DE102011107035B4

DE102011107035B4 - Verfahren zum Fügen von bereichsweise sich überlappenden Bauteilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten

Info

Publication number: DE102011107035B4
Application number: DE102011107035.8A
Authority: DE
Inventors: Florian Woelke; Peter Kühner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-07-09
Filing date: 2011-07-09
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2031-07-10
Also published as: DE102011107035A1

Abstract

Verfahren zum Fügen von wenigstens bereichsweise sich überlappenden Bauteilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem mechanischen Fügeprozess, bei dem im überlappenden Bereich wenigstens zwei Fügepunkte vorgesehen sind und die gefügten Bauteile einer Maximaltemperatur (T) ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass- vor der Durchführung des Fügeprozesses wenigstens der Bereich der überlappenden Bauteile auf eine Vorwärmtemperatur (T) vorgewärmt wird, wobei die Vorwärmtemperatur (T) kleiner als die Maximaltemperatur (T) und größer als eine Raumtemperatur (R) gewählt wird, und- die Bauteile bei der Vorwärmtemperatur (T) gefügt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von wenigstens bereichsweise sich überlappenden Bauteilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Im Kraftfahrzeugbau, insbesondere Karosseriebau werden zur Gewichtsreduzierung zunehmend Strukturbauteile aus unterschiedlichen Materialien, wie bspw. Stahllegierungen und Aluminiumlegierungen oder auch Hybridstrukturteile, bestehend aus Metalllegierungen und faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt.
Bei derartigen Strukturbauteilen, insbesondere Hybridbauteilen stellt sich jedoch die Problematik, dass die unterschiedlichen Werkstoffe auch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, was bei einer entsprechenden Wärmeeinleitung, beispielsweise bei der Herstellung einer Kraftwagenkarosserie zu Verzügen und dadurch zu hohen Scherbeanspruchungen in den Verbindungselementen führen kann, wodurch ein Versagen der Verbindungstechnik eintreten kann.
Da im automobilen Karosserierohbau nahezu alle Fügeverbindungen bei Raumtemperatur gesetzt werden, treten die größten thermisch bedingten Spannungen während des Trocknerprozesses in einem sogenannten KTL-Ofen auf. Hier werden die Karosserien nach dem Durchlaufen der elektrostatischen Tauchbadlackierung (KTL) einem Trocknerprozess unterzogen, damit die Lackschicht aushärten kann. Dabei werden die Karossen von etwa Raumtemperatur auf ca. 200°C erhitzt. Infolge der großen Temperaurdifferenz entstehen während des Trocknerdurchlaufes sehr hohe Wärmespannungen zwischen einzelnen Fügeverbindungen bzw. in den Fügepunkten, die zur Schädigung oder gar zum Bruch der Verbindung fuhren können.
Werden beispielsweise ein Aluminiumblech und ein Stahlblech über einen Flansch an mehreren Fügepunkten mechanisch bei Raumtemperatur gefügt, führt eine anschließende Erwärmung dazu, dass sich aufgrund des höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Aluminiums der Abstand zwischen zwei Fügepunkten des Aluminiums um einen größeren Wert vergrößert als der Abstand der zwei Fügepunkte im Stahlblech.
Um die Wärmespannungen aufzunehmen bzw. zu verteilen, werden an kritischen Mischbaubereichen zusätzliche Klammern verwendet, die jedoch die Benetzung und Aushärtung der KTL-Schicht behindern und daher Nacharbeit erfordern. Dadurch erhöhen sich die Kosten und die Prozesszeit zur Fertigstellung des Produktes.
