DE102011118285A1

DE102011118285A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kraftwagenbauteils und Kraftwagenbauteil

Info

Publication number: DE102011118285A1
Application number: DE102011118285A
Authority: DE
Inventors: Konrad Eipper
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2012-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftwagenbauteils (13) zur gezielten Absorption von kinetischer Energie bzw. zur gezielten Steuerung des Verformungsverhaltens im Falle eines Crashs, umfassend folgende Schritte: Formgebung einer Aluminium-Legierung zu einem Halbzeug (2), das Bestandteil des Kraftwagenbauteils (13) wird, wobei das Halbzeug (2) und/oder das Kraftwagenbauteil (13) einer lokalen Wärmebehandlung zur Steigerung der Duktilität in jeweiligen Wärmebehandlungszonen (20) unterzogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftwagenbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Kraftwagenbauteil zur gezielten Absorption von kinetischer Energie bzw. zur gezielten Steuerung des Verformungsverhaltens im Falle eines Crashs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Im Kraftwagenbau ist es zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches und somit zur Reduzierung des CO₂-Ausstoßes stets ein Anliegen, das Gewicht des Kraftfahrzeuges an sich zu reduzieren. Hierbei soll die Fahrzeugkarosserie bei verbesserter Crash-Stabilität ein niedrigeres Gewicht aufweisen. Üblicherweise werden hierbei Stahlbauteile häufig durch Aluminium- oder Magnesiumbauteile substituiert. insbesondere in den Bereichen, in denen zur Verbesserung der Crash-Stabilität hohe kinetische Energien absorbiert oder Verformungen gezielt gesteuert werden müssen, wäre es wünschenswert, ebenfalls die leichten Aluminiumwerkstoffe anzuwenden. Hierbei sollen die Leichtmetallwerkstoffe, insbesondere der Aluminiumwerkstoff, eine hohe Festigkeit aufweisen und dennoch genügend duktil sein, um in vorteilhafter Weise kinetische Energie durch Deformation zu absorbieren.
Hochfeste Aluminiumlegierungen weisen aber in der Regel nicht die nötige Duktilität auf, um in crashrelevanten Kraftwagenbauteilen, also Bauteilen, die dazu bestimmt sind, im Crashfall einen großen Anteil der auftretenden kinetischen Energie, insbesondere durch gezielte Deformation zu absorbieren, eingesetzt werden zu können.
In der DE 197 43 802 C2 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlformbauteils vorgeschlagen, das durch unterschiedliche Wärmebehandlungen in bestimmten Bereichen unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweist. Hierbei handelt es sich jedoch um ein Stahlbauteil, welches ein vergleichsweise hohes spezifisches Gewicht aufweist und somit nicht zur Gewichtsreduktion der Karosserie beiträgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftwagenbauteils bereitzustellen, das es ermöglicht, das Gewicht der Fahrzeugkarosserie zu reduzieren und dabei eine mindestens gleichwertige Aufnahme von kinetischer Crash-Energie zu gewährleisten. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein Kraftwagenbauteil bereitzustellen, das ebenfalls die Crash-Energie gleichwertig absorbiert und dabei das Gewicht der Karosserie reduziert.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Herstellung eines Kraftwagenbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einem Kraftwagenbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Kraftwagenbauteils umfasst folgende Schritte: Zunächst wird eine Aluminiumlegierung zu einem Halbzeug geformt, welches im Weiteren das Kraftwagenbauteil ergibt. Hierbei kann es durchaus möglich sein, dass das Halbzeug bereits soweit ausgebildet ist, dass es das gesamte Kraftwagenbauteil darstellt. In der Regel werden jedoch mehrere Halbzeuge, beispielsweise durch Schweißverbindungen, zu einem gesamten Kraftwagenbauteil zusammengefügt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Halbzeug und/oder das Kraftwagenbauteil an lokalen Wärmebehandlungszonen einer lokalen Wärmebehandlung zur Steigerung der Duktilität in den lokalen Wärmebehandlungszonen unterzogen werden. Unter Duktilität wird die Eigenschaft eines Werkstoffes verstanden, sich bei Überlastung stark plastisch zu verformen. Das Gegenteil hiervon ist ein sprödes, spontanes Bruchverhalten.
