DE102009012552A1 - Method for after-treatment of highly stressed region of chassis assembly of motor vehicle, involves implementing plastic deformation by applying mechanical energy on edge portion of welded seam and/or on notch portion of welded joint - Google Patents

Method for after-treatment of highly stressed region of chassis assembly of motor vehicle, involves implementing plastic deformation by applying mechanical energy on edge portion of welded seam and/or on notch portion of welded joint Download PDF

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Abstract

The method involves welding metal parts (2, 3) with a dynamically loaded metal component (1) using a welded joint (4). Plastic deformation is implemented by applying mechanical energy on an edge portion (5) of a welded seam (6) and/or on a notch portion (7) of the welded joint to introduce residual compressive stress. The notch portion is formed in concave shape using the mechanical energy, which is produced using high-frequency hammering process. The compressive stress is introduced on a portion of an undercut of the welded joint.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung hoch beanspruchter Bereiche von insbesondere dynamisch belasteten Metallbauteilen für den Fahrzeugbau, bei dem zunächst Metallteile mittels einer Schweißverbindung zu dem Metallbauteil verschweißt werden.The The invention relates to a process for the after-treatment of highly stressed Areas of particular dynamically loaded metal components for the Vehicle construction, in the first metal parts by means of a Welded welded to the metal component become.

Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, Schweißverbindungen bei Metall-, insbesondere Stahlkonstruktionen, beispielsweise Brücken, Kränen und Maschinenbauteilen, aber auch bei Bauwerken und Anlagen, wie beispielsweise Windenergieanlagen, die häufig durch dynamische oder wechselnde Belastungen beansprucht sind, einer Nachbehandlung zu unterziehen. Diesen Maßnahmen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Lebensdauer der Metallkonstruktionen vorrangig durch die Ermüdungsfestigkeit bestimmt wird, sodass eine Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit in den meisten Fällen zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Gesamtkonstruktion führt bzw. eine Reduzierung der Wanddicken ermöglicht.Out the prior art, it is already known, welded joints in metal, especially steel structures, such as bridges, cranes and machine components, but also in buildings and facilities, such as For example, wind turbines, often by dynamic or changing loads are claimed, a post-treatment to undergo. These measures are based on the knowledge that that the life of the metal structures are given priority by the Fatigue strength is determined, so an improvement fatigue resistance in most cases to increase the life of the overall construction leads or allows a reduction of the wall thicknesses.

Durch die in der Praxis bei Metallkonstruktionen eingesetzten Schweißverbindungen wird jedoch die Ermüdungsfestigkeit der so gefügten Konstruktionselemente wesentlich vermindert.By the welded joints used in practice in metal structures However, the fatigue strength of the so joined Design elements significantly reduced.

Eine Möglichkeit, diesen nachteiligen Effekt bei wechselnd beanspruchten Metallkonstruktionen zu reduzieren, bieten Verfahren zur Nachbehandlung der Schweißnaht. Es ist bereits bekannt, durch ein Überschleifen oder Ausschleifen eine Verbesserung der Nahtgeometrie zu erzeugen und dadurch die kritischen Kerbspannungen zu reduzieren. Dabei wird davon ausgegangen, dass Risse, beispielsweise durch Ermüdung, nicht in einer Schicht von Druckeigenspannung entstehen.A Possibility of this adverse effect with varying demands To reduce metal structures, provide aftertreatment methods Weld. It is already known, by a blending or grind to improve seam geometry and thereby reduce the critical notch stresses. It gets away from it that cracks, for example due to fatigue, do not form in a layer of compressive residual stress.

Die EP 0 336 161 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von geschweißten hochfesten Stählen, bei dem die Schweißnahtübergänge mit örtlicher Energiezufuhr und mit einer aus einem vorgegebenen Bereich ausgewählten Streckenenergie nachbehandelt werden. Durch eine WIG-Nachbehandlung der Schweißnahtübergänge kann demnach die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindungen erhöht werden. Die nachzubehandelnden Schweißnähte werden auf eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur vorgewärmt, wodurch eine wesentliche Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit der geschweißten hochfesten Stähle bis zur Festigkeit des nicht geschweißten Grundwerkstoffs erreicht werden soll. Es ist möglich, die zum Aufschmelzen der kritischen Schweißnahtübergänge notwendige örtliche Energiezufuhr durch Inertgas-Lichtbogenschweißen mit Wolframelektroden (WIG-Schweißen) oder durch Laserstrahlen einzubringen.The EP 0 336 161 A1 describes a method for improving the fatigue strength of welded high-strength steels, in which the weld seam transitions are aftertreated with local energy supply and with a track energy selected from a predetermined range. By a TIG after-treatment of the weld seam transitions, therefore, the fatigue strength of the welded joints can be increased. The welds to be post-treated are preheated to a temperature above room temperature, thereby achieving a substantial increase in the fatigue strength of the welded high strength steels to the strength of the unwelded base material. It is possible to introduce the necessary for the melting of the critical weld seams local energy supply by inert gas arc welding with tungsten electrodes (TIG welding) or by laser beams.