Weiterhin wird an kritischen Mischbaubereichen die Fügepunktanzahl erhöht, um die thermisch bedingten Spannungen auf mehrere Fügeelemente zu verteilen. Dadurch erhöht sich wiederum die Prozesszeit.
Auch werden Hilfsfügeelemente wie beispielsweise Halbhohlstanzniete stärker dimensioniert, da ein größerer Nietquerschnitt höhere Scherzug- und Kopfzugbelastungen aufnehmen kann. Die Vergrößerung des Querschnitts der Hilfsfügeelemente führt dazu, dass bestimmte Flanschbreiten nicht mehr realisiert werden können, da sich der Fügepunktdurchmesser erhöht.
Weiterhin wird die Bauteilsteifigkeit durch beispielsweise das Einbringen von Entlastungbohrungen von gesamten Baugruppen angepasst, um die thermisch bedingten Wärmespannungen reduzieren zu können. Dadurch erhö-hen sich wiederum die Kosten bei der Auslegungen der Bauteile und der Verbindungen.
Der Vollständigkeit halber wird auf die US 2008/0149256 A1 , die DE 10 2004 025 493 A1 und die DE 10 48 551 B verwiesen.
Die US 2008/0149256 A1 beschreibt ein Verfahren, bei welchem zur Reduzierung von thermisch bedingten Verspannungen durch thermisches Aushärten einer zwei Bauteile mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verbindenden Klebeschicht die beiden Bauteile vor dem Aushärten oder nach dem Aushärten mit Stanznieten oder Clinchelementen verbunden werden.
Des Weiteren beschreibt die DE 10 2004 025 493 A1 ein Verfahren zum Fügen von mehreren Fügeteilen unter Verwendung eines Fügeelementes, welches in mindestens ein Fügeteil eingesteckt und dieses Fügeelement unter mechanischer Belastung gegen ein weiteres Fügeelement oder mit mindestens einem Fügeteil verlötet wird. Hierzu wird ein Fügeelement in Form eines Halbhohlkörpers verwendet, wobei der Hohlkörper zum Teil oder vollständig mit einem Lot gefüllt ist.
Schließlich ist aus der DE 10 48 551 B ein Verfahren zur Herstellung von Blechkonstruktionen bekannt, indem zunächst ein Rahmen aus Längs- und Querträgern hergestellt wird, die jeweils in der Art von Bimetallstreifen aus Teilen unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Dieser Rahmen dient zur Versteifung von Blechteilen, die sich auf der Oberseite oder Unterseite des Rahmens über die ganze Fläche desselben erstrecken und mit den Längs- und Querträgern verschweißt sind. Hierbei erfolgt die Verschweißung bei einer von der Betriebstemperatur abweichenden Temperatur, so dass mit der Abkühlung auf eine Normaltemperatur der Rahmen sich infolge der verschiedenen Längenausdehnungen durchbiegt und dadurch die Blechteile vorgespannt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum mechanischen Fügen von wenigstens zwei aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehender Bauteile zu schaffen, durch welches trotz der unterschiedlichen Längung der Bauteile bei hohen Bauteiletemperaturen thermisch bedingte Spannungen in dem Maße reduziert werden, dass Schädigungen an der Fügestelle vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2.
Gemäß der ersten Lösung zeichnet sich ein solches Verfahren zum Fügen von wenigstens bereichsweise sich überlappenden Bauteilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem mechanischen Fügeprozess, bei dem im überlappenden Bereich wenigstens zwei Fügepunkte vorgesehen sind und die gefügten Bauteile einer Maximaltemperatur ausgesetzt werden, dadurch aus, dass

