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WO2015014902A9 - Baugruppe von gehärteten Bauteilen und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Baugruppe von gehärteten Bauteilen und Verfahren zur Herstellung Download PDF

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WO2015014902A9
WO2015014902A9 PCT/EP2014/066410 EP2014066410W WO2015014902A9 WO 2015014902 A9 WO2015014902 A9 WO 2015014902A9 EP 2014066410 W EP2014066410 W EP 2014066410W WO 2015014902 A9 WO2015014902 A9 WO 2015014902A9
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WO
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assembly
components
hardened
partially
joining
Prior art date
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PCT/EP2014/066410
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English (en)
French (fr)
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WO2015014902A1 (de
Inventor
Andreas Breidenbach
Jörg GORSCHLÜTER
Michael BRÜGGENBROCK
Ralf Stegmeyer
René HAMPE
Original Assignee
Thyssenkrupp Steel Europe Ag
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Publication date
Application filed by Thyssenkrupp Steel Europe Ag filed Critical Thyssenkrupp Steel Europe Ag
Priority to JP2016530521A priority Critical patent/JP2016534932A/ja
Priority to CN201480043466.8A priority patent/CN105452093A/zh
Priority to US14/909,218 priority patent/US20160186280A1/en
Priority to KR1020167005314A priority patent/KR20160038023A/ko
Publication of WO2015014902A1 publication Critical patent/WO2015014902A1/de
Publication of WO2015014902A9 publication Critical patent/WO2015014902A9/de

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    • C21D2251/00—Treating composite or clad material

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an assembly comprising at least two joined metallic components, wherein at least one of the components consists of a tempering steel, in which the components are joined together using a thermal joining method to form an assembly.
  • the invention relates to an assembly comprising at least two joined metallic components, wherein at least one of the components consists of a tempering steel and the components are joined together using a thermal joining process to form an assembly.
  • Assemblies comprising at least two joined metallic components are commonly used to provide complex structures of metal, for example steel, which can not be produced integrally at all or only in a very complex manner.
  • the components are then thermally welded to form an assembly, so that a cohesive joint connection with a high load capacity is created between the joining partners.
  • tempering steels are used, which can be cured by a thermal treatment process, so that very high strength values can be provided.
  • Typical examples of such tempered steels are manganese-boron steels.
  • Dual-phase or TRIP steels can also be obtained by a heat treatment, which is a
  • Microstructure transformation to hardened structure has the consequence harden.
  • the cured components are welded after curing to form an assembly.
  • the welds between the components of the assembly lead in particular to the hardened materials to a renewed microstructure transformation and weakening in the region of the weld
  • the components have been greater in their wall thickness dimensioned, so that so far not the entire weight-saving potential of the high-strength materials used could be used.
  • Vehicle construction for example, in the provision of node areas of a vehicle structure is added that the node areas are often exposed to high forces, so that here the dimensioning of the wall thickness of the high-strength materials used is particularly critical. Due to the complex geometry of the nodal regions, however, one-piece production is often eliminated due to the necessary number of forming operations. In addition, many welds lead due to the heat input to a delay in the shell, which can be compensated only with high equipment cost.
  • Connection partner is press-hardened.
  • Complex assemblies such as node areas of a vehicle structure with a homogeneous
  • Load-bearing capacity can therefore not be provided with the known method, since only in the welding zones only significantly lower strengths can be provided.
  • the stated object is achieved in that the assembly is hardened in areas after joining, so that at least one of the joint connection of the assembly has at least partially hardened structure.
  • the assembly is first produced from the corresponding components by thermal joining and then subjected to curing in their entirety.
  • the existing joints are hardened, so that the assembly has a total homogeneous load-bearing capacity or a homogeneously distributed strength.
  • the weight reduction potential of the employed tempering steels for example of a manganese-boron steel, can be fully exploited by the inventive method, since in particular the
  • welding must be coordinated. According to the invention, namely, the welds at least partially hardened structure and thus contribute to the overall strength of the assembly. As a thermal joining process comes next to welding, such as inert gas welding, laser welding,
  • Laser hybrid also a soldering into consideration, as this, too, can reduce the strength of the joining partners due to the effect of heat and subsequent structural transformation.
  • the components can, for example, with overlap or in the
  • Butt joint by, for example, spot welding, step seams and / or
  • the components of the assembly are produced by at least one cold forming.
  • bending, deep-drawing, stretch-drawing, deep-drawing, embossing or molding with active media come into consideration as cold-forming processes.
  • the assembly prior to curing, is heated at least in regions to a temperature above the Aci temperature point, preferably above the Ac temperature point of the tempered steel to be hardened of a component of the group or all components of the group and cooled at a defined cooling rate, so that at least partially hardened structure is produced.
  • a temperature above the Aci temperature point preferably above the Ac temperature point of the tempered steel to be hardened of a component of the group or all components of the group and cooled at a defined cooling rate, so that at least partially hardened structure is produced.
  • the above-mentioned Temperature preferably above the Ac 3 temperature of the respective material present austenitic microstructure in martensitic microstructure, the strength of the assembly is significantly increased.
  • this also applies to the areas of
  • joining compounds which also form at least partially martensitic structure.
  • the welds thus have, as already stated, in this respect also high strength values.
  • Load adapted proportion of hardened structure is generated, which optionally varies in regions. This makes it possible to provide the module with different areas, which provide different strengths available and thus are optimally adapted to the application. For example, the application may require that the assembly must have a more ductile, softer region on the one hand and a high-strength region on the other hand. This is independent of the position of the respective joints between de
  • the strength of the assembly to be produced can be adjusted particularly precisely by hardening in a tempered curing tool with which partially varying cooling rates of the assembly are achieved by varying tool temperatures in certain regions.
