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WO2005075279A1 - Bautell mit einem verbindungsbereich, sowie verfahren und werkzeug zu seiner herstellung - Google Patents

Bautell mit einem verbindungsbereich, sowie verfahren und werkzeug zu seiner herstellung Download PDF

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WO2005075279A1
WO2005075279A1 PCT/EP2005/001019 EP2005001019W WO2005075279A1 WO 2005075279 A1 WO2005075279 A1 WO 2005075279A1 EP 2005001019 W EP2005001019 W EP 2005001019W WO 2005075279 A1 WO2005075279 A1 WO 2005075279A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
component
tool
area
forming
bulge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2005/001019
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Dreher
Andrea Gackenheimer
Guenther Schoenle
Timo Wieland
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of WO2005075279A1 publication Critical patent/WO2005075279A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B23K11/34—Preliminary treatment
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article

Definitions

  • the invention relates to a connection area on a component which is provided for joining this component to at least one further component made of sheet metal using a thermal joining method, in particular spot welding.
  • structural parts made of sheet metal can be designed as composite components;
  • Such a composite component comprises a base plate which is provided with locally limited reinforcement plates in highly stressed areas. In this way, the entire structural component does not have to be produced from a thicker sheet, but the higher sheet thickness is provided only for the areas to be reinforced.
  • a patchwork component is known for example from DE 43 07 563 AI.
  • the structural component can be produced from a Taylored blank, that is to say a circuit board which is assembled from several sheet metal sections of different material thickness.
  • a flexibly rolled sheet can be used as a semifinished product for the production of the structural component, the distance between rolls being varied during its production. is while the sheet is transported through the space between the rollers; this produces a circuit board which has at least two surface sections with different material thicknesses.
  • Such a flexibly rolled circuit board can also be used as a locally limited reinforcing plate for a composite component, as described, for example, in (unpublished patent application 103 53 479.2-14).
  • the structural component can be produced from a thermoformable sheet using a hot-forming process; Particularly high strengths of the component can be achieved if a heat-increasing heat treatment is carried out in the course of hot forming.
  • the production of a hot-formed structural component from a locally reinforced board is described for example in DE 100 49 660 AI.
  • DE 196 53 543 AI it is known from DE 196 53 543 AI to locally heat treat a circuit board in such a way that regions of different material expansion coefficients are generated; in a subsequent forming process, this leads to areas of different material thickness on the finished component.
  • a common feature of the described embodiments of weight-optimized structural components is that the material thickness of the component varies across the component, so that there is a higher material thickness in highly stressed areas than in less stressed areas.
  • the individual structural components made of sheet metal are joined with the aid of spot welding in order to produce a bodyshell.
  • the invention is therefore based on the object of proposing an alternative design for the connection region of a plurality of individual components to be joined, in which it is ensured that the individual components can be connected reliably with the aid of a thermal joining method, in particular spot welding. Furthermore, a method and a device for generating such a connection area are to be proposed.
  • the object is achieved by the features of claims 1, 3 and 9.
  • the material thickness of at least one of the individual components to be connected is then locally reduced in the connection area by providing the component with a locally limited indentation. If the components are to be connected using spot welding, the depth of this impression is selected so that the total material thickness of the component stack to be connected does not exceed 3 mm in the joining area.
  • the invention makes it possible to join components whose material thickness has been locally increased in accordance with the load, even in the area of this increased material thickness, using the conventional thermal joining methods, in particular spot welding.
  • the invention also makes it possible to reliably connect two sheets with very different material thicknesses with the aid of a thermal joining process by locally reducing the sheet thickness of the thicker sheet in the joining area and thus approximating the sheet thickness of the thinner sheet.
  • the invention is particularly applicable to metallic sheet metal components, the three-dimensional shape of which was generated by means of a cold forming process, for example deep drawing.
  • the impression in the connection area can be produced, for example, in the course of the three-dimensional shaping of the component.
  • the upper or lower tool is provided with a bulge at the point corresponding to the connection area, which protrudes into the metal sheet when the forming tool is closed - ie when the component contour is being shaped - and forces the component material out of this area. Since the pressures necessary for such macroscopic material displacement are very high, it may be advantageous to separate this indentation only after the three-dimensional component contour has been generated in a separate one Generate process step (ie preferably with a separate tool).
  • the pressures required to displace the component material from the connection area can be reduced if the embossments are provided on the component edge, so that the material displaced from the embossing area can be pushed out beyond the component edge.
  • the three-dimensional component shape is advantageously first completely shaped and the component is trimmed before the embossing is produced.
  • connection area is located in a zone of the component remote from the edge, the material displaced from the embossing area cannot escape over the component edge.
  • a flat bead is formed which is adjacent to the embossing.
  • the strength of the tool in the region of the bulge is advantageously increased locally. This can be done, for example, by laser hardening.
  • the tool can be provided with a ceramic insert (or an insert made of another suitable hard material) in the region of the bulge.
  • the forces or pressures required to generate the impression in the connection area can be reduced if the area of the impression and its surroundings are locally heated before the actual stamping process.
  • the embossing process is advantageously carried out at a temperature which has already started to soften the component materials.
  • the local heating of the component required for this can take place, for example, by induction heating.
