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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen von maßgeschneiderten geschweißten Platinen, die durch Verbinden von Stahlplatten mit unterschiedlichen Dicken und Materialien hergestellt werden, und spezifischer auf ein Verfahren zum Herstellen von maßgeschneiderten geschweißten Platinen, die dazu geeignet sind, eine Qualität eines geschweißten Abschnitts zu verbessern und eine Herstellzeitdauer zu verringern, wenn eine maßgeschneiderte geschweißte Platine unter Verwendung einer beschichteten Stahlplatte hergestellt wird.
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Beschreibung von Stand der Technik
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In vergangenen Jahren wurden Vorgaben für Fahrzeuge zum Schutz der Umwelt und Sicherheitsvorgaben kontinuierlich verstärkt. Das heißt, dass um leichterer („lightening“) Nachfrage für eine Verbesserung der Kraftstoffeffizienz und Verbesserung von Kollisionssicherheit zu entsprechen, finden beispielsweise hochfester Stahl einschließlich moderner hochfester unlegierter Stahlsorten (AHSS; Advance High Strength Steel) bei Fahrzeugen eine breite Anwendung.
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Hochfeste Teile werden beim Herstellen eines Fahrzeugkörpers verwendet, um mit einer Seitenkollision umgehen zu können. Insbesondere die Rolle von Seitensäulen ist während einer Seitenkollision in einem Elektrofahrzeug sehr wichtig für den Schutz einer Batterie, im Vergleich zu derjenigen des Fahrzeugköpers in bestehenden inneren Verbrennungsmotoren. In dieser Hinsicht wird in zunehmendem Maße super-hochfester Stahl durch eine HPF(Warmpressform)-Technik verwendet.
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Indes können Kollisionsabsorptionsteile bzw. -elemente im Großen und Ganzen in zwei Teile klassifiziert werden.
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Einer ist ein Energieabsorptionsteil, der bzw. das Stöße absorbiert, die von außen durch Deformation derselben einwirken.
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Das Energieabsorptionsteil wird typischerweise sowohl an der Vorderseite eines Vorderseitenelements, der Hinterseite eines Hinterseitenelements, und dem Boden einer B-Säule eingesetzt.
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Das andere ist ein Anti-Eindringteil bzw. -element, das kaum deformiert wird. Da beispielsweise ein Passagierinnenraum, der durch Passagiere besetzt ist, während einer Kollision gesichert werden sollte, ist das Kollisionsabsorptionsteil, das bei der Passagierzone verwendet wird, meist das Antieindringteil.
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Das Antieindringteil wird typischerweise sowohl an der Hinterseite des Vorderseitenelements, der Vorderseite des Hinterseitenelements und der Oberseite der B-Säule verwendet.
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Die Verwendung des Antieindringteils, bei dem die HPF-Technik eingesetzt wird, nimmt schnell zu, um eine Kollisionssicherheit zu verbessern. Der AHHS mit einer relativ hohen Verformungsgeschwindigkeit ("strain rate") wird bei dem Energieabsorptionsteil verwendet.
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Die kombinierte Form des Energieabsorptionsteils und des Antieindringteils wird sowohl bei dem Vorderseitenelement, dem Hinterseitenelement, und der B-Säule verwendet, und wird durch Schweißen und Formen der zwei Teile hergestellt.
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In diesem Fall schließt ein hauptsächlich verwendetes TWB(maßgeschneidertes geschweißtes Platinen)-Verfahren eine Reihe von Prozessen der Herstellung von Teilen ein, bei denen Stahlplatten mit unterschiedlichen Dicken, Festigkeiten und Materialien in eine benötigte Form geschnitten werden, wie wenn ein Anzug ausgeschnitten wird, die geschnittenen Stahlplatten geschweißt werden, und die geschweißten Stahlplatten dann mit einer Presse geformt werden. Das TWB-Verfahren ist im Großen und Ganzen ausgebildet aus einem Schneidprozess, bei dem Stahlplatten ausgeschnitten werden, einem Schweißprozess, bei dem die geschnittenen Stahlplatten mit Laser geschweißt werden, und einem Stanzprozess, bei dem die geschweißten Stahlplatten integral bearbeitet werden, aufgebaut.