  • a tempered curing tool with which partially varying cooling rates of the assembly are achieved by varying tool temperatures in certain regions.
  • the assembly to be produced may be heated differently in regions in order to set different strengths in the assembly, with areas where lower strengths are to be set, for example not above the Aci temperature point of the tempered steel to be hardened of a component of the group or of all Components of the group are heated.
  • the differently heated assembly is transferred to a curing tool and cured in the areas in which has formed by the heating austenic microstructure.
  • the assembly is hot-formed and / or calibrated during curing in the curing tool.
  • use is made of the fact that, for example, austenitic structure can be formed more easily at a temperature above the Aci temperature, preferably above the Ac temperature of the material in a warm state.
  • Deformations such as beads, embossing or other secondary features to introduce into the assembly.
  • an assembly with particularly small dimensional tolerances can be provided after curing.
  • the assembly is made by thermally joining at least one profile with another component.
  • Profiles in particular partially closed profiles, often have to be joined thermally in order to be used with other components, with the result that assemblies which have a profile connected by thermal joining to a further component particularly benefit from the method.
  • the assembly including joined profile can namely be provided in a simple manner with a homogeneous strength profile.
  • the Node areas of the profiles often represent the areas in which the
  • Joining joints are arranged and thus have influenced the dimensioning of the wall thicknesses of the node areas.
  • corresponding node areas are required in particular in motor vehicles.
  • the assembly is an A, B, or C pillar of a motor vehicle into which regions of varying strength are introduced by the curing step.
  • This makes it possible in a simple manner to adapt the assembly to the loads occurring in the application.
  • the roof area and the middle area of a B-pillar are provided with a structure of maximum strength, whereas a ductile B-pillar foot can absorb impact energy.
  • a possibility can be created to facilitate a separation of the assembly, for example a profile of the assembly, by creating a softer region of lesser strength in the assembly between two regions of hardened structure.
  • the soft, ductile region can be provided, for example, in a B-pillar, which can then be more easily separated by rescue workers in the event of an accident.
  • Produced frame structure of a motor vehicle in particular a node region of a roof frame consisting of a profile-like roof frame,
  • the roof frame must in particular in the
  • the above-described object is achieved by an assembly comprising at least two joined metallic components, wherein at least one of the components consists of a tempered steel and the components are joined together to form an assembly using a thermal joining method, in that the assembly has been hardened at least in regions after the joining and at least one joint has at least partially hardened structure.
  • the assembly according to the invention differs from the conventional
  • thermal joints which are produced by welding or soldering, in particular laser welding, are also provided by the subsequent curing process with a hardened structure. This means that even the joining zones can contribute to the desired load capacity.
  • the partial curing of the assembly is therefore performed, for example, component across, so that the areas of the joints and
  • this has at least one profile or a node region of at least two profiles.
  • Profiles at least partially closed or open profiles, are often used to absorb high forces. They are usually connected by thermal joints, in particular welds.
  • the node areas represent particularly heavily loaded areas, for example, of a vehicle frame structure, since in the nodal areas the forces of a plurality of profiles have to be absorbed and relayed, so that the provision of hardened microstructure in the
  • Joining compounds opens up a particularly large weight saving potential.
  • the assembly has between two Hardened areas on a soft area with lower strength.
  • This non-hardened area may be used, for example, to split a B-pillar in the event of an accident at this point to recover the occupants.
  • the assembly according to another embodiment, an A, B, or C-pillar of a motor vehicle and areas with varying strengths on.
  • A, B or C pillars of a motor vehicle have already been explained above.
  • this has at least one node region of a frame structure of a motor vehicle.
  • the node areas of a frame structure of a motor vehicle are subjected to particularly high forces.
  • the usually existing welds with reduced strengths are not present in the embodiment of the assembly according to the invention, so that a significant reduction of the wall thickness is possible with identical power capacity. This will be a big
  • FIG. 1 a first embodiment of an assembly consisting of three
  • FIG. 2 is a perspective view of a component of the assembly in a single view
  • 3 shows the embodiment of the assembly of Figure 1 in the installed state in the motor vehicle
  • Fig. 4 shows schematically the method steps of an embodiment of the method according to the invention for producing an assembly
  • Fig. 5 is a side view of a second embodiment of an assembly in the form of a B-pillar of a motor vehicle.
  • Fig. 1 is a perspective, schematic representation of a
  • Embodiment of an assembly comprising a closed profile 1, a connector 2 and an open profile 3 shown.
  • At least one of the components for example the closed profile 1 consists of a tempering steel and can be hardened by a heat treatment.
  • the components 1, 2 and 3 are the parts of a B-pillar and all consist of one
  • Tempered steel for example, from a boron alloy steel, preferably a steel type 22 MnB 5.
  • the components 1, 2 and 3 have been previously prepared by cold forming, for example, drawing, bending or by Wirkmedienumformung.
  • the use of semi-finished products made of multilayer metallic composite materials is also conceivable, with at least one of the layers in particular consisting of a heat-treatable steel.
  • the connecting piece 2 has both to the open profile 3 and to the closed profile 1 joining seams 4, 5, via which the connecting piece 2 connects the two profiles 3 and 1 together.
  • Fig. 2 shows once again the connector 2, which has been prepared for example as well as the profile 1 and the profile 3 by a cold forming.
  • Fig. 3 the assembly of Fig. 1 is shown schematically in its position in the motor vehicle.
