DE102014203767A1

DE102014203767A1 - Verfahren zur Herstellung von Fahrzeugbauteilen

Info

Publication number: DE102014203767A1
Application number: DE102014203767.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Pfestorf; Petra Süß
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2015-09-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Fahrzeugbauteilen (20), insbesondere Strukturbauteilen, aus Stahlblech mit den Schritten: – Erzeugen eines Platinenhalbzeugs (10) durch Verschweißen mindestens zweier Platinen (11, 12), wobei sich die Platinen (11, 12) in ihrer Bauteildicke und/oder in ihren mechanischen Eigenschaften unterscheiden, unter Ausbildung einer Schweißnaht (13), – Umformen des Platinenhalbzeugs (10) zum Fahrzeugbauteil (20) mittels Warmumformen, – dadurch gekennzeichnet, dass beim Warmumformen mindestens ein Bereich (B), der unmittelbar an der Schweißnaht (13) angrenzt, weniger stark abgekühlt wird, als der Rest des Platinenhalbzeugs (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Fahrzeugbauteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Im heutigen Automobilbau erhöht sich der Komfort für die Fahrzeuginsassen zunehmend, durch den Einsatz von Sonderausstattungen. Diese umfassen viele elektromechanische Bauteile wie Sensoren, Motoren, Aktuatoren, und dienen dazu dem Fahrer die Fahraufgabe zu erleichtern. Gleichzeitig mit dem Komfortzuwachs erhöht sich jedoch auch das Fahrzeuggewicht. Um dem entgegen zu wirken, wird im Stand der Technik versucht, die Strukturbauteile der Karosserie gewichtsreduziert auszugestalten.
Die Strukturbauteile der Karosserie sind nicht nur maßgeblich an der Stabilität des Fahrzeugs beteiligt, sondern spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Sicherheit im Crash-Fall. Um diesen Zielkonflikt zwischen Reduktion des Bauteilgewichts von Strukturbauteilen bei gleichzeitiger Beibehaltung deren mechanischer Kennwerte aufzulösen, hat es sich in der Vergangenheit bewährt, Strukturbauteile mittels Warmumformung herzustellen. Warmumformprozesse sind in der Literatur auch als Formhärten oder Presshärten beschrieben.
Die Patentschrift DE 19723655 B4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Stahlblechprodukten durch Erwärmen eines abgemessenen Stahlblechs, Warmverformung des Stahlblechs in einem Werkzeugpaar, Härten des gebildeten Produkts durch schnelles Abkühlen von einer austenitischen Temperatur, während es weiterhin in dem Werkzeugpaar gehalten ist und anschließende Bearbeitung des Produkts.
Die Europäische Patentschrift EP 1 786 936 B1 betrifft ein Verfahren zum Presshärten von Bauteilen aus Stahlblech sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Verfahren anzugeben zur Herstellung von Fahrzeugbauteilen, bei denen besonders gute mechanische Kennwerte realisiert werden und gleichzeitig das Bauteilgewicht reduziert wird.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Fahrzeugbauteilen, insbesondere Strukturbauteilen aus Stahlblech vor, mit den Schritten:

– Erzeugen eines Platinenhalbzeugs durch Verschweißen mindestens zweier Platinen, wobei sich die Platinen in ihrer Bauteildicke und/oder in ihren Werkstoffen unterscheiden, unter Ausbildung einer Schweißnaht,
– Umformen des Platinenhalbzeugs zu einem Fahrzeugbauteil mittels eines Warmumformprozesses, wobei beim Warmumformen mindestens ein Bereich, der unmittelbar an der Schweißnaht angrenzt, weniger stark abgekühlt wird, als der Rest des Platinenhalbzeugs.

Derartige Platinenhalbzeuge werden im Stand der Technik auch als Tailored Welded Blanks bezeichnet, und sind aus Kombinationen von Einzelblechen ausgebildet. Diese Einzelbleche sind jeweils aus einem harten und einem weichen Werkstoff gebildet. Alternativ dazu können auch Kombinationen aus zwei Blechen erzeugt werden, die beide aus hartem Werkstoff ausgebildet sind, dann jedoch unterschiedliche Blechdicken aufweisen. Die Verwendung von Tailored Welded Blanks in warmumgeformten oder pressgehärteten Bauteilen bietet zum einen den Vorteil, dass lokal durch Reduktion der bauteilwanddicke Gewicht eingespart werden kann. Zum anderen ergeben sich Vorteile dahingehend, dass fertigungstechnische Belange realisiert werden können. Beispielsweise können in Bereichen, in denen das Bauteil nachträglich mit Hilfe von Bohrungen oder Stanznieten an anderen Bauteilen befestigt wird, weichere Bleche oder dünnere Bleche eingesetzt werden.
