DE19503166A1 - Doppellagenblech aus einem Ober- und einem Untergurt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Doppellagenblech zur Verwendung im Fahrzeugbau, das durch Steifigkeitserhöhung im Vergleich zu Blechen aus Vollmaterial Gewichtseinsparungen ermöglicht.

Es ist bereits aus Dilthey, U., Hachmann, B., Kopp, R., Marek, U., Rappen, J., Leichtbaustrukturen und leichte Bauteile, VDI-Berichte 1080, Werkstofftag 1994, S. 657-666, VDI-Verlag 1994, bekannt, daß ein Sandwichblech aus Obergurt, Zwischenlage aus Drahtnetz oder Streckmetall, Untergurt, eine Steifigkeitserhö­ hung oder eine Gewichtsersparnis von bis zu 44% ermöglicht. Dabei werden die drei Lagen miteinander durch eine Widerstands­ schweißung (Kondensatorentladungsschweißen) verbunden. Die zwischenlagen verhalten sich bei der Zusammenpressung der Elektrodenplatten wie starre Buckel.

Es ist weiterhin bekannt, daß Blechbauteile durch eine Buckel­ schweißung flächig miteinander verbunden werden können. Dabei werden halbkugelförmige Buckel in ein Blech geprägt (⌀ ca. 5 . . . 10 × Blechdicke), das Buckelblech mit Elektrodenplatten gegen ein ebenes Blech gedrückt und mit einer elektrischen Widerstandsschweißung miteinander verbunden, wobei die Buckel durch die anliegende Preßkraft und die Wärmeerweichung des Stahles praktisch auf Null-Höhe zurückgedrückt werden. In dieser Form ist die bekannte Technik nicht zur Herstellung von Doppellagenblechen mit einem geforderten hohen Flächenträg­ heitsmoment verwendbar.

Drei-Lagen-Sandwiche weisen nun folgende Nachteile auf:

• 1. Die Herstellung der Zwischenlage aus Draht oder Streckme­ tall (Stegabstand bis ca. 5 mm bei je 0,2 mm Gurtdicke) ist teuer im Vergleich zu nur dünn gewalztem Blech;
• 2. Die Schweißpunktabstände mit < 5 mm lassen keine Fertigung am laufenden Band, d. h. keine Coilfähigkeit zu, weil mit heutigem Stand der Schweißtechnik mehr als 500.000 Buckel pro Minute geschweißt werden müßten, wenn man eine untere Fertigungsgeschwindigkeit von 10 m/min. bei einer Band­ breite von 1.250 mm voraussetzt.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Doppellagenblech zu finden, das eine Gewichtseinsparung wie das Drei-Lagen-Sandwich ermöglicht, aber nur aus zwei Blechlagen besteht und durch konstruktive Maßnahmen eine preiswerte Fertigung zu einem coilfähigen Produkt ermöglicht. Außerdem soll es in alle Rich­ tungen der Blechebene gleiche Umformeigenschaften (Isotropie) aufweisen, was weder ein Drahtnetz wegen der unterschiedlichen geometrischen Ausbildung von "Schuß" und "Kette" noch ein Streckmetall ermöglicht.

Außerdem sollte es problemlos recyclingfähig sein, so daß auf Kleb- und Füll-Kunststoffe verzichtet werden soll.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung des Doppellagenbleche zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch die Maßnahmen des 1. Anspruches gelöst. Es wurde nun überraschend gefunden, daß durch den Einbau eines ein Drehmoment übertragungsfähigen Mittels die Anzahl und Größe der notwendigen pro m² der Blechoberfläche zu schweißenden Punkte ganz wesentlich gesenkt werden kann. Außerdem führt das erfindungsgemäße Schweißverfahren nach Anspruch 8 zu Schweiß­ perlen, deren Durchmesser nur etwa 1 bis 4 mal so groß ist wie die Bleckdicke des dünnsten Gurtes. Entsprechend gering ist der pro Schweißnoppen aufzuwendende elektrische Strom. Er beträgt z. B. bei Δs = 0,2 mm im Fall von rostfreiem Gurtmaterial (1.4301) nur ca. 0,5 kA, im Fall von gleichdickem verzinktem Tiefziehstahl nur ca. 0,9 kA. Eine übliche Punktschweißung dagegen führt im Vergleich zu einer Schweißverbindung mit einem Durchmesser, der hier nahezu der Fläche F mit dem Durchmesser ⌀ entspräche, damit zu einem um ein Vielfaches höheren Bedarf an elektrischem Strom und außerdem zu einer wesentlich rauheren, oft durchlöcherten Oberfläche dieser dünnen Gurte.

