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Energieeffizientes Laserstrahlschweißen zyklisch belasteter Gusseisen-Stahl-Mischverbindungen

Gusseisen-Stahl-Verbindungen in Differenzialgetrieben werden seit den 1990er Jahren erfolgreich vorwiegend mithilfe von Zusatzwerkstoffen verschweißt. Eine stetige Weiterentwicklung der Laserstrahlquellen ermöglicht es heute, auf Zusatzwerkstoffe zu verzichten. Dennoch bleibt das Laserstrahlschweißen zyklisch hochbelasteter Antriebskomponenten eine große Herausforderung. Ein ganzheitlicher Ansatz zur belastungs- und verfahrensgerechten Bauteilgestaltung ermöglicht eine effektive Optimierung der Schweißkonstruktion.

Die Entwicklung von Kraftfahrzeugen ist aktuell vornehmlich durch verschärfte gesetzliche Forderungen zur Emissionsreduzierung, Elektrifizierung und steigende Kundenanforderungen hinsichtlich Sicherheit und Fahrdynamik geprägt. Daraus leiten sich insbesondere für die Komponenten des Antriebsstrangs die diametralen Zielstellungen zur Reduzierung der Bauteildimension und –masse sowie zur Übertragung höherer Drehmomente ab. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat sich bereits seit den 1990er Jahren das Laserstrahlschweißen für die Herstellung von Verbindungen in Getriebe- und Antriebskomponenten als vorteilhaftes Fügeverfahren etabliert. So werden heute beispielsweise Antriebswellen, Welle-Nabe-Verbindungen für Getriebewellen oder Differenzialgetriebe aber auch Getriebegehäuse in der Serie mittels Laserstrahl verschweißt. Dabei kommen herkömmlich noch CO2-Laser, zunehmend aber auch Scheiben- oder Faserlaser zum Einsatz. Zur Beherrschung der schweißmetallurgischen Schwierigkeiten, hauptsächlich infolge der hohen Aufhärtungsempfindlichkeit der Grundwerkstoffe, werden dabei häufig duktile Zusatzwerkstoffe sowie ggf. eine induktive Vor- bzw. Nachwärmung verwendet.

Die Verfügbarkeit neuer Strahlquellen mit verbesserter Strahlqualität und erhöhtem Wirkungsgrad (Faser- bzw. Scheibenlaser) ermöglicht in der Fertigung von Antriebskomponenten eine Steigerung der Produktivität und Bauteilqualität. Darüber hinaus sind durch drastisch verminderte Wärmeeinbringung auch neue verfahrenstechnische Ansätze realisierbar, beispielsweise beim Verschweißen von Gusseisen ohne Zusatzdraht mittels Scheibenlaser. Mit dem Bestreben nach steigenden Verbindungsfestigkeiten und Einschweißtiefen, verbesserter Wirtschaftlichkeit der Schweißfertigung sowie dem Wunsch nach der Verbindung immer anspruchsvollerer Werkstoffkombinationen (Gusseisen und Einsatz- bzw. Vergütungsstahl) ergeben sich aktuell beträchtliche Herausforderungen, sowohl bei der Schweißprozessentwicklung und der Bauteilgestaltung als auch beim Nachweis einer ausreichenden Bauteilbelastbarkeit. Gegenstand des vorliegenden Beitrags ist deshalb ein Überblick über den Entwicklungsstand des Laserstrahlschweißens am Beispiel eines Differenzialgetriebes sowie die Erläuterung der Vorteile des Laserstrahlschweißens ohne Zusatzdraht und die Darstellung eines ganzheitlichen Entwicklungsansatzes, welcher insbesondere die verfahrens- und belastungsgerechte Bauteilgestaltung sowie die praxisnahe Bauteilprüfung mit Nachweis der zyklischen Verbindungsfestigkeit der Schweißnaht umfasst.

Weitere Informationen:
Dipl.-Ing. Uwe Stamm
Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Winterbergstraße 28
01277 Dresden
Tel.: +49 351 83391 3152
E-Mail: uwe.stamm(at)iws.fraunhofer.de
Web: www.iws.fraunhofer.de

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pdf-Datei aus "GIESSEREI" Heft 03/2020 Seiten 26-33
© BDG, Düsseldorf
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Anwendungsbeispiel: Differenzialgetriebe als Mischverbindung zwischen Gusseisen und Einsatzstahl.

FOTO: FRAUNHOFER IWS