 in Gebrauch ist, hält das umlaufende Spannfutter 16 ein erstes Werkstück oder eine Komponente 20 und das nicht umlaufende Spannfutter 18 hält ein zweites Werkstück oder eine Komponente 22. Das erste und zweite Werkstück bestehen aus ungleichen Materialien. So kann beispielsweise in bestimmten Anordnungen das erste Werkstück 20 ein Stahlzahnrad und das zweite Werkstück 22 eine Aluminiumkupplungsschale sein.
Der Motor 12 dreht das umlaufende Spannfutter 16 und damit das erste Werkstück 20 mit hoher Drehzahl. Wenn sich das erste Werkstück 20 mit der richtigen Geschwindigkeit dreht, bewegt der Hydraulikzylinder 24 das nicht-umlaufende Spannfutter 18 und damit das zweite Werkstück 22 in Pfeilrichtung 26 in Richtung des ersten Werkstücks 20. Dementsprechend werden die beiden Werkstücke 20 und 22 unter Druck zusammengeführt, um eine reibschlüssige Schweißnaht zu bilden, die die beiden Werkstücke miteinander verbindet, wie in 1B dargestellt. Das Schleudern wird gestoppt, damit die Schweißnaht aushärten kann. In konventionellen Reibschweißsystemen können die physikalischen und metallurgischen Eigenschaftsunterschiede zwischen den verschiedenen Legierungen zur Bildung spröder intermetallischer Verbindungen führen. Spröde intermetallische Verbindungen, wie beispielsweise, Al₅Fe₂, Al₂Fe, FeAl, Fe₃Al und Al₆Fe können die Festigkeit der Nahtstelle zwischen den beiden Werkstücken begrenzen.
In einer exemplarischen Ausführungsform kann eine Stahlkomponente mit einer Nickellegierung und/oder einer Kupferlegierung beschichtet werden. Dann kann eine Aluminiumkomponente mit der beschichteten Stahlkomponente im Rotationsschweißverfahren verschweißt werden, ohne dass am Nahtübergang spröde intermetallische Verbindungen wie beispielsweise Eisenaluminid entstehen. 2 veranschaulicht einen Nahtübergang 200 zwischen einer Stahlkomponente 202 und einer Aluminiumkomponente 204, die durch ein Reibschweißverfahren gebildet wurde. Wie in 2 zu sehen ist, kann das Material am Nahtübergang der Aluminiumkomponente 204 zur Seite oder nach außen geschoben werden, während das Material in der Stahlkomponente 202 nicht verformt wird. Dies ist auf den Unterschied in Bezug auf die Eigenschaften zwischen der Stahllegierung und der Aluminiumlegierung zurückzuführen. Um die Beschichtung an der Grenzfläche aufrechtzuerhalten, ist es wünschenswert, dass die Stahlkomponente 202 die Beschichtung beinhaltet. Auf diese Weise darf sich der Stahl nicht verformen und kann eine sichere Grundlage für die Aufrechterhaltung der Beschichtung am Nahtübergang bilden. Wenn im Gegensatz dazu, nur die Aluminiumkomponente 204 mit der Beschichtung versehen werden würde, könnte die Verformung des Aluminiummaterials vom Nahtübergang weg mindestens einen Abschnitt der Beschichtung vom Nahtübergang wegtragen, was die Wirksamkeit der Beschichtung verringern kann, die Bildung von spröden intermetallischen Verbindungen zu reduzieren und/oder zu verhindern.
Darüber hinaus sollte die Beschichtung eine höhere Schmelztemperatur als die Aluminiumlegierung aufweisen, um die Stabilität der Beschichtung während des gesamten Festkörperschweißverfahrens aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise ist die Beschichtung weniger anfällig für Schmelzen und entfernt sich dann vom Nahtübergang zwischen der Stahlkomponente und der Aluminiumkomponente, was einen direkten Kontakt zwischen dem Aluminium und dem Stahl verhindert und somit die Entwicklung spröder intermetallischer Verbindungen verhindert und/oder reduziert. Vorzugsweise wird möglicherweise nur die Aluminiumlegierung am Nahtübergang verformt und/oder verschoben.
Während die vorliegende detaillierte Beschreibung ein Reibschweißverfahren beschreibt, gilt es anzumerken, dass exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung jedes Festkörperschweißverfahren beinhalten, wie z. B. Kaltschweißen, Diffusionsschweißen, Ultraschallschweißen, Explosionsschweißen, Schmiedeschweißen, Reibschweißen, Heißpressschweißen, Rollschweißen und dergleichen. Beim Festkörperschweißen werden die Grundmetalle ohne nennenswertes Schmelzen der Grundmetalle verbunden.
Während die vorliegende detaillierte Beschreibung ferner ein Stahlzahnrad und eine Aluminiumkupplungsschale beschreibt und veranschaulicht, gilt es anzumerken, dass exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beim Kombinieren zweier unterschiedlicher Legierungen zu einer einzigen Komponente anwendbar sein können, so dass spröde intermetallische Verbindungen nicht an der Grenzfläche gebildet werden. Exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können beim Bereitstellen von Komponenten für ein Automobil, wie beispielsweise in einem Fahrzeugantriebssystem, nützlich sein.
Diese Beschreibung hat lediglich illustrativen Charakter und soll in keiner Weise die Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendung einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenlegung können in zahlreichen Formen umgesetzt werden. Obwohl die vorliegende Offenbarung also bestimmte Beispiele beinhaltet, ist der eigentliche Umfang der Offenbarung hierdurch in keiner Weise eingeschränkt und weitere Modifikationen gehen aus dem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und den folgenden Patentansprüchen hervor.

Claims

Verfahren zum Verschweißen einer ersten Komponente mit einer zweiten Komponente, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen einer ersten Komponente, umfassend die eine erste Legierung und Aufweisen einer Beschichtung, umfassend eine zweite Legierung auf einer Fläche der ersten Komponente; und Festkörperschweißen einer zweiten Komponente, umfassend eine dritte Legierung, mit der Beschichtung der ersten Komponente, wobei die zweite Legierung nur Nichteisenverbindungen beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Legierung eine Stahllegierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dritte Legierung eine Aluminiumlegierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dritte Legierung eine Magnesiumlegierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Festkörperschweißen Reibschweißen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Aufbringen der Beschichtung auf die erste Komponente.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Beschichtens mindestens eines aus einer Beschichtung, einem Heißtauchen, einer Dampfabscheidung, einer physikalischen Dampfabscheidung und einer chemischen Dampfabscheidung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Legierung eine aus einer Nickellegierung und einer Kupferlegierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Beschichtung zwischen etwa 10 und 100 Mikrometern liegt.
Teil für ein Fahrzeugantriebssystem, wobei das Teil durch ein Verfahren hergestellt wird, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer ersten Komponente, umfassend die eine erste Legierung und Aufweisen einer Beschichtung, umfassend eine zweite Legierung auf einer Fläche der ersten Komponente; und Festkörperschweißen einer zweiten Komponente, umfassend eine dritte Legierung, mit der Beschichtung der ersten Komponente, wobei die zweite Legierung nur Nichteisenverbindungen beinhaltet.