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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zum partiellen Wärmebehandeln eines metallischen Bauteils gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum partiellen Wärmebehandeln eines metallischen Bauteils mit den Merkmalen im Patentanspruch 10.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeuganordnung zum partiellen Wärmebehandeln eines metallischen Bauteils gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 15.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Induktiven Erwärmung von metallischen Bauelementen stellt sich das Problem, dass eine gleichmäßige Erwärmung der zu bearbeitenden und verbindenden Bauelemente unabhängig von deren Querschnitt nur sehr schwer erreichbar ist.
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Dies gilt insbesondere für eine verfahrensökonomisch angestrebte möglichst kurze Erwärmungszeit.
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Insbesondere bei großen und/oder fast rechteckigen Fügeflächen werden der Stromfluss und damit die Erwärmung der Fügeflächen mittels bekannter Induktionsschleifen ungleichförmig. Beispielsweise ist aus der
DE 198 58 702 A1 ein Pressschweißverfahren zum Verbinden von Schaufelteilen einer Gasturbine bekannt, wobei ein Schaufelblattabschnitt und wenigstens ein weiteres Schaufelteil bereit gestellt werden. Dabei werden entsprechende Verbindungsflächen dieser Elemente im Wesentlichen fluchtend beabstandet zueinander positioniert und anschließend durch Erregen eines Induktors mit hochfrequentem Strom und durch Zusammenfahren unter Berührung ihrer Verbindungsflächen miteinander verschweißt. Bei diesem induktiven Hochfrequenzpressschweißen ist die genügend große und homogene Erwärmung der beiden Bauteile für die Qualität der Fügestellte von entscheidender Bedeutung.
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Aus der 10 2005 054 8 47 B3 sind warmgeformte und pressgehärtete Bauteile, die nach dem Endformen und dem Einstellen hochfester mechanischer Eigenschaften im Stahl einer gezielten Wärmebehandlung unterzogen werden, bekannt. Insbesondere bei Struktur- und/oder Sicherheitsbauteilen, die im Crashfall axial belastet werden, soll ein nach der vorgenannten Art hergestelltes Bauteil einerseits hoch fest sein und andererseits im Crashfall Falten werfen, um Energie gezielt abzubauen.
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Eine Wärmebehandlung findet gemäß dem Stand der Technik üblicherweise in einem Temperaturbereich zwischen 320°C und 400°C statt und verändert die im Warmform- und Presshärteprozess eingestellten Festigkeitswerte kaum. Gleichzeitig wird jedoch die Duktilität des Werkstoffes derart erhöht, dass im Crashfall eine Faltenbildung möglich ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum partiellen Wärmebehandeln und ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahren bereitzustellen, dass die partiellen Wärmebehandlungsmöglichkeiten bei metallischen Bauteilen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Wärmebehandlungsmöglichkeiten mittels Induktion verbessert.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Werkzeug zum partiellen Wärmebehandeln eines metallischen Bauteils gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Die vorliegende Aufgabe wird weiterhin mit einer Werkzeugannordnung mit den Merkmalen im Patentanspruch 15 gelöst.
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Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird mit einem Verfahren zum partiellen Wärmebehandeln eines metallischen Bauteils mit den Merkmalen im Patentanspruch 10 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
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Das Werkzeug zum partiellen Wärmebehandeln eines metallischen Bauteils, insbesondere eines warmumgeformten und pressgehärteten Bauteils, wobei das Werkzeug einen ersten Induktor aufweist, welche über einem Bereich angeordnet ist, in dem die partielle Wärmebehandlung erfolgt und einen Abstand a zu diesem Bereich aufweist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass auf der gegenüberliegenden Seite des Bereiches ein zweiter Induktor angeordnet ist.
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Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, dass die von den zwei Induktoren ausgehenden Induktionsfelder entsprechend zusammenwirken und sich in dem Bereich, in dem die Wärmebehandlung an einem wärmezubehandelnden Bauteil erfolgt derart ergänzen, dass Bereiche in dem Bauteil selber, die nicht durch ein Induktionsfeld erfasst sind, gänzlich vermieden werden. Insbesondere wird durch das erfindungsgemäße Werkzeug ein besonders homogenes Werkstoffgefüge eingestellt, da die vermeindlich kalte Zone in dem Bereich, in dem die Wärmebehandlung des ersten induktors erfolgt, von den warmen Zonen des zweiten Induktors weitestgehend abgedeckt werden. Ein insgesamt homogeneres Erwärmungsbild stellt sich in der Folge in den wärmebehandelten Bereich ein.
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Besonders bevorzugt weist der erste Induktor und/oder der zweite Induktor mäanderförmig angeordnete Induktionsschleifen auf. Hierdurch ist es möglich, eine induktive Erwärmung über einem partiellen Bereich zu erzeugen, Insbesondere einen partiellen flächigen Bereich induktiv zu erwärmen. Unter einer Mäanderform ist im Rahmen der Erfindung ein sich replizierender oder aber wiederkehrender Verlauf von Induktionsschleifen zu verstehen. Der wesentliche Bereich der Induktoroberfläche ist durch zueinander im Wesentlichen parallele elektrische Leiter bzw. Leiterabschnitte gekennzeichnet, deren Enden durch Übergänge verbunden sind. Die Übergänge können beispielsweise in Form von Bögen oder rechtwinkligen Verbindungen ausgeführt sein.