Durch die starke Abkühlung des erwärmten Bauteils, werden die mechanischen Kennwerte, bspw. die mechanische Festigkeit, des Bauteils erhöht. Durch schwächere, d. h. geringere oder langsamere Abkühlung in dem Bereich in der Nähe der Schweißnaht kann dort lokal ein weicher Bereich erzeugt werden, der eine geringere Festigkeit aufweist als der Rest es Bleches. Die Schweißnaht an sich weist hohe mechanische Festigkeit jedoch nur eine geringe Duktilität auf. Dies birgt die Gefahr, dass im Crash-Fall das Strukturbauteil an der Schweißnaht vollständig bricht und dadurch keine Kräfte mehr übertragen kann. Durch Vorsehen eines weichen Bereiches um die Schweißnaht herum, kann in diesem Bereich eine hohe Duktilität geschaffen werden, die ein Durchbrechen des Strukturbauteils verhindert. Zwar weist das Strukturbauteil in diesem Bereich geringere Festigkeiten auf, jedoch ist es vorteilhafterweise in der Lage sich kontrolliert zu verformen. Zwischen dem vorbestimmten weichen Bereich und dem restlichen, härteren Bereich des Bauteils ergibt sich ein Übergangsbereich, mit einer Breite im Bereich von 10 mm bis 40 mm, wobei die Randwerte dieses Bereichs mit umfasst sind.
Weiterhin kann beim Warmumformprozess das Platinenhalbzeug derart in einem Umformwerkzeug positioniert werden, dass die Schweißnaht zumindest einseitig an einem temperierten Abschnitt einer Formwerkzeughälfte angeordnet oder ausgerichtet ist. Durch eine solche Anordung kann auf einer Seite des Platinenhalbzeugs eine Temperierung zur Erzeugung eines weicheren Bereichs generiert werden. Üblicherweise weisen Bleche eine geringe Dicke auf, die im Bereich von wenigen Millimetern liegt. Somit reicht eine einseitige Temperierung aus, um das Blechteil über seine ganze Dicke hinweg zu temperieren.
Alternativ dazu kann beim Warmumformprozess das Platinenhalbzeug auch derart in einem Umformwerkzeug positioniert werden, dass die Schweißnaht zumindest beidseitig an je einem temperierten Abschnitt jeweils einer Formwerkzeughälfte angeordnet ist. In beiden Ausführungsformen ist entscheidend, dass mit Hilfe der Schweißnaht eine Positionierung in dem Werkzeug erfolgt. Beim Einbringen des Platinenhalbzeugs muss der Verlauf der Schweißnaht an dem Verlauf der temperierten Abschnitte der Formwerkzeughälften ausgerichtet werden, um zu gewährleisten, dass der nach dem Warmumformen in dem Strukturbauteil vorgesehene Bereich an der richtigen Stelle verläuft.
Weiterhin kann der temperierte Abschnitt einer Werkzeughälfte als Luftspalt und/oder als temperierter Einsatz ausgebildet sein. Durch Vorsehen eines temperierbaren Einsatzes bspw. eines beheizten Segments oder eines Luftspaltes kann die Aushärtung im Bereich in der Nähe der Schweißnaht vermieden werden. Dadurch wird der Bereich um die Schweißnaht weich gehalten und ein homogener Übergangsbereich zwischen der harten Schweißnaht und dem restlichen Strukturbauteil erzeugt werden.
Weiterhin kann die Schweißnaht bei der Herstellung des Platinenhalbzeugs bzw. des Tailored Welded Blanks mit Hilfe eines Laserschweißverfahrens erzeugt werden.
Weiterhin kann sich im vorbestimmten Bereich um die Schweißnaht eine Dehngrenze von mindestens 340 MPa und eine Zugfestigkeit von mindestens 500 MPa einstellen.
Darüber hinaus kann der vorbestimmte Bereich B sich im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung der Schweißnaht erstrecken und so entlang der Schweißnaht verlaufen.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann beidseitig der Schweißnaht je ein vorbestimmter Bereich vorgesehen sein.
Weiterhin kann sich der Bereich B im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung über eine Tiefe von 0,1 mm bis 50 mm, bevorzugt 0,1 mm bis 20 mm und besonders bevorzugt 0,1 bis 10 mm erstrecken. Durch diese geometrischen Größen kann ein verhältnismäßig kleiner Bereich mit niedriger Festigkeit erzeugt werden, der jedoch ausreichend ist, um ein duktiles Verformungsverhalten des Strukturbauteils an der Schweißnaht zu erzeugen.
Weiterhin kann bei dem Fahrzeugbauteil sich nach dem Warmumformprozess in der Schweißnaht ein martensitisches Gefüge, in dem vorbestimmten Bereich ein Gefüge mit überwiegend Ferrit in Martensit und Zwischenstufen und im übrigen Bereich des Fahrzeugbauteils ein martensitisches Gefüge einstellen. In einem Übergangsbereich zwischen dem vorbestimmten weichen Bereich und dem restlichen Bereich des Bauteils ergeben sich entsprechende Zwischenstufen.
