DE102008006624B4

DE102008006624B4 - Verfahren zum Fügen beschichteter Stahlsubstrate

Info

Publication number: DE102008006624B4
Application number: DE102008006624A
Authority: DE
Inventors: Dr. Koch Martin; Hubert Kwapp; Dipl.-Ing. Plha Jens; Werner Staudinger; Dipl.-Ing. Wischmann Stefan; Dr.-Ing. Nacke Bernard; Dr.-Ing. Nikanorov Alexander; Dipl.-Ing. Schülbe Holger
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; Wisco Tailored Blanks GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG; Wisco Tailored Blanks GmbH
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2028-01-30
Also published as: DE102008006624A1

Abstract

Verfahren zum Fügen von Stahlsubstraten in einem Fügebereich, bei welchem mindestens ein Stahlsubstrat eine Oberflächenbeschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung des mindestens einen Stahlsubstrats unter Verwendung von Mitteln zur Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes im Fügebereich entfernt wird und anschließend beide Stahlsubstrate im Fügebereich miteinander verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Stahlsubstraten in einem Fügebereich, bei welchem mindestens ein Stahlsubstrat eine Oberflächenbeschichtung aufweist.
Oberflächenveredelte Stahlsubstrate, insbesondere Bleche, Platinen oder Bänder werden im Kraftfahrzeugbau in vermehrtem Umfang eingesetzt. Die Stahlsubstrate sind ein- oder beidseitig mit einer anorganischen oder organischen Oberflächenbeschichtung versehen, welche beispielsweise eine deutliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit bewirken. Als anorganische, insbesondere metallische Korrosionsschutzschicht ist beispielsweise eine Aluminium-Silizium-Oberflächenbeschichtung von Stahl- oder Stahllegierungssubstraten bekannt. Allerdings dringen Teile der Oberflächenbeschichtung beim Schweißen in den Bereich der Schweißnaht ein, so dass das Schweißgefüge negativ beeinflusst wird. So bilden Aluminium, Silizium und Eisen metallurgische Phasen, wenn Aluminium und Silizium beim Schweißen in die Schweißnaht hineingetragen wird. Es ist daher wünschenswert die Oberflächenbeschichtung vor dem Verschweißen zumindest in dem Fügebereich zu entfernen.
Hierzu ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 35 611 A1 bekannt, dass die Korrosionsschutzschicht im Bereich der Schweißnaht durch Beaufschlagen mit thermisch, chemisch und/oder abrasiv wirkenden Strahlmitteln entfernt oder teilentfernt wird. Beim thermischen Entfernen der Korrosionsschutzschicht soll diese auf eine niedrige Temperatur von ca. 400°C erhitzt werden, so dass Eisen-Zink-Mischkristalle entstehen, welche sehr gut beim Lichtbogenschweißen verflüssigt werden können.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 24 274 A1 ist dagegen bekannt, durch ein mehrfaches Abfahren der Schweißnaht mit einem Laser die Korrosionsschutzschicht in das Schmelzgut der Schweißnaht einzulegieren. Anschließend kann die Schweißnaht unter Verwendung des Laserstrahls verschweißt werden. Nachteilig bei beiden Verfahren ist, dass Bestandteile der Korrosionsschutzschicht in der Schweißnaht vorhanden sind, wodurch kein optimales Gefüge in der Schweißnaht erreicht werden kann. Darüber hinaus ist das mehrmalige Abfahren der Schweißnaht unter Verwendung eines Laserstrahls sehr zeitaufwändig.
Des Weiteren ist aus dem Stand der Technik ( DE 10 2005 005 707 B3 ) ein Verfahren zur Bearbeitung von Objektoberflächen bekannt, bei dem die Oberflächenbeschichtung unter Verwendung von Strahlung aufgeschmolzen und die Schmelze durch ein zusätzliches elektromagnetisches Wechselfeld entfernt wird, wobei insgesamt zwei elektromagnetische Wechselfelder benötigt wird.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Fügen von Stahlsubstraten zur Verfügung zu stellen, mit welchem mit geringem apparativen und zeitlichen Aufwand auch oberflächenbeschichtete Stahlsubstrate mit hoher Fügenahtqualität miteinander verbunden werden können.
Die oben aufgezeigte Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass die Oberflächenbeschichtung des mindestens einen Stahlsubstrats unter Verwendung von Mitteln zur Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes zumindest im Fügebereich entfernt wird und beide Stahlsubstrate im Fügebereich miteinander verbunden werden.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Verwendung hochfrequenter, elektromagnetischer Felder zur Entfernung von Oberflächenbeschichtungen eines Stahlsubstrats besonders vorteilhaft ist. Über das hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld werden nämlich im Wesentlichen nur die Oberflächen nahen Bereiche des Stahlsubstrats, also vor allem die Oberflächenbeschichtung erhitzt, so dass diese erweicht und aufgrund des elektromagnetischen Feldes eine Lorentz-Kraft auf die dann fließfähige Beschichtung wirkt, so dass diese aus dem Fügebereich getrieben wird. Im Ergebnis sind die Fügebereiche, sofern sie mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sind, durch die Verwendung des elektromagnetischen Wechselfeldes nunmehr frei von der Oberflächenbeschichtung und können einwandfrei miteinander gefügt bzw. verschweißt werden. Die anschließend hergestellte Füge- bzw. Schweißnaht umfasst nur Materialien der Stahlsubstrate, so dass Aushärtungen, Versprödungen und metallische Kerben durch Bestandteile aus der Oberflächenbeschichtung verhindert werden.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Mittel zur Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes mindestens ein Induktionsleiter verwendet, mit welchem im Fügebereich des Stahlsubstrats hochfrequente, oberflächennahe Wechselströme induziert werden. Der Induktionsleiter wird hierzu dicht über dem beschichteten Fügebereich des Stahlsubstrats angeordnet, so dass im Fügebereich ein möglichst hoher, oberflächennaher hochfrequenter Strom induziert wird. Da nur geschlossene Rückflussstrombahnen induziert werden, können aber auch Bereiche des Stahlsubstrats, über welche kein Induktionsleiter angeordnet ist, durchflossen und erwärmt werden.