- vor der Durchführung des Fügeprozesses wenigstens der Bereich der überlappenden Bauteile auf eine Vorwärmtemperatur vorgewärmt wird, wobei die Vorwärmtemperatur kleiner als die Maximaltemperatur und größer als eine Raumtemperatur gewählt wird, und
- die Bauteile bei der Vorwärmtemperatur gefügt werden.

Gemäß der zweiten Lösung zeichnet sich ein solches Verfahren zum Fügen von wenigstens bereichsweise sich überlappenden Bauteilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem mechanischen Fügeprozess, bei dem im überlappenden Bereich wenigstens zwei Fügepunkte vorgesehen sind, dadurch aus, dass

- der Fügeprozess an dem ersten Fügepunkt bei einer Raumtemperatur durchgeführt wird, und
- vor der Durchführung des Fügeprozesses an dem wenigstens zweiten Fügepunkt wenigstens der Bereich der überlappenden Bauteile auf eine Vorwärmtemperatur vorgewärmt wird.

Durch diese Lösungen lassen sich die gefährlichen Wärmespannungen erheblich reduzieren, da nun die Differenz zwischen der Temperatur der vorgewärmten Bauteile und der Maximaltemperatur geringer ist und infolgedessen sich die gefügten Bauteile bei Maximaltemperatur weniger unterschiedlich längen als bei einer Temperaturdifferenz zwischen Raumtemperatur und Maximaltemperatur. Der Betrag der Wärmespannung der auf Maximaltemperatur erwärmten gefügten Bauteile hängt damit von der gewählten, über der Raumtemperatur liegenden Vorwärmtemperatur ab. Bei einer Abkühlung der gefügten Bauteile von der Vorwärmtemperatur auf Raumtemperatur sind die Fügeverbindungen leicht vorverspannt, während sich bei einer Bauteiltemperatur entsprechend der Vorwärmtemperatur, bei der die Bauteile gefügt wurden, die auf den Fügepunkt wirkenden Spannungen sich neutralisieren.
Der Unterschied der beiden erfindungsgemäßen Lösungen liegt darin, dass gemäß der ersten Lösung die zu fügenden Bauteile vor dem Fügeprozess zumindest im überlappenden Bereich auf die Vorwärmtemperatur erwärmt werden, wogegen bei der zweiten Lösung zuerst an einer Stelle ein Fügepunkt gesetzt wird und anschließend, bevor die restlichen Fügepunkte gesetzt werden, die Bauteile zumindest im überlappenden Bereich auf die Vorwärmtemperatur erwärmt werden.
Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, dass keine Nacharbeit an der KTL-Schicht erforderlich wie es beim Klammerprozess üblich ist und dadurch Nacharbeitskosten reduziert werden; ferner auf zusätzlich einzubringende Fügeelemente, die nur infolge besonders hoher Wärmespannungen benötigt werden, verzichtet werden kann, zumindest die Anzahl solcher Fügeelemente reduzierbar ist und daher sich die Prozesszeit verkürzt.
Ferner muss der tragende Querschnitt von Hilfsfügeelemente aufgrund der geringeren Wärmespannungen nicht mehr vergrößert werden und sich dadurch schmalere Flanschbreiten realisieren lassen, wenn die sich überlappenden Bereiche der zu fügenden Bauteile als Flansche ausgebildet sind.
Schließlich kommt bei der Auslegung der Bauteilsteifigkeit der Einfluss der Wärmespannungen aufgrund deren geringeren Werte nicht mehr so stark zum Tragen, so dass dadurch die Kosten bei der Auslegung der Bauteile und der Verbindungen verringert werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Bauteile nicht nur im überlappenden Bereich auf die Vorwärmtemperatur vorgewärmt, sondern als ganze Bauteile. Damit können zur Vorwärmung der Bauteile konventionelle Erwärmungsanlagen verwendet werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung lässt sich die Vorwärmtemperatur T_vor gemäß folgender Formel bestimmen: $T_{vor} = (T_{max} - R_{T}) / 2 + R_{T},$
wobei T_max die Maximaltemperatur und R_T die Raumtemperatur darstellen. Damit können die bei Maximaltemperatur auftretenden Wärmespannungen halbiert werden.
In vorteilhafter Weise kann die Erwärmung der Bauteile mittels eines Ofens (z. Bsp. Durchlaufofen) global (gesamte Baugruppe) oder nur bereichsweisemittels lnduktions-, Laser- oder Widerstandserwärmung durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand einer einzigen 1 beschrieben, die ein Temperatur-Wärmespannungs-Diagramm zeigt.
Auf der x-Achse dieses Diagramms sind eine Raumtemperatur R_T (stellt den Schnittpunkt mit der Ordinatenachse dar), eine Vorwärmtemperatur T_vor und eine Maximaltemperatur T_max dargestellt. Die Maximaltemperatur T_max stellt bspw. die bei einem eingangs erläuterten KTL-Trocknerprozess genannte Maximaltemperatur dar, die ca. 200°C betragen kann.
Werden zwei Bauteile einer Fahrzeugkarosserie mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Raumtemperatur R_T in einem überlappenden Bereich in zwei beabstandeten Fügepunkten mechanisch gefügt und anschließend bis auf die Maximaltemperatur T_max erhöht, ergibt sich ein Verlauf der eine positive Wärmespannung darstellende Wärmespannung zwischen diesen beiden Fügepunkten, d. h. in den Fügepunkten entsprechend der Kurve K1 und erreicht einen maximalen Wert F1 bei der Maximaltemperatur T_max . Dieser Wert F1 der positiven Wärmespannung ist besonders hoch, wenn eine Mischbauverbindung oder Hybridverbindung vorliegt, also bspw. Stahlblech mit faserverstärktem Kunststoff gefügt werden soll, da deren Wärmeausdehnungskoeffizienten stark differieren.
