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Die
Erfindung betrifft eine Probe zum Einsatz in Zugprüfmaschinen
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DE 195 22 247
A1 ist bereits eine Probe zum Einsatz in Maschinen zur
Prüfung der Belastbarkeit von Verbindungen bekannt. Die
Probe hat zwei aus den zu prüfenden Materialen gefertigte,
je eine Bodenfläche und Seitenwände aufweisende Probenhälften.
Die Probenhälften können flächig über
mindestens eine Klebstoffschicht oder über mindestens eine
punktweise mechanische Füge- oder Nietverbindung oder eine
Schweißverbindung mit ihren Bodenflächen miteinander
verbunden sein. Jede Probenhälfte besteht aus einem flächigen
Materialzuschnitt. Dieser Materialzuschnitt weist einen Abschnitt
auf, der die Bodenfläche bildet, und zwei Abschnitte, die
gegenüber der Bodenfläche rechtwinklig abgewinkelt
werden und die beiden einander gegenüber liegenden Seitenwände
bilden. Die Seitenwände weisen günstigerweise
Löcher, Aussparungen, Ausformungen und/oder Einbuchtungen
zur formschlüssigen Aufnahme der Probe in einer Aufnahmevorrichtung
einer Prüfmaschine auf.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Probe zum Einsatz in Zugprüfmaschinen
zu schaffen, die kostengünstig und einfach herstellbar
ist, und die zum ständigen Gebrauch in der industriellen
Anwendung, zum Beispiel zu Zwecken der laufenden Qualitätskontrolle
unter fertigungstechnischen und konstruktiven Gesichtspunkten, geeignet
ist.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Probe zum Einsatz in Zugprüfmaschinen
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Probe zum Einsatz in Zugprüfmaschinen
besteht aus Probenhälften, die je eine Bodenfläche
und Seitenwände aufweisen. Die Bodenflächen der
beiden Probenhälften bestehen aus den zu prüfenden
Materialien und sind durch eine zu prüfende Verbindungstechnik
miteinander verbunden. Bei jeder Probenhälfte werden die
Seitenwände von einem Hohlzylinder gebildet, der mit der
Bodenfläche so verschweißt ist, dass die Mittelachse
des Hohlzylinders senkrecht zur Bodenfläche ist.
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Die
Fertigung der aus der
DE
195 22 247 A1 bekannten Probe gestaltet sich bei höchstfesten Stahlguten
als sehr aufwendig und für Warmumformstähle muss
für jede zu untersuchende Dicke der Bodenfläche
ein separates Werkzeug verwendet werden. Die Herstellung eines solchen
Werkzeugs ist mit hohen Kosten verbunden. Die Herstellung des Hohlzylinders
dagegen ist auf reine Dreharbeiten beschränkt, die Bodenflächen
können als ebene Platinen geschnitten werden. Daher ist
kein separates Werkzeug zur Herstellung der erfindungsgemäßen Probe
nötig.
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Diese
Vereinfachung und Kostenverringerung bei der Probenherstellung ist
deshalb so wichtig, weil mit diesen Proben sehr viele verschiedene
Testreihen mit den verschiedensten Werkstoffen und auch Kombinationen
von Verbindungstechniken durchgeführt werden, und die einzelnen
Daten dann für Festigkeitsanalysen von ganzen Baugruppen nach
der Finite-Elemente-Methode verwendet werden.
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Bevorzugt
ist die Bodenfläche rechteckig und weist günstigerweise
eine Kantenlänge von ca. 30 mm auf. Entsprechend klein
ist dann auch der Durchmesser des daran angeschweißten
Hohlzylinders. Dadurch ergibt sich im Verbund mit dem Hohlzylinder
eine hohe Steifigkeit der Bodenfläche, sodass die Belastungen
in der Probe eindeutig definiert und zugeordnet werden können.
Es herrscht eine radialsymmetrische Belastungssituation. Aufgrund
der kleinen Größe der Bodenfläche kann
diese sogar aus einem umgeformten Blechbauteil ausgeschnitten werden.
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Idealerweise
ist der Hohlzylinder mittels Laserstrahl oder mittels Kondensatorentladung
auf der Bodenfläche aufgeschweißt. Laserstrahlschweißen wird
vor allem zum Verschweißen von Bauteilen eingesetzt, die
mit geringem thermischem Verzug gefügt werden müssen.
Das Laserstrahlschweißen oder Laserschweißen wird
in der Regel ohne Zuführung eines Zusatzwerkstoffes ausgeführt.