Vorzugsweise werden die Stahlsubstrate unter Verwendung eines induktiven Hochfrequenzschweißens, Widerstandsschweißens, Lichtbogen- oder Laserstrahlschweißens im Fügebereich verschweißt. Der Aufwand zur Erzeugung der Schweißnaht wird besonders gering, wenn die Mittel zur Erzeugung des hochfrequenten elektromagnetischen Feldes zur Entfernung der Oberflächenbeschichtung gleichzeitig zum Hochfrequenzschweißen verwendet werden. Es kann aber auch mindestens ein weiterer Induktionsleiter vorgesehen sein, um im Bereich einer Schweißzone die Bleche auf Schweißtemperatur zu erhitzen. Die anderen konventionellen Schweißverfahren wie Widerstandsschweißen, Lichtbogen- und Laserstrahlschweißen ermöglichen ebenso in Kombination mit der erfindungsgemäßen Entfernung der Oberflächenbeschichtung ein einfaches und prozesssicheres Fügeverfahren der Stahlsubstrate.
Besonders einfach gelingt das Fügen von band oder blechförmigen Stahlsubstraten, insbesondere unterschiedlicher Dicken und/oder Güten, also beispielsweise von „Tailored Blanks” oder „Tailored Strips”, dadurch, dass der Fügebereich eine Fügekante bzw. eine Fügefläche mindestens eines Stahlsubstrats ist und nur an der Fügekante und/oder -fläche des Stahlsubstrats durch das induzierte elektromagnetische Feld die Oberflächenbeschichtung entfernt wird.
Der zur Beseitigung der Oberflächenbeschichtung verwendete Induktionsleiter kann bügelförmig ausgebildet sein und so angeordnet werden, dass die Fügekante die Schenkel des bügelförmigen Induktionsleiters schließt. Da nur geschlossene Strombahnen induziert werden, werden bei dieser Anordnung aufgrund des ”Skin-Effekts” die Rückflussstrombahnen der induzierten Ströme auf die Fügekanten/-flächen der Stahlsubstrate konzentriert. Hierdurch wird in den Kanten- bzw. Fügebereichen die Oberflächenbeschichtung beseitigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch auf beiden Seiten der Stahlsubstrate angeordnete Mittel zur Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes die Oberflächenbeschichtung beidseitig im Bereich der Fügekanten entfernt. Hierdurch wird ermöglicht, die Stahlsubstrate später in einem I-Stoß miteinander zu verbinden, ohne dass die Qualität der Schweißnaht durch vorhandene Anteile der Oberflächenbeschichtung in der Schweißnaht verringert wird.
Weisen die Stahlsubstrate gemäß einer nächsten weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Korrosionsschutzbeschichtung, insbesondere eine Aluminium-Silizium(AlSi)-Oberflächenbeschichtung auf, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine geschweißte Stahlkonstruktion mit sehr guten Korrosionseigenschaften bei gleichzeitig hoher Schweißnahtqualität zur Verfügung gestellt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es, wie bereits ausgeführt, möglich, nur in den Fügebereichen die Korrosionsschutzbeschichtung gezielt zu entfernen, so dass die gefügten Stahlsubstrate nahezu eine durchgehende Korrosionsschutzbeschichtung aufweisen. Darüber hinaus ist die Schweißnahtqualität besonders hoch, da im Wesentlichen kein Aluminium oder Silizium der Beschichtung in dem Fügebereich während des Verschweißens vorhanden ist.
Vorzugsweise wird zur Beseitigung der Oberflächenbeschichtung diese im Fügebereich auf Schmelztemperatur erhitzt, so dass die Oberflächenbeschichtung durch das hochfrequente elektromagnetische Feld beispielsweise von der Fügekante weggetrieben wird. Es hat sich gezeigt, dass die Lorentzkraft hier genutzt werden kann, um die Beschichtung aus dem Fügebereich zu entfernen.
Darüber hinaus kann gemäß einer nächsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Oberflächenbeschichtung im Fügebereich der Stahlsubstrate so stark erhitzt werden, dass diese verdampft. Hierdurch kann die Oberflächenbeschichtung im Fügebereich ebenfalls entfernt werden, so dass eine gute Schweißnahtqualität beim Verbinden der Stahlsubstrate erzielt wird.
Vorzugsweise besteht mindestens ein Stahlsubstrat aus einer Stahllegierung. Beispielsweise können über borhaltige, warmumformbare Stahllegierung, insbesondere über eine Stahllegierung vom Typ 22MnB5 gefügte Stahlsubstrate mit besonders hohen Festigkeiten bei geringem Gewicht zur Verfügung gestellt werden.