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Die Induktoren sind in der Regel flächig ausgebildet, so dass eine Bauteilfläche, die beispielsweise auch durch mehrere zueinander verwinkelte einzelne Bauteilflächen gebildet ist, mit einem erfindungsgemäßen Induktor erwärmt werden kann. Der Vorteil dabei ist insbesondere, dass die Flächen nicht vollständig eben sein müssen, sondern gekrümmte Oberflächen oder aber auch in einem Winkel zueinander stehend angeordnet sein können.
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Besonders bevorzugt weisen die Induktoren einen Versatz zueinander auf. Durch den Versatz der zwei Induktoren zueinander wird der Effekt der Ergänzung der Induktionsfelder weiter verstärkt. Insbesondere werden hier die wärmezubehandelnden Bereiche derart gezielt erreicht, so dass sich warme und kalte Bereiche des Induktionsfeldes eines jeden Induktors überschneidend ergänzen.
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Insbesondere ist der Versatz derart ausgebildet, dass jeweils eine positive Amplitude des mäanderförmigen Verlaufs des ersten Induktors einer negativen Amplitude des mäanderförmigen Verlaufes des zweiten Induktors gegenüber liegt. Der Versatz ist dergestalt, dass die Felder der beiden Induktoren durch Addition der lokalen Feldstärken eine maximale und maximal homogene Feldstärke ergeben.
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Weiterhin bevorzugt ist der Versatz derart ausgebildet, dass der Versatz zwischen erstem und zweitem Induktor zwischen dem 0,25-fachen und 0,75-fachen der Länge einer Periode ausgebildet ist. Besonders bevorzugt entspricht der Versatz der halben Länge der Periode. Im Rahmen der Erfindung ist es hier vorzusehen, dass im Wesentlichen die Periode des mäanderförmigen Verlaufs der Induktionsschleifen von erstem Induktor der Periode des mäanderförmigen Verlaufs der Induktionsschleifen von dem zweiten Induktor entspricht.
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In der Praxis ist es ferner möglich, dass der Abstand von benachbarten Stromleitern bzw. -leiterabschnitten eines Induktors im Verlauf des Induktors variiert. Hierdurch ergeben sich lokal variierende Feldstärken. Die daraus resultierenden lokal unterschiedlichen Wärmeeinträge führen zu gewollten, lokal unterschiedlichen Materialeigenschaften.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist der erste und/oder der zweite Induktor bewegbar in dem Werkzeug gelagert. Dies bedeutet, dass die Induktoren getrennt voneinander entweder einzeln oder aber zusammen oder aber parallel zueinander eine Relativbewegung ausführen können. Diese Relativbewegung kann während der induktiven partiellen Wärmebehandlung oder aber nach Abschluss der induktiven partiellen Wärmebehandlung ausgeführt werden. Durch diese Relativbewegung wird zusätzlich ein homogeneres Wärmebild innerhalb des Gefüges erzeugt. Etwaige Bereiche, die zwischen kalten und warmen Bereichen der jeweiligen Induktoren liegen und nicht etwa besonders erwärmt werden, beispielsweise durch das Überschneiden von zwei warmen Bereichen von erstem und zweitem Induktor, werden durch die Relativbewegung ebenfalls erreicht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist der zweite Induktor mit einem Abstand b zu dem Bauteil angeordnet. Der Abstand b und der Abstand a sind dabei insbesondere voneinander verschieden oder aber gleich auszuwählen. Je nach zu erzeugendem Erwärmungsbild an dem Bauteil selber, ist es unter Umständen sinnvoll, gleiche und/oder verschiedene Abstände auszuwählen. Beispielsweise kann durch einen größeren Abstand des zweiten Induktors ein geringerer Wärmeeintrag an der Seite des Bauteils erzielt werden, an dem der zweite Induktor angeordnet ist, in Relation zu der Seite des Bauteils, an dem der erste Induktor angeordnet ist. Je nach zu erzielender Bauteileigenschaft kann sich dies besonders vorteilig auf die Verfahrensführung und/oder die entsprechenden einzustellenden Bauteileigenschaften, insbesondere die Duktilität an dem Bauteil auswirken.
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Der Abstand a bzw. b kann im Verlauf eines Induktors variieren. Auch hierdurch kann die Feldstärke lokal unterschiedlich ausgelegt werden, mit der Folge, dass lokal unterschiedliche Wärmeeinträge in das Bauteil erfolgen, die dem Bauteil partiell unterschiedliche Materialeigenschaften verleihen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist der Abstand a und/oder b veränderbar. Der Abstand a und/oder b kann dabei zum einen als Grundeinstellung verändert werden. In der Folge ist das erfindungsgemäße Werkzeug in einem Produktionsprozess eingliederbar und ist somit an die Taktzeit des Prozesses und das zu erzielende Ergebnis angepasst.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist der Abstand a und/oder b auch während der Durchführung der partiellen Wärmebehandlung veränderbar. Hierdurch stellt sich der gleiche Vorteil ein, der mit der Relativbewegung einhergeht. Bereiche, die durch die Anordnung der zwei Induktoren zueinander immer noch nur suboptimal erreicht werden, werden durch die Veränderung des Abstandes und somit durch Verlagerung des Induktionsfeldes ebenfalls erreicht. In der Folge stellt sich ein homogeneres Wärmebild innerhalb des Bauteils ein.