  • the roof frame 6 displays with the module designed as a B-pillar the components 1, 2 and 3, a node region 7, which connects the roof frame 6 with the B-pillar consisting of the components 1, 2 and 3. Since the B-pillar shown in Fig. 3 has been produced by the method according to the invention, this preferably has a region consisting of hardened structure in the connection region to the roof frame 6.
  • FIG. 4 shows schematically the method steps A ', A, B, C and D of a
  • Embodiment of the method and the associated perspective views of an exemplary assembly in the form of a B-pillar First, in the method steps A, the assembly consisting of a closed profile 1, a connector 2 and an open profile 3 is thermally joined to a single assembly by a welding process. It is also conceivable to use a thermal soldering process. The assembly produced in this way is then subjected to heating in method step B, in which the assembly, in this example completely, is heated to a temperature above the Ac3 temperature point of the respective material. As a result, the structure of the assembly is completely converted into austenite. After insertion into the curing tool 8, the assembly is hot-worked according to process step C and rapidly cooled, so that in process step D, a fully cured assembly has been produced, the welds 4, 5 also have hardened structure.
  • the curing tool 8 which is shown only schematically, for example component cross-beads 2a and protrusions la are introduced into the closed profile 1 and press-hardened.
  • the joining seams which also have austenitic structure above the Ac3 temperature of the respective material, can be hardened in the hardening tool 8 by rapid cooling, for example at a cooling rate of more than 27 K / s for manganese-boron steels being transformed.
  • a calibration of the assembly takes place in method step C, so that in method step D a high-strength assembly with hardened joining seams can be made available.
  • the components 1, 2 and 3 can be deformed before their assembly by cold forming to the extent that these result in almost the final shape of the finished assembly, can be joined together.
  • FIG. 5 another embodiment of the assembly according to the invention is shown, which is also designed as a B-pillar.
  • the B-pillar 9 of FIG. 5 consists of the components 14, 15 and 16, which are connected to each other via the welds 17 and 18.
  • the assembly thus produced is then heated to a temperature above the Ac3 temperature of the component material in accordance with the teachings of the present invention.
  • the proportion of hardened microstructure can then be adapted to the present application over differently tempered areas.
  • the exemplary embodiment of an assembly shown in FIG. 5, independently of the position of the respective weld 17, 18, has component-overlapping regions 10, 11, 12 and 13, which in some cases have different fractions of hardened structure.
  • the regions 10 and 12 are preferably equipped with the highest possible proportion of hardened microstructure, so that these regions protect the occupants of a motor vehicle in the event of a side impact as well as possible due to their extremely high strength.
  • the B-pillar base 13 is usually made more ductile, which can be adjusted by an increased mold temperature in this area.
  • the lower cooling rate means that despite the heating to the Ac 3 temperature, there is no or only a small formation of hardened structure.
  • the area 11, which is arranged between the hardened areas 10 and 12, is also equipped with a soft or ductile structure, which also by the targeted adjustment of the
  • This area serves to make the B-pillar in In the event of an accident, it will be easier for the rescue If the area 11 of the B-pillar 9 is correspondingly small, the influence on the overall strength of the B-pillar 9 is small.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe aufweisend mindestens zwei gefügte metallische Bauteile, wobei mindestens eines der Bauteile aus einem Vergütungsstahl besteht, bei welchem die Bauteile unter Verwendung eines thermischen Fügeverfahrens miteinander zu einer Baugruppe gefügt werden. Daneben betrifft die Erfindung eine Baugruppe aufweisend mindestens zwei gefügte metallische Bauteile, wobei mindestens eines der Bauteile aus einem Vergütungsstahl besteht und die Bauteile unter Verwendung eines thermischen Fügeverfahrens miteinander zu einer Baugruppe gefügt sind. Die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe aufweisend mindestens zwei gefügte metallische Bauteile zur Verfügung zu stellen, mit welchem eine entsprechende Baugruppe trotz der vorhandenen Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Bauteilen der Baugruppe, eine homogene, hohe Festigkeit gezielt eingestellt werden kann, wird dadurch gelöst, dass die Baugruppe nach dem Fügen bereichsweise gehärtet wird, so dass mindestens eine der Fügeverbindung der Baugruppe zumindest teilweise gehärtetes Gefüge aufweist.

Description

Baugruppe von gehärteten Bauteilen und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe aufweisend mindestens zwei gefügte metallische Bauteile, wobei mindestens eines der Bauteile aus einem Vergütungsstahl besteht, bei welchem die Bauteile unter Verwendung eines thermischen Fügeverfahrens miteinander zu einer Baugruppe gefügt werden.
Daneben betrifft die Erfindung eine Baugruppe aufweisend mindestens zwei gefügte metallische Bauteile, wobei mindestens eines der Bauteile aus einem Vergütungsstahl besteht und die Bauteile unter Verwendung eines thermischen Fügeverfahrens miteinander zu einer Baugruppe gefügt sind.