Aus dem Maschinenbau ist auch bereits das Kugelstrahlen bekannt. Beispielsweise beschreibt die US 2008/0001609 A1 eine Oberflächenbehandlung eines Stahlwerkstoffs mittels Kugelstrahlen, bei der eine plastische Verformung der Oberfläche des behandelten Werkstoffs durch das Auftreffen der Kugeln und in Folge davon Eigenspannungen erzeugt werden. Beim Kugelstrahlen tritt der Aspekt der Einbringung von Druckeigenspannungen in den Vordergrund, um auf diese Weise die Dauerfestigkeit des Werkstoffs zu steigern. Dabei kommt es zu einer Verfestigung und einer elastischen-plastischen Verformung im Bereich der Oberfläche, was Druckeigenspannungen auf dem Werkstück zur Folge hat.From mechanical engineering also shot peening is already known. For example, this describes US 2008/0001609 A1 a surface treatment of a steel material by means of shot peening, in which a plastic deformation of the surface of the treated material by the impact of the balls and as a result of which residual stresses are generated. In the case of shot peening, the aspect of introducing compressive residual stresses comes to the fore, in order to increase the fatigue strength of the material in this way. This results in a solidification and an elastic-plastic deformation in the region of the surface, which has compressive stresses on the workpiece result.

Ferner ist es auch bereits bekannt, CO2-Laserstrahlung zur Induzierung von Eigenspannung zu nutzen. Hierdurch wird die Bauteilfestigkeit gegenüber konventionellen Verfahren gesteigert.Furthermore, it is already known to use CO 2 laser radiation to induce residual stress. As a result, the component strength is increased compared to conventional methods.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachbehandlung der Schweißverbindung derart in einem zweiten Schritt zu verbessern, dass die Ermüdungsfestigkeit der so gefügten Metallbauteile wesentlich verbessert wird.Of the Invention is based on the object, the aftertreatment of the welded joint so in a second step to improve the fatigue strength the so-joined metal components is significantly improved.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.These The object is achieved by a method according to Features of claim 1. The dependent claims relate particularly expedient developments of the invention.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Nachbehandlung hoch beanspruchter Bereiche von insbesondere dynamisch belasteten Metallbauteilen für den Fahrzeugbau vorgesehen, bei dem nach dem Verschweißen der Metallteile in einem zweiten Verfahrensschritt eine Umformung durch einen mechanischen Energieeintrag in einem Randbereich einer Schweißnaht und/oder einem Kerbbereich der Schweißverbindung zum Einbringen von Druckeigenspannungen durchgeführt wird. Hierdurch wird bei den dynamisch hoch belasteten Metallbauteilen im Kraftfahrzeugbau durch das Einbringen von Druckeigenspannungen die Rissfortschrittsgeschwindigkeit wesentlich reduziert. Dabei führen insbesondere Randschichtverfestigungen zu einer Verzögerung der Rissbildung. Beide Effekte erhöhen die Ermüdungsfestigkeit. Durch plastische Verformungen durch den mechanischen Energieeintrag kann also die Festigkeit erhöht werden, sodass bei unveränderter Festigkeit des Metallbauteils die Materialstärke der Metallteile reduziert wird und dadurch das Eigengewicht des Metallbauteils vermindert wird.According to the invention that is a process for the after-treatment of highly stressed areas in particular dynamically loaded metal components for provided the vehicle, in which after welding the metal parts in a second process step a transformation by a mechanical energy input in an edge region of a weld and / or a notch portion of the welded joint for insertion of residual compressive stresses is performed. This is at the dynamically highly loaded metal components in motor vehicle construction by the introduction of compressive residual stresses the rate of crack propagation significantly reduced. In particular, edge-layer consolidations result to a delay of cracking. Increase both effects the fatigue strength. By plastic deformation so the strength can be increased by the mechanical energy input so that with unchanged strength of the metal component the material thickness of the metal parts is reduced and thereby the weight of the metal component is reduced.