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Vorzugsweise weisen die Induktionsschleifen des ersten Induktors und/oder des zweiten Induktors eine rohrförmige Ausbildung auf, insbesondere sind es Rohre. Vorzugsweise wird weiterhin ein Kühlmedium durch die Rohre geleitet, insbesondere sind die Rohre aus einer Kupferlegierung ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, die jeweils gewünschten Wärmeeinträge in das Bauteil zu erreichen, ohne dass dabei der Induktor selber überhitzt. Frequenz, Amplitude und auch Erwärmungszeit in dem partiell zu behandelnden Bereich sind dabei derart zu wählen, dass die gewünschten Festigkeitseigenschaften und auch Duktilitätseigenschaften in dem Bauteil erzielt werden.
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Weiterhin ist es Bestandteil der Erfindung, dass in dem Werkzeug ein Induktor eingesetzt wird, wobei der Verlauf der Induktionsschleifen der Mäanderform von zwei Induktoren gleicht. Hierbei ist es möglich, das Bauteil umfassende Teile der Induktionsschelife mit einem Versatz der oben zu unten liegenden Induktionsleitungen angeordnet sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum partiellen Wärmebehandeln eines metallischen Bauteils, insbesondere eines warmumgeformten und pressgehärteten Bauteils, insbesondere mit einer Vorrichtung mit einem der Merkmale nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 mit folgenden Verfahrensmerkmalen:
- – Einlegen des Bauteils in eine Bauteilaufnahme, wobei ein partiell wärmezubehandelnder Bereich an einem ersten Induktor angeordnet wird,
- – Anordnen einer Festhaltemechanik über dem wärmezubehandelnden Bereich und der Festhaltemechanik ein zweiter Induktor zugeordnet wird, wobei der zweite Induktor zu dem ersten Induktor einen Versatz in Längsrichtung des Bauteils aufweist,
- – Wärmebehandeln des Bereiches.
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Hierbei wird das metallische Bauteil in eine Bauteilaufnahme eingelegt. Die Bauteilaufnahme kann bereits Bestandteil des Werkzeuges sein oder aber ein externes Haltewerkzeug, das dem Erwärmungswerkzeug mit dem Induktor oder aber den Induktoren zusätzlich beigefügt ist. Nach dem Einlegen des Bauteils in eine Bauteilaufnahme, die auch eine Bauteilspannung sein kann, wird eine Festhaltemechanik über dem wärmezubehandelnden Bereich des Bauteils angeordnet. Der Festhaltemechanik selber ist ein zweiter Induktor zugeordnet, wobei durch den ersten Induktor an der Bauteilaufnahme und den zweiten Induktor an der Festhaltemechanik die jeweiligen Induktoren an dem Bauteil angeordnet sind. Die Induktoren untereinander weisen hierbei erfindungsgemäß einen Versatz auf, vorzugsweise einen Versatz derart, dass eine positive Amplitude eines mäanderförmigen Verlaufs des ersten Induktors einer negativen Amplitude eines mäanderförmigen Verlaufs des zweiten Induktors gegenüberliegt.
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Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren während der Wärmebehandlung eine Relativbewegung mindestens eines Induktors ausgeführt. Hierbei können die beiden Induktoren getrennt voneinander bewegt werden oder aber auch parallel zueinander bewegt werden. Auch eine entgegengesetzte Relativbewegung von beiden Induktoren ist im Rahmen der Erfindung ausführbar. Hierdurch wird sichergestellt, dass der gesamte wärmezubehandelnde Bereich des Bauteils einen homogenen Wärmeeintrag durch die Induktionsschleifen erfährt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung werden die zwei Induktoren in einem absoluten konstanten Abstand zueinander mit einer Relativbewegung zu dem Bauteil bewegt, wobei die Relativbewegung weniger als 20 mm beträgt. Hierbei sind die beiden Induktoren zueinander in einer fixierten Absolutposition gehalten. Relativ zu dem Bauteil führen sie dann eine Bewegung aus, wobei der Bewegungsspielraum weniger als 20 mm ist. Das erfindungsgemäße Verfahren wird dabei ausschließlich stationär durchgeführt, wobei die Relativbewegung nicht der Erreichung eines größtmöglichen Induktionsbereiches, sondern ausschließlich der Erzeugung eines homogenen Wärmeeintrages in das Bauteil dient.
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Bevorzugt wird die Relativbewegung dabei oszillierend ausgeführt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Bewegung mindestens zweiachsig in einer Ebene ausgeführt wird. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, eine räumliche Bewegung auszuführen, so dass jedes einzelne kubische Flächenelement in dem Bauteil selber durch das durch die zwei Induktoren erzeugte Induktionsfeld ausnahmslos erreicht wird.