Baugruppen aufweisend mindestens zwei gefügte metallische Bauteile werden üblicherweise verwendet, um komplexe Konstruktionen aus Metall beispielsweise Stahl, bereitzustellen, welche einstückig gar nicht oder nur auf sehr aufwändige Art und Weise hergestellt werden können. Üblicherweise werden die Bauteile dann zu einer Baugruppe thermisch geschweißt, so dass zwischen den Fügepartnern eine stoffschlüssige Fügeverbindung mit einer hohen Belastbarkeit entsteht. Mit der zunehmenden Anforderung, dass Gewicht entsprechender Baugruppen,
beispielsweise im Kraftfahrzeugbau, zu verringern, werden Vergütungsstähle verwendet, welche sich durch ein thermisches Behandlungsverfahren härten lassen, so dass sehr hohe Festigkeitswerte bereitgestellt werden können. Typische Beispiele für entsprechende Vergütungsstähle sind Mangan-Bor-Stähle. Dualphasen- oder TRIP- Stähle lassen sich ebenfalls durch eine Wärmebehandlung, welche eine
Gefügeumwandlung zu gehärtetem Gefüge zur Folge hat, härten. Üblicherweise werden die gehärteten Bauteile nach dem Härten zu einer Baugruppe verschweißt. Die Schweißnähte zwischen den Bauteilen der Baugruppe führen allerdings insbesondere bei den gehärteten Werkstoffen zu einer erneuten Gefügeumwandlung und einer Schwächung im Bereich der Schweißnaht Um dennoch ausreichende Festigkeiten bereitzustellen, wurden die Bauteile bisher in ihrer Wandstärke größer dimensioniert, so dass bisher nicht das gesamte Gewichtseinsparungspotential der eingesetzten hochfesten Werkstoffe genutzt werden konnte. Insbesondere im
Fahrzeugbau, beispielsweise bei der Bereitstellung von Knotenbereichen einer Fahrzeugstruktur kommt hinzu, dass die Knotenbereiche häufig hohen Kräften ausgesetzt sind, so dass hier die Dimensionierung der Wanddicke der eingesetzten hochfesten Werkstoffe besonders kritisch ist. Aufgrund der komplexen Geometrie der Knotenbereiche scheidet aber eine einstückige Herstellung aufgrund der notwendigen Anzahl an Umformoperationen häufig aus. Zudem führen viele Schweißverbindungen durch den Wärmeeintrag zu einem Verzug im Rohbau, der nur mit hohem apparativen Aufwand kompensiert werden kann.
Aus der europäischen Patentschrift EP 1 809 776 Bl ist ein Verfahren zur Herstellung von Fahrzeugbauteilen bekannt, bei welchem mindestens ein Blech aus einem Bor legierten Vergütungsstahl mit einem weiteren Blech aus einem Dualphasen- oder TRIP-Stahl durch Schweißen und/oder Löten verbunden wird, die verbundenen Bleche warmumgeformt werden und ausschließlich der Bor legierte
Verbindungspartner pressgehärtet wird. Komplexe Baugruppen, beispielsweise Knotenbereiche einer Fahrzeugstruktur mit einem homogenen
Lastaufnahmevermögen können mit dem bekannten Verfahren daher nicht bereitgestellt werden, da insbesondere in den Schweißzonen nur deutlich geringere Festigkeiten bereitgestellt werden können.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe aufweisend mindestens zwei gefügte metallische Bauteile zur Verfügung zu stellen, mit welchem eine entsprechende Baugruppe trotz der vorhandenen Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Bauteilen der
Baugruppe, eine homogene, hohe Festigkeit gezielt eingestellt werden kann. Darüber hinaus sollen entsprechend hergestellte Baugruppen vorgeschlagen werden. Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Baugruppe nach dem Fügen bereichsweise gehärtet wird, so dass mindestens eine der Fügeverbindung der Baugruppe zumindest teilweise gehärtetes Gefüge aufweist. Im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird die Baugruppe zunächst aus den entsprechenden Bauteilen durch thermisches Fügen hergestellt und anschließend in ihrer Gesamtheit einem Härten unterzogen. Hierdurch werden auch die vorhandenen Fügestellen gehärtet, so dass die Baugruppe insgesamt ein homogenes Lastaufnahmevermögen bzw. eine homogen verteilte Festigkeit aufweist. Das Gewichtsreduzierungspotential der eingesetzten Vergütungsstähle, beispielsweise eines Mangan-Bor-Stahls, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren voll ausgenutzt werden, da insbesondere die
Wanddicken der verwendeten Bauteile nicht mehr auf die Festigkeit der
Schweißstellen abgestimmt werden muss. Erfindungsgemäß weisen nämlich die Schweißstellen zumindest teilweise gehärtetes Gefüge auf und tragen damit zur gesamten Festigkeit der Baugruppe bei. Als thermisches Fügeverfahren kommt neben dem Schweißen, wie beispielsweise Schutzgasschweißen, Laserschweißen,
Laserhybrid auch ein Löten in Betracht, da auch dieses die Festigkeit der Fügepartner aufgrund der Wärmeeinwirkung und einer nachfolgenden Gefügeumwandlung verringern kann. Die Bauteile können beispielsweise mit Überlapp oder im
Stumpfstoß durch beispielsweise Punktschweißung, Step-Nähte und/oder
(durchgehende) Schweißnähte gefügt bzw. verschweißt werden.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Bauteile der Baugruppe durch mindestens eine Kaltumformung hergestellt. Als Kaltumformverfahren kommen beispielsweise ein Biegen, Tiefziehen, Streckziehen, Tiefen, Prägen oder ein Formen mit Wirkmedien in Betracht.
Vorzugsweise wird gemäß einer weiteren Ausführungsform vor dem Härten die Baugruppe zumindest bereichsweise auf eine Temperatur oberhalb des Aci- Temperaturpunktes, vorzugsweise oberhalb des Ac -Temperaturpunktes des zu härtenden Vergütungsstahls eines Bauteils der Gruppe oder aller Bauteile der Gruppe erwärmt und mit einer definierten Abkühlrate abgekühlt, so dass zumindest teilweise gehärtetes Gefüge erzeugt wird. Durch die gezielte Umwandlung des oberhalb der Aci- Temperatur, vorzugsweise oberhalb der Ac3-Temperatur des jeweiligen Werkstoffes vorliegenden austenitischen Gefüges in martensitisches Gefüge wird die Festigkeit der Baugruppe deutlich gesteigert. Dies gilt natürlich auch für die Bereiche der
Fügeverbindungen, welche ebenfalls martensitisches Gefüge zumindest teilweise ausbilden. Die Schweißstellen weisen damit, wie bereits ausgeführt, insofern ebenfalls hohe Festigkeitswerte auf.
