DE102010017905A1

DE102010017905A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Warmblechumformung

Info

Publication number: DE102010017905A1
Application number: DE102010017905A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Schwiese; Dr. Behrens Torge; Dr. Hintz Gerd
Original assignee: Huettinger Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2030-04-22
Also published as: DE102010017905B4; EP2561108A2; WO2011131174A3; WO2011131174A2

Abstract

Bei einem Verfahren zur Warmblechumformung erfolgt die Erwärmung eines Blechs in einem ersten Schritt durch induktive Erwärmung mittels einer ersten Induktionserwärmungsvorrichtung auf eine Temperatur kleiner oder gleich der Curie-Temperatur, und in einem zweiten Schritt erfolgt die Erwärmung auf Temperaturen größer 800°C mittels konventioneller Erwärmung in einem Ofen oder mittels induktiver Erwärmung in einer zweiten, von der ersten verschiedenen Induktionserwärmungsvorrichtung.

Description

Bei einem Verfahren zur Warmblechumformung wird ein Blech auf eine Temperatur zwischen 800°C und 1000°C erwärmt und anschließend umgeformt und gleichzeitig abgekühlt und damit gehärtet. Dadurch lassen sich sehr harte und stabile Stähle formen, die zum Beispiel in der Automobilkarosserie Verwendung finden. Insbesondere in dieser Verwendung sind sie besonders interessant, weil mit solchen geformten Stahlblechen die Dicke und die Anzahl von Blechen in tragenden Karosserieteilen vermindert werden kann. Damit können die Automobile leichter gebaut werden, sie sind dann sparsamer im Verbrauch von Kraftstoff und im Ausstoß von CO₂ und zeigen ein verbessertes Crash-Verhalten. Die Bleche sind üblicherweise aus Stahl. Das Blech kann schon vor der Erwärmung beschichtet sein, beispielsweise mit einer Aluminium-Silizium-Schicht (AlSi). Eine solche Schicht verhindert bei der Warmblechumformung eine Verzunderung und bildet die Grundlage für eine Lackierung. Das Blech weist üblicherweise Dicken kleiner 3 mm auf. Die Dicke der Bleche ist vor der Warmblechumformung üblicherweise homogen, das ist aber nicht zwingend. Das Blech kann in der Form bereits vorgeschnitten oder gestanzt sein, also eine beliebige Form darstellen. Es weist unterschiedliche Flächen auf, die üblicherweise zwischen 0,2 m² und 2 m² liegen. Zur Erwärmung werden üblicherweise konventionelle Öfen eingesetzt, die die Wärme mittels Wärmestrahlung oder Heißluft auf die Bleche übertragen. Bei der Erwärmung schmilzt die Beschichtung, und es findet ein Diffusionsvorgang statt, der bislang nur wenig untersucht war.
Bei der Aufheizung in konventionellen Öfen wird viel Energie an die Umgebung abgegeben, was die Art der Aufheizung unwirtschaftlich macht. Es besteht daher der Wunsch, die Aufheizung sparsamer, schneller und kostengünstiger zu gestalten.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine schnelle, energieeffiziente und platzsparende Warmblechumformung ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Warmblechumformung, bei dem die Erwärmung in einem ersten Schritt durch induktive Erwärmung mittels einer ersten Induktionserwärmungsvorrichtung auf eine Temperatur kleiner oder gleich der Curie-Temperatur erfolgt und in einem zweiten Schritt die Erwärmung auf Temperaturen größer 800°C mittels konventioneller Erwärmung in einem Ofen oder mittels induktiver Erwärmung in einer zweiten, von der ersten sich unterscheidenden Induktionserwärmungsvorrichtung erfolgt.
Bei der Curie-Temperatur verliert ein Blech seine Magnetisierungseigenschaften nahezu vollständig. Damit kann der Induktionserwärmungsprozess oberhalb der Curie Temperatur nicht in wirtschaftlicher Weise von derselben Induktionserwärmungsvorrichtung durchgeführt werden wie unterhalb der Curie-Temperatur. Eine Induktionserwärmungsvorrichtung besteht im Wesentlichen zumindest aus einer Mittel- oder Hochfrequenz erzeugenden Leistungseinheit, einem Ausgangsschwingkreis und einem Induktor, der Teil des Ausgangsschwingkreises sein kann. Der Ausgangsschwingkreis kann ein Parallel- oder Serienschwingkreis sein oder eine Kombination aus beiden Schwingkreisen. Der Induktor erzeugt ein wechselndes Magnetfeld, das