  • the invention can also be used in components made of a hot-formable steel sheet, the three-dimensional component contours of which are produced by means of a hot-forming process (“press hardening”).
  • a hot-forming process pressing hardening
  • the blank from which the component is formed is first heated to a temperature above such a structural transformation temperature of the material - usually a certain temperature within the temperature range between 850 ° C and 930 ° C - above which the material structure is in the austenitic state.
  • the blank is then placed in the hot forming tool and formed and heat-treated in it - targeted cooling can be used to adjust the (local) material strength.
  • the board material is much softer when heated than at room temperature, it can be stamped in the same step as the molding g of the three-dimensional component contour.
  • the bulges on one of the tool halves required to produce the impressions are advantageously part of the hot-forming tool, so that - in contrast to cold-forming - no further separate process step is required for producing the impressions.
  • the bulges of the tool advantageously have a round or oval outer contour and a size of 10-20 mm.
  • impressions can be produced which, on the one hand, are adapted in terms of their shape to the geometry of the spot welding guns, but on the other hand have such a small lateral extension that they can only be neglected. significant effects on the strength and stiffness of the component to be produced.
  • the bulge can have a rectangular outer contour. The corners or edges of the bulge are advantageously rounded in order to minimize weakening of the component due to notching.
  • Figure la is a perspective view of a B-pillar for a motor vehicle with local impressions.
  • Figure 1b shows an assembly of the B-pillar of Figure la with a reinforcing member in a sectional view along the line Ib - Ib of Figure la.
  • FIG. 2a shows a half of a hot-forming tool for producing the B-pillar of FIG. 1a;
  • FIG. 2b shows a detail of the hot-forming tool half of FIG. 2a in a detailed illustration
  • Fig. 3 is a schematic sectional view through a hot forming tool according to the line III - III in Figure 2a ... Fig. 3a ... with the tool open Fig. 3b ... with the tool closed
  • Fig. 4 shows a section of a tool with different forms of characteristics.
  • FIG. 1 a shows a molded component 1, in the present case a B-pillar 2 for a motor vehicle, which was produced from a sheet steel plate by a hot-forming process.
  • a patched composite sheet was used as the semi-finished product 3 with a base plate which was provided locally with a reinforcing sheet.
  • This The design of the semi-finished product 3 has the result that the material thickness 4,4 'of the fully formed B-pillar 2 varies over the length of the B-pillar 2, so that the B-pillar 2 in the upper and lower transition area 5,6 has a lower material thickness 4 ', while the material thickness 4 is increased in a central region 7 lying between the transition regions 5, 6 in accordance with the stress. Details regarding the production of a composite sheet as a semifinished product 3 and its hot forming to produce such a B-pillar 2 are described in DE 100 49 660 AI, the content of which is hereby incorporated into the present application.
  • the B-pillar 2 of FIG. 1 a has connection areas 9 in which the B-pillar 2 is to be joined with further components 10.
  • Figure Ib shows a sectional view of a section of the B-pillar 2 of Figure la in the assembled position with the other component 10.
  • the total thickness 11 'of the sheets 2,10 lying on top of one another is sufficiently small (ie ⁇ 3 mm) that the two sheets 2, 10 can be joined together by means of spot welding.
  • the total thickness 11 of the sheets 2, 10 lying on top of one another is too large (ie> 3.5 mm), so that no reliable spot welding of the two sheets 2, 10 is possible in this area 7.
  • the B-pillar 2 is provided according to the invention with locally limited impressions 12, so that the material thickness 4 ′′ of the B-pillar 2 is locally reduced in this part of the connecting area 9.
  • the total thickness 11 ′′ of the two sheets 2, 10 lying on top of one another is sufficiently small in the region of these impressions 12 (ie ⁇ 3 mm), so that the two sheets 2, 10 are process-reliable at the location of these impressions 12 using spot welding can be added.
  • the impressions 12 are designed in such a way that the material thickness 4 ′′ is approximately constant across the impression 12.
  • FIG. 2a shows a tool half 13 of a hot-forming tool 14 for producing the B-pillar 2 in FIG.
  • the border 8 of the B-pillar 2 produced with this tool 14 is indicated in FIG. 2a by a dash-dotted line.
  • the tool half 13 is provided with local bulges 15 at the corresponding points, which are shown in a detailed view in FIG. 2b.
  • FIGS. 3a and 3b The effect of the local bulges 15 of the tool half 13 on the semifinished product 3 is shown in a detailed illustration in FIGS. 3a and 3b:
  • the semifinished product 3, from which the B-pillar 2 is to be formed, is inserted into the open hot-forming tool 14 (FIG 3a).
  • the hot-forming tool 14 is closed (FIG. 3b)
  • the three-dimensional shape of the B-pillar 2 is shaped or deformed, since when the tool 14 is closed, the clear distance 16 between the two tool halves 13, 13 'in the region of the bulges 15 is less than that Original sheet thickness 4 in this area is displaced locally by the bulges 15 when the tool 14 is closed, which results in the permanent impressions 12 on the sheet 3.
  • the size and shape of the embossments 12 therefore largely correspond to the size and shape of the bulges 15 on the tool part 13.