Während des Härtens der Baugruppe kann darüber hinaus dadurch auf
unterschiedliche Belastungen der Baugruppe in der späteren Anwendung reagiert werden, dass während des Härtens in der Baugruppe bereichsweise ein an die
Belastung angepasster Anteil an gehärtetem Gefüge erzeugt wird, welcher optional bereichsweise variiert. Hierdurch ist es möglich, die Baugruppe mit verschiedenen Bereichen zu versehen, welche unterschiedliche Festigkeiten zur Verfügung stellen und somit optimal an den Anwendungsfall angepasst sind. Beispielsweise kann es die Anwendung erfordern, dass die Baugruppe einerseits einen duktileren, weicheren Bereich und andererseits einen hochfesten Bereich aufweisen muss. Dies ist unabhängig von der Position der jeweiligen Fügeverbindungen zwischen de
Bauteilen der Baugruppe unabhängig einstellbar mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.
Besonders präzise kann die Festigkeit der herzustellenden Baugruppe gemäß einer weiteren Ausgestaltung dadurch eingestellt werden, dass das Härten in einem temperierten Härtungswerkzeug erfolgt, mit welchem bereichsweise variierende Abkühlraten der Baugruppe durch bereichsweise variierende Werkzeugtemperaturen erreicht werden. Durch Variation der Abkühlrate kann Einfluss genommen werden auf die Bildung von martensitischem Gefüge. Es ist daher durch Variation der
Werkzeugtemperaturen auf einfache Weise möglich, die Abkühlrate an den gewünschten Anteil an martensitischem Gefüge in dem Bereich einzustellen.
Selbstverständlich kann auch eine im Wesentlichen konstante Abkühlrate durch das temperierte Härtungswerkzeug über die gesamte Baugruppe erreicht werden. Alternativ kann die herzustellende Baugruppe gemäß einer weiteren Ausgestaltung bereichsweise unterschiedlich erwärmt werden, um unterschiedliche Festigkeiten in der Baugruppe einzustellen, wobei Bereiche, in denen geringere Festigkeiten eingestellt werden sollen, beispielsweise nicht oberhalb des Aci-Temperaturpunktes des zu härtenden Vergütungsstahls eines Bauteils der Gruppe oder aller Bauteile der Gruppe erwärmt werden. Die unterschiedlich erwärmte Baugruppe wird in ein Härtungswerkzeug überführt und in den Bereichen gehärtet, in denen sich durch die Erwärmung austenisches Gefüge gebildet hat. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird im Härtungswerkzeug die Baugruppe während des Härtens warmumgeformt und/oder kalibriert. Bei dieser Ausgestaltung wird ausgenutzt, dass beispielsweise austenitisches Gefüge bei einer Temperatur oberhalb der Aci-Temperatur vorzugsweise oberhalb der Ac - Temperatur des Werkstoffes in warmem Zustand leichter umgeformt werden kann. Darüber hinaus besteht die einfache Möglichkeit, Bauteil übergreifende
Verformungen, beispielsweise Sicken, Prägungen oder andere Nebenformelemente in die Baugruppe einzubringen. Durch einen zusätzlichen Kalibrierschritt kann nach dem Härten eine Baugruppe mit besonders geringen Maßtoleranzen zur Verfügung gestellt werden.
Vorzugsweise wird die Baugruppe durch thermisches Fügen mindestens eines Profils mit einem weiteren Bauteil hergestellt. Profile, insbesondere teilweise geschlossene Profile müssen zu deren Anwendung mit weiteren Bauteilen häufig thermisch gefügt werden, so dass Baugruppen, welche ein durch thermisches Fügen mit einem weiteren Bauteil verbundenes Profil aufweisen, von dem Verfahren besonders profitieren. Die Baugruppe inklusive gefügtem Profil kann nämlich auf einfache Weise mit homogenem Festigkeitsverlauf bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens gilt dies insbesondere dann, wenn als Baugruppe ein Knotenbereich mindestens zweier Profile hergestellt wird und zumindest teilweise der Knotenbereich der Profile gehärtet wird. Die Knotenbereiche der Profile stellen häufig die Bereiche dar, in welchen die
Fügeverbindungen angeordnet sind und somit die Dimensionierung der Wandstärken der Knotenbereiche beeinflusst haben. Beispielsweise werden entsprechende Knotenbereiche insbesondere in Kraftfahrzeugen benötigt.
Vorzugsweise ist daher gemäß einer wetterten Ausführungsform des Verfahrens die Baugruppe eine A-, B-, oder C-Säule eines Kraftfahrzeuges, in welche Bereiche mit variierenden Festigkeiten durch den Härtungsschritt eingebracht werden. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, die Baugruppe an die im Anwendungsfall auftretenden Belastungen anzupassen. So ist beispielsweise der Dachbereich und der mittlere Bereich einer B-Säule mit Gefüge maximaler Festigkeit ausgestattet, wohingegen ein duktiler B-Säulenfuss Aufprallenergie absorbieren kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darüber hinaus eine Möglichkeit geschaffen werden, ein Auftrennen der Baugruppe, beispielsweise eines Profils der Baugruppe, dadurch zu erleichtern, dass zwischen zwei Bereichen mit gehärtetem Gefüge ein weicher Bereich mit geringerer Festigkeit in der Baugruppe erzeugt wird. Der weiche, duktile Bereich kann beispielsweise in einer B-Säule vorgesehen sein, welche dann von Rettungskräften, im Falle eines Unfalles, einfacher aufgetrennt werden kann.