im Blech Wirbelströme und Ummagnetisierungen erzeugt, die zur Erwärmung des Blechs führen. Wenn das Blech eine hohe Permeabilität aufweist, ist die Einkopplung besser und das Blech erwärmt sich schneller. Die induzierten Wirbelströme werden durch elektromagnetische Effekte an die Oberfläche des Bleches gedrängt. Dieser Effekt ist frequenzabhängig. Bei bis zu 3 mm starkem Blech ist eine Eindringtiefe von bis zu 1,5 mm wünschenswert. Die Frequenz muss dafür vergleichsweise niedrig gehalten werden, sie liegt in Versuchen zwischen 5 und 30 kHz, insbesondere bei 15 kHz. Die Induktivität des Induktors darf bei diesen Frequenzen nicht zu groß gewählt werden. Die Spannung am Ausgangsschwingkreis kann sonst auf sehr hohe Werte ansteigen. Zu hohe Spannungen erhöhen die Gefahr von Überschlägen z. B. am Induktor oder in Kapazitäten des Ausgangsschwingkreises. Das Blech muss homogen erhitzt werden. Inhomogenitäten bei der Erwärmung führen zu einer unterschiedlich schnellen Aufschmelzung der Schutzschicht auf dem Blech. Diese unterschiedliche Aufschmelzung kann eine unterschiedlich starke Reaktion während des Diffusionsvorgangs zur Folge haben. Beides kann Nachteile bei der Weiterverarbeitung der warmgeformten Blechteile und negative Auswirkungen auf die Stabilität der Blechteile haben.
Der Schmelzpunkt der Schutzschicht kann unterhalb der Curie-Temperatur liegen. Für den Diffusionsvorgang kann ebenfalls eine Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur erforderlich sein.
Der Diffusionsvorgang für AlSi liegt zwischen 600°C und 650°C. Die Curie-Temperatur für die verwendeten Stahlbleche liegt bei 710°C bis 770°C.
Bei dem Verfahren oder bei einem vom zweiten Schritt unabhängigen Verfahren kann die Erwärmung im ersten Schritt in zwei Unterschritten erfolgen. In einem ersten Unterschritt kann das Blech auf eine erste Temperatur erhitzt werden und in einem zweiten Unterschritt kann das Blech bei einer Temperatur um mehr als 70 K niedriger als die erste Temperatur gehalten werden. So kann eine sehr homogene Aufschmelzung einer Schutzschicht erzielt werden, und der Diffussionsvorgang kann ebenfalls sehr homogen erfolgen.
Bei einem der genannten Verfahren kann im ersten Unterschritt eine Schutzschicht auf dem Blech vollständig aufgeschmolzen werden. Insbesondere kann die erste Temperatur geeignet gewählt werden, dass die Schutzschicht auf dem Blech vollständig und homogen aufgeschmolzen wird.
Die erste Temperatur kann nahe der Curie-Temperatur liegen, also bei 710°C bis 770°C.
Bei einem der genannten Verfahren kann im zweiten Unterschritt ein Diffusionsvorgang erfolgen. Dies kann nun besonders homogen erfolgen, da die Schutzschicht schon besonders homogen geschmolzen ist. Der Diffusionsvorgang für AlSi liegt zwischen 600°C und 650°C. Für andere Materialien kann ein geeigneter anderer Temperaturbereich gewählt werden.
Bei dem Verfahren kann vorgesehen sein, dass das Blech während des ersten Schrittes nicht bewegt wird. Dies kann die Homogenität verbessern.
Bei einem der genannten Verfahren kann das Blech während des ersten Schrittes auch bewusst bewegt werden. Das kann sinnvoll sein, wenn die Struktur des Induktors zu einer noch nicht ausreichenden Homogenität der Aufwärmung des Blechs führt. Direkt unter einem Leiterabschnitt eines Induktors kann die Erwärmung höher sein als zwischen zwei Leiterabschnitten des Induktors. Das Blech kann nun senkrecht zu den Leiterabschnitten bewegt werden, um eine verbesserte Homogenität der Aufwärmung des Bleches zu erzielen.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Induktionserwärmungsvorrichtung zur homogenen Erwärmung eines Stahlblechs mittels eines Induktors, der einen ersten Induktor und einen zweiten Induktor aufweist, wobei der erste Induktor elektrisch parallel zum zweiten Induktor anschließbar ist und eine im wesentlichen vergleichbare Induktivität und Form aufweist, wobei der erste Induktor auf der Oberseite des Bleches angeordnet ist und der zweite Induktor auf der Unterseite des Blechs angeordnet ist, und dass der erste Induktor so ausgebildet ist, dass zumindest im Bereich der flächigen Ausdehnung des Bleches