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Da durch das TWB-Verfahren unterschiedliche Stahlplatten mit unterschiedlichen Dicken und Materialien geschweißt werden, kann das geschweißte Element für jeden Abschnitt benötigte Eigenschaften aufweisen. Zusätzlich können die unterschiedlichen Stahlplatten so hergestellt werden, dass sie eine genaue Abmessung und auch eine starke Struktur und eine lange Lebensdauer aufweisen, mittels des TWB-Verfahren, im Vergleich zu einer einzelnen Stahlplatte. Daher wird das TWB-Verfahren zum Herstellen von Strukturen wie Karosserieteilen von Fahrzeugen oder Elektroschienenfahrzeugen verwendet.
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Insbesondere kann das TWB-Verfahren eine Reduktion der Anzahl an Komponenten erzielen, eine Fahrzeugaufbau- bzw. Fahrzeugkörper-Gewichtsreduktion, eine Herstellungskostenreduktion, eine Qualitätsverbesserung, eine Kollisionssicherheitsverbesserung, eine Fahrzeugaufbau- bzw. Fahrzeugkörperstrukturvereinfachung und dergleichen, im Vergleich zu einem konventionellen Formverfahren, bei dem Teile durch Schneiden von Stahlplatten, Formen von jeder der geschnittenen Stahlplatten und dann Punktschweißen der geformten Stahlplatte, während der Herstellung von Strukturen wie Fahrzeugkarosserieteilen bzw. -blechen, in Kfz-Industriegebieten hergestellt werden, die eine hohe Produktionsrate, niedrige Kosten und niedriges Gewicht benötigen.
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In einer beschichteten Stahlplatte mit einer Al-Si oder Zn-beschichteten Schicht ist es jedoch schwierig, eine Austenit-Struktur zu sichern, selbst wenn die beschichtete Stahlplatte bei einer Temperatur von 900 bis 950°C erhitzt wird, und es ist jeweils schwierig eine Martensit-Struktur zu sichern, wenn die beschichtete Stahlplatte abgeschreckt wird, da die aufgetragene Schicht während dem Laserschweißen in einen geschweißten Abschnitt eingemischt wird. Aus diesem Grund besteht ein Problem darin, dass Materialeigenschaften des geschweißten Abschnitts verschlechtert werden.
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Dementsprechend ist es notwendig, die aufgetragene Schicht von der beschichteten Stahlplatte zu entfernen, um die beschichtete Stahlplatte zu schweißen. Es besteht jedoch ein Problem darin, dass eine Qualität des Produktionsteils verschlechtert wird, da bei dem für das Schweißen entfernten Abschnitt der beschichteten Schicht Rost erzeugt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von maßgeschneiderten geschweißten Platinen, welches zum Erhöhen einer Qualität eines geschweißten Abschnitts geeignet ist, selbst wenn eine aufgetragene bzw. beschichtete Schicht nicht entfernt wird, wenn eine beschichtete Stahlplatte durch maßgeschneidertes geschweißtes Platinenschweißen ("tailor welded blank welding") geschweißt wird.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der Herstellung von maßgeschneiderten geschweißten Platinen, bei denen ein geschweißter Abschnitt nach Heiß- bzw. Warmprägearbeiten eine vollständige Martensit-Struktur aufweist.
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Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung können anhand der nachfolgenden Beschreibung verstanden werden und werden unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ersichtlich sein. Auch ist es für den Fachmann, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht, offenkundig nachvollziehbar, dass sich die Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung durch die beanspruchten Mittel und Kombinationen derselben realisieren lassen.
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In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt ein Verfahren zum Herstellen von maßgeschneiderten geschweißten Platinen das Schweißen von einem oder mehreren Paaren von verschiedenen beschichteten Stahlplatten ein, mit unterschiedlichen Dicken oder Stärken, mit einem Laser unter Verwendung eines Schweißdrahts bzw. Fülldrahts bzw. Zusatzdrahts ("filler wire").
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Der Schweißdraht kann einen Bestandteil aufweisen, durch welchen ein geschweißter Abschnitt transformiert bzw. umgewandelt wird, um eine Austenit-Struktur aufzuweisen, bei einer Temperatur von 900 bis 950°C, obwohl eine beschichtete Schicht von jeder der beschichteten Stahlplatten in den geschweißten Abschnitt eingemischt wird.
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Der Schweißdraht kann C und Mn als Austenitstabilisierungselemente aufweisen.
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Der Schweißdraht kann ferner Ni als ein Austenitstabilisierungselement aufweisen.