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Bevorzugt wird hierzu auch der Abstand von dem ersten Induktor und/oder dem zweiten Induktor zu dem Bauteil selbst verändert.
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Weiterhin kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein metallisches Bauteil derart wärmebehandelt werden, dass das Bauteil in den Wärme zu behandelnden Bereichen zunächst auf eine Aufwärmtemperatur in einem Temperaturbereich zwischen 500°C und 900°C, bevorzugt zwischen 550°C und 800°C, insbesondere zwischen 700°C und 800° aufgewärmt wird, danach die Aufwärmtemperatur für eine Haltezeit gehalten wird und danach von der Aufwärmtemperatur in mindestens einer Phase abgekühlt wird.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die in dem Bauteil gewünschten Werkstoffeigenschaften gezielt und prozesssicher herstellbar sind. Das mittels Warmform und Presshärten hergestellte Bauteil weist eine harte und spröde Struktur auf. Durch die partielle Wärmebehandlung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unterhalb der Austenitisierungstemperatur wird das Bauteil in den wärmebehandelten Bereichen in seinem Werkstoffgefüge umgewandelt, so dass hier ein tendenziell duktileres Werkstoffgefüge auftritt. Die Aufwärmung beginnt im Rahmen der Erfindung bei einer Starttemperatur, die das Bauteil nach dem Presshärteprozess aufweist. Beispielsweise kann es sich dabei um die Umgebungstemperatur handeln. Die Starttemperatur der Aufwärmung ist aber immer kleiner als die Martensit Starttemperatur (MS), vorzugsweise unterhalb von 200°C.
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Durch den Temperaturbereich zwischen 500°C und 900°C für das Aufwärmen bzw. das Halten der Aufwärmtemperatur ergibt sich ein besonders vorteiliger Spannungsabbau in den gezielt wärmebehandelten Bereichen, beispielsweise an Fügeflanschen oder aber an Randstellen von Aussparungen, die einer erfindungsgemäßen Wärmebehandlung unterzogen werden.
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Am Beispiel des Bauteils in Form einer Kraftfahrzeugkomponente, die als Strukturbauteil oder Sicherheitsbauteil in eine selbsttragende Karosserie eingesetzt ist, wirkt sich der wärmebehandelte Bereich besonders vorteilig auf die Crasheigenschaft der Karosserie im Einsatzbereich der Kraftfahrzeugkomponente aus. Ist beispielsweise ein Bereich in Form eines Fügeflansches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wärmebehandelt worden, so neigt dieser Fügeflansch nicht zu einem Auf- bzw. Ausreißen oder aber zu einer Rissbildung im Falle eines Unfalles und hält somit die umliegenden Struktur- bzw. Sicherheitsbauteile zusammen. Gerade unter Berücksichtigung eines Fahrgastinnenraumes wirkt sich dies besonders vorteilig auf den Insassenschutz aus. Unter einem Fügeflansch ist im Rahmen der Erfindung ein Flanschbereich zu verstehen, der zur Anbindung eines anderen Bauteils oder einer Bauteilkomponente vorgesehen ist. Die Anbindung kann dabei durch Kleben, Nieten, Schweißen, Löten oder ähnliche Koppelungsprozesse hergestellt werden.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich in Bereichen, die im Falle eines Unfalles einer gewollten Verformung ausgesetzt sind. Diese Verformung ist vorgesehen, um Energie zum Abbau in die Karosserie einzuleiten, so dass hier wiederum die Crashsicherheit für Fahrzeuginsassen steigt. Ein weiterer Anwendungsfall ist beispielsweise auch das gezielte Deformieren einzelner Bereiche, um eine besonders günstige Unfallreparatur zu ermöglichen.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wärmebehandelten Bereiche können dabei im Crashfall so deformiert werden, dass eine gezielte Einfaltung und somit gezielte Energieaufnahme stattfindet. Weiterhin tendieren die wärmebehandelten Bereiche weniger zu einer Rissbildung, da ihr Gefüge gegenüber dem warmgeformten und pressgehärteten, harten und spröden Gefüge eher duktil ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren stellt die gewünschten Werkstoffeigenschaften großserientauglich besonders prozesssicher her. Eine Fertigungsstreuung in Form von Fertigungstoleranzen kann somit weitestgehend vermieden werden, so dass beispielsweise im Anwendungsfall einer durch gezielte CAD-Berechnung konstruierten Karosserie mit besonderen Crashpunkten eine hohe Fertigungsgenauigkeit durch Einsatz von mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kraftfahrzeugkomponenten sichergestellt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die partielle Wärmebehandlung an Fügeflanschen des Bauteils durchgeführt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Fügeflansche eine duktile Werkstoffeigenschaft aufweisen. Im Falle einer stoffschlüssigen Verbindung mittels thermischen Fügens findet hier eine Gefügeumwandlung in der Wärmeeinflusszone des Fügeverfahrens statt. Ein duktiler Abschnitt des Bauteils wirkt sich hierbei besonders vorteilig auf den Schweißprozess und die sich nach dem Schweißprozess in der Wärmeeinflusszone einstellenden Werkstoffgefüge aus. Auch diese werden durch eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführte partielle Wärmebehandlung in einen duktilen Werkstoffgefügebereich überführt. Dies wirkt sich bei einem Unfall des Kraftfahrzeugs wiederum besonders vorteilig auf die Haltbarkeit der verbundenen Schweißnähte aus. Unter Schweißnähte sind im Rahmen der Erfindung alle mittels thermischen Fügens hergestellten Schweißnähte zu verstehen. Dabei kann es sich beispielsweise um durchgezogen Längsschweißnähte aber auch Punktschweißungen oder aber auch unterbrochene Schweißnähte handeln.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die partielle Wärmebehandlung an Aussparungen des Bauteils durchgeführt. Diese Aussparungen können beispielsweise aus gewichtsoptimierten Gründen oder aber auch aus Gründen der Durchführung von anderen Komponenten, beispielsweise eines Schalthebels oder aber auch eines Kabelbaums oder ähnlichem, in dem Bauteil vorhanden sein. Gerade im Bereich der Aussparungen und auch im Endbereich von Aussparungen kann es hierbei im Falle eines Unfalles zu Rissbildungen kommen, die sich über das gesamte Bauteil erstrecken können. Durch Reduzierung der Oberflächenspannung stellt sich in diesem Bereich ein duktiles Werkstoffgefüge ein. Dieses steht einer Rissbildung und somit auch einer erleichterten ungewollten Deformation des Bauteils entgegen.
