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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.
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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
A1 bekannt.
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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.
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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 festigkeitserhöhende Wärmebehandlung
erfolgt. Die Herstellung eines warmumgeformten Strukturbauteils
aus einer lokal verstärkten
Platine ist beispielsweise in der
DE 100 49 660 A1 beschrieben. – Weiterhin
ist aus der
DE 196
53 543 A1 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.
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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.
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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 aufeinanderliegenden, 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 aufeinanderliegenden Bauteile im Fügebereich
wesentlich dicker als 3 mm ist, so lassen sich die Einzelbauteile
nicht mehr prozesssicher mit Hilfe des Punktschweißens verbinden.
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Zur
Lösung
dieses Problems wird in der gattungsbildenden
DE 100 02 617 A1 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 A1 gezeigte Lösung in
hochbelasteten Bauteilbereichen nur eingeschränkt anwendbar ist.
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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.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprüche
1, 3 und 9 gelöst.
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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.
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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 Materialstärken 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Alternativ
zu den bisher beschriebenen kaltumgeformten Bauteilen kann die Erfindung
auch in Bauteilen aus einem warmumformbaren 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 Gefügeumwandlungstemperatur 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 Arbeitsschritt
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.
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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 Punktschweißzangen
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.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1a eine
perspektivische Ansicht einer B-Säule für ein Kraftfahrzeug mit lokalen
Einprägungen;
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1b einen
Zusammenbau der B-Säule der 1a mit
einem Verstärkungsteil
in einer Schnittansicht entlang der Linie Ib-Ib der 1a;
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2a ein
Hälfte
eines Warmumform-Werkzeugs zur Herstellung der B-Säule der 1a;
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2b einen
Ausschnitt der Warmumformwerkzeughälfte der 2a in
einer Detaildarstellung;
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3 eine schematische Schnittdarstellung durch
ein Warmumform-Werkzeug entsprechend der Linie III-III in 2a ...
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3a ...
bei geöffnetem
Werkzeug
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3b ...
bei geschlossenem Werkzeug
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4 einen
Ausschnitt eines Werkzeugs mit unterschiedlichen Formen von Ausprägungen.
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1a zeigt
ein Formbauteil
1, im vorliegenden Fall eine B-Säule
2 für ein Kraftfahrzeug,
welches durch einen Warmumformprozess aus einer Stahlblechplatine
hergestellt wurde. Zur Herstellung dieser B-Säule
2 wurde als Halbzeug
3 ein
gepatchtes Verbundblech verwendet mit einer Basisplatine, welche
lokal mit einem Verstärkungsblech
versehen wurde. Diese Gestaltung des Halbzeugs
3 hat zur Folge,
dass die Materialstärke
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 Materialstärke
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
A1 beschrieben, deren Inhalt hiermit in die vorliegende
Anmeldung übernommen
wird.
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Entlang
ihrer Ränder 8 weist
die B-Säule 2 der 1a Verbindungsbereiche 9 auf,
in denen die B-Säule 2 mit
weiteren Bauteilen 10 gefügt werden soll. 1b zeigt
eine Schnittansicht eines Ausschnitts der B-Säule 2 der 1a in
Zusammenbaulage mit dem weiteren Bauteil 10. Im oberen Übergangsbereich 6 ist
die Gesamtdicke 11' der
aufeinanderliegenden 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 aufeinanderliegenden
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
Ungenauigkeiten 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.
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2a zeigt
eine Werkzeughälfte 13 eines Warmumformwerkzeugs 14 zur
Herstellung der B-Säule 2 der 1a.
Die Berandung 8 der mit diesem Werkzeug 14 hergestellten
B-Säule 2 ist
in 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 2b in einer Detailansicht dargestellt
sind.
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Die
Wirkung der lokalen Auswölbungen 15 der
Werkzeughälfte 13 auf
das Halbzeug 3 ist in 3a und 3b in
einer Detaildarstellung gezeigt: Das Halbzeug 3, aus dem
die B-Säule 2 geformt
werden soll, wird in das geöffnete
Warmumformwerkzeug 14 eingelegt (3a). Beim
Schließen
des Warmumformwerkzeugs 14 (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.
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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 2a, 2b gezeigten rechteckigen
Auswölbungen 15 können die
Auswölbungen 15 insbesondere
rund oder oval gestaltet sein (siehe 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.
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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 2a und 2b dadurch
erreicht, dass die entsprechenden Bereiche 15 lasergehärtet wurden; die
Ränder
dieser lasergehärteten
Zonen sind in 2b gestrichelt angedeutet.
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Wie
in 1a 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 1a 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.
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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 4 dargestellt und
(gestrichelt) in 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.
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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.
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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.
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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.
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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.