Schließlich wird vorzugsweise als Baugruppe ein Knotenbereich einer
Rahmenstruktur eines Kraftfahrzeugs hergestellt, insbesondere ein Knotenbereich eines Dachrahmens bestehend aus einem profilartigen Dachrahmen,
Dachquerträgerprofil und/oder Säulenprofil. Die Rahmenstruktur eines
Kraftfahrzeugs, beispielsweise der Dachrahmen muss insbesondere in den
Knotenbereichen sehr hohe Kräfte aufnehmen und umleiten, so dass hier die hochfesten und gehärteten Gefüge zu einer deutlichen Gewichtsreduzierung genutzt werden können. Vor allem weisen die kritischen thermischen Fügestellen, beispielsweise Schweißnähte gehärtetes Gefüge auf, so dass diese zu einem hohen Lastaufnahmevermögen beitragen können. Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch eine Baugruppe aufweisend mindestens zwei gefügte, metallische Bauteile, wobei mindestens eines der Bauteile aus einem Vergütungsstahl besteht und die Bauteile unter Verwendung eines thermischen Fügeverfahrens miteinander zu einer Baugruppe gefügt sind, dadurch gelöst, dass die Baugruppe nach dem Fügen zumindest bereichsweise gehärtet worden ist und mindestens eine Fügeverbindung zumindest teilweise gehärtetes Gefüge aufweist. Die erfindungsgemäße Baugruppe unterscheidet sich von den konventionellen
Baugruppen dadurch, dass die thermischen Fügestellen, welche durch Schweißen oder Löten, insbesondere Laserschweißen erzeugt werden, durch den nachfolgenden Härtungsprozess ebenfalls mit gehärtetem Gefüge ausgestattet werden. Dies bedeutet, dass auch die Fügezonen zu dem gewünschten Lastaufnahmevermögen beitragen können. Die bereichsweise Härtung der Baugruppe wird daher beispielsweise Bauteil übergreifend durchgeführt, so dass die Bereiche der Fügeverbindungen sowie
Bereiche beider Bauteile von der Gefügeumwandlung in gehärtetes Gefüge profitieren.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Baugruppe weist diese mindestens ein Profil oder einen Knotenbereich mindestens zweier Profile auf. Profile, zumindest teilweise geschlossene oder auch offene Profile, werden häufig dazu verwendet, hohe Kräfte aufzunehmen. Sie werden in der Regel über thermische Fügestellen, insbesondere Schweißnähte miteinander verbunden. Die Knotenbereiche stellen besonders stark belastete Bereiche beispielsweise einer Fahrzeugrahmenstruktur dar, da in den Knotenbereichen die Kräfte mehrerer Profile aufgenommen und weitergeleitet werden müssen, so dass hier die Bereitstellung von gehärtetem Gefüge in den
Fügeverbindungen ein besonders großes Gewichteinsparungspotenzial eröffnet.
Um in einer B-Säule eines Kraftfahrzeugs einen Bereich bereitzustellen, in welchen die B-Säule ohne wesentliche Einbuße in Bezug auf ihre tragende Funktion im
Kraftfahrzeug durchtrennt werden kann, weist die Baugruppe zwischen zwei gehärteten Bereichen einen weichen Bereich mit geringerer Festigkeit auf. Dieser nicht gehärtete Bereich kann dazu dienen, beispielsweise eine B-Säule im Falle eines Unfalls an dieser Stelle aufzutrennen, um die Insassen zu bergen. Darüber hinaus gibt es noch andere Anwendungsmöglichkeiten, in welchen eine Anordnung von einem weicheren, duktileren Gefüge zwischen zwei gehärteten Bereichen notwendig sein kann.
Bevorzugt ist die Baugruppe gemäß einer weiteren Ausgestaltung eine A-, B-, oder C- Säule eines Kraftfahrzeuges und Bereiche mit variierenden Festigkeiten auf. Die Vorteile entsprechend ausgestalteter A-, B- oder C-Säulen eines Kraftfahrzeugs wurden oben bereits erläutert.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Baugruppe weist diese mindestens einen Knotenbereich einer Rahmenstruktur eines Kraftfahrzeuges auf. Wie bereits zuvor ausgeführt, sind die Knotenbereiche einer Rahmenstruktur eines Kraftfahrzeugs besonders hohen Kräften ausgesetzt. Die üblicherweise vorhandenen Schweißstellen mit verringerten Festigkeiten sind in der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Baugruppe nicht vorhanden, so dass eine deutliche Verringerung der Wanddicke bei identischem Kraftaufnahmevermögen möglich ist. Hierdurch wird ein großes
Gewichtseinsparungspotential ermöglicht.
Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Baugruppe bestehend aus drei
Bauteilen in einer perspektivischen, schematischen Darstellung,
Fig. 2 in einer perspektivischen Darstellung ein Bauteil der Baugruppe in einer Einzelansicht, Fig. 3 das Ausführungsbeispiel der Baugruppe aus Fig. 1 in eingebautem Zustand im Kraftfahrzeug,
Fig. 4 schematisch die Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Baugruppe sowie
Fig. 5 in einer Seitenansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer Baugruppe in Form einer B-Säule eines Kraftfahrzeugs. In Fig. 1 ist in einer perspektivischen, schematischen Darstellung ein
Ausführungsbeispiel einer Baugruppe aufweisend ein geschlossenes Profil 1, ein Verbindungsstück 2 sowie ein offenes Profil 3 dargestellt. Mindestens eines der Bauteile, beispielsweise das geschlossene Profil 1 besteht aus einem Vergütungsstahl und kann durch eine Wärmebehandlung gehärtet werden. Vorliegend sind die Bauteile 1, 2 und 3 die Teile einer B-Säule und bestehen allesamt aus einem
Vergütungsstahl, beispielsweise aus einem Bor legierten Stahl, vorzugsweise einem Stahl vom Typ 22 MnB 5. Die Bauteile 1, 2 und 3 sind zuvor durch Kaltumformungen, beispielsweise Ziehen, Biegen oder durch eine Wirkmedienumformung hergestellt worden. Neben monolithischen Halbzeugen ist auch die Verwendung von Halbzeugen aus mehrlagigen metallischen Verbundwerkstoffen denkbar, wobei insbesondere mindestens eine der Lagen aus einem Vergütungsstahl besteht.
Das Verbindungsstück 2 weist sowohl zu dem offenen Profil 3 als auch zu dem geschlossenen Profil 1 Fügenähte 4, 5 auf, über welche das Verbindungsstück 2 die beiden Profile 3 und 1 miteinander verbindet.
Fig. 2 zeigt noch einmal das Verbindungsstück 2, welches beispielsweise wie auch das Profil 1 und das Profil 3 durch eine Kaltumformung hergestellt worden ist.
In Fig. 3 ist die Baugruppe aus Fig. 1 schematisch in ihrer Position im Kraftfahrzeug dargestellt. Der Dachrahmen 6 stellt mit der als B-Säule ausgebildeten Baugruppe aus den Bauteilen 1, 2 und 3 einen Knotenbereich 7 dar, welcher den Dachrahmen 6 mit der B-Säule bestehend aus den Bauteilen 1, 2 und 3 verbindet. Da die in Fig. 3 dargestellte B-Säule mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist, weist diese vorzugsweise im Anbindungsbereich an den Dachrahmen 6 einen Bereich bestehend aus gehärtetem Gefüge auf. Die in Fig. 3 dargestellten Bereiche der B-Säule können beispielsweise allesamt aus einem gehärteten Gefüge bestehen. Aufgrund des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens weisen insbesondere die Schweißnähte 4, 5 ebenso in den Schweißzonen gehärtetes Gefüge auf, so dass ein Knotenbereich mit maximaler Festigkeit bereitgestellt werden kann.
Fig. 4 zeigt schematisch die Verfahrensschritte A', A, B, C und D eines
Ausführungsbeispiel des Verfahrens sowie die dazugehörigen perspektivischen Darstellungen einer beispielhaften Baugruppe in Form einer B-Säule. Zunächst wird im Verfahrensschritte A die Baugruppe bestehend aus einem geschlossenen Profil 1, einem Verbindungsstück 2 und einem offenen Profil 3 zu einer einzigen Baugruppe thermisch durch ein Schweißverfahren gefügt. Denkbar ist auch der Einsatz eines thermischen Lötverfahrens. Die so hergestellte Baugruppe wird im Verfahrensschritt B dann einer Erwärmung unterzogen, bei welcher die Baugruppe, im vorliegenden Beispiel vollständig, auf eine Temperatur oberhalb des Ac3-Temperaturpunktes des jeweiligen Werkstoffs erwärmt wird. Hierdurch wird das Gefüge der Baugruppe vollständig in Austenit umgewandelt. Nach dem Einlegen in das Härtungswerkzeug 8 wird die Baugruppe gemäß Verfahrensschritt C warmumgeformt und rasch abgekühlt, so dass im Verfahrensschritt D eine vollständig gehärtete Baugruppe hergestellt worden ist, deren Schweißnähte 4, 5 ebenfalls gehärtetes Gefüge aufweisen.
In dem Härtungswerkzeug 8, welches lediglich schematisch dargestellt ist, werden beispielsweise Bauteil übergreifende Sicken 2a und Ausbuchtungen la in das geschlossene Profil 1 eingebracht und pressgehärtet. Die Fügenähte, welche oberhalb der Ac3-Temperatur des jeweiligen Werkstoffs ebenfalls austenitisches Gefüge aufweisen, kann in dem Härtungswerkzeug 8 durch rasches Abkühlen, beispielsweise bei einer Abkühlrate von mehr als 27 K/s für Mangan-Bor-Stähle, in gehärtetes Gefüge umgewandelt werden. Vorzugsweise findet dabei im Verfahrensschritt C zusätzlich eine Kalibrierung der Baugruppe statt, so dass im Verfahrensschritt D eine hochfeste Baugruppe mit gehärteten Fügenähten zur Verfügung gestellt werden kann. In dem vorgelagerten, schematisch dargestellten Verfahrensschritt A' können die Bauteile 1, 2 und 3 vor deren Montage durch eine Kaltumformung soweit umgeformt werden, dass diese nahezu die Endform der fertigen Baugruppe ergeben, miteinander gefügt werden können. Selbstverständlich sind auch andere Umformverfahren zur
