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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen und im Wesentlichen verzugsfreien Wärmebehandlung von Blechbauteilen oder blechartigen Bauteilen.
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Die Werkstoffeigenschaften eines metallischen Blech- oder blechartigen Bauteils können durch Wärmebehandlung verändert werden. Durch das Wärmebehandeln von festen und hochfesten metallischen Werkstoffen kann z. B. die Werkstofffestigkeit verringert und die Duktilität (plastische Verformbarkeit die u. a. Einfluss auf die Bruchdehnung, Brucheinschnürung oder Bruchzähigkeit hat) erhöht werden. Durch partielles bzw. lokales Wärmebehandeln können Blech- oder blechartige Bauteile hergestellt werden, deren Werkstoffeigenschaften über das Bauteil verteilt beanspruchungsgerecht eingestellt sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur lokalen Wärmebehandlung von Blech- oder blechartigen Bauteilen anzugeben, das wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur lokalen Wärmebehandlung von Blechbauteilen oder blechartigen Bauteilen sieht vor, dass wenigstens ein und insbesondere exakt ein zu behandelndes Bauteil zwischen (wenigstens) zwei sich gegenüberliegenden Elektroden bzw. einem Elektrodenpaar angeordnet, durch Kraftaufbringung zwischen diesen Elektroden, insbesondere mit definierter Klemmkraft, punktartig bzw. punktweise festgeklemmt bzw. eingeklemmt und mit einem über die Elektroden geleiteten Strom (Erwärmungsstrom) an dieser Stelle bzw. an diesem Punkt (zwischen den klemmenden Elektroden) widerstandserwärmt wird, wobei die Elektroden bzw. das Elektrodenpaar zusammen mit dem Bauteil bzw. Werkstück einen lokalen elektrischen Stromkreislauf zur Widerstandserwärmung bilden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die elektrischen Kontaktpunkte bzw. Kontaktflächen zwischen den Elektroden und dem Bauteil einen Durchmesser aufweisen, der mehr als der 10-fachen, bevorzugt mehr als der 12,5-fache, besonders bevorzugt mehr als der 15-fachen und insbesondere mehr als der 20-fachen Quadratwurzel der Blechdicke (womit der mathematische Wurzelwert der Quadratwurzel aus der Blechdicke gemeint ist) an der Klemmstelle (zwischen den Elektroden) entspricht.
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Die Elektroden erfüllen somit die erste Bedingung bzw. die erste Relation: D > 10·√s, bevorzugt D > 12,5·√s, besonders bevorzugt D > 15·√s und insbesondere D > 20·√s, wobei D der Durchmesser der Kontaktpunkte (Zahlenwert bspw. in Millimeter) und s die Blechdicke (Zahlenwert bspw. in Millimeter) an der betreffenden Klemmstelle ist.
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Im Hinblick auf eine optimale erfindungsgemäße Verfahrensgestaltung kann es sinnvoll sein, die Größe der Kontaktpunkte zu begrenzen. Bevorzugt sollte deren Durchmesser, respektive der Elektrodendurchmesser, nicht mehr als die 80-fache, bevorzugt nicht mehr als die 70-fache, besonders bevorzugt nicht mehr als die 60-fache und insbesondere nicht mehr als die 50-fache Quadratwurzel der Blechdicke an der Klemmstelle aufweisen. Bevorzugt erfüllen die Elektroden somit auch die zweite Bedingung bzw. Relation: D ≤ 80·√s, bevorzugt D ≤ 70·√s, besonders bevorzugt D ≤ 60·√s und insbesondere D ≤ 50·√s.