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Der Schweißdraht kann 0,6 bis 0,9 Gew% C, 0,3 bis 0,9 Gew% Mn, 1,6 bis 3,0 Gew% Ni, und den Rest an Fe, und andere unvermeidbare Verunreinigungen aufweisen.
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Jede der beschichteten Stahlplatten kann eine Al-Si-beschichtete Schicht aufweisen und ein Basismaterial kann 0,19 bis 0,25 Gew% C, 0,20 bis 0,40 Gew% Si, 1,10 bis 1,60 Gew% Mn, 0,03 Gew% oder weniger P, 0,015 Gew% oder weniger S, 0,10 bis 0,60 Gew% Cr, 0,0008 bis 0,0050 Gew% B, den Rest an Fe und andere unvermeidbare Verunreinigungen aufweisen.
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Das Verfahren kann ferner das Formen einer Laser geschweißten maßgeschneiderten Platine einschließen, durch Heißprägen unter Verwendung des Schweißdrahts und dann Abschrecken derselben bei einer Abschreckungsrate von 40°C/s oder mehr, um so eine Schweißabschnittstruktur in eine Martensitstruktur umzuwandeln.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden klarer verständlich sein anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet, bei denen:
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1 eine Graphik ist, die eine Transformationskurve gemäß einem Aluminiumgehalt und Temperatur im Stand der Technik zeigt;
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2 eine Graphik ist, die eine Bewegung einer Transformationskurve gemäß einer Zunahme eines Gehalts eines Austenitstabilisierungselements zeigt;
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3 ist eine Graphik, die eine Umwandlungskurve gemäß einer Zunahme eines Nickelgehalts zeigt; und
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4 ist ein Diagramm, das ein Spannungstestergebnis gemäß einem Nickelgehalt eines Schweißdrahts zeigt.
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BESCHREIBUNG VON SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend detaillierter unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann jedoch in unterschiedlichen Formen verkörpert sein und sollte nicht als auf die hierin angeführten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden. Die Ausführungsformen sind vielmehr bereitgestellt, sodass diese Offenbarung genau und komplett ist und den Rahmen der vorliegenden Erfindung dem Fachmann vollständig vermittelt. Durch die Offenbarung hindurch beziehen sich dieselben Bezugszeichen auf dieselben Elemente, über die unterschiedlichen Figuren und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hinweg.
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Eine Hauptidee eines Verfahrens der Herstellung von maßgeschneiderten geschweißten Platinen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht im Vorbeugen gegen Probleme wie Festigkeitsverschlechterung in Folge dessen, dass ein Bestandteil einer beschichteten Schicht in einen Schweißabschnitt gemischt wird, wenn eine maßgeschneiderte geschweißte Platine mit lokal unterschiedlichen Materialeigenschaften hergestellt wird, indem eines oder mehrere Paare von verschiedenen beschichteten Stahlplatten mit unterschiedlichen Materialien oder Dicken durch Laserschweißen verbunden werden.
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Wenn die beschichteten Stahlplatten mit dem Laserschweißen in einem Bestandteil verbunden werden, in welchem die beschichtete Schicht des Schweißabschnitts nicht entfernt ist, werden Probleme wie eine Festigkeitsverschlechterung des Schweißabschnitts im Allgemeinen verursacht, wenn die beschichtete Schicht geschmolzen und in den Schweißabschnitt eingemischt wird. Dies liegt daran, dass der Schweißabschnitt eine gegenüber einem Basismaterial unterschiedliche Materialeigenschaft zeigt, da der Schweißabschnitt einen Mischbestandteil des Basismaterials der beschichteten Stahlplatte und der beschichteten Schicht aufweist. Aus diesem Grund wird die Festigkeitsverschlechterung des Schweißabschnitts verursacht.
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Hauptsächlich wird eine Borstahlplatte mit Härtbarkeit als ein Basismaterial der maßgeschneiderten geschweißten Platine für Heißprägeformen verwendet, und eine Al-Si-beschichtete Schicht wird hauptsächlich als die beschichtete Schicht verwendet.
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1 ist eine Graphik, die eine konventionelle Umwandlung- bzw. Transformationskurve zeigt.