Mit der Erfindung kann vorteilhafterweise vermieden werden, dass bei einem Tailored Welded Blank an der Schweißnaht digitale Sprünge von Festigkeit und/oder Steifigkeit entstehen, die im Crash-Fall zu einer Schwächung des Bauteils bzw. zum frühzeitigen Versagen des Bauteils führen. Durch den homogenen Übergang zwischen den einzelnen Bereichen des Tailored Welded Blank wird die Gefahr deutlich reduziert da der weiche Bereich um die Schweißnaht, ein duktiles Verformungsverhalten zulässt. Dadurch wird eine Entlastung der Schweißnaht bei warm umgeformten Bauteilen durch den weichen Bereich realisiert.
Im Sinne dieser Erfindung sind Platinenhalbzeuge oder Platinen Bleche, die sich geometrisch in ihrer Längen- und Breitenrichtung stärker erstrecken, als in ihrer Dickenrichtung. Bevorzugt können solche Bleche aus härtbarem Werkstoff, bspw. 22MnB5 ausgebildet sein. Die daraus hergestellten Strukturbauteile oder Fahrzeugbauteile können bspw. als Längsträger, Querträger, Schweller, Bauteile des Dachseitenrahmens, A-, B- und/oder C-Säulen verwendet werden.
Die Erfindung kann für direkte Warmumformvorgänge sowie auch für indirekte Warmumformvorgänge angewendet werden. Bei dem direkten Warmumformen wird das Platinenhalbzeug als Tailored Welded Blanks aus seiner ursprünglichen ebenen Form in einem Umformbauteil in nur einem Zug in seine endgültige Form überführt. In dem Umformwerkzeug wird es nach oder während der Umformung rasch abgekühlt.
Im Unterschied dazu wird bei der indirekten Warmumformung das Platinenhalbzeug zunächst in einem kalten Umformprozess in ein dreidimensionales, vorgeformtes Bauteil überführt. Dieser Vorgang wird auch als Vorziehen bezeichnet, wobei konventionelle Presswerkzeuge verwendet werden, um die Ziehtiefe im nachfolgenden warmen Umformzug zu reduzieren. Anschließend wird in einem Warmumformprozess in einem anderen Formwerkzeug das vorgeformte Bauteil in seine Endkontur überführt. Durch diesen indirekten Warmumformprozess, bei dem die Umformung der Platine im kalten Zustand zwei- oder auch mehrstufig ausgebildet sein kann, wird die Gefahr von Rissbildungen im Material aufgrund zu großer Streckung reduziert.
In beiden Verfahren werden die Platinen auf eine Temperatur von ca. 950° erwärmt, wobei sich die Gitterstruktur des Materials austenitisiert. Anschließend erfolgt eine rasche Abkühlung des Bauteils auf eine Temperatur unter 250°C. Durch die schnelle Abkühlung wird ein martensitisches Gefüge im Stahlblech erzeugt, die hohe Härtewerte aufweist. Durch die temperierbaren Einsätze oder durch Vorsehen von Luftspalten in den Werkzeugen kann also lokal die Bildung eines martensitischen Gefüges unterbunden werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figuren und die Beschreibung enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderen Kombinationen betrachten, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
1a eine erste Variante eines Platinenhalbzeugs,
1b eine zweite Variante eines Platinenhalbzeugs und
2 ein Umformwerkzeug mit darin angeordnetem Platinenhalbzeug.
In 1a ist ein Platinenhalbzeug 10 dargestellt, das aus zwei einzelnen Platinen 11, 12 zusammengesetzt ist. Die einzelnen Platinen sind über eine Schweißnaht 13 miteinander verbunden. In der in 1a gezeigten Variante sind die Platinenbleche 11, 12 in ihren geometrischen Dicken gleich, jedoch in ihren mechanischen Eigenschaften verschieden. Rechts neben der Schweißnaht 13 ist ein vorbestimmter Bereich B durch eine gestrichelte Linie dargestellt. In diesem Bereich B weist das spätere Fahrzeugbauteil 20 eine geringere Festigkeit auf, als der Rest des Fahrzeugbauteils 20. Die mechanischen Werte des vorbestimmten Bereichs B werden jedoch erst beim Warmumformen generiert und sind in der dem Platinenhalbzeug 10 noch nicht vorhanden.