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Unter einem Blechbauteil oder blechartigen Bauteil wird ein dünnwandiges Werkstück verstanden. Bevorzugt handelt es sich um ein zumindest teilweise räumlich geformtes Blechformteil (insbesondere einschließlich flacher Flanschabschnitte), dessen Blechdicke bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,4 mm und 5 mm und insbesondere zwischen 0,8 mm und 2,5 mm liegt. Bei dem verwendeten Blechmaterial kann es sich um ein ferromagnetisches oder nicht-ferromagnetisches Material wie bspw. ein Stahlblech oder ein Aluminiumblech handeln. Ein blechartiges bzw. blechähnliches Bauteil kann auch ein dünnwandiges Profilteil, bspw. ein stranggepresstes oder gewalztes Werkstück, oder ein Gussbauteil, bspw. aus einem Stahlgusswerkstoff, sein. Das Blechbauteil kann unbeschichtet oder zumindest bereichsweise auch beschichtet sein. Als Beschichtung kommt bspw. eine metallische Korrosionsschutzbeschichtung in Betracht.
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Die Kontaktpunkte sind die Kontakt- bzw. Berührungsflächen zwischen den Elektroden und dem Bauteil, die durch eine entsprechende Ausgestaltung der Elektroden vorgegeben sind. Die Kontaktpunkte können jede geeignete Flächenform (kreisrund, elliptisch, quadratisch, dreieckig, polygonal oder dergleichen) aufweisen. Insbesondere handelt es sich jedoch um kreisförmige Kontaktpunkte, deren Durchmesser die o. g. Bedingungen bzw. Relationen erfüllen. Bei nicht kreisförmigen Kontaktpunkten können diese Bedingungen analog für den kleinsten Durchmesser der Berührungsfläche gelten. Damit sind die erfindungsgemäß vorgesehenen Kontaktpunkte bzw. Kontaktflächen deutlich größer als bspw. die beim Widerstands-Punktschweißen vorgesehenen Kontaktpunkte, deren Durchmesser in einem Bereich D = 4 bis 10·√s liegen, obwohl das erfindungsgemäße Verfahren grundlegend nicht mit dem Widerstands-Punktschweißen vergleichbar ist.
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Erfindungsgemäß sind die mit einem Elektrodenpaar gebildeten Kontaktpunkte somit verhältnismäßig großflächig, wobei die Kontaktpunkte eines Elektrodenpaars bevorzugt gleichgroß bzw. gleichflächig sind, was jedoch nicht zwingend der Fall sein muss. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Elektroden eines Elektrodenpaars hinsichtlich Geometrie und/oder Material identisch ausgebildet sind. Die Elektroden sind bevorzugt aus einem warmfesten Material, insbesondere aus einer Molybdän-, Tantal-, Wolfram- oder Eisenbasislegierung, gebildet.
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Beim Widerstandserwärmen stellt sich mit den an der zu erwärmenden Stelle beidseitig gegen das Bauteil gedrückten Elektroden aufgrund der großflächigen Kontaktpunkte in vorteilhafter Weise ein exakt definierbarer, stabiler und vorzugsweise auch verhältnismäßig niedriger Übergangswiderstand ein. Ferner wird aufgrund dieser großflächigen Kontaktpunkte in Verbindung mit der aufgebrachten Klemmkraft ein im Wesentlichen verzugsfreies lokales Erwärmen (und Abkühlen) ermöglicht. Überraschender Weise wird also der Effekt erzielt, dass die lokale Wärmebehandlung im Wesentlichen verzugsfrei, womit insbesondere ein geometrischer Verzug gemeint ist, stattfindet. Die Druckkraft bzw. Klemmkraft an den Elektroden wird bevorzugt so eingestellt, dass ein definierter und stabiler elektrischer Übergangswiderstand vorliegt und gleichzeitig kein oder nur ein minimaler thermischer bzw. geometrischer Verzug eintritt.