Werden dagegen erfindungsgemäß die zu fügenden Bauteile auf die Vorwärmtemperatur T_vor erwärmt und bei dieser Temperatur mechanisch gefügt, ergibt sich ein Verlauf der Wärmespannung in den Fügepunkten über den Temperaturbereich von Raumtemperatur R_T bis zu Maximaltemperatur T_max gemäß der Kurve K2 in 1 (gestrichelt dargestellt), die gegenüber der Kurve K1 bis zur Vorwärmtemperatur T_vor verschoben ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so durchgeführt werden, dass im überlappenden Bereich der zu fügenden Bauteile zunächst ein Fügepunkt gesetzt wird und anschließend die Bauteile auf die Vorwärmtemperatur T_vor erwärmt werden, um bei dieser Vorwärmtemperatur T_max die restlichen Fügepunkte zu setzen. Es ist auch möglich, ebenso den ersten Fügepunkt bei auf die Vorwärmtemperatur T_vor erwärmten Bauteile zu setzen, also die gesamten zu fügenden Bauteile im Ganzen zu erwärmen, bevor der Fügeprozess beginnt.
Werden bei dieser Vorwärmtemperatur T_vor die beiden Bauteile gefügt, stellt diese Vorwärmtemperatur T_vor den spannungsfreien Nullpunkt dar. Werden die bei der Vorwärmtemperatur T_vor gefügten Bauteile auf Raumtemperatur R_T abgekühlt, ergibt sich ein Spannungsverlauf gemäß dem Zweig K2a der Kurve K2, d. h. das Vorzeichen der Wärmespannung kehrt sich um, aus der positiven Wärmespannung wird eine negative Wärmespannung, die bei Raumtemperatur R_T ihren maximalen Wert F2 erreicht, d. h. die Fügeverbindung ist leicht vorverspannt.
Werden die bei der Vorwärmtemperatur T_vor gefügten Bauteile auf die Maximaltemperatur T_max erwärmt, weil bspw. die gefügten Bauteil einem KTL-Trocknerprozess ausgesetzt werden, so ist der Wert F3, der von der zum Fügezeitpunkt gewählten Vorwärmtemperatur T_vor abhängt, der auftretenden positiven Wärmespannung gemäß dem Zweig K2b der Kurve K2 wesentlich geringer als der Wert F1.
Um die positive Wärmespannung bei Maximaltemperatur T_max zu halbieren, muss die zum Fügezeitpunkt benötigte Vorwärmtemperatur T_vor entsprechend der nachfolgenden Gleichung ermittelt werden: $T_{vor} = (T_{max} - R_{T}) / 2 + R_{T},$
wobei T_max die Maximaltemperatur und R_T die Raumtemperatur darstellen.
In diesem Fall weisen die beiden Wärmespannungen F2 und F3 betragsmäßig den gleichen Wert auf.
Da die gefügten und erwärmten Bauteil in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur wieder auskühlen, sollten besonders kritische Fügepunkte zuerst gesetzt werden. Um während des Fügens ein bestimmtes Bauteiltemperaturintervall zu gewährleisten kann die Vorwärmtemperatur T_vor auch leicht überhöht angesetzt werden. Bei anschließender Abkühlung überdecken die gefügten Punkte dadurch einen breiteren Temperaurbereich, der der optimalen Vorwärmtemperatur T_vor entspricht.
Mit dem erläuterten Verfahren können natürlich auch mehr als zwei Bauteile mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gefügt werden.
Die Maximaltemperatur T_max wird so. bestimmt, dass sie dem Wert entspricht, dem die zu fügenden Bauteile ausgesetzt werden sollen oder voraussichtlich ausgesetzt werden.
Wärmespannungen können neben Zugspannungen (positive Wärmespannungen) und Druckspannungen (negative Wärmespannungen) auch Schub- und Biegespannungen beinhalten.
Der mechanische Fügeprozess kann in bekannter Weise als Schraubverbindung oder mittels Fügeelementen, wie bspw. Nieten durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zum Fügen von wenigstens bereichsweise sich überlappenden Bauteilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem mechanischen Fügeprozess, bei dem im überlappenden Bereich wenigstens zwei Fügepunkte vorgesehen sind und die gefügten Bauteile einer Maximaltemperatur (T_max) ausgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass - vor der Durchführung des Fügeprozesses wenigstens der Bereich der überlappenden Bauteile auf eine Vorwärmtemperatur (T_vor) vorgewärmt wird, wobei die Vorwärmtemperatur (T_vor) kleiner als die Maximaltemperatur (T_max) und größer als eine Raumtemperatur (R_T) gewählt wird, und - die Bauteile bei der Vorwärmtemperatur (T_vor) gefügt werden.
Verfahren zum Fügen von wenigstens bereichsweise sich überlappenden Bauteilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem mechanischen Fügeprozess, bei dem im überlappenden Bereich wenigstens zwei Fügepunkte vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass - der Fügeprozess an dem ersten Fügepunkt bei einer Raumtemperatur (R_T) durchgeführt wird, und - vor der Durchführung des Fügeprozesses an dem wenigstens zweiten Fügepunkt wenigstens der Bereich der überlappenden Bauteile auf eine Vorwärmtemperatur (T_vor) vorgewärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamten Bauteile auf eine Vorwärmtemperatur (T_vor) vorgewärmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vorwärmtemperatur (T_vor) gemäß folgender Formel bestimmt: $T_{vor} = (T_{max} - R_{T}) / 2 + R_{T},$
wobei T_max die Maximaltemperatur und R_T die Raumtemperatur darstellen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Bauteile mittels eines Ofens durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bereichsweise Erwärmung der Bauteile mittels Induktions-, Laser- oder Widerstandserwärmung durchgeführt wird.