Gemäß einer nächsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Stahlsubstrate relativ gegenüber den Mitteln zur Erzeugung eines hochfrequenten, elektromagnetischen Feldes bewegt, so dass über die Relativgeschwindigkeit und/oder die Höhe des Induktionsstromes und/oder der Frequenz die Breite des Fügebereichs, in welchem die Korrosionsschutzschicht entfernt wird, einstellbar ist. Eine weitere Größe stellt der Koppelspalt dar, welcher dem Abstand zwischen Induktor und Stahlsubstrat entspricht. Dies ist unabhängig davon, ob die Mittel zur Erzeugung des elektromagnetischen Wechselfeldes über das Stahlsubstrat bewegt werden oder das Stahlsubstrat relativ zu den Mitteln zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes. In beiden Fällen wird mit zunehmender Einwirkdauer des hochfrequenten elektromagnetischen Feldes der Fügebereich der Stahlsubstrate stärker erwärmt bzw. die Oberflächenbeschichtung in einem breiteren Bereich entfernt.
Schließlich ist es gemäß einer nächsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, dass die Stahlsubstrate bandförmig sind und nach dem Entfernen der Oberflächenbeschichtung die bandförmigen Stahlsubstrate miteinander gefügt werden. Dies kann beispielsweise innerhalb einer einzigen Vorrichtung und in einem einzigen Banddurchlauf geschehen. Hierdurch wird eine besonders wirtschaftliche Möglichkeit geschaffen, oberflächenbeschichtete, bandförmige Stahlsubstrate, insbesondere „tailored Strips”, miteinander zu fügen.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das erfindungsgemäße Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in
1 schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fügen von Stahlsubstraten in einer Draufsicht auf die Oberfläche der bandförmigen Stahlsubstrate und
2 das Ausführungsbeispiel aus 1 in einer Schnittansicht entlang des Schnittes I.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden zwei bandförmige Stahlsubstrate 1, 2, welche vorzugsweise aus einer warmumformbaren Stahllegierung, insbesondere einer Stahllegierung vom Typ 22MnB5 bestehen und eine AlSi-Oberflächenbeschichtung aufweisen, miteinander gefügt. Als Fügetechnik wird vorliegend das induktive Hochfrequenzschweißen unter Verwendung von Induktionsleitern 3, 4, welche mit hochfrequentem Wechselstrom beaufschlagt werden, angewendet. Alternativ zum induktiven Hochfrequenzschweißen kann natürlich auch ein Laserstrahlschweißen oder Lichtbogenschweißen zum Verschweißen der Stahlsubstrate 1, 2 in der Schweißzone S verwendet werden.
Die Induktionsleiter 5, 6 werden mit einem hochfrequenten Strom beaufschlagt. Das hierdurch entstehende Wechselfeld induziert einen Oberflächen nahen Wechselstrom in den Kantenbereich 10 dem Schweißpunkt S der zu verbindenden Stahlsubstrate 1, 2. Die aus dem Wechselfeld induzierten Ströme verlaufen zwischen den Schnittpunkten 11 der Induktionsleiter mit den Kanten 10 der Stahlsubstrate 1, 2 oberflächennah entlang der Kanten 10 der Stahlsubstrate 1, 2. Aufgrund des induzierten Wechselstroms wird wiederum ein Magnetfeld eine daraus resultierende Lorentzkraft erzeugt, welche die paramagnetische Oberflächenbeschichtung, bestehend aus einer Al-Si-Legierung von dem Kantenbereich zurückdrängt, und zwar vom Bereich des stärkeren in den Bereich des schwächeren magnetischen Flusses. Der stärkere magnetische Fluss herrscht in der Mitte der Leiterschleife 5, 6 vor.
Mit dem Pfeil ist die Schweißrichtung für die Stahlsubstrate 1, 2 angedeutet. Induktionsleiter 3 bis 6 sind sowohl oberhalb als auch unterhalb der Stahlsubstrate 1, 2 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehen, um sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite des Stahlsubstrats die Oberflächenbeschichtung im Fügebereich gleichmäßig zu entfernen.
Wird das induktive Wechselfeld, welches über die Induktionsleiter 5, 6 eingebracht wird, so eingestellt, dass die Oberflächenbeschichtung bis zu ihrem Siedepunkt erhitzt wird, besteht die Möglichkeit durch einen Verdampfungsprozess die Korrosionsschutzbeschichtung im Fügebereich, nämlich an den Kanten der Stahlsubstrate 1, 2 zu entfernen.
Die Schnittansicht aus 2 zeigt nun, wie durch Einsatz zusätzlicher Induktionsleiter 5, 6, 7, 8 die Korrosionsschutzbeschichtung, insbesondere eine AlSi-Legierung aus dem Fügebereich 10, vorliegend der Kanten der Stahlsubstrate 1 und 2 entfernt werden kann. Angedeutet in 2 ist zudem noch die Schweißzone S.
Die Breite B, über welche die Korrosionsschutzbeschichtung entfernt wird, ist neben der Frequenz abhängig von der Geschwindigkeit der bandförmigen Stahlsubstrate relativ zu den Induktionsleitern 5, 6. Durch Einstellen der Höhe des durch die Induktionsleiter fließenden hochfrequenten Wechselstroms kann die in das Stahlsubstrat eingebrachte Energie ebenso gesteuert werden.
Es wird deutlich, dass mit geringem Aufwand, nämlich allein durch die Positionierung von entsprechend geformten Induktionsleitern auf einfache Weise eine Oberflächenbeschichtung eines Stahlsubstrats aus dem Fügebereich 10 sicher und schnell entfernt werden kann, so dass die Fügenaht, beispielsweise durch ein Verschweißen nicht durch die Oberflächenbeschichtung negativ beeinflusst wird.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden unmittelbar nach der Entfernung der Oberflächenbeschichtung die Stahlsubstrate miteinander verschweißt. Sollte eine Lagerung der Stahlsubstrate 1, 2 mit entfernter Oberflächenbeschichtung vorgesehen sein, sind Maßnahmen zu treffen, die ungeschützte Bereiche vor Korrosion und Verschmutzung, beispielsweise durch Verwendung eines Schutzöls zu schützen.