  • the bulges 15 on the tool part 13 are advantageously adapted in terms of their shape and size to the joining method, with the aid of which the finished component 2 in a subsequent step are to be connected to the further component 10.
  • the bulges 15 can in particular be round or oval (see FIG. 4) or have any other shape.
  • the edges 17 of the bulges 15 are expediently rounded in order to ensure a continuous change in the material thickness 4.4 ′′ in the edge region 17 and to avoid local weakening of the component 1 due to sharp edges.
  • the tool part 13 causes a local material displacement on the component 1 in the area of the bulges 15, these areas 15 of the tool half 13 (and the opposite tool half 13 ') are exposed to particularly high loads.
  • the impressions 12 of the B-pillar 2 spatially overlap with the component edges 8.
  • This has the advantage that the material (excess), which is forced out of these areas 12 in the course of the introduction of the impressions 12, is free can escape beyond the component boundary 8.
  • the use of the method described in (patent application 102 54 695.9-14) is recommended, in which a component blank 3 is first formed from the (unhardened) semi-finished product by a cold-forming process, which is then corresponding to the Boundary contour 8 is trimmed.
  • This component blank 3 is then heated and in a hot forming Tool 14 is press-hardened, the final three-dimensional shape of the B-pillar 2 being produced and the local embossments 12 being introduced at selected points in the connection areas 9.
  • indentations 12 can also be provided in regions of the component 1 remote from the edge (corresponding to connection regions 9 in regions of the component 1 remote from the edge). In this case, it must be ensured that the excess material that is forced out of the area of the bulges 15 when the hot-forming tool 14 is closed can be absorbed in a targeted manner.
  • the tool half 13 can be provided in the immediate vicinity of the bulges 15 with recesses 18 into which the excess material can flow. Examples for the design of such recesses 18 are shown in FIG. 4 and (dashed) in FIGS. 3a and 3b. These cutouts 18 are advantageously designed in such a way that they surround the bulges 15 in an annular manner, at least in sections; this ensures a uniform flow of material in all directions.
  • the local impressions 12 were introduced into the component 1 in the course of a hot forming process.
  • the impressions 12 can also be pressed into the component 1 by a cold forming process.
  • connection areas 9 in accordance with the invention, in which local impressions 12 are provided, is also particularly suitable for components 1 which are to be connected by means of laser welding. It is known that during laser welding, the material thicknesses of the sheets 1, 10 to be welded must be precisely matched to one another in order to avoid burning through in the joining area.
  • the invention permits simple mutual adaptation of the local material thicknesses of the components 1, 10 to be connected in the connection areas 9.
  • impressions according to the invention can also be applied to sheet metal components made of any light metal alloys (for example aluminum) and other metals and alloys.
  • the invention is preferably used in structural and cladding components in vehicle construction, for example in the case of A and B pillars, longitudinal, transverse and integral beams, vehicle roofs etc.
  • the invention can, however, also be applied to a wide range of other components which can be used with the aid of a thermal joining process, in particular with the aid of spot welding, to be connected to other components.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (1,2) aus einem Metall­blech, welches in einem Verbindungsbereich (9) mit mindestens einem weiteren Bauteil (10) aus Metallblech gefügt werden soll. Um ein prozesssicheres Fügen der beiden Bauteile (1,2,10) sicherzustellen, ist eines dieser Bauteile (1,2) im Verbindungsbereich (9) mit einer lokal begrenzten Einprägung (12) versehen, im Bereich derer die Materialstärke (4") des Bauteils (1,2) lokal reduziert ist. Die Einprägung kann im Zuge eines Kalt- oder eines Warmumformverfahrens in das Bau­teil (1,2) eingebracht werden.

Description

DaimlerChrysler AG
BAUTEIL MIT EINEM VERBINDUNGSBEREICH, SOWIE VERFAHREN UND WERKZEUG ZU SEINER HERSTELLUNG
Die Erfindung betrifft einen Verbindungsbereich auf einem Bauteil, welcher zum Fügen dieses Bauteils mit mindestens einem weiteren Bauteil aus Metallblech unter Verwendung eines thermischen Fügeverfahrens, insbesondere des Punktschweißens, vorgesehen ist .
Im Zuge von Gewichtseinsparungen an Kraftfahrzeugkarosserien ist es bekannt, Strukturteile von Karosserien den lokalen Beanspruchungen entsprechend zu gestalten und zu optimieren. Um Gewichtsreduktionen zu erreichen, können aus Blech bestehende Strukturteile als Verbundbauteile ausgestaltet werden; ein solches Verbundbauteil umfasst ein Basisblech, das in hochbeanspruchten Bereichen mit lokal begrenzten Verstärkungsblechen versehen wird. Auf diese Weise braucht nicht das gesamte Strukturbauteil aus einem dickeren Blech hergestellt zu werden, sondern die höhere Blechdicke wird nur den zu verstärkenden Bereichen vorgesehen. Ein solches Patchwork-Bauteil ist beispielsweise aus der DE 43 07 563 AI bekannt.