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Auch können Belastungen durch Biegewechselspannungen, die beispielsweise durch Karosserietorsion oder aber durch andere Fahreinflüsse, beispielsweise Motorschwingungen oder ähnlichem, in die Karosserie eingeleitet werden, hierdurch besonders vorteilig beeinflusst werden. Gerade in Bezug auf die Langlebigkeit einer Kraftfahrzeugkarosserie kann durch Reduzierung der Oberflächenspannung im Endbereich von Aussparungen ein besonders positiver Effekt durch ein partielles Wärmebehandeln mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt werden.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Fahrzeugkomponente aus mindestens zwei Bauteilen durch Koppelung gebaut und die Wärmebehandlung wird an den Koppelungsstellen durchgeführt. Bei den mindestens zwei Bauteilen kann es sich hierbei mindestens um zwei warmgeformte und pressgehärtete Bauteile handeln. Es kann sich aber auch um nur ein warmgeformtes und pressgehärtetes Bauteil handeln, das mit einem zweiten, durch einen konventionellen Fertigungsprozess oder Blechbearbeitungsprozess hergestellten Bauteil gekoppelt wird, handeln. Hierbei ist besonders vorteilig, dass das warmgeformte und pressgehärtete Bauteil mit den gleichen positiven erfindungsgemäßen Effekten versehen wird, die bereits zuvor genannt wurden.
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Weiterhin wirkt sich eine Behandlung der Koppelungsstellen mit einem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls besonders vorteilig auf deren Belastbarkeit und Langlebigkeit aus. Im Bereich der Koppelung durch thermisches Fügen entsteht in einer Schweißnaht eine Wärmeeinflusszone, die wiederum eine Gefügeumwandlung mit sich bringt. Unter Berücksichtigung des hergestellten Koppelungsprozesses, beispielsweise durch Schutzgasschweißen, Laserschweißen, Punktschweißen, Rollnahtschweißen oder ähnlichem, entstehen verschiedene Werkstoffeigenschaften, die teilweise auch unerwünschte Nebeneffekte mit sich bringen. Aus wirtschaftlichen Gründen der Großserie überwiegen jedoch die Vorteile des jeweiligen eingesetzten Schweißprozesses unter Inkaufnahme der Nachteile. Diese Nachteile können jedoch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren großserientauglich in kostengünstiger Art und Weise beseitigt werden.
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Die Wärmebehandlung der Schweißnähte wirkt sich dadurch besonders vorteilig auf deren Langlebigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Deformationsfähigkeit aus.
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Vorzugsweise wird die Aufwärmung in einem Zeitraum bis zu 30 Sekunden, bevorzugt bis zu 20 Sekunden, besonders bevorzugt bis 10 Sekunden, insbesondere bis 5 Sekunden durchgeführt. Die Aufwärmung kann dabei gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem progressiven, linearen oder degressiven Temperaturanstieg über der Zeit erfolgen. Eine kurze Aufwärmphase zum Erreichen der Aufwärmtemperatur wirkt sich in Kombination mit einer sich an diese anschließende Haltephase, in der die Aufwärmtemperatur in einer Haltezeit gehalten wird, besonders vorteilig auf die Prozesssicherheit der partiellen Wärmebehandlung aus.