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Wie in 1 gezeigt, ist es, wenn die beschichtete Schicht in den Schweißabschnitt gemischt wird und ein Al-Gehalt des Schweißabschnitts erhöht wird, unmöglich, eine vollständige Austenitstruktur zu sichern, selbst wenn der Schweißabschnitt bei einer Temperatur von 900 bis 950°C erwärmt wird, und der Schweißabschnitt weist eine Struktur auf, in der Ferrit und Martensit miteinander koexistieren anstelle einer vollständigen Martensitstruktur, selbst wenn der Schweißabschnitt nach einem Heißprägeformen abgeschreckt wird. Aus diesem Grunde wird die Festigkeitsverschlechterung des Schweißabschnitts verursacht.
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In der maßgeschneiderten geschweißten Platine, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird ein Basismaterial mit 0,19 bis 0,25 Gew% C, 0,20 bis 0,40 Gew% Si, 1,10 bis 1,60 Gew% Mn, 0,03 Gew% oder weniger P, 0,015 Gew% oder weniger S, 0,10 bis 0,60 Gew% Cr, 0,0008 bis 0,0050 Gew% B, der Rest an Fe, und anderen unvermeidbaren Verunreinigungen, so wie Cu, Mo, Ti, Nb und dergleichen, anders als die vorstehend erwähnten Bestandteile, und eine Al-Si-beschichtete Schicht verwendet.
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In dem Verfahren der Herstellung von maßgeschneiderten geschweißten Platinen gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass der Schweißabschnitt eine vollständige Austenitstruktur bei einer Temperatur von 900 bis 950°C aufweist, indem Bestandteile des Schweißabschnitts unter Verwendung eines Schweißdrahts während dem Laserschweißen eingestellt bzw. angepasst werden.
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Dementsprechend kann der Schweißabschnitt eine gewünschte Materialeigenschaft aufweisen, indem dessen Festigkeit erhöht wird, auf eine solche Weise, dass der Schweißabschnitt transformiert wird, eine vollständige Martensitstruktur aufzuweisen, indem der Schweißabschnitt nach dem Wärmeprägeformen abgeschreckt wird.
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2 ist eine Graphik, die eine Bewegung einer Transformationskurve gemäß einer Zunahme eines Austenitstabilisierungselementgehalts zeigt.
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Wie in 2 gezeigt, sind C und Mn Austenitstabilisierungselemente. Die Transformationskurve wird zu der rechten Seite bewegt, da eine eutektoide Temperatur AC3 verringert wird, wenn die Gehalte der Elemente erhöht werden, und daher wird ein Austenitbereich erhöht.
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Dementsprechend weißt der Schweißdraht gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorzugsweise C und Mn als die Austenitstabilisierungselemente auf.
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Daher weist der Schweißabschnitt die vollständige Austenitstruktur auf, wenn der Schweißabschnitt bei der Temperatur von 900 bis 950°C erwärmt wird, während dem Wärmeprägeformen nach dem Schweißen, und der Schweißabschnitt wird transformiert, um die vollständige Martensitstruktur aufzuweisen, wenn der Schweißabschnitt nach dem Wärmeprägeformen abgeschreckt wird.
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Es ist bevorzugt, dass der Schweißdraht gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ferner Ni als das Austenitstabilisierungselement aufweist.
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3 ist eine Graphik, die eine Transformationskurve gemäß einer Zunahme eines Nickelgehalts zeigt.
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Wie in 3 gezeigt, nimmt eine eutektoide Temperatur AC3 ab, wenn der Nickelgehalt des Schweißdrahts erhöht wird.
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Der Schweißdraht gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise 0,6 bis 0,9 Gew% C, 0,3 bis 0,9 Gew% Mn, 1,6 bis 3,0 Gew% Ni und den Rest Fe auf, und andere unvermeidbare Verunreinigungen, so wie Cu, Mo, Ti, Nb, und dergleichen, anders als die vorstehend erwähnten Komponenten.
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Diese liegt daran, dass eine Ferritstruktur in dem Schweißabschnitt bei der Temperatur von 900 bis 950°C während dem Schweißen koexistiert, da eine Zunahmerate eines Austenitbereichs niedrig ist, wenn der C-Gehalt niedriger ist als 0,6 Gew%, und eine Reißstelle bzw. ein Bruch ("rupture") wird bei dem Schweißabschnitt während der Aufprallerzeugung erzeugt, wie Kollisionen, während eine Härte und Festigkeit des Schweißabschnitts exzessiv erhöht werden, wenn der C-Gehalt 0,9 Gew% überschreitet.