Alternativ kann das Strukturbauteil aus einem Taylored Blank hergestellt werden, d.h. einer Platine, die aus mehreren Blechabschnitten unterschiedlicher Materialstärke zusammengefügt ist. Weiterhin kann als Halbzeug zur Herstellung des Strukturbauteils ein flexibel gewalztes Blech verwendet werden, bei dessen Erzeugung der Abstand zwischen Walzen vari- iert wird, während das Blech durch den Zwischenraum zwischen den Walzen transportiert wird; hierdurch wird eine Platine hergestellt, die mindestens zwei Flächenabschnitte mit unterschiedlichen Materialstärken aufweist. Eine solche flexibel gewalzten Platine kann auch - wie beispielsweise in der (unveröffentlichten Patentanmeldung 103 53 479.2-14) beschrieben - als lokal begrenztes Verstärkungsblech für ein Verbundbauteil verwendet werden.
Zur Herstellung des Strukturbauteils können Kaltumformverfahren, insbesondere das Tiefziehen, zum Einsatz kommen. Alternativ kann das Strukturbauteil unter Verwendung eines Warmumformverfahrens aus einem warmverformbaren Blech hergestellt werden; besonders hohe Festigkeiten des Bauteils können erreicht werden, wenn im Zuge der Warmumformung einer festig- keitserhöhende Wärmebehandlung erfolgt . Die Herstellung eines warmumgeformten Strukturbauteils aus einer lokal verstärkten Platine ist beispielsweise in der DE 100 49 660 AI beschrieben. - Weiterhin ist aus der DE 196 53 543 AI bekannt, eine Platine in einer solchen Weise lokal wärmezubehandeln, dass Bereiche unterschiedlicher Werkstoffdehnungskoeffizienten erzeugt werden; dies führt bei einem nachfolgenden Umformvorgang zu Bereichen unterschiedlicher Materialstärke auf dem fertigen Bauteil.
Den beschriebenen Ausführungsformen gewichtsoptimierter Strukturbauteile ist gemeinsam, dass die Materialstärke des Bauteils über das Bauteil hinweg variiert, so dass in hochbeanspruchten Bereichen eine höhere Materialstärke vorliegt als in weniger belasteten.
Zur Erzeugung einer Rohbaukarosserie werden die einzelnen Strukturbauteile aus Metallblech mit Hilfe des Punktschweißens gefügt. Dabei werden jeweils zwei oder mehr Einzelbau- teile mit einem einzelnen Schweißpunkt verschweißt; Voraussetzung für ein gutes Fügeergebnis ist allerdings, dass im Fügebereich die gesamte Materialstärke der aufeinanderliegen- den, zu fügenden Blechteile eine Dicke von 3 mm nicht wesentlich übersteigt. Wenn nun die (lokale) Materialstärke eines oder mehrerer der zu fügenden Einzelbauteile in einer solchen Weise beanspruchungsgerecht erhöht ist, dass der Stapel der aufeinander!iegenden Bauteile im Fügebereich wesentlich dicker als 3 mm ist, so lassen sich die Einzelbauteile nicht mehr prozesssicher mit Hilfe des Punktschweißens verbinden.
Zur Lösung dieses Problems wird in der gattungsbildenden DE 100 02 617 AI vorgeschlagen, das Patchwork-Bauteil in einer solchen Weise zu gestalten, dass das Verstärkungsblech im Fügebereich eine Aussparung aufweist, so dass im Fügebereich (anstelle der erhöhten Materialstärke des Patchworks) die einfache Materialstärke des Basisblechs vorliegt. Eine solche Aussparung im Verstärkungsblech ist jedoch mit einer lokalen Schwächung des Patchwork-Bauteils verbunden, weswegen die in der DE 100 02 617 AI gezeigte Lösung in hochbelasteten Bauteilbereichen nur eingeschränkt anwendbar ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine alternative Gestaltung des Verbindungsbereiches mehrerer zu fügender Einzelbauteile vorzuschlagen, bei der gewährleistet ist, dass die Einzelbauteile prozesssicher mit Hilfe eines thermischen Fügeverfahrens, insbesondere des Punktschweißens, verbunden werden können. Weiterhin soll ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines solchen Verbindungsbereichs vorgeschlagen werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1, 3 und 9 gelöst. Danach wird im Verbindungsbereich die Materialstärke mindestens eines der zu verbindenden Einzelbauteile lokal reduziert, indem das Bauteil mit einer lokal begrenzten Einprägung versehen wird. Sollen die Bauteile mit Hilfe des Punktschweißens verbunden werden, so wird die Tiefe dieser Einprägung so gewählt, dass die Gesamt-Materialstärke des zu verbindenden Bauteilstapels im Fügebereich 3 mm nicht übersteigt .
Die Erfindung ermöglicht es, Bauteile, deren Materialstärke beanspruchungsgerecht lokal erhöht wurde, auch im Bereich dieser vergrößerten Materialstärke mit Hilfe der herkömmlichen thermischen Fügeverfahren, insbesondere des Punktschweißens, prozesssicher zu fügen. Die Erfindung ermöglicht es weiterhin, zwei Bleche mit stark unterschiedlichen Material- stärken prozesssicher mit Hilfe eines thermischen Fügeverfahrens zu verbinden, indem die Blechdicke des dickeren Blechs im Fügebereich lokal reduziert und somit der Blechdicke des dünneren Blechs angenähert wird.