Das Kraftwagenbauteil bzw. das Halbzeug wird somit an bestimmten Stellen einer Wärmebehandlung unterzogen, die so ausgestaltet ist, dass auch eine hochfeste Aluminiumlegierung an dieser Stelle nach der Wärmebehandlung eine höhere Duktilität aufweist als andere Bereiche dieses Bauteils. Durch die gezielte Wärmebehandlung wird somit die Duktilität in den Wärmebehandlungszonen erhöht. Hierdurch wird genau an diesen Wärmebehandlungszonen mit der höheren Duktilität ein Anfaltverhalten im Crashfall verbessert. Ähnlich einer Sollbruchstelle wird an diesen Wärmebehandlungszonen das Bauteil im Falle eines Crashs als erstes einknicken (plastische Verformung) und somit den Faltprozess, der besonders energieabsorbierend ist, einleiten. Diese Wärmbehandlungszonen können gezielt an verschiedenen Stellen des Kraftwagenbauteils eingefügt werden. Hierzu werden die Berechnungswerte aus einer Computersimulation herangezogen, die veranschaulichen können, an welcher Stelle am geeignetsten die Deformation des Kraftwagenbauteils beginnen muss, um ein höchstes Maß an Energie im Crashfall zu absorbieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung wird die lokale Wärmebehandlung durch eine Induktionswärmebehandlung vorgenommen. Die Induktionsspulen lassen sich leicht um das Werkzeug herum anordnen und sie können entlang einer Bauteilachse gezielt bewegt werden. Weiterhin sind sie relativ flexibel ab- und aufbaubar. Grundsätzlich können jedoch auch Laser bzw. Gasbrenner zur lokalen Wärmebehandlung eingesetzt werden.
Eine besonders hochfeste Aluminiumlegierung ist eine Aluminium-Magnesium-Zinklegierung. Insbesondere werden hierbei die so genannten 7000er Legierungen angewandt. Diese Legierungen sind hochfest aushärtbar, können jedoch durch eine gezielte Wärmebehandlung eine erhöhte Duktilität erhalten.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung wird die lokale Wärmbehandlung während eines Rollformprozesses oder eines Strangpressprozesses während der Herstellung des Halbzeuges durchgeführt. Das Rollformen, das auch als Walzprofilieren bzw. Kaltwalzen bezeichnet wird, ist ein kontinuierliches Biegeverfahren, bei dem Bandmaterial als Blech von einer Anzahl von Walzenpaaren schrittweise zum gewünschten Endquerschnitt umgeformt wird. Es ist ein besonders kostengünstiges Fertigungsverfahren, wenn große Längen oder größere Mengen hergestellt werden sollen. Dabei ist die Profilform beliebig, es können einfache und komplizierte Querschnitte auf diese Weise hergestellt werden. Beim Strangpressprozess handelt es sich um einen Prozess, bei welchem eine Knetlegierung durch eine Matrize gepresst wird, wobei ein Profil mit einem gleichmäßigen Querschnitt erzeugt wird.
Während dieser beiden Prozesse kann es zweckmäßig sein, dass die gezielte Wärmebehandlung zur Steigerung der Duktilität in den Wärmebehandlungszonen des späteren Bauteils vorgenommen wird. Grundsätzlich kann es aber auch zweckmäßig sein, in einem zusammengebauten Bauteil nachträglich eine Wärmebehandlung vorzunehmen.
Bei der Integration des lokalen Wärmebehandlungsprozesses in den Rollformprozess oder in den Strangpressprozess ergibt sich die Möglichkeit, die Induktoren, die zur Einbringung der Wärmeenergie erforderlich sind, in einem Werkzeug, insbesondere in einem Umformwerkzeug, zu integrieren. Hierbei ist es zweckmäßig, die Induktoren in dem Umformwerkzeug in ein keramisches Material einzubetten, so dass es zu keinem Kurzschluss zwischen den Induktoren und dem Werkzeugmaterial kommt.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Kraftwagenbauteil zur gezielten Absorption von kinetischer Crash-Energie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Dieses Kraftwagenbauteil besteht hierbei zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung. Es zeichnet sich dadurch aus, dass es lokale Wärmebehandlungszonen aufweist, die gegenüber anderen Bauteilbereichen eine höhere Duktilität aufweisen. Die Vorteile eines derartigen Bauteiles wurden bereits zur Erläuterung des Patentanspruchs 1 beschrieben.
Ein derartiges Bauteil ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Aluminiumlegierung eine Aluminium-Magnesium-Zinklegierung, insbesondere eine 7xxx bzw. eine 7000er Legierung ist, die an sich eine sehr hohe Festigkeit aufweist.
Grundsätzlich kann die Wärmebehandlungszone auch die Wärmeeinflusszone einer Schweißnaht sein, die gegenüber den anderen Bauteilbereichen eine höhere Duktilität aufweist. Hierbei kann es zweckmäßig sein, gezielt an den Bereichen, an denen der Anfaltprozess des Bauteiles im Crashfall vonstatten gehen soll, eine zusätzliche Schweißnaht einzuführen. Hierdurch wird das Crashverhalten speziell getriggert, das heißt, es wird gezielt die Deformation des Kraftwagenbauteils ausgelöst. Gezielt eingebrachte Schweißnähte und die dadurch indirekt erzeugten Wärmebehandlungszonen können somit zur lokalen Duktilitätserhöhung und zur gezielten Beeinflussung des Crashverhaltens eines Kraftwagenbauteils beitragen.
Insbesondere die Längsträger, die Querträger oder die Crashboxen in der Fahrzeugkarosserie (die Crashbox wird üblicherweise an die Fahrzeugkarosserie angeschraubt, sie soll in diesem Fall aber auch als Bestandteil der Karosserie angesehen werden) eignen sich als Bauteile, die durch eine hochfeste Aluminiumlegierung dargestellt werden und die gezielt Energie im Crashfall absorbieren müssen. Diese Bauteile lassen sich auch in zweckmäßiger Weise durch ein Rollformverfahren oder durch ein Strangpressverfahren darstellen.
Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Rollformprozesses zur Herstellung eines Halbzeuges; und
2 eine schematische Darstellung einer Crashbox mit lokalen Wärmebehandlungszonen.
Im Folgenden soll beispielhaft an Hand von 1 ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftwagenbauteils 13 bzw. eines Halbzeuges 2 mittels eines angewandten Rollformprozesses beschrieben werden. Aus dem Halbzeug 2 soll dann in einem weiteren Verfahrensschritt das Kraftwagenbauteil 13 hergestellt werden. Hierbei wird ein Blech 4 aus einer Aluminium-Magnesium-Zinklegierung der 7000er Reihe von einem Coil 6 abgerollt und in einen Rollformprozess eingeleitet. Es wirken verschiedene Rollenwerkzeuge 8 so auf das Blech 4 ein, dass ein Endlosprofil 14 entsteht. Das Endlosprofil 14 wird nach einer vorgegebenen Länge zu den Halbzeugen 2 vereinzelt, beispielsweise abgeschnitten. Während des Formgebungsverfahrens des Halbzeugs 2 wird das Endlosprofil 14 in regelmäßigen Abständen durch Induktoren 16, die gegebenenfalls in ein Werkzeug 18 integriert sind, über eine genau vorgegebene Länge und bei einer genau vorgegebenen Temperatur einer Wärmebehandlung unterzogen. Hierdurch entsteht im Endlosprofil 14 bzw. im vereinzelten Halbzeug 2 eine Wärmebehandlungszone 20. Die Wärmebehandlung erfolgt üblicherweise beispielsweise über eine Zeitdauer von etwa 30 Sekunden, sie kann zwischen 10 Sekunden und 30 Minuten betragen. Die Temperaturen der Wärmebehandlung liegen dabei in einem Bereich, der unterhalb des Schmelzpunktes der Aluminiumlegierung liegt.
Nach dem Vereinzeln, also dem Abschneiden bzw. Absägen von dem Endlosprofil 14 mittels eines Schneidewerkzeuges 22 werden Halbzeuge 2 in Form von Crashprofilen 10 hergestellt. Dieses Crashprofil 10 wird dann auf einen Befestigungsflansch 12 geschweißt, wodurch ein Kraftwagenbauteil in Form einer Crashbox 13 entsteht. Die Crashbox 13 wird mit dem Befestigungsflansch 12 an einer hier nicht dargestellten Fahrzeugkarosserie befestigt. Die Wärmebehandlungszone 20 ist exemplarisch im vorderen und mittleren – dem Flansch abgewandten – Bereiche angebracht, diese Bereich werden zuerst deformiert und es wird über sie ein sogenannter Anfaltprozess eingeleitet.
Bei komplexeren Bauteilen kann es zweckmäßig sein, gezielt Schweißnähte 24 einzubringen, die durch ihre Wärmeeinflusszonen die gleiche Wirkung wie die beschriebenen Wärmebehandlungszonen 20 haben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19743802 C2 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kraftwagenbauteils (13) zur gezielten Absorption von kinetischer Energie bzw. zur gezielten Steuerung des Verformungsverhaltens im Falle eines Crashs, umfassend die Formgebung einer Aluminium-Legierung zu einem Halbzeug (2), das Bestandteil des Kraftwagenbauteils (13) wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (2) und/oder das Kraftwagenbauteil (13) einer lokalen Wärmebehandlung zur Steigerung der Duktilität in jeweiligen Wärmebehandlungszonen (20) unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Wärmebehandlung durch eine Induktionswärmebehandlung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwagenbauteil (13) aus einer Aluminium-Magnesium-Zink-Legierung, insbesondere aus einer 7xxx-Legierung, gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Wärmebehandlung während eines Rollformprozesses oder Strangpressprozesses zur Herstellung des Halbzeuges (2) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Wärmebehandlung mittels in einem Werkzeug (18) integrierter Induktoren (16) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktoren (16) im Werkzeug in ein keramisches Material eingebettet werden.
Kraftwagenbauteil (13) zur gezielten Absorption von kinetischer Energie bzw. zur gezielten Steuerung des Verformungsverhaltens im Falle eines Crashs, das zumindest teilweise aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwagenbauteil (13) lokale Wärmebehandlungszonen (20) aufweist, die gegenüber anderen Bauteilbereichen eine höhere Duktilität aufweisen.
Kraftwagenbauteil (13) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung eine Aluminium-Magnesium-Zink-Legierung, insbesondere eine 7xxx-Legierung, ist.
Kraftwagenbauteil (13) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwagenbauteil (13) eine Schweißnaht (24) aufweist, wobei die Wärmebehandlungszone (20) mit der höheren Duktilität in Form einer Wärmeeinflusszone der Schweißnaht dargestellt ist.
Kraftwagenbauteil (13) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftwagenbauteil (13) ein Längsträger, ein Querträger oder eine Crashbox (13) ist.