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Ein weiterer möglicher positiver Effekt ist eine im Wesentlichen lokal genau begrenzte homogene Erwärmung des Bauteils, insbesondere über der Bauteildicke (gleichmäßige Wärmeverteilung über dem Blechquerschnitt), zwischen den Elektroden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient vorzugsweise der lokalen Festigkeitsverringerung und Duktilitätssteigerung bei festen und hochfesten Stahlbauteilen und insbesondere Stahlblechformteilen, insbesondere mit dem Ziel, nachfolgende Bearbeitungsschritte zu vereinfachen und/oder ein beanspruchungsgerechtes Bauteil herzustellen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Widerstandserwärmung, insbesondere bei einem konstanten Elektrodenkraftverlauf, mindestens drei unterscheidbare Phasen aufweist:
- – eine schnelle Erwärmungsphase mit einem Temperaturanstieg von mindestens 50 K/sec;
- – eine Temperaturhaltephase (Plateau-Phase), die mindestens eine Sekunde (1 sec) und bevorzugt mehrere Sekunden andauert, und
- – eine langsame Abkühlungsphase mit einem Temperaturabfall von höchstens 25 K/sec, bevorzugt höchstens 20 K/sec und insbesondere von nicht weniger als 5 K/sec.
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Jede Phase kann anhand des Stromflusses exakt ausgeführt werden. Um den Stromfluss präzise einstellen oder gegebenenfalls steuern oder regeln zu können, kann wenigstens eine, insbesondere in einen Regelkreis eingebundene, Temperaturmesseinrichtung vorgesehen sein.
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Zwischen den Elektroden und dem Bauteil (wenigstens jedoch zwischen einer Elektrode und dem Bauteil) können auswechselbare Folien, wobei es sich insbesondere um Metallfolien handelt, angeordnet werden, wodurch die Bauteiloberfläche und/oder die Elektroden geschützt werden und/oder definiertere und reproduzierbare Übergangswiderstände eingestellt werden können. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Folien dünner als das Bauteil an der betreffenden Stelle (Klemmstelle) sind. Die Folien an der Einspannstelle können nach jedem Erwärmungszyklus gewechselt werden. Bevorzugt sind die Folien als Bänder ausgeführt, die automatisch nach jedem Erwärmungsvorgang weiterbewegt werden. Analoge Effekte können auch dadurch erzielt werden, dass für die Elektroden auswechselbare Kappen und vorzugsweise Steckkappen bzw. Aufsteckkappen (insbesondere aus einem metallischen Material, bspw. wie oben angegeben) verwendet werden. Die Steckkappen können nach jedem Erwärmungszyklus oder nach mehreren Erwärmungszyklen ausgewechselt und/oder nachbearbeitet werden.
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Bei dem Bauteil kann es sich um ein festes oder hochfestes Stahlbauteil handeln. Insbesondere handelt es sich um ein pressgehärtetes bzw. formgehärtetes Stahlblechbauteil aus einem Stahlblechmaterial, wobei das Stahlblechmaterial (bspw. ein Mangan-Bor-Stahl, wie z. B. ein 22MnB5-Stahlwerkstoff) eine Festigkeit von bis zu 1600 MPa und mehr (bspw. auch bis zu 2000 MPa) aufweisen kann. Die hochfesten Werkstoffeigenschaften beruhen in der Regel auf einem martensitischen Werkstoffgefüge.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein solches festes, hochfestes und/oder pressgehärtetes Stahlbauteil an der zwischen den Elektroden geklemmten Stelle mittels lokaler Widerstandserwärmung auf eine Temperatur unterhalb der Ac1-Temperatur erwärmt wird. (Die Ac1 Temperatur bei einem 22MnB5-Werkstoff beträgt bspw. ca. 720°C.) Durch eine Erwärmung unterhalb der Ac1-Temperatur (bspw. in einem Bereich von 600°C bis 650°C bei einem 22MnB5-Werkstoff) kann eine lokale Entfestigung und Duktilitätssteigerung durch einen Anlasseffekt (Bildung von angelassenem Martensit) erzielt werden.