Die Erfindung ist insbesondere auf metallische Blechbauteile anwendbar, deren dreidimensionale Form mittels eines Kaltumformverfahrens, z.B. des Tiefziehens, erzeugt wurde. Die Einprägung im Verbindungsbereich kann dabei beispielsweise im Zuge der dreidimensionalen Formgebung des Bauteils hergestellt werden. Hierzu ist das Ober- oder das Unterwerkzeug an der dem Verbindungsbereich entsprechenden Stelle mit einer Auswölbung versehen, die beim Schließen des Umformwerkzeugs - d.h. beim Ausformen der Bauteilkontur - in das Blech eindringt und das Bauteilmaterial aus diesem Bereich hinausdrängt. Da die für eine solche makroskopische Werkstoffverdrängung notwendigen Drücke sehr hoch sind, kann es vorteilhaft sein, diese Eindrückung erst nach Abschluss der Erzeugung der dreidimensionalen Bauteilkontur in einem separaten Prozessschritt (d.h. vorzugsweise mit einem separaten Werkzeug) zu erzeugen.
Die zur Verdrängung des Bauteilmaterials aus dem Verbindungsbereich benötigten Drücke können reduziert werden, wenn die Einprägungen am Bauteilrand vorgesehen werden, so dass das aus dem Prägebereich verdrängte Material über den Bauteilrand hinaus nach außen gedrängt werden kann. Vorteilhafterweise wird in diesem Fall zunächst die dreidimensionale Bauteilgestalt fertig ausgeformt und das Bauteil beschnitten, bevor die Einprägung erzeugt wird.
Befindet sich der Verbindungsbereich in einer randfernen Zone des Bauteils, so kann das aus dem Prägebereich verdrängte Material nicht über den Bauteilrand hinweg entweichen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Auswölbung des Werkzeugs - zumindest abschnittsweise - mit einer ringförmigen Aussparung zu umgeben, in die das verdrängte Bauteil-Material abfließen kann. In dem der Aussparung gegenüberliegenden Bereich des Bauteils entsteht so ein flacher, der Einprägung benachbarter Wulst.
Um hohe Standzeiten des Prägewerkzeugs zu erreichen, wird vorteilhafterweise die Festigkeit des Werkzeugs im Bereich der Auswölbung lokal erhöht. Dies kann beispielsweise durch Laserhärten erfolgen. Alternativ kann das Werkzeug im Bereich der Auswölbung mit einem Keramikeinsatz (oder einem Einsatz aus einem anderen geeigneten Hartwerkstoff) versehen sein.
Weiterhin können die für die Erzeugung der Einprägung im Verbindungsbereich erforderlichen Kräfte bzw. Drücke reduziert werden, wenn der Bereich der Einprägung und seine Umgebung vor dem eigentlichen Prägevorgang lokal erwärmt wird. Der Prägevorgang erfolgt vorteilhafterweise bei einer Temperatur, bei der bereits ein Erweichen des Bauteilwerkstoffe eingesetzt hat. Die hierfür notwendige lokale Erwärmung des Bauteils kann beispielsweise durch Induktionsheizung erfolgen.
Alternativ zu den bisher beschriebenen kaltumgeformten Bauteilen kann die Erfindung auch in Bauteilen aus einem warmum- formbaren Stahlblech zum Einsatz kommen, deren dreidimensionale Bauteilkonturen mit Hilfe eines Warmumformverfahrens („Presshärtens") erzeugt werden. Bei diesem Verfahren wird die Platine, aus der das Bauteil geformt wird, zunächst auf eine Temperatur oberhalb einer solchen Gefügeumwandlungstem- peratur des Werkstoffes - meist eine bestimmte Temperatur innerhalb des Temperaturbereichs zwischen 850° C und 930° C - erwärmt, oberhalb derer das Werkstoffgefüge in austenitischem Zustand vorliegt. Die Platine wird dann in das Warmumformwerkzeug eingelegt und darin umgeformt und wärmebehandelt ,- durch eine gezielte Abkühlung kann eine Einstellung der (lokalen) Werkstoffestigkeit erreicht werden. Da der Platinenwerkstoff im erwärmten Zustand wesentlich weicher ist als bei Raumtemperatur, kann die Einprägung im gleichen Arbeits- schritt erfolgen wie die Ausformung der dreidimensionalen Bauteilkontur. Die zur Herstellung der Einprägungen notwendigen Auswölbungen auf einer der Werkzeughälften sind in diesem Fall vorteilhafterweise Teil des Warmumformwerkzeugs, so dass - im Unterschied zum Kaltumformen - für das Herstellen der Einprägungen kein weiterer separater Prozessschritt vonnöten ist .