Die Laserstrahlung wird mittels einer Optik fokussiert. Die Werkstückoberfläche
der Stoßkante, bzw. der Fügestoß der
zu verschweißenden Bauteile befindet sich in der unmittelbaren
Nähe des Fokus der Optik (im Brennfleck). Der Brennfleck
besitzt typische Durchmesser von einigen Zehntel Millimetern, wodurch
sehr hohe Energiekonzentrationen entstehen, wenn der eingesetzte
Laser die typischen Leistungen von einigen Kilowatt Laserleistung
besitzt. Durch Absorption der Laserleistung erfolgt auf der Werkstückoberfläche
ein extrem schneller Anstieg der Temperatur über die Schmelztemperatur
von Metall hinaus, so dass sich eine Schmelze bildet. Durch die
hohe Abkühlgeschwindigkeit der Schweißnaht wird
diese je nach Werkstoff sehr hart und verliert in der Regel an Zähigkeit.
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Das
Kondensatorentladungsschweißen gehört zu den Widerstandsschweißverfahren.
Es ist durch einen schnellen Stromanstieg, eine extrem kurze Schweißzeit
und sehr hohe Schweißströme charakterisiert. Vorteil
für diesen Anwendungsfall ist, dass die Wärmeentwicklung
hauptsächlich an der Fügestelle entsteht. Es bildet
sich eine stoffschlüssige Verbindung der Fügpartner
mit für dieses Verfahren typischer geringer Wärmeeinflusszone
an der Fügestelle. Durch die kurze Schweißzeit
wird die Buchse kaum erwärmt, dadurch sind Verformungen
durch Wärmeeinwirkungen auszuschließen.
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Vorteilhafterweise
besteht die Bodenfläche zumindest einer Probenhälfte
aus einem höchstfesten und/oder warm umgeformten Stahl.
Höchstfeste Stähle weisen eine Streckgrenze von
etwa 420 N/mm2 oder mehr auf. Vor dem Hintergrund
der Konkurrenz zu alternativen Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium-
oder Magnesiumlegierungen hat die Stahlindustrie in den vergangenen
Jahren neue höher- und höchstfeste Stahlwerkstoffe
entwickelt. Mit der Anpassung und Entwicklung moderner Herstellungsverfahren
und der Entwicklung von Mehrphasenkonzepten konnte eine wesentliche
Verbesserung der mechanisch-technologischen Eigenschaften erzielt
werden. Mit der Einführung neuer Legierungskonzepte und
einem temperaturgeführten Herstellungsprozess ist die Stahlindustrie
heutzutage in der Lage, dem Anwender hochfeste und dennoch gut umformbare
Stahlfeinblechwerkstoffe zur Verfügung zu stellen: die
Gruppe der höher- und höchstfesten Mehrphasenstähle.
Grundlage dieser Stähle ist ein struktureller Aufbau, der
sich aus mehreren, unterschiedlich harten Phasen zusammensetzt.
Die Kombination unterschiedlicher Phasenanteile von Ferrit, Martensit,
angelassenem Martensit, Bainit und Restaustenit ergibt das vielfältige
Eigenschaftsspektrum dieser Stahlwerkstoffe. Unterschieden werden
Dualphasen(DP)- und Complexphasenstähle (CP) sowie restaustenitische/TRIP
(RA/TRIP) und martensitische (MS) Stähle.
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Beim
Warmumformen wird die Platine in den Bereich vollständiger
Austenitisierung (typischerweise 920°C) erwärmt.
Die Platine wird heiß in das Werkzeug eingelegt und beim
Verpressen ausreichend schnell abgekühlt. Aus einem relativ
weichen, ferritisch-perlitischen Ausgangsgefüge entsteht
harter Martensit mit Festigkeiten im Bereich von 1500 MPa. Vorteile
des Verfahrens sind der niedrige Umformwiderstand und die bessere
Umformfähigkeit von Stahl bei dieser Temperatur, die hohen
Bauteilfestigkeiten sowie die gute Maßhaltigkeit.
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Die
Verbindung zwischen den Bodenflächen der beiden Probenhälften
kann flächig über mindestens eine Klebstoffschicht
und/oder über mindestens eine punktweise mechanische Füge-
oder Nietverbindung oder über eine Schweißverbindung
erfolgen. Es sind auch die unterschiedlichsten Kombinationen der
verschiedenen Verbindungstechniken möglich. Günstigerweise
ist die zu prüfende Verbindungstechnik eine Punktverschweißung,
zu deren Herstellung die Schweißelektroden durch die Hohlzylinder
der miteinander zu verschweißenden Probenhälften durchgreifen.