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Ferner kann bevorzugt vorgesehen sein, dass ein solches festes, hochfestes und/oder pressgehärtetes Stahlbauteil an der zwischen den Elektroden geklemmten Stelle mittels lokaler Widerstandserwärmung auf eine Temperatur oberhalb der Ac1-Temperatur und insbesondere oberhalb der Ac3-Temperatur erwärmt wird. (Die Ac3 Temperatur bei einem 22MnB5-Werkstoff beträgt bspw. ca. 780°C) Hierbei kommt es teilweise oder vollständig zur Austenitbildung, was dann bei entsprechend langsamer Abkühlung (höchstens 25 K/sec und bevorzugt höchstens 20 K/sec, um die Bildung von Neumartensit zu verhindern) zur Bildung von duktilerem und weniger festem Ferrit, Perlit und/oder Bainit führt. Abhängig von der Erwärmungstemperatur und der Temperaturhaltezeit können lokale Festigkeitsreduzierungen von mehreren Hundert MPa erreicht werden.
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Das Bauteil kann mit Hilfe einer Handlingvorrichtung, wie bspw. einem Industrieroboter, zu den Elektroden gebracht und relativ zu den Elektroden bewegt werden. Ebenso können die Elektroden, insbesondere robotergeführt, zum Bauteil gebracht und relativ zum Bauteil bewegt werden, wozu die Elektroden bspw. einem C-Rahmen oder dergleichen aufgenommen sein können, während das Bauteil bspw. in einer Handlingvorrichtung festgehalten wird. Das Bauteil kann während der lokalen Wärmebehandlung mit der Handlingvorrichtung festgehalten und bspw. auf diese Weise abgestützt werden. Falls das Bauteil an mehreren Stellen wärmebehandelt werden soll, können das Bauteil und/oder die Elektroden nach jedem Erwärmungszyklus weiterbewegt werden. Falls größere Bereiche bzw. Abschnitte eines Bauteils wärmebehandelt werden sollen, können diese in einzelne Teilbereiche unterteilt werden, die in einer geeigneten Abfolge mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sukzessive warmbehandelt werden.
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Zusammenfassend kann die Erfindung folgende Vorteile aufweisen (keine abschließende Aufzählung):
- – im Wesentlichen kein Verzug (unerwünschte Geometrieänderung) des Bauteils an der lokal wärmebehandelten Stelle (deutlicher Vorteil gegenüber der Wärmebehandlung mit Laserstrahl, Flamme oder dergleichen);
- – exakte bzw. präzise lokale Wärmebehandlung wird ermöglicht, vorzugsweise zur Entfestigung und Duktilitätssteigerung;
- – sowohl bei ferromagnetischen als auch bei nicht-ferromagnetischen Metallmaterialien einsetzbar (deutlicher Vorteil gegenüber induktiver Wärmebehandlung);
- – geringe Prozessdauer (kurze Zykluszeit);
- – guter energetischer Wirkungsgrad;
- – hohe Flexibilität;
- – hervorragende Grossserientauglichkeit, wobei in besonders bevorzugter Weise vorhandene Einrichtungen verwendet werden können (Möglichkeit der einfachen Integration in bestehende Anlagen), und
- – hohe Wirtschaftlichkeit.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise anhand der schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
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1 zeigt in einer Seitenansicht die lokale Wärmebehandlung an einem Blechbauteil nach einem erfindungsgemäßen Verfahren.
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2 zeigt in einem Diagramm qualitativ den Kraft-Zeit-Verlauf und den Temperatur-Zeit-Verlauf bei einer erfindungsgemäßen lokalen Wärmebehandlung.
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3 zeigt ebenfalls in einer Seitenansicht eine andere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung.
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4 zeigt ebenfalls in einer Seitenansicht eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung.
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1 zeigt ein nur ausschnittsweise dargestelltes Blechbauteil 200, welches an dem mit X gekennzeichneten Punkt durch Widerstandserwärmung lokal wärmebehandelt wird, um an diesem Punkt bzw. an dieser Stelle die Werkstofffestigkeit zu verringern und die Werkstoffduktilität zu steigern. An der Stelle X soll das Blechbauteil 200 