Die Auswölbungen des Werkzeugs haben vorteilhafterweise eine runde oder ovale Außenkontur und eine Größe von 10 - 20 mm. Auf diese Weise können Einprägungen erzeugt werden, die einerseits in Bezug auf ihre Form der Geometrie der Punkt- schweißzangen angepasst sind, andererseits aber eine so geringe seitliche Erstreckung haben, dass sie nur vernachläs- sigbare Auswirkungen auf die Festigkeit und die Steifigkeit des zu erzeugenden Bauteils haben. Alternativ kann die Auswölbung eine rechteckige Außenkontur haben. Die Ecken bzw. Berandungen der Auswölbung sind vorteilhafterweise verrundet, um eine Schwächung des Bauteils aufgrund von Kerbung zu minimieren.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten AusführungsbeiSpiels näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. la eine perspektivische Ansicht einer B-Säule für ein Kraftfahrzeug mit lokalen Einprägungen;
Fig. 1b einen Zusammenbau der B-Säule der Figur la mit einem Verstärkungsteil in einer Schnittansicht entlang der Linie Ib - Ib der Figur la;
Fig. 2a ein Hälfte eines Warmumform-Werkzeugs zur Herstellung der B-Säule der Figur la;
Fig. 2b einen Ausschnitt der Warmumformwerkzeughälfte der Figur 2a in einer Detaildarstellung;
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung durch ein War- mumform-Werkzeug entsprechend der Linie III - III in Figur 2a ... Fig. 3a ... bei geöffnetem Werkzeug Fig. 3b ... bei geschlossenem Werkzeug
Fig. 4 einen Ausschnitt eines Werkzeugs mit unterschiedlichen Formen von Ausprägungen.
Figur la zeigt ein Formbauteil 1, im vorliegenden Fall eine B-Säule 2 für ein Kraftfahrzeug, welches durch einen Warmum- formprozess aus einer Stahlblechplatine hergestellt wurde. Zur Herstellung dieser B-Säule 2 wurde als Halbzeug 3 ein ge- patchtes Verbundblech verwendet mit einer Basisplatine, welche lokal mit einem Verstärkungsblech versehen wurde . Diese Gestaltung des Halbzeugs 3 hat zur Folge, dass die Material- stärke 4,4' der fertig ausgeformten B-Säule 2 über die Länge der B-Säule 2 hinweg variiert, so dass die B-Säule 2 im oberen und unteren Übergangsbereich 5,6 eine geringere Material- stärke 4' aufweist, während die Materialstärke 4 in einem zwischen den Übergangsbereichen 5,6 liegenden Mittelbereich 7 beanspruchungsgerecht erhöht ist. Einzelheiten bezüglich der Herstellung eines Verbundblechs als Halbzeug 3 und seiner Warmumformung zur Erzeugung einer solchen B-Säule 2 sind in der DE 100 49 660 AI beschrieben, deren Inhalt hiermit in die vorliegende Anmeldung übernommen wird.
Entlang ihrer Ränder 8 weist die B-Säule 2 der Figur la Verbindungsbereiche 9 auf, in denen die B-Säule 2 mit weiteren Bauteilen 10 gefügt werden soll. Figur Ib zeigt eine Schnittansicht eines Ausschnitts der B-Säule 2 der Figur la in Zusammenbaulage mit dem weiteren Bauteil 10. Im oberen Übergangsbereich 6 ist die Gesamtdicke 11' der aufeinanderliegen- den Bleche 2,10 genügend gering (d.h. ≤ 3 mm), dass die beiden Bleche 2,10 mittels Punktschweißen miteinander gefügt werden können. Im Mittelbereich 7 hingegen, in dem - wie oben beschrieben - die Materialstärke 4 der B-Säule 2 beanspruchungsgerecht erhöht wurde, ist die Gesamtdicke 11 der auf- einanderliegenden Bleche 2,10 zu groß (d.h. > 3.5 mm), so dass kein prozesssicheres Punktschweißen der beiden Bleche 2,10 in diesem Bereich 7 möglich ist. Um die Bleche 2,10 auch in diesem Mittelbereich 7 Punktschweißen zu können, ist die B-Säule 2 erfindungsgemäß mit lokal begrenzten Einprägungen 12 versehen, so dass die Materialstärke 4"der B-Säule 2 in diesem Teil des Verbindungsbereichs 9 lokal reduziert ist . Die Gesamtdicke 11" der beiden aufeinanderliegenden Bleche 2,10 ist im Bereich dieser Einprägungen 12 genügend gering (d.h. ≤ 3 mm), so dass die beiden Bleche 2,10 am Ort dieser Einprägungen 12 mit Hilfe des Punktschweißens prozesssicher gefügt werden können. Um unempfindlich gegenüber Ungenauig- keiten in der Positionierung der Punktschweisszangen zu sein sind die Einprägungen 12 in einer solchen Weise gestaltet, dass die Materialstärke 4" über die Einprägung 12 hinweg näherungsweise konstant ist.
Figur 2a zeigt eine Werkzeughälfte 13 eines Warmumformwerkzeugs 14 zur Herstellung der B-Säule 2 der Figur la. Die Be- randung 8 der mit diesem Werkzeug 14 hergestellten B-Säule 2 ist in Figur 2a durch eine strichpunktierte Linie angedeutet. Um die lokalen Einprägungen 12 im Verbindungsbereich 9 der B- Säule 2 zu erzeugen, ist die Werkzeughälfte 13 an den entsprechenden Stellen mit lokalen Auswölbungen 15 versehen, die in Figur 2b in einer Detailansicht dargestellt sind.