der Strom zu einem Zeitpunkt in mehreren Induktorabschnitten in nur eine Richtung fließt und der Strom im zweiten Induktor so ausgebildet ist, dass zumindest im Bereich der flächigen Ausdehnung des Bleches der Strom zum gleichen Zeitpunkt in den genannten Induktorabschnitten des ersten Induktors zugewandten Induktorabschnitten ebenfalls nur in eine Richtung fließt. Damit ist ein Induktor mit ausreichend niedriger Induktivität realisierbar, der zugleich eine ausreichend homogene Erwärmung sicherstellt. Ein so ausgebildeter Induktor kann beispielsweise ein so genannter Schmetterlingsinduktor sein. Er führt all seine Induktorabschnitte im Bereich des zu erwärmenden Bleches in nur eine Richtung. Die Rückführung der Induktorwindung erfolgt außerhalb des Bereichs des zu erwärmenden Bleches.
Bei der Induktionserwärmungsvorrichtung können die beiden Induktoren den Strom jeweils in den genannten Induktorabschnitten in entgegengesetzter Richtung führen. Damit ist ein Induktor mit ausreichend niedriger Induktivität realisierbar, der zugleich eine ausreichend homogene Erwärmung sicherstellt.
Bei der Induktionserwärmungsvorrichtung können zumindest teilweise an den Rändern des Stahlblechs zusätzliche Stahlbauteile angeordnet werden. Das verbessert die Homogenität in den Randbereichen des Stahlblechs. Die zusätzlichen Stahlbauteile können zumindest an den Rändern des Stahlblechs, die parallel zu der Stromrichtung in den Induktoren verlaufen, angeordnet sein, da sich in diesen Bereichen Inhomogenitäten bei der Erwärmung ohne solche zusätzlichen Stahlbauteile besonders ausbilden können.
Bei der Induktionserwärmungsvorrichtung können die genannten Induktorabschnitte des ersten Induktors versetzt gegenüber den Induktorabschnitten des zweiten Induktors angeordnet sein. Dies führt zu einer verbesserten Homogenität der Erwärmung.
Die Induktionserwärmungsvorrichtung kann zur Durchführung eines der zuvor beschriebenen Verfahren verwendet werden.
Beschreibung der Figuren
1 Erwärmungskurve nach erfindungsgemäßem Verfahren
2 Verfahrensschritte nach erfindungsgemäßem Verfahren
3 Induktionserwärmungsvorrichtung gemäß der Erfindung
4a Seitenansicht eines Induktors der Induktionserwärmungsvorrichtung gemäß der Erfindung
4b Seitenansicht des Induktors der 4a mit entferntem ersten Induktor
5a Schnitt durch einen Induktor mit nicht versetzten Induktorabschnitten
5b Schnitt durch einen Induktor mit versetzten Induktorabschnitten
6 Perspektivische Zeichnung eines erfindungsgemäßen Induktors
In 1 ist eine Erwärmungskurve nach erfindungsgemäßem Verfahren gezeigt. Nach rechts ist der Verlauf der Zeit t und nach oben die Temperatur T des zu erwärmenden Blechs aufgetragen. Zum Zeitpunkt t₀ beginnt die induktive Erwärmung nach dem ersten Schritt 1 und nach dem ersten Unterschritt 1a. Zum Zeitpunkt t₁ ist die erste Temperatur T₁ erreicht. Dies kann die Curie-Temperatur des Blechs sein oder eine ihr sehr nahe liegende Temperatur. Zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ kühlt sich das Blech ab und wird dann bis zum Zeitpunkt t₃ auf einer konstanten Temperatur T₂ gehalten. Der zweite Unterschritt 1b liegt demnach zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₃. Nach dem Zeitpunkt t₃ kann der zweite Schritt 2 erfolgen, in dem das Blech auf Temperaturen größer 800°C erwärmt wird.
Von Zeitpunkt t₀ bis zum Zeitpunkt t₁ kann ein Temperaturgradient von größer 30 K/s erreicht werden. Damit können Bleche von 10°C auf über 700°C in weniger als 25 s erhitzt werden. Der Diffusionsvorgang kann größer als 50 s gewählt werden. Gute Ergebnisse können sich erzielen lassen, wenn der Diffusionsvorgang nach 60 s bis 90 s beendet wird.
In 2 sind die Verfahrensschritte nach erfindungsgemäßem Verfahren gezeigt. Bei dem Verfahren zur Warmblechumformung wird die Erwärmung eines Blechs in einem ersten Schritt 1 durch induktive Erwärmung mittels einer ersten Induktionserwärmungsvorrichtung auf eine Temperatur kleiner oder gleich der Curie-Temperatur erfolgen und in einem zweiten Schritt 2 die Erwärmung auf Temperaturen größer 800°C mittels konventioneller Erwärmung in einem Ofen oder mittels induktiver Erwärmung in einer zweiten, von der ersten verschiedenen Induktionserwärmungsvorrichtung erfolgen. Der erste Schritt 1 kann sich untergliedern in einen ersten Unterschritt 1a, in dem das Blech auf eine erste Temperatur erhitzt wird, und in einem zweiten Unterschritt 1b, in dem das Blech bei einer Temperatur gehalten wird, die um mehr als 70 K niedriger als die erste Temperatur ist.