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Vorzugsweise liegt die Haltezeit in einem Zeitraum bis zu 30 Sekunden. Bevorzugt liegt die Haltezeit in einem Zeitraum bis zu 20 Sekunden, besonders bevorzugt bis 10 Sekunden, insbesondere bis 5 Sekunden. Durch die gezielte Werkstoffgefügeumwandlungssteuerung bei konstanter Temperatur, nur beeinflusst durch die Dauer der Haltezeit, ist der Vergütungsprozess im Rahmen der Erfindung besonders prozesssicher durchführbar. Für die Haltezeit wird dabei im Wesentlichen die erreichte Aufwärmtemperatur gehalten. Ein weiterer Temperaturanstieg oder auch Temperaturabfall während der Haltezeit ist im Rahmen der Erfindung auch vorstellbar. Dieser liegt in einem Rahmen einer Temperaturdifferenz zur Aufwärmtemperatur bis zu maximal 100°C.
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Ein weiterer sich ergebender Vorteil aus den kleinen Zeiträumen der Aufwärmung und Haltezeit ist, dass ein Wärmeübergang in Form von Wärmeleitung weitestgehend vermieden wird. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilig in die Taktzeit von bestehenden Produktionsprozessen mit Warmumformungsschritten und weiteren folgenden Fertigungsschritten integriert werden. Die Taktzeiten können dabei in einem Zeitfenster zwischen 5 Sekunden und 30 Sekunden, bevorzugt zwischen 10 Sekunden und 15 Sekunden liegen.
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Die Verfahrensschritte des Aufwärmens und Haltens können dabei in einer einzigen Vorrichtung stattfinden, die auch dazu genutzt wird, das Bauteil warm umzuformen und presszuhärten. Die Bauteile können aber auch nach dem Warmumformen und Presshärten in eine separate Vorrichtung verbracht werden, in der die Aufwärmung und das Halten der Aufwärmtemperatur stattfinden. Das Aufwärmen und Halten der Temperatur selber kann beispielsweise durch induktive Erwärmung oder ähnliche Erwärmungsmöglichkeiten, die sich je nach Anwendungsfall in den Produktionsprozess einbinden lassen, durchgeführt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Abkühlen in mindestens zwei Phasen durchgeführt. Im Rahmen der Erfindung können die zwei Abkühlphasen im Wesentlichen gleich lang sein. Besonders bevorzugt wird die erste Abkühlungsphase in Relation zu der zweiten Abkühlungsphase zeitlich länger andauernd durchgeführt. Die Abkühlphasen können dabei ebenfalls wiederum in einer einzigen Vorrichtung oder aber in der Vorrichtung der Wärmebehandlung oder aber in einem separaten Abkühlbehälter durchgeführt werden. Auch ist im Rahmen der Erfindung vorstellbar, die mindestens zwei verschiedenen Abkühlphasen in zwei separaten Abkühlbehältern durchzuführen.
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Durch die Mehrphasigkeit des Abkühlvorgangs der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung ist es wiederum möglich, die gewünschte Gefügeumwandlungsstufe und somit die gewünschte Werkstoffeigenschaft in den partiell wärmebehandelten Bereichen besonders prozesssicher, kosteneffizient und mit hoher Genauigkeit durchzuführen. Auch ist es möglich, durch die Mehrphasigkeit der Abkühlung den Abkühlprozess in die laufende Produktion eines herzustellenden Bauteils so einzubinden, dass er an die Taktzeiten von vorhergehenden und nachfolgenden Bearbeitungsschritten individuell in einem großen Spektrum eingestellt werden, ohne sich qualitativ nachteilig auf die erzielbaren Gefügeumwandlungen auszuwirken.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird die zweite Abkühlphase in einem Zeitraum von bis zu 120 Sekunden, vorzugsweise bis zu 60 Sekunden, durchgeführt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird durch die erste Phase des Abkühlens die Kraftfahrzeugkomponente auf eine Temperatur zwischen 200°C und 900°C, bevorzugt zwischen 300°C und 800°C, insbesondere zwischen 500°C und 700°C abgekühlt.
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In einer zweiten Phase wird die Kraftfahrzeugkomponente auf eine Zieltemperatur abgekühlt. Die Zieltemperatur liegt im Rahmen der Erfindung unterhalb von 200°C. Ab einer Bauteiltemperatur von unter 200°C tritt kein thermisch verursachter Bauteilverzug mehr auf, der sich auf die Produktionssicherheit des Verfahrens negativ auswirkt. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch vorstellbar, dass die Abkühlung bis auf Raumtemperatur durchgeführt wird. Die Abkühlungsverläufe der Temperaturdifferenz bzw. der Temperaturverlauf über die Abkühlzeit kann dabei wiederum im Rahmen der Erfindung sowohl progressiv, linear, als auch degressiv verlaufen. Ein sich hieraus ergebender Vorteil besteht darin, dass nach Erreichen der ersten Abkühltemperatur im Wesentlichen kein Bauteilverzug mehr stattfindet.
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In einer Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die induktive Erwärmung durch eine Infraroterwärmung unterstützt. Unter Infraroterwärmung sind beispielsweise Infrarotstrahler zu verstehen, die eine Lampenerwärmung ermöglichen. Ein sich hieraus im Zusammenhang mit dem Gesamtverfahren ergebender Vorteil ist, dass sehr kleine lokale Bereiche wärmebehandelt werden können, die einen klar definierten Grenzbereich aufweisen. Der Übergangsbereich zwischen dem warmumgeformten und pressgehärteten nicht wärmebehandelten Bereich und dem partiell wärmebehandelten Bereich beträgt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise unter 100 Millimeter, besonders bevorzugt unter 50 Millimeter und insbesondere zwischen 1 und 20 Millimeter. Hierdurch können gezielt kleine scharf berandete Bereiche lokal wärmebehandelt werden.