Eine weitere Variante des Platinenhalbzeuges 10 ist in 1b dargestellt. Wie daraus ersichtlich ist, unterscheiden sich die einzelnen Blechplatinen 11, 12 in ihren Dicken. Selbstverständlich können die einzelnen Blechplatinen 11, 12 zudem auch unterschiedliche mechanische Kennwerte aufweisen. Beide Bleche 11, 12 sind über eine Schweißnaht 13 miteinander verbunden. In 1b sind zwei vorbestimmte Bereiche B dargestellt, jeweils rechts und links an der Schweißnaht angeordnet. Wie bereits mit Bezug zur 1a erläutert, werden auch in 1b die mechanischen Kennwerte im vorbestimmten Bereich B erst durch das Warmumformen erzeugt.
Den Warmumformprozess zeigt 2. Dabei ist ein Warmumformwerkzeug 30 aus einer oberen Umformwerkzeughälfte 31 und einer unteren Werkzeughälfte 32 ausgebildet. Jeweils eine Werkzeughälfte 31, 32 oder auch beide Werkzeughälften können in 2 in vertikaler Richtung aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden. Im geöffneten Zustand kann zwischen die Umformwerkzeughälften 31, 32 die Platine 10 eingebracht werden. Dabei wird die Schweißnaht 13 so positioniert, dass die temperierten Bereiche 33, 33' der Umformwerkzeughälften 31, 32 unmittelbar in der Nähe der Schweißnaht vorliegen. Durch Zusammenfahren, d. h. aufeinander zubewegen der Umformwerkzeughälften 31, 32 wird das Platinenhalbzeug 10 umgeformt und in seine Endgeometrie überführt. Die temperierten Bereiche 33, 33' der Umformwerkzeughälften 31, 32 verhindern eine rasche bzw. starke Abkühlung des Platinenhalbzeuges 20 in den vorbestimmten Bereich B. Dadurch wird dieser mit anderen, d. h. weicheren Festigkeitskennwerten versehen.
Abweichend von der in 2 dargestellten Ausführungsform, können auch mehrere vorbestimmten Bereiche B erzeugt werden, beispielsweise je ein Bereich rechts und ein Bereich links der Schweißnaht 13. In 2 wurde die erste Variante eines Platinenhalbzeuges 10, wie in 1a abgebildet, dargestellt. Selbstverständlich eignet sich das Umformwerkzeug 30 auch zum Umformen der in 1b dargestellten zweiten Variante.
Auch wenn mit Bezug zu 2 ein direktes Warmumformverfahren beschrieben wurde, ist das Umformwerkzeug 30 auch für indirekte Warmumformvorgänge, in denen ein vorgeformtes Platinenhalbzeug eingebracht wird, anwendbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19723655 B4 [0004]
EP 1786936 B1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Fahrzeugbauteilen (20), insbesondere Strukturbauteilen, aus Stahlblech mit den Schritten: – Erzeugen eines Platinenhalbzeugs (10) durch Verschweißen mindestens zweier Platinen (11, 12), wobei sich die Platinen (11, 12) in ihrer Bauteildicke und/oder in ihren Werkstoffen unterscheiden, unter Ausbildung einer Schweißnaht (13), – Umformen des Platinenhalbzeugs (10) zum Fahrzeugbauteil (20) mittels Warmumformen, – dadurch gekennzeichnet, dass beim Warmumformen mindestens ein Bereich (B), der unmittelbar an der Schweißnaht (13) angrenzt, weniger stark abgekühlt wird, als der Rest des Platinenhalbzeugs (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Warmumformprozess das Platinenhalbzeug (10) derart in einem Umformwerkzeug (30) positioniert wird, dass die Schweißnaht (13) zumindest einseitig an einem temperierten Abschnitt (33, 33')einer Formwerkzeughälfte (31, 32) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Warmumformprozess das Platinenhalbzeug (10) derart in einem Umformwerkzeug (30) positioniert wird, dass die Schweißnaht (13) zumindest beidseitig an je einem temperierten Abschnitt (33, 33') jeweils einer Formwerkzeughälfte (31, 32) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der temperierte Abschnitt (33, 33') einer Formwerkzeughälfte (31, 32) als Luftspalt und/oder als temperierter Einsatz ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (13) durch ein Laserschweißverfahren erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im vorbestimmten Bereich (B) um die Schweißnaht (13) eine Dehngrenze von mindestens 340 MPa und eine Zugfestigkeit von mindestens 500 MPa einstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Bereich (B) im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung der Schweißnaht (13) verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig der Schweißnaht (13) je ein vorbestimmter Bereich (B) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich (B) im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung über eine Tiefe von 0,1 mm bis 30 mm, bevorzugt 0,1 mm bis 20 mm und besonders bevorzugt 0,1 bis 10 mm erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Fahrzeugbauteil (20) – in der Schweißnaht (13) ein martensitisches Gefüge, – im vorbestimmten Bereich (B) ein Gefüge mit überwiegend Ferrit mit Martensit und Zwischenstufen und – im Rest es Fahrzeugbauteils (20) ein martensitisches Gefüge einstellt.