Die Wirkung der lokalen Auswölbungen 15 der Werkzeughälfte 13 auf das Halbzeug 3 ist in Figuren 3a und 3b in einer Detail- darstellung gezeigt: Das Halbzeug 3, aus dem die B-Säule 2 geformt werden soll, wird in das geöffnete Warmumformwerkzeug 14 eingelegt (Figur 3a) . Beim Schließen des Warmumformwerkzeugs 14 (Figur 3b) erfolgt eine Aus- bzw. Umformung der dreidimensionalen Form der B-Säule 2. Da bei geschlossenem Werkzeug 14 der lichte Abstand 16 der beiden Werkzeughälften 13,13' im Bereich der Auswölbungen 15 geringer ist als die ursprüngliche Blechdicke 4 in diesem Bereich, wird beim Schließen des Werkzeugs 14 durch die Auswölbungen 15 lokal Blechmaterial verdrängt, was die bleibenden Einprägungen 12 auf dem Blech 3 zur Folge hat . Die Größe und Form der Einprägungen 12 entspricht daher im Großen und Ganzen der Größe und Form der Auswölbungen 15 auf dem Werkzeugteil 13.
Die Auswölbungen 15 auf dem Werkzeugteil 13 werden in bezug auf ihre Form und Größe vorteilhafterweise auf das Fügeverfahren angepasst, mit Hilfe dessen das fertige Bauteil 2 in einem Folgeschritt mit dem weiteren Bauteil 10 verbunden werden sollen. Neben den in Figur 2a, 2b gezeigten rechteckigen Auswölbungen 15 können die Auswölbungen 15 insbesondere rund oder oval gestaltet sein (siehe Figur 4) oder eine beliebige andere Form haben. Die Kanten 17 der Auswölbungen 15 sind zweckmäßigerweise verrundet, um im Kantenbereich 17 eine kontinuierliche Änderung der Materialstärke 4,4" sicherzustellen und eine lokale Schwächung des Bauteils 1 aufgrund scharfer Kanten zu vermeiden.
Da das Werkzeugteil 13 im Bereich der Auswölbungen 15 eine lokale Materialverdrängung auf dem Bauteil 1 bewirkt, sind diese Bereiche 15 der Werkzeughälfte 13 (und der gegenüberliegenden Werkzeughälfte 13') besonders hohen Belastungen ausgesetzt. Um die Standzeiten des Werkzeugs 14 zu erhöhen, ist es vorteilhaft, die Festigkeit der Werkzeughälften 13,13' im Bereich der Auswölbungen 15 lokal zu erhöhen. Dies wurde im Ausführungsbeispiel der Figuren 2a und 2b dadurch erreicht, dass die entsprechenden Bereiche 15 lasergehärtet wurden; die Ränder dieser lasergehärteten Zonen sind in Figur 2b gestrichelt angedeutet .
Wie in Figur la dargestellt, überlappen die Einprägungen 12 der B-Säule 2 räumlich mit den Bauteilberandungen 8. Das hat den Vorteil, dass der Werkstoff (-überschuss) , der im Zuge des Einbringens der Einprägungen 12 aus diesen Bereichen 12 hinausgedrängt wird, frei über die Bauteilberandung 8 hinaus entweichen kann. Zur Herstellung der B-Säule 2 der Figur la empfiehlt sich die Verwendung des in der (Patentanmeldung 102 54 695.9-14) beschriebene Verfahren, bei dem zunächst aus dem (ungehärteten) Halbzeug durch ein Kaltumformverfahren ein Bauteilrohling 3 geformt wird, welcher anschließend entsprechend der Berandungskontur 8 beschnitten wird. Dieser Bauteilrohling 3 wird dann erwärmt und in einem Warmumform- Werkzeug 14 pressgehärtet, wobei die endgültige dreidimensionale Form der B-Säule 2 erzeugt und an ausgewählten Stellen der Verbindungsbereiche 9 die lokalen Einprägungen 12 eingebracht werden.
Alternativ bzw. zusätzlich zu den randnahen Einprägungen 12 können auch Einprägungen 12 in randfernen Bereichen des Bauteils 1 vorgesehen werden (entsprechend Verbindungsbereichen 9 in randfernen Bereichen des Bauteils 1) . In diesem Fall muss sichergestellt werden, dass der Materialüberschuss, der beim Schließen des Warmumformwerkzeugs 14 aus dem Bereich der Auswölbungen 15 hinausgedrängt wird, gezielt aufgenommen werden kann. Hierzu kann die Werkzeughälfte 13 in unmittelbarer Umgebung der Auswölbungen 15 mit Aussparungen 18 versehen sein, in die das Überschussmaterial hineinfließen kann. Beispiele für die Gestaltung solcher Aussparungen 18 sind in Figur 4 dargestellt und (gestrichelt) in Figuren 3a und 3b angedeutet. Vorteilhafterweise sind diese Aussparungen 18 in einer solchen Weise gestaltet, dass sie die Auswölbungen 15 - zumindest abschnittsweise - ringförmig umgeben; dadurch wird ein gleichförmiger Materialfluss in alle Richtungen hin erreicht .
In dem bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden die lokalen Einprägungen 12 im Zuge eines Warmumformprozesses in das Bauteil 1 eingebracht. Alternativ können die Einprägungen 12 auch durch ein Kaltumformverfahren in das Bauteil 1 eingedrückt werden.