Eine zur Blechoberfläche senkrecht angreifende Kraft bildet mit dem Hebelarm (Lastangriffspunkt - Spitze eines geschweißten Buckels (Noppen) ein Moment aus, dessen Vektor senkrecht zur Ebene Last/Hebelarm in einer Ebene parallel zur Blechebene liegt. Ein Drehmoment bildet sich auch im Fall, daß ein Gurt einer Knicklast ausweichen will. Die Erfindung besteht nun darin, daß durch eine breite Ausformung der Noppenspitzen, die exakt am Gegengurt aufliegen oder durch unverschweißte Stütz­ noppen das Drehmoment vom oberen Gurt auf den Untergurt mit übertragen wird. Das führt nun überraschend dazu, 1. nur max. ca. 30% der Fläche des Noppengurtes aus der Oberflächenebene herausprägen zu müssen, dadurch bleibt die Zug-Druck-Steifig­ keit der Gurte weitestgehend erhalten und 2. zur Senkung der zu schweißenden Noppenanzahl und Schweißperlengröße unter Beibe­ haltung der hohen Biegefestigkeit wie die eines Drei-Lagen-Sandwiches nach Stand der Technik.

Es wurde weiterhin eine technische Regel gefunden, mit der die Abstände der zu verschweißenden Noppen bestimmt werden können. Eine typische Breite eines Automobilbleches im eingebauten Zustand möge 300 mm (L) betragen, die Dicke von Ober- und Untergurt je 0,2 mm, die Höhe der Noppen nach der Schweißung 1 mm (Summe "Doppellagenblech" 1,4 mm), dann beträgt der Hebelarm (C) des Flächenträgheitsmomentes zur neutralen Faser des Dop­ pellagenbleches 0,6 mm. Erfindungsgemäß kann der Abstand der geschweißten Noppen dann größer/gleich 14 mm (1) betragen. Damit wird die Anzahl der pro m² geschweißten Noppen um den Faktor ca. 10 und mehr gegenüber dem Stand der Technik gesenkt, wenn ein erfindungsgemäßes Drehmoment übertragungsfähiges Mittel vorgesehen ist.

Um nun Isotropie der Doppellagenblech-Eigenschaften und gleich­ zeitig einen langen Hebelarm (C) erhalten zu können, schlägt die Erfindung weiterhin vor, die Noppen nach Art eines Kegel­ stumpfes mit kreisförmigen Querschnitten auszustatten. Sollten die Beanspruchungen eines Flächenelementes aus diesem Doppella­ genblech eine Vorzugsrichtung erfordern, könnten die Noppen auch oval ausgeformt werden. Da es sich bei der Prägung der Noppen entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 11) um einen Steck­ ziehvorgang handelt, der die Prägehöhe bzw. die Länge des Hebelarmes (C) stark einschränken kann, insbesondere bei der Verwendung höherfester Stahlqualitäten, wurde zusätzlich der Flankenwinkel (α) der zu schweißenden Noppen zu 45° ± 10° optimiert, der einen Kompromis zwischen der Abnahme der Zug-/Druck-Steifigkeit in Blechebene und der erreichbaren Prägehöhe darstellt.

Das Drehmoment übertragende Mittel kann aus ungeschweißten, nur Druck übertragenden Noppen mit möglichst steil geprägten Flan­ ken bestehen (α = 55° ± 10°). Auf Grund eines hier gefundenen Schweißverfahrens, was im folgenden beschrieben wird, kann der insgesamt aus der Fläche herausgeprägte Anteil trotzdem 30% gehalten werden.

Es hat sich jedoch in Versuchen herausgestellt, daß das Drehmo­ ment übertragende Mittel besser nur von einer Anlagefläche an den Noppenspitzen gebildet werden kann. Prägt man die zu schweißenden Noppen mit einem Flankenwinkel von ca. 45° und einer kugelförmigen Noppenspitze, so erhält man bei richtiger Wahl der Anpressparameter zur Schweißzeit kein zurückspringen der Noppenspitze (Knackfroscheffekt) unter Bildung eines Anla­ geringes. Die Anlagefläche weist nach der Schweißung nur eine kleine Schweißperle auf, sie braucht nicht vollständig mit der ganzen Fläche mit dem Gegengurt verschweißt zu sein. Überra­ schender Weise reicht diese Form schon aus bei ⌀ 5 × ΔS, um ein genügend großes Drehmoment ⊖, (P × X) übertragen zu kön­ nen, so daß der Quotient l/L < 0,14 ΔS/C betragen kann.

Natürlich kann auch eine anliegende, ringförmige Fläche aus der Noppenspitze gebildet werden, die nur zu einem kleinen Teil mit dem Gegengurt verschweißt ist.

Als besonders geeignet für eine Fahrzeuginnenwand oder auch einen Träger hat sich die Verwendung eines erfindungsgemäßen Doppellagenbleches herausgestellt, das aus zwei Gurten besteht, die beide gleichartig geprägte Noppen aufweisen, wobei die jeweiligen Noppenspitzen eine Anlagefläche bildend miteinander verschweißt werden. Auf diese Weise erhält man mit einer rela­ tiv kleinen Flächenausprägung aus den Gurten einen großen Hebelarm (C) des Flächenträgheitsmomentes bei gleichzeitig großem (⌀) zur Drehmomentübertragung trotz eines geringen verschweißten Flächenanteils von ⌀.

Das erfindungsgemäße Doppellagenblech und sein Herstellungsver­ fahren wird im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

Versuch 1

Es wurde ein beidseitig elektrolytisch dünn verzinktes Blech mit 0,2 mm Dicke und ein 0,27 mm dickes ebenfalls verzinktes Blech aus St 14 verwendet.

1/7 aller Löcher mit 3,2 mm Durchmesser eines 1,5 mm dicken Lochbleches aus rostfreiem Stahl wurden mit Hilfe eines 90°-Fräsers mit 45°-Flanken ausgestattet, das Lochblech in einer Elektropoliereinrichtung entgratet und dabei scharfe Kanten verrundet. Anschließend wurde das 0,20 mm dicke Blech aufge­ legt, darauf eine 3 mm dicke Latexmatte angeordnet und das ganze Paket Stück für Stück mit Hilfe einer Tiefziehpresse belastet. Auf diese Weise wurden Noppen mit einem ca. 45°-Flankenwinkel mit einer Prägehöhe von 1,3 mm mit kugeliger Noppenspitze, der geringste Mitten-Abstand dieses Noppentyps war 15 mm, erhalten, so wie 6/7 aller Noppen, die einen max. Flankenwinkel von 55°-60°und ebenfalls kugelige Noppenspitzen aufweisen. Deren Prägehöhe betrug 1 mm.

Darauf wurde das 0,27 mm dicke Blech gelegt und mit einer Buckelschweißmaschine sowie Plattenelektroden aus einer Kupfer­ legierung (50 × 80 mm) verschweißt, indem der minimale Spalt zwischen beiden Elektroden auf 1,2 mm begrenzt war, der Schweißstrom aber nach einem Weg der Elektrode von 0,15 bis 0,2 mm nach erstem elektrischen Kontakt eingeschaltet wurde, also vor der Erreichung des engsten Elektrodenabstandes. Die Schwei­ ßung gelang auch mit Hilfe einer Kraftbegrenzung, weil die 45°-Noppen in Summe wie eine Feder wirken. Zur Herstellung der Schweißverbindungen reichte 2/50 Sekunde Schweißstrom mit 0,9 K-Ampere pro 45°-Schweißnoppen aus bei einer Nachdruck-Halte­ zeit von 4/50 sec. Überraschend bildete sich vermutlich durch die aus der Schweißperle abfließende Wärme eine exakt am Gegen­ gurt anliegende Fläche mit ⌀ = 1,8 mm Durchmesser aus.

Erhalten wurde ein Doppellagenblech, das eine elastische Biege­ steifigkeit besitzt, die der eines 0,7 mm dicken Stahlbleches und der eines ca. 1,2 mm dicken Aluminiumbleches entspricht. Allerdings wies die Dehnung bei elastischer Zugbelastung einen so geringen Wert auf, den auch das 1,2 mm dicke Aluminiumblech zeigte.

Versuch 2

In einem zweiten Versuch wurden aus einem 0,2 mm dicken Blech ausschließlich 1,5 mm hohe 45°-Noppen mit Kegelgrundkreisdurch­ messer von 5 mm im Abstand von 15 mm der Noppenmitten (1) min Hilfe eines Lochbleches und der Latexmatte geprägt. Dieses Blech wurde wie oben mit einem 0,2 mm dicken Gegengurt ver­ schweißt, aber wegbegrenzt auf eine Doppellagenblechdicke von 1,4 mm. Dieses Doppellagenblech wies bei gleicher elastischer Biegesteifigkeit wie ein 1,2 mm Aluminiumblech eine höhere elastische Zugstiefigkeit auf als das aus Versuch 1. Die ver­ blüffende Ursache, daß die Biegesteifigkeit und Knicksteifig­ keit unter Drucklast auch ohne unverschweißte Stütznoppen gleich hoch erhalten wurde, liegt vermutlich in der Form der aufliegenden Noppenspitze begründet, die sich während des Schweißvorganges ausgebildet hatte und im geringeren aus dem Noppengurt herausgeprägten Flächenanteil. Der Durchmesser (⌀) der anliegenden Noppenspitzen-Flächen betrug ca. 2 mm.

Die so erhaltenen Doppellagenbleche wurden mit einem Tiefzieh­ werkzeug mit einem Ziehspalt von 0,5 mm (erster Versuch) und 0,45 mm (zweiter Versuch) zu Töpfen umgeformt. Bei beiden ließ sich die Bildung von Pickeln mit 0,1 mm Höhe im Bereich, der einer Streckung unterliegt, nur vermeiden, indem dieser Flä­ chenanteil vorher mit Hilfe der Tiefziehpresse platt zusammen­ gedrückt wurde. Um das Durchdrücken der Noppen durch den Ober­ gurt für Außenhautteile zu vermeiden, schlägt die Erfindung vor, den Obergurt aus einer höherfesten Stahlqualität zu ferti­ gen, oder ihn dicker als den Untergurt zu wählen sowie die Flächenbereiche, die einen kleinen Krümmungsradius als fertiges Bauteil aufweisen, schon bei der Herstellung der Platinen­ schnitte platt zu drücken. Diese Bereiche weisen schon durch ihre spätere Form eine hohe Steifigkeit auf, so daß der Verlust des hohen Flächenträgheitsmomentes keine Rolle spielt.

Auf Basis der Ergebnisse der Schweißversuche wurde nun weiter­ hin gefunden, daß sich das Schweißverfahren zum Doppellagen­ blechschweißen verbessern läßt. Mit einer Mittelfrequenz-Strom­ versorgung läßt sich die Pulsdauer (Schweißzeit) optimieren, mit Hilfe einer Anordnung der Schweißelektroden in Form von Walzen, die in Bezug auf den Stromfluß in Reihe geschaltet werden, kann mit erhöhter Spannung gearbeitet werden. Auf diese Weise gelingt die Schweißung in einer Fertigungslinie von den Coils des Ober- und Untergurtes und es wird ein coilfähiges Produkt erhalten.

Auch die Noppenprägung kann mit Hilfe eines Walzengerüstes durchgeführt werden.

Die platt gedrückten Bereiche des Doppellagenbleches lassen sich mit dem Stand der Technik zu "Tailored Blanks" mit Vollma­ terialblechen stumpf (Laser) oder im Überlappstoß (Quetschnaht) verschweißen.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand von Zeichnungen erläu­ tert.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Ausbildung des Doppellagen­ bleches, in Fig. 1a ist der hier gefundene Fall dargestellt, bei dem die Fläche (F), die durch den Durchmesser (⌀) gebildet wird, mittig eine Schweißperle aufweist, Fig. 1b zeigt die erfindungsgemäße Ausführung in Form von nicht verschweißten Stütznoppen mit einem steileren Flankenwinkel α.

Fig. 2 zeigt Schliffbilder geschweißter Noppen entsprechend den Ausführungsbeispielen, wobei zu Versuch 1 die Schweißperle nicht vom Schliff getroffen worden ist, die Wärmeeinwirkung aber zur Bildung von (F) geführt hat.

Fig. 3 zeigt schematisch die Noppenspitzen-Formen, die eben­ falls erfindungsgemäß wenigstens in einer Dreh-Richtung ein Drehmoment (⊖ = P × X) vom Obergurt auf den Untergurt übertra­ gen können. Dabei stellen die Doppellagenblechformen der Fig. 3c-g die für Träger günstigsten Varianten dar.