Die Hohlzylinder dienen dabei zur Zentrierung der beiden Probenhälften
zueinander.
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Günstigerweise
weisen die Hohlzylinder Löcher, Aussparungen, Ausformungen
und/oder Einbuchtungen auf, die zur formschlüssigen Aufnahme der
Probe in einer Aufnahmevorrichtung einer Prüfmaschine dienen.
Hierüber ist eine besonders einfache, sichere Halterung
möglich. So können zum Beispiel die Hohlzylinder
Löcher aufweisen, durch welche die Probe mit der Aufnahmevorrichtung
verstiftet bzw. verschraubt wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt, anhand dessen die Erfindung im Folgenden näher
beschrieben wird. Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellungsweise eine
perspektivische Ansicht einer Probe zum Einsatz in Zuprüfmaschinen.
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In
der Figur ist eine Probe 1 dargestellt, die aus einer oberen
und einer unteren Probenhälfte 2a und 2b besteht.
Beide Probenhälften 2a, 2b weisen jeweils
eine quadaratische Bodenfläche 3a, 3b aus dem
zu prüfenden Material auf. Mit der Bodenfläche 3a, 3b ist
jeweils ein Hohlzylinder 4a, 4b verschweißt, dessen
Längsachse a senkrecht zu der Bodenfläche 3a, 3b angeordnet
ist. Die Bodenflächen 3a, 3b der beiden
Probenhälften 2a, 2b liegen flächig
aneinander an und sind mit der zu prüfenden Verbindungstechnik
miteinander verbunden. Hier sind die beiden Bodenflächen 3a, 3b miteinander
punktverschweißt. Dazu ist der Innendurchmesser der beiden
Hohlzylinder 4a, 4b so gewählt, dass
sie genau über den Schaft der Schweißelektroden
der Punktschweißzange passen. So werden die beiden Probenhälften 2a, 2b durch
die Schweißzange genau zueinander ausgerichtet und der
die beiden Bodenflächen 3a, 3b verbindende
Schweißpunkt befindet sich auf der Längsachse
a der beiden Hohlzylinder 4a, 4b.
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Zum
Prüfen der Probe werden die beiden Probenhälften 2a, 2b jeweils über
die beiden Hohlzylinder 4a, 4b in eine Aufnahmevorrichtung
einer Prüfmaschine eingespannt und zur Prüfung
auseinander gezogen. Um eine sichere Aufnahme der Hohlzylinder 4a, 4b in
der Aufnahmevorrichtung sicherzustellen, weisen die beiden Hohlzylinder 4a, 4b jeweils zwei
einander gegenüber liegende runde Löcher 5a, 5b in
der Mantelfläche der Hohlzylinder 4a, 4b auf, sodass
die Hohlzylinder 4a, 4b formschlüssig
mit der Aufnahmevorrichtung verstiftet werden können.
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Aufgrund
der Anordnung der zu prüfenden Verbindungstechnik auf der
Längsachse a der beiden Hohlzylinder 4a, 4b herrscht
beim auseinander Ziehen der beiden Probenhälften 2a, 2b eine
radialsymmetrische Belastungssituation, es kommt zu keinen unerwünschten
Schälzugbelastungen, die das Versuchsergebnis verfälschen
würden. Die Belastung der Probe kann außerdem
in verschiedenen Richtungen erfolgen (z. B. Scherzug, unter 45°,
usw.). Zudem ist eine Belastung der Probe auf Torsion möglich.
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Die
Bodenfläche 3a der oberen Probenhälfte 2a besteht
aus einem höchstfesten Stahl. Beim Verschweißen
dieser Bodenfläche 3a mit dem Hohlzylinder 4a muss darauf
geachtet werden, dass der Wärmeeintrag in die Bodenfläche 3a so
gering wie möglich ist, damit sich beim Verschweißen
nicht die Struktur des höchstfesten Stahls verändert
und damit zu fehlerhaften Versuchsergebnissen führt. Daher
ist der Hohlzylinder 4a mit der Bodenfläche 3a über
ein Kondensatorentladungs-Schweißverfahren verschweißt,
da hierbei der Wärmeeintrag minimal ist. Dennoch ist gewährleistet,
dass dabei eine sichere Schweißverbindung entsteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19522247
A1 [0002, 0006]