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Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße partielle Wärmebehandlung durch weitere bzw. zusätzliche Erwärmungsquellen, insbesondere durch Infrarotstrahler ergänzt werden, um beispielsweise für einen Induktor schwer zu erreichende Stellen eines Bauteils wärmezubehandeln.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsform anhand der schematischen Zeichnungen. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine Anordnung von zwei Induktoren über einem metallischen Bauteil,
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2 eine schematische Darstellung des Versatzes von zwei Induktoren zueinander,
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3 zwei Induktoren bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Verfahrensanordnung,
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5 zeigt verschiedene Temperaturverläufe der einzelnen Schritte der Wärmebehandlung über der Zeit und
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6 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen ersten Induktor und einen zweiten Induktor mit einem dazwischen angeordneten Bauteil.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Teile dieselben Bezugszeichen verwendet, wobei entsprechende oder vergleichbare Vorteile erreicht werden, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt einen ersten Induktor 1 und einen zweiten Induktor 2, die an einem metallischen Bauteil 3 angeordnet sind. Der erste Induktor 1 und der zweite Induktor 2 weisen dabei jedenfalls jeweils einen mäanderförmigen Verlauf der Induktionsschleifen 4 auf. Dieser mäanderförmige Verlauf folgt ist hier sinusförmig dargestellt und weist eine Periode P und eine Amplitude A auf. Grundsätzlich können die Induktionsschleifen 4 auch rechteckförmig konfiguriert sein mit zueinander im Wesentlichen parallelen elektrischen Leiterabschnitten, deren Enden durch Übergänge in Form von beispielsweise Bögen oder rechtwinkligen Verbindungen miteinander verbunden sind. Die Amplituden A, bezogen auf die Bildebene nach oben zeigend, sind hierbei jeweils die positiven Amplituden A und die nach unten zeigenden Amplituden A die negativen Amplituden A. Das metallische Bauteil 3 wird somit in einem schraffiert dargestellten Bereich 5 partiell wärmebehandelt. Der erste Induktor 1 ist im Gegensatz zu dem zweiten Induktor 2 bezogen auf die Längsrichtung des Bauteils 6 versetzt angeordnet. Der Versatz V ist dabei so gewählt, eine jeweils negative Amplitude A des ersten Induktors 1 einer positiven Amplitude A des zweiten Induktors 2 gegenüberliegt.
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2 zeigt die schematische Anordnung des Versatzes V noch einmal in einer Prinzipdarstellung. Hierbei ist jeweils der nicht durch die Induktionsschleifen 4 des ersten Induktors 1 erfasste Bereich 5 auf der gegenüberliegenden Seite durch eine Induktionsschleife 4 des zweiten Induktors 2 erfasst. In der Folge wird das zwischen dem ersten Induktor 1 und dem zweiten Induktor 2 liegende Bauteil 3 mit einem homogenen Wärmeeinfluss wärmebehandelt.
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3 zeigt eine Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung, wobei ein erster Induktor 1 an einem Bauteil 3 gegenüberliegend einem zweiten Induktor 2 angeordnet ist. Sowohl der erste Induktor 1 als auch der zweite Induktor 2 können Relativbewegungen R in Längsrichtung des Bauteils 6 ausführen. Die Relativbewegungen R können parallel zueinander oder aber auch versetzt zueinander ausgeführt sein. Weiterhin weist sowohl der erste Induktor 1 einen Abstand a zu dem Bauteil 3 auf und der zweite Induktor 2 einen Abstand b zu dem Bauteil 2 auf. Auch durch Variationen der Abstände a und b können jeweils Relativbewegungen R zu dem Bauteil 3 oder aber auch relativ der Induktoren 1, 2 gegeneinander oder von den Induktoren 1, 2 jeweils separat ausgeführt werden.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei eine Bauteilaufnahme 7 einen ersten Induktor 1 aufweist. In die Bauteilaufnahme 7 wird ein metallisches Bauteil 3 eingelegt und durch eine Festhaltemechanik 8, die einen zweiten Induktor 2 aufweist, eingespannt. Die Festhaltemechanik 8 kann dabei beispielsweise mit einer hier dargestellten Klappbewegung K auf das Bauteil 3 abgeklappt werden und dieses somit einspannen. In dem Bauteil 3 selber wird ein schraffiert dargestellter Bereich 5 im Folgenden partiell mit dem ersten Induktor 1 und dem zweiten Induktor 2 wärmebehandelt. Die jeweils mäanderförmig angeordneten Induktionsschleifen 4 des Induktors 1, 2 weisen dabei zueinander einen Versatz V in Längsrichtung des Bauteils 6 auf.