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Zusätzlich weist, wenn Mn und Ni außerhalb des vorstehenden Zusammensetzungsbereichs liegen, der Schweißabschnitt nicht die vollständige Austenitstruktur bei der Temperatur von 900 bis 950°C auf. Aus diesem Grund gibt es ein Problem, wonach die Materialeigenschaften des Schweißabschnitts des fertiggestellten Produkts verändert werden nach dem Wärmeprägeverformen, und Defekte, so wie eine Reißstelle bzw. ein Bruch des Schweißabschnitts werden erzeugt.
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4 ist ein Diagramm, das ein Spannungstestergebnis gemäß des Nickelgehalts des Schweißdrahts zeigt.
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Wie in 4 gezeigt, wird ein Basismaterialbruch während eines Spannungstests erzeugt, in Folge einer Zunahme des Schweißabschnitts, wenn der Ni-Gehalt des Schweißdrahts 1,6 bis 3,0 Gew% beträgt, wohingegen eine Schweißabschnittsbruch erzeugt wird während des Spannungstests, wenn der Ni-Gehalt weniger als 1,6 Gew% beträgt oder 3,0 Gew% überschreitet.
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Wie in 2 bis 4 gezeigt, weist der Schweißabschnitt, wenn der Schweißdraht gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung den vorstehenden Zusammensetzungsbereich erfüllt, die vollständige Austenitstruktur bei der Temperatur von 900 bis 950°C auf. Dementsprechend ist es möglich, die Stärke bzw. Festigkeit des Schweißabschnitts zu erhöhen, indem der Schweißabschnitt transformiert wird, um die vollständige Austenitstruktur aufzuweisen, auf eine solche Weise, dass der Schweißabschnitt nach dem Wärmeprägeformen abgeschreckt wird.
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Das heißt, dass der Schweißdraht der vorliegenden Erfindung ermöglichen kann, dass der Schweißabschnitt nach dem Wärmeprägeformen die vollständige Martensitstruktur aufweist, mittels der Austenitstabilisierungselemente, die in dem Schweißdraht enthalten sind, selbst wenn während dem Schweißen Al der beschichteten Schicht in den Schweißabschnitt eingemischt wird. Da dagegen vorgebeugt wird, dass sich die Härte und Festigkeit des Schweißabschnitts verschlechtern, obwohl das Schweißen ohne das Entfernen der beschichteten Schicht durchgeführt wird, kann dagegen vorgebeugt werden, dass der Schweißabschnittbruch entsteht.
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Zusätzlich ist es bei dem Verfahren der Herstellung von maßgeschneiderten geschweißten Platinen gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass der Schweißabschnitt transformiert wird, um die Martensitstruktur aufzuweisen, indem der Schweißabschnitt nach dem Wärmeprägeformen bei einer Abschreckrate von 40°C/s oder mehr abgeschreckt wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, das Abschrecken nach dem Wärmeprägeformen unmittelbar zu initiieren (innerhalb von 0,5 Sekunden) und eine mittlere Abschreckrate während dem Abschrecken auf 40°C/s oder mehr festzulegen.
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Wenn die Abschreckrate auf 40°C/s oder weniger festgelegt ist, ist es schwierig, die Struktur des Schweißabschnitts zu verfeinern, in Folge von Kornwachstum ("grain growth"). Im Ergebnis ist es schwierig, die Struktur des Schweißabschnitts nach dem Abschrecken in die vollständige Martensitstruktur umzuwandeln.
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In Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann es möglich sein, eine Produktivität zu erhöhen und Herstellungskosten zu reduzieren, indem eine Produktionszeit verkürzt wird, da ein Entfernen einer beschichteten Schicht und Wiederbeschichtungsprozesse nicht benötigt werden, wenn eine maßgeschneiderte geschweißte Platine durch Laserschweißen hergestellt wird.
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Da ein Schweißabschnitt eine vollständige Martensitstruktur aufweist, kann zusätzlich eine Qualität eines Schweißabschnitts verbessert werden.
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Während die vorliegende Erfindung in Bezug auf die spezifischen Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird es für den Fachmann ersichtlich sein, dass verschiedene Veränderungen und Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne den Kern und den Rahmen der Erfindung, wie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert, zu verlassen.