Als besonders vorteilhaft erweisen sich zu diesem Zweck Hämmerverfahren, die zusätzlich zu einer Ausrundung des Nahtübergangs führen und damit die Beanspruchungen aufgrund der geometrischen Kerbwirkung reduzieren. Bei der Anwendung wirken gehärtete Stahlstifte auf den Schweißnahtübergangsbereich ein, sodass mit jedem Schlag kleine plastische Eindrücke entstehen. Durch die Plastizierungen wird die Kerbschärfe des Nahtübergangs reduziert und der Werkstoffwiderstand erhöht. Die zur Nachbehandlung der Schweißnaht geeigneten Hämmerverfahren, beispielsweise das High Frequency Impact Treatment (HiFIT) und das Ultrasonic Impact Treatment (UIT), stellen effektive Methoden zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit dar.For this purpose, hammering methods that additionally lead to a rounding of the seam transition and thus the stresses due to the geometri prove to be particularly advantageous reduce notch effect. When used hardened steel pins act on the weld seam transition area, so that with each blow small plastic impressions. The plasticization reduces the notch sharpness of the seam transition and increases the material resistance. The hammers suitable for after-treatment of the weld, such as the High Frequency Impact Treatment (HiFIT) and the Ultrasonic Impact Treatment (UIT), are effective methods for increasing the fatigue strength.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich auch, wenn die Druckeigenspannungen in den Bereich der Einbrandkerbe der Schweißverbindung eingebracht werden, um so durch eine lokal begrenzte und somit mit geringem Nachbehandlungsaufwand einzubringende Verformung die Festigkeit wesentlich zu steigern.When It is also particularly advantageous if the compressive stresses in the area of the penetration groove of the welded joint be introduced so as to be limited by a local and therefore with low post-treatment effort to introduce deformation the strength significantly increase.

Dabei wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durch den mechanischen Energieeintrag die Materialstärke zumindest eines Metallteils reduziert, ohne jedoch die Belastbarkeit des Metallbauteils zu vermindern. Vielmehr hat sich überraschend gezeigt, dass die Festigkeit auch bei einer derart aufgrund der Verformung eingebrachten Materialschwächung zuverlässig gesteigert werden kann.there is according to a further advantageous embodiment the invention by the mechanical energy input material thickness reduced at least one metal part, but without the capacity of the metal component. Rather, it has become surprising shown that the strength even with such because of Deformation introduced material weakening reliable can be increased.

In der Praxis erweisen sich dabei Metallteile für dynamisch belastete Bauteile als besonders Erfolg versprechend, bei denen die Materialstärke der Metallteile bis zu 3,5 mm, insbesondere zwischen 1,5 und 3,5 mm beträgt, wobei das Metallbauteil eine Baugruppe eines Kraftfahrzeugs ist. Neben Fahrwerksbaugruppen im Allgemeinen eignet sich das Verfahren insbesondere für Hilfsrahmen, Querlenker, Spurstangen, Längslenker, Blechradträger oder dergleichen.In In practice, metal parts prove to be dynamic loaded components as particularly promising, in which the material thickness of the metal parts up to 3.5 mm, in particular between 1.5 and 3.5 mm, wherein the metal component an assembly of a motor vehicle. In addition to chassis assemblies In general, the method is particularly suitable for Subframe, control arm, tie rods, trailing arm, plate carrier or similar.

Die Nachbehandlung kann grundsätzlich mittels Handgeräten durchgeführt werden. Besonders praxisgerecht ist es hingegen, wenn die Nachbehandlung mittels eines automatisierten Fertigungsverfahrens durchgeführt wird, in dem der mechanische Energieeintrag mittels eines Roboters, welcher vorzugsweise auch Einrichtungen zur Positionserfassung und Fertigungskontrolle aufweisen kann, erfolgt.The Aftertreatment can basically by means of handheld devices be performed. On the other hand, it is particularly practical if the aftertreatment by means of an automated manufacturing process is performed, in which the mechanical energy input by means of a robot, which preferably also means for position detection and production control, takes place.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung inThe Invention allows for numerous embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is in the drawing and will be described below. These shows each in a schematic diagram in

1 eine Schweißverbindung eines Metallbauteils vor der Behandlung; 1 a welded joint of a metal component prior to treatment;