Claims

Verfahren zum Fügen von Stahlsubstraten in einem Fügebereich, bei welchem mindestens ein Stahlsubstrat eine Oberflächenbeschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung des mindestens einen Stahlsubstrats unter Verwendung von Mitteln zur Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes im Fügebereich entfernt wird und anschließend beide Stahlsubstrate im Fügebereich miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Erzeugung des hochfrequenten, elektromagnetischen Feldes mindestens ein Induktionsleiter verwendet wird, mit welchem im Fügebereich des Stahlsubstrats hochfrequente, oberflächennahe Wechselströme induziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlsubstrate unter Verwendung eines induktiven Hochfrequenzschweißens, Widerstandsschweißens, Lichtbogen- oder Laserstrahlschweißens im Fügebereich verschweißt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügebereich mindestens eines Stahlsubstrats eine Fügekante ist und an der Fügekante des Stahlsubstrats durch das induzierte elektromagnetische Feld die Oberflächenbeschichtung entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügebereich mindestens eines Stahlsubstrats eine Fügefläche ist und im Bereich der Fügefläche des Stahlsubstrats durch das induzierte elektromagnetische Feld die Oberflächenbeschichtung entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch auf beiden Seiten der Stahlsubstrate angeordnete Mittel zur Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes die Oberflächenbeschichtung beidseitig im Bereich der Fügekanten und/oder -flächen entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlsubstrate eine Korrosionsschutzbeschichtung, insbesondere eine Aluminium-Silizium(AlSi)-Oberflächenbeschichtung aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung im Fügebereich auf Schmelztemperatur erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung im Fügebereich der Stahlsubstrate so stark erhitzt wird, dass diese verdampft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stahlsubstrat aus einer Stahlegierung besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlsubstrate relativ gegenüber den Mitteln zur Erzeugung eines hochfrequenten, elektromagnetischen Feldes bewegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlsubstrate bandförmig sind und unmittelbar nach dem Entfernen der Oberflächenbeschichtung die bandförmigen Stahlsubstrate miteinander gefügt werden.