Bereitstellung der Bauteile 1, 2 und 3 denkbar. In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Baugruppe dargestellt, welches ebenfalls als eine B-Säule ausgebildet ist. Die B-Säule 9 aus Fig. 5 besteht aus den Bauteilen 14, 15 und 16, welche über die Schweißnähte 17 und 18 miteinander verbunden sind. Die so hergestellte Baugruppe wird dann nach der Lehre der vorliegenden Erfindung auf eine Temperatur oberhalb der Ac3-Temperatur des Werkstoffs der Bauteile erwärmt. In dem Härtungswerkzeug können dann über unterschiedlich temperierte Bereiche der Anteil an gehärtetem Gefüge an die vorliegende Anwendung angepasst werden. So weist beispielsweise das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Baugruppe unabhängig von der Position der jeweiligen Schweißnaht 17, 18 in Längsrichtung gesehen Bauteil übergreifende Bereiche 10, 11, 12 und 13 auf, welche zum Teil unterschiedliche Anteile an gehärtetem Gefüge aufweisen. So werden vorzugsweise die Bereich 10 und 12 mit einem möglichst hohen Anteil an gehärtetem Gefüge ausgestattet, so dass diese Bereiche aufgrund ihrer extrem hohen Festigkeit die Insassen eines Kraftfahrzeugs im Falle eines Seitenaufpralls möglichst gut schützen. Der B-Säulenfuss 13 wird üblicherweise duktiler gestaltet, was durch eine erhöhte Werkzeugtemperatur in diesem Bereich eingestellt werden kann. Die niedrigere Abkühlrate führt dazu, dass trotz der Erwärmung auf die Ac3-Temperatur es zu keiner oder nur zur geringen Ausbildung von gehärtetem Gefüge kommt. Der Bereich 11, welcher zwischen den gehärteten Bereichen 10 und 12 angeordnet ist, ist ebenfalls mit einem weichen bzw. duktilen Gefüge ausgestattet, welches ebenfalls durch die gezielte Einstellung der
Werkzeugtemperatur erreicht werden kann. Dieser Bereich dient dazu, die B-Säule im Falle eines Unfalls durch die Rettungskräfte leichter auftrennen zu können. Ist der Bereich 11 der B-Säule 9 entsprechend klein ausgebildet, ist der Einfluss auf die gesamte Festigkeit der B-Säule 9 gering.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können jedenfalls komplizierte Baugruppen bestehend aus hochfesten Werkstoffen hergestellt werden, welche auch in den Fügestellen keine geringeren Festigkeitswerte bereitstellen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe aufweisend mindestens zwei gefügte metallische Bauteile, wobei mindestens eines der Bauteile aus einem
Vergütungsstahl besteht, bei welchem die Bauteile unter Verwendung eines thermischen Fügeverfahrens miteinander zu einer Baugruppe gefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass
die Baugruppe nach dem Fügen bereichsweise gehärtet wird, so dass mindestens eine der Fügeverbindung der Baugruppe zumindest teilweise gehärtetes Gefüge aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bauteile der Baugruppe durch mindestens eine Kaltumformung hergestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor dem Härten die Baugruppe zumindest bereichsweise auf eine Temperatur oberhalb des Aci-Temperaturpunktes des zu härtenden Vergütungsstahls eines Bauteils der Baugruppe oder aller Bauteile der Baugruppe erwärmt wird und mit einer definierten Abkühlrate abgekühlt wird, so dass zumindest teilweise gehärtetes Gefüge erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
während des Härtens in der Baugruppe bereichsweise ein an die Belastung angepasster Anteil an gehärtetem Gefüge erzeugt wird, welcher optional bereichsweise variiert.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Härten in einem temperierten Härtungswerkzeug erfolgt, mit welchem bereichsweise variierende Abkühlraten der Baugruppe durch bereichsweise variierende Werkzeugtemperaturen erreicht werden.
Verfahren nach nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Härtungswerkzeug die Baugruppe während des Härtens warmumgeformt und/oder kalibriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Baugruppe durch thermisches Fügen mindestens eines Profils mit einem weiteren Bauteil hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Baugruppe ein Knotenbereich mindestens zweier Profile hergestellt wird und zumindest teilweise der Knotenbereich der Profile gehärtet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Baugruppe eine A-, B-, oder C-Säule eines Kraftfahrzeuges ist und Bereiche mit variierenden Festigkeiten durch den Härtungsschritt in die Säulen eingebracht werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen zwei Bereichen mit gehärtetem Gefüge ein Bereich mit weichem, duktilem Gefüge in der Baugruppe erzeugt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Baugruppe ein Knotenbereich einer Rahmenstruktur eines Kraftfahrzeugs hergestellt wird.
Baugruppe (9) aufweisend mindestens zwei gefügte metallische Bauteile (1, 2, 3, 14, 15, 16), wobei mindestens eines der Bauteile (1, 2, 3, 14, 15, 16) aus einem Vergütungsstahl besteht und die Bauteile (1, 2, 3, 14, 15, 16) unter Verwendung eines thermischen Fügeverfahrens miteinander zu einer Baugruppe gefügt sind, insbesondere hergestellt mit einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
die Baugruppe (9) nach dem Fügen zumindest bereichsweise gehärtet worden ist und mindestens eine Fügeverbindung (4, 5, 17, 18) zumindest teilweise gehärtetes Gefüge aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eines der Bauteile (1, 2, 3, 14, 15, 16) der Baugruppe Bereiche mit an die Belastung angepasstem Anteil an gehärtetem Gefüge aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Baugruppe mindestens ein Profil (1, 3, 14, 15) oder einen Knotenbereich (7) mindestens zweier Profile aufweist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Baugruppe (9) zwischen zwei gehärteten Bereichen (10, 12) einen weiteren Bereich (11) mit weichem, duktilem Gefüge aufweist.
16. Baugruppe nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Baugruppe (9) eine A-, B-, oder C-Säule eines Kraftfahrzeuges ist und Bereiche mit variierenden Festigkeiten aufweist.
17. Baugruppe nach einem der Ansprüche 12 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Baugruppe (9) mindestens einen Knotenbereich (7) einer Rahmenstruktur (6) eines Kraftfahrzeuges aufweist.
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