In 3 ist eine Induktionserwärmungsvorrichtung 30 gemäß der Erfindung gezeigt. Sie weist eine eine Mittel- oder Hochfrequenz erzeugende Leistungseinheit 31, einen Ausgangsschwingkreis 32 und einen Induktor 34 auf. Der Induktor 34 ist üblicherweise Teil des Ausgangsschwingkreises 32, so auch hier. Der Ausgangsschwingkreis 32 weist zusätzliche Kapazitäten 33 in Serie oder parallel zu dem Induktor 34 auf, was hier schematisch angedeutet ist. Bei dem Induktor 34 ist eine Schmetterlingsform gezeigt, die sich dadurch auszeichnet, dass in einem vorgegebenen Bereich 35, in dem zum Beispiel das zu erwärmende Blech liegt, der Strom in allen Induktorabschnitten 36 zu einem Zeitpunkt immer in die gleiche Richtung fließt, was durch Pfeile angedeutet ist. Parallel zum Induktor 34 kann ein zweiter Induktor (nicht gezeigt) angeschlossen sein.
In 4a ist eine Seitenansicht eines Induktors der Induktionserwärmungsvorrichtung gemäß der Erfindung gezeigt. Die Bogen 41 und 42 zeigen die Anschlussbrücken des Induktors an den Rest des Ausgangsschwingkreises 32. Der erste Induktor 44 ist auf der Oberseite des Stahlblechs 45 angeordnet, und der zweite Induktor 43 ist auf der Unterseite des Stahlblechs 45 angeordnet. Elektrisch isolierende und hitzebeständige Abstandshalter 46 halten das Blech in einer konstanten Lage.
In 4b ist eine zweite Seitenansicht des Induktors der 4a mit entferntem ersten Induktor 44 gezeigt. Für die gleichen Bauteile wurden die selben Bezugsziffern verwendet. Damit das Stahlblech 45 mit einem Robotergreifer (nicht gezeigt) zwischen die Induktoren 43, 44 gelegt werden kann und aus ihnen heraus genommen werden kann, ist einer der Induktoren so konstruiert, dass er angehoben werden kann und dem Robotergreifer genug Platz bietet, um das Blech greifen zu können.
In 5a ist ein Schnitt durch einen Induktor mit nicht versetzten Induktorabschnitten gezeigt. Im Gegensatz dazu ist in 5b ein Schnitt durch einen Induktor mit versetzten Induktorabschnitten gezeigt. Wie in 4a ist der erste Induktor 44 ist auf der Oberseite des Stahlblechs 45 angeordnet, und der zweite Induktor 43 ist auf der Unterseite des Stahlblechs 45 angeordnet. Die Induktorabschnitte 44a des ersten Induktors 44 zeigen die im Bereich des Stahlblechs 45 alle in die gleiche Richtung weisenden Ströme. Ein Punkt bedeutet dabei ein zu dem Betrachter hinfließender, ein Kreuz ein vom Betrachter wegfließender Strom. Die Induktorabschnitte 43a des zweiten Induktors 43 zeigen ebenfalls die im Bereich des Stahlblechs 45 alle in die gleiche Richtung weisenden Ströme, die aber entgegengesetzt zu der Stromrichtung der Induktorabschnitte 44a weisen. Links und rechts von dem Stahlblech 45 sind zwei zusätzliche Stahlbauteile 47a, 47b angeordnet. Durch sie entsteht eine homogenere Wärmeverteilung in dem Stahlblech 45.
In den außenliegenden Induktorabschnitten 44b, 44c, 43b, 43c wird der Strom zurückgeführt. Diese liegen nicht im Bereich des zu erwärmenden Bleches 45.
In 6 ist eine perspektivische Zeichnung eines erfindungsgemäßen Induktors gezeigt. Zu sehen sind hier auch die Anschlussbrücken 41 aus der 4a und 4b, ebenso die Induktorabschnitte 43a, 43b, 43c, 44a, 44b, 44c aus der 5. Der Anschluss 62 kann an den Rest des Außenschwingkreises 32 angeschlossen werden. Da der obere Induktor 44 abhebbar zur Aufnahme und Entnahme eines hier nicht gezeigten Bleches ist, besitzt er Kontaktbacken 63a und 63b, mit denen er an dem unteren Induktor 43 elektrisch parallel angeschlossen werden kann. Die elektrisch isolierenden Halterungen 61 und 62 dienen der Justierung beim Herunterklappen des oberen Induktors 44. Das Blech, das nicht gezeigt ist, kann zur Erhöhung der Homogenität in Richtung des Pfeils 64 während aller Schritte und Unterschritte bewegt werden.