2 das in 1 gezeigte Metallbauteil nach der Behandlung. 2 this in 1 shown metal component after treatment.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Nachbehandlung hoch beanspruchter Bereiche von insbesondere dynamisch belasteten Metallbauteilen 1 für den Fahrzeugbau wird nachstehend anhand der 1 und 2 näher dargestellt. Wie in 1 zu erkennen, werden zwei Metallteile 2, 3 zunächst im Überlappungsstoß mittels einer Schweißverbindung 4 zu dem Metallbauteil 1 verschweißt. Anschließend erfolgt in einem zweiten Verfahrensschritt eine Umformung durch einen mechanischen Energieeintrag in einem Randbereich 5 einer Schweißnaht 6 und in einem Kerbbereich 7 der Schweißverbindung 4, um so die zur Steigerung der Festigkeit erforderlichen Druckeigenspannungen einzubringen. Insbesondere erhält also der Kerbbereich 7 durch den mechanischen Energieeintrag eine konkave Ausformung 8, die zugleich zu einer örtlichen Reduzierung der Materialstärke a des Metallteils 3 im Kerbbereich 7 um ca. 0,25 mm und einer sich darin anschließenden Materialhäufung b von ca. 0,12 mm führt.The inventive method for the aftertreatment of highly stressed areas of particular dynamically loaded metal components 1 for vehicle construction is described below on the basis of 1 and 2 shown in more detail. As in 1 to recognize, become two metal parts 2 . 3 initially in the lap joint by means of a welded joint 4 to the metal component 1 welded. Subsequently, in a second method step, a deformation takes place by a mechanical input of energy in an edge region 5 a weld 6 and in a notch area 7 the welded joint 4 so as to introduce the necessary to increase the strength compressive residual stresses. In particular, so receives the notch area 7 by the mechanical energy input a concave shape 8th , which also leads to a local reduction of the material thickness a of the metal part 3 in the notch area 7 about 0.25 mm and a subsequent material accumulation b of about 0.12 mm leads.

11
Metallbauteilmetal component
22
Metallteilmetal part
33
Metallteilmetal part
44
Schweißverbindungwelded joint
55
Randbereichborder area
66
SchweißnahtWeld
77
Kerbbereichnotch area
88th
Ausformungformation
aa
Materialstärkematerial thickness
bb
Materialhäufungmaterial accumulation

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - US 2008/0001609 A1 [0006] US 2008/0001609 A1 [0006]

Claims (10)

Verfahren zur Nachbehandlung hoch beanspruchter Bereiche von insbesondere dynamisch belasteten Metallbauteilen (1), bei dem in einem ersten Verfahrensschritt Metallteile (2, 3) mittels einer Schweißverbindung (4) zu dem Metallbauteil (1) verschweißt werden und anschließend in einem zweiten Verfahrensschritt eine Umformung durch einen mechanischen Energieeintrag in einem Randbereich (5) einer Schweißnaht (6) und/oder einem Kerbbereich (7) zum Einbringen von Druckeigenspannungen durchgeführt wird.Process for the after-treatment of highly stressed areas of, in particular, dynamically loaded metal components ( 1 ), in which in a first process step metal parts ( 2 . 3 ) by means of a welded connection ( 4 ) to the metal component ( 1 ) are welded and then in a second process step, a deformation by a mechanical energy input in an edge region ( 5 ) a weld ( 6 ) and / or a notch area ( 7 ) is carried out for introducing compressive residual stresses. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Energieeintrag mittels eines Hämmer-Verfahrens erfolgt.Method according to claim 1, characterized in that that the mechanical energy input by means of a hammering process he follows. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Energieeintrag mittels eines Hochfrequenz-PIN-Hämmer-Verfahrens erfolgt.Method according to claim 2, characterized in that that the mechanical energy input takes place by means of a high frequency PIN hammering method. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kerbbereich (7) durch den mechanischen Energieeintrag konkav ausgeformt wird (Ausformung 8).Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the notch area ( 7 ) is formed concave by the mechanical energy input (shaping 8th ). Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeigenspannungen in den Bereich der Einbrandkerbe der Schweißverbindung (4) eingebracht werden.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the compressive residual stresses in the region of the penetration notch of the welded joint ( 4 ) are introduced. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den mechanischen Energieeintrag die Materialstärke zumindest eines Metallteils (3) reduziert wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that by the mechanical input of energy, the material thickness of at least one metal part ( 3 ) is reduced. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke der Metallteile (2, 3) bis zu 3,5 mm, insbesondere zwischen 1,5 und 3,5 mm beträgt.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the material thickness of the metal parts ( 2 . 3 ) is up to 3.5 mm, in particular between 1.5 and 3.5 mm. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallteile (2, 3) im Überlappungsstoß verschweißt werden.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the metal parts ( 2 . 3 ) are welded in the lap joint. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil (1) als eine Baugruppe eines Kraftfahrzeugs, insbesondere als Fahrwerksbaugruppe hergestellt wird.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the metal component ( 1 ) is produced as an assembly of a motor vehicle, in particular as a chassis assembly. Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbehandlung mittels eines automatisierten Fertigungsverfahrens durchgeführt wird.Method according to at least one of the preceding Claims, characterized in that the aftertreatment performed by an automated manufacturing process becomes.
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