Die Einprägungen 12 kommen - wie oben beschrieben - vor allem auf Bauteilen 1 zum Einsatz, die Bereiche 7 mit einer beanspruchungsgerecht erhöhten Materialstärke 4 aufweisen und dort in Verbindungsbereichen 9 mit Hilfe des Punktschweißens mit anderen Bauteilen 10 gefügt werden sollen. Die erfin- dungsgemäße Gestaltung der Verbindungsbereiche 9, in denen lokale Einprägungen 12 vorgesehen sind, eignet sich weiterhin insbesondere auch für Bauteile 1, die mit Hilfe des Laserschweißens verbunden werden sollen. Es ist bekannt, dass beim Laserschweißen die Materialstärken der zu verschweißenden Bleche 1,10 genau aufeinander abgestimmt werden müssen, um ein Durchbrennen im Fügebereich zu vermeiden. Hier gestattet die Erfindung eine einfache gegenseitige Anpassung der lokalen Materialstärken der zu verbindenden Bauteile 1,10 in den Verbindungsbereichen 9.
Wurden bisher Bauteile 1 aus Stahlblech betrachtet, so sind die erfindungsgemäßen Einprägungen auch auf Blechbauteile aus beliebigen Leichtmetall-Legierungen (beispielsweise Aluminium) und anderen Metallen und Legierungen anwendbar.
Die Erfindung kommt vorzugsweise bei Struktur- und Beplankungsbauteilen im Fahrzeugbau zum Einsatz, beispielsweise bei A- und B-Säulen, Längs-, Quer- und Integralträger, Fahrzeugdächer etc. Die Erfindung ist aber auch auf ein weites Spektrum weiterer Bauteile anwendbar, die mit Hilfe eines thermischen Fügeverfahrens, insbesondere mit Hilfe des Punktschweißens, mit anderen Bauteilen verbunden werden sollen.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
Verbindungsbereich (9) auf einem Bauteil (1,2) aus einem Metallblech, welcher zum Fügen dieses Bauteils (1,2) mit mindestens einem weiteren Bauteil (10) aus Metallblech unter Verwendung eines thermischen Fügeverfahrens, insbesondere des Punktschweißens, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (9) eine lokal begrenzte Einprägung (12) aufweist, im Bereich derer die Materialstärke (4") des Bauteils (1,2) lokal reduziert ist.
Verbindungsbereich nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einprägung (12) mit dem Rand (8) des Bauteils (1,2) überlappt.
Verfahren zum Fügen zweier oder mehrerer Bauteile (1,2,10) aus Metallblech, wobei die Bauteile (1,2,10) in einem Verbindungsbereich (9) mittels eines Fügeverfahrens, insbesondere des Punktschweißens, gefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Bauteile (1,2) vor dem Fügen im Verbindungsbereich (9) mit einer lokal begrenzten Einprägung (12) versehen wird, im Bereich derer die Material- stärke (4") des Bauteils (1,2) lokal reduziert ist. Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Form des Bauteils (1,2) mit Hilfe eines Zugdruckumformprozesses im Kaltzustand, insbesondere mit Hilfe des Tiefziehens, erzeugt wird, und dass die Einprägung (12) als Teil dieses Umformprozesses in das Bauteil (1,2) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Form des Bauteils (1,2) mit Hilfe eines Zugdruckumformprozesses im Kaltzustand, insbesondere mit Hilfe des Tiefziehens, erzeugt wird, und dass die Einprägung (12) nach Abschluss dieses Umformprozesses in das Bauteil (1,2) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Einprägung (12) vor dem eigentlichen
Prägevorgang erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Form des Bauteils (1,2) mit Hilfe eines Warmumformprozesses erzeugt wird, und dass die Einprägung (12) während der Warmumformung in das Bauteil (1,2) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einprägung (12) nach dem Beschneiden in das Bauteil (1,2) eingebracht wird.
9. Umformwerkzeug (14) zur Herstellung eines Bauteils (1,2) aus einem Halbzeug (3) aus einem Metallblech, mit zwei Werkzeughälften (13,13'), zwischen denen das Halbzeug (3) zumindest abschnittsweise umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Werkzeughälften (13) eine Auswölbung (15) in Richtung der gegenüberliegenden Werkzeughälfte (13 ') aufweist , im Bereich derer in Schließlage des Werkzeugs (14) der Abstand (16) der beiden Werkzeughälften (13,13') geringer ist als die lokale Materialstärke (4) des Halbzeugs (3) .
10. Umformwerkzeug nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeit der Werkzeughälfte (13) im Bereich der Auswölbung (15) erhöht ist.
11. Umformwerkzeug nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeit der Werkzeughälfte (13) im Bereich der Auswölbung (15) durch Laserhärten erhöht ist.
12. Umformwerkzeug nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughälfte (13) im Bereich der Auswölbung (15) mit einem festigkeitserhöhenden Einsatz aus einem Hartwerkstoff, insbesondere einem Keramikwerkstoff, versehen ist .
13. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Auswölbung (15) eine runde oder ovale Außenkontur aufweist.
4. Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 13 dadurch gekennzeichnet , dass die Auswölbung (15) zumindest abschnittsweise von einer ringförmigen Aussparung (18) umgeben ist.
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