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5a zeigt eine Temperaturverlauf über der Zeit mit den erfindungsgemäßen Zeitabschnitten Aufwärmzeit t1, Haltezeit t2, Abkühlzeit erste Phase t3 und Abkühlzeit zweite Phase t4. Weiter sind auf der Achse der Temperatur die Aufwärmtemperatur T1 sowie eine erste Abkühltemperatur T2 gezeigt.
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Beginnend von einer warmumgeformten und pressgehärteten Kraftfahrzeugkomponente, die sich im Wesentlichen auf einer Temperatur unter 200°C befindet, wird diese in der Aufwärmzeit auf die Aufwärmtemperatur T1 erwärmt. Bei einer Ausgangstemperatur von unter 200°C, jedoch über Raumtemperatur wird im Rahmen der Erfindung die Restwärmeenergie des Warmumform- und Presshärteprozesses für die partielle Wärmebehandlung genutzt.
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Die Erwärmung weist einen linearen Temperaturanstieg über die Zeit auf. Nach Abschluss der Aufwärmzeit t1 wird die Aufwärmtemperatur T1 für eine Haltezeit t2 gehalten. Die Aufwärmtemperatur T1 wird über die gesamte Haltezeit t2 im Wesentlichen konstant gehalten. Temperaturschwankungen in Form eines Temperaturanstiegs oder Temperaturabfalls sind hier nicht dargestellt, können jedoch im Rahmen der Erfindung während der Haltezeit t2 aus Gründen der gewünschten Werkstoffgefügeumwandlung oder aber auch aus Kostengründen des Produktionsprozesses stattfinden.
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Nach Abschluss der Haltezeit t2 findet eine erste Abkühlung auf eine Abkühltemperatur T2 statt. Der Temperaturverlauf fällt dabei linear über die Abkühlzeit der ersten Phase t3 ab auf die Abkühltemperatur T2. Die Abkühltemperatur T2 kann dabei in einem Bereich zwischen 100°C und einer Aufwärmtemperatur T1 liegen.
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In einer daran anfolgenden zweiten Abkühlphase findet eine weitere lineare Temperaturabnahme in der Abkühlzeit der zweiten Phase t4 statt. Die Temperaturabnahme kann dabei im Wesentlichen auf Raumtemperatur oder aber eine gewünschte, hier nicht näher dargestellte, Zieltemperatur stattfinden. Auch ist es im Rahmen der Erfindung vorstellbar, dass weitere Abkühlphasen, die hier nicht näher dargestellt sind, stattfinden.
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5b zeigt eine im Wesentlichen zeitlich ähnliche Staffelung der Wärmebehandlung mit dem Unterscheid zu 1a, dass der Temperaturanstieg während der Aufwärmzeit t1 einen progressiven Verlauf aufweist und die Abkühlung während der ersten und der zweiten Phase einen jeweils degressiven Temperaturverlauf über der Zeit t3, t4 besitzt.
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5c zeigt ergänzend zu 1a und 1b, dass der Temperaturverlauf während der Aufwärmzeit t1 einen degressiven Verlauf aufweist und während der einzelnen Abkühlphasen einen jeweils progressiven Verlauf der Temperaturabnahme über der Zeit t3, t4 besitzt.
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Im Rahmen der Erfindung ist es auch vorstellbar, den Temperaturverlauf über der Zeit in Mischformen von progressivem, linearem und degressivem Verlauf zu kombinieren und auch eine Temperaturänderung mit progressiven, degressiven oder linearen Verlauf während der Haltezeit t2 zu realisieren.
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In 6 ist ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung von erstem Induktor 1 und zweiten Induktor 2 mit dazwischen liegendem Bauteil 3 gezeigt. Die einzelnen Induktionsschleifen 4 weisen eine Querschnittsfläche F auf, wobei sich die Querschnittsfläche F auf einen in der Induktorschleife befindlichen Hohlraum bezieht. Insgesamt ist dieser Hohlraum durch eine Länge l1 gekennzeichnet, wobei die Länge l1 die Gesamtlänge der von einem Kühlmedium ohne Unterbrechung durchflossenen Induktionsschleife 4 darstellt. Weiterhin sind die Abstände d1, d2 und d3 von den Induktionsschleifen 4 untereinander bzw. den geometrischen Abmessungen der Induktionsschleife 4 in 6 eingezeichnet. Diese können im Rahmen der Erfindung insbesondere Verhältnisse aufweisen, die in der nachfolgenden Tabelle dargestellt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Induktor
- 2
- zweiter Induktor
- 3
- Bauteil
- 4
- Induktionsschleife
- 5
- Bereich
- 6
- Längsrichtung zu 3
- 7
- Bauteilaufnahme
- 8
- Festhaltemechanik
- A
- Amplitude
- a
- Abstand
- b
- Abstand
- d1
- Abstand
- d2
- Abstand
- d3
- Abstand
- F
- Querschnittsfläche
- K
- Klappbewegung
- l1
- Länge
- P
- Periode
- R
- Relativbewegung
- t1
- Aufwärmzeit
- t2
- Haltezeit
- t3
- Abkühlzeit erste Phase
- t4
- Abkühlzeit zweite Phase
- T1
- Aufwärmtemperatur
- T2
- Abkühltemperatur erste Phase
- V
- Versatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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