Claims

Verfahren zur Warmblechumformung bei dem die Erwärmung eines Blechs in einem ersten Schritt durch induktive Erwärmung mittels einer ersten Induktionserwärmungsvorrichtung auf eine Temperatur kleiner oder gleich der Curie-Temperatur erfolgt und in einem zweiten Schritt die Erwärmung auf Temperaturen größer 800°C mittels konventioneller Erwärmung in einem Ofen oder mittels induktiver Erwärmung in einer zweiten, von der ersten verschiedenen Induktionserwärmungsvorrichtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung im ersten Schritt in zwei Unterschritten erfolgt, wobei in einem ersten Unterschritt das Blech auf eine erste Temperatur erhitzt wird und in einem zweiten Unterschritt das Blech bei einer Temperatur um mehr als 70 K niedriger als die erste Temperatur gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Unterschritt eine Schutzschicht auf dem Blech vollständig aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Unterschritt ein Diffusionsvorgang erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Blech während des ersten Schrittes nicht bewegt wird
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Blech während des ersten Schrittes bewegt wird.
Induktionserwärmungsvorrichtung zur homogenen Erwärmung eines Stahlblechs mittels eines Induktors, der einen ersten Induktor und einen zweiten Induktor aufweist, wobei der erste Induktor elektrisch parallel zum zweiten Induktor anschließbar ist und eine im wesentlichen vergleichbare Induktivität und Form aufweist, wobei der erste Induktor auf der Oberseite des Bleches angeordnet ist und der zweite Induktor auf der Unterseite des Blechs angeordnet ist, und dass der erste Induktor so ausgebildet ist, dass zumindest im Bereich der flächigen Ausdehnung des Bleches der Strom in mehreren Induktorabschnitten zu einem Zeitpunkt in nur eine Richtung fließt und der Strom im zweiten Induktor so ausgebildet ist, dass zumindest im Bereich der flächigen Ausdehnung des Bleches der Strom zum gleichen Zeitpunkt in den genannten Induktorabschnitten des ersten Induktors zugewandten Induktorabschnitten in ebenfalls nur eine Richtung fließt.
Induktionserwärmungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Induktoren den Strom jeweils in den genannten Induktorabschnitten entgegengesetzter Richtung führen.
Induktionserwärmungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise an den Rändern des Stahlblechs zusätzliche Stahlbauteile angeordnet werden.
Induktionserwärmungsvorrichtung nach einen der Ansprüche 7 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Induktorabschnitte des ersten Induktors versetzt gegenüber den Induktorabschnitten des zweiten Induktors angeordnet sind.