Fig. 4 zeigt einen Hut-Träger als Beispiel, der vor oder bei der Umformung im Bereich der Abkantungen hergestellte platt gedrückte Flächenbereiche aufweist, sowie platt gedrückte Flächenbereiche am Hutrand als Anschweißflächen.

Die Vorteilhaftigkeit des Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt sich an Hand der Fig. 3b, 3c und 3g. Alle drei Typen lassen sich mit dem gleichen Prägewerkzeug (Präge­ walze mit eingebrachter Noppenform und weichem Gegenmaterial und glatter Gegenwalze oder mit einem Präge-Walzenpaar herstel­ len.

Claims (12)

1. Sandwichblech aus einem Ober- und einem Untergurt, von denen einer oder beide geprägte Noppen aufweist (aufwei­ sen), dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Gurtfläche herausgeprägte Flächenanteil pro Gurt kleiner gleich 30% beträgt und zwischen den Mittelachsen der mit dem jeweili­ gen Gegengurt verbundenen Noppen ein ein Drehmoment über­ tragungsfähiges Hilfsmittel angeordnet ist, wobei der Vek­ tor des Drehmomentes in einer parallelen Ebene zur Gurt­ ebene liegt.

2. Sandwichblech nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient des Abstandes (1) der Noppen, die mit dem Ge­ gengurt verschweißt oder gelötet sind, zur im eingebauten Zustand vom Blech überspannten Länge (L) größer gleich beträgt, mit ΔS als der dünnsten Blechdicke von beiden Gurten und C als dem Abstand von der Mitte des dünnsten Gurtes zur neutralen Faser des Flächenträgheitsmomentes beider Gurte

• - und im Bereich von (1) zwischen den Noppenmitten ein ein Drehmoment übertragendes Mittel angeordnet ist,
• - und die Noppen einen ringförmigen Querschnitt nach Art eines Kegelstumpfes aufweisen.

3. Sandwich nach Anspruch (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment übertragende Mittel von einer Auflagefläche (F) mit dem Durchmesser (⌀) des geschweißten Noppens neben der Schweißstelle gebildet wird mit ⌀ Θ 5 × ΔS oder von einem Ring mit ⌀ 5 × ΔS.

4. Sandwich nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Drehmoment übertragende Mittel mit Hilfe von unverschweißten Noppen gebildet wird.

5. Sandwich nach Anspruch (4), dadurch gekennzeichnet, daß die unverschweißten Noppen einen Flanken­ winkel (α) von 55° + 10° aufweisen.

6. Sandwichblech nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die geschweißten Noppen einen Flanken­ winkel (α) von 45° + 10° aufweisen.

7. Sandwichblech nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung im sichtbaren Außenhaut­ bereich der glatte Gurt (10-30%) dicker ist, und/oder aus einer höherfesten Stahlqualität besteht als der Noppengurt; bei Verwendung im nicht sichtbaren Fahrzeugbereich ist der Noppengurt 10-30% dicker als der glatte Obergurt, oder beide Gurte weisen Noppen auf und bestehen aus gleich dickem Material gleicher Stahlqualität.

8. Verfahren zum Verschweißen des Sandwiches, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schweißelektroden weg- oder kraftbegrenzt die Gurte teilweise zusammendrücken, wobei gleichzeitig die Anlagefläche oder die Ringschweißung nach Anspruch (3) ge­ bildet wird.

9. Verfahren zum Verschweißen oder Löten des Sandwiches als Band, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus mehr als zwei, z. B. aus drei Rollen bestehen, einer Stromzu­ fuhrrolle mit etwa halber Bandbreite, einer Gegenrolle mit voller Bandbreite und einer Stromabfuhrrolle mit etwa hal­ ber Bandbreite.

10. Verfahren zum Umformen von Platinen aus dem Sandwichmate­ rial, dadurch gekennzeichnet, daß die Noppen der Flächenbe­ reiche, die im umgeformten zustand einen kleineren Krüm­ mungsradius als 50 mm aufweisen, beim Zuschneiden der Pla­ tinen oder vor der Umformung plattgedrückt werden.

11. Verfahren zum Prägen der Noppen, dadurch gekennzeichnet, daß der Gurt in Form eines Bandes über eine Rolle geführt wird, die die Form der Noppen aufweist, und mit Hilfe einer Gegenrolle und weichem, elastischem Material zwischen Ge­ genrolle und dem Band geprägt wird.

12. Sandwich nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es mit einem oder mehreren Blech(en) aus Vollmaterial verschweißt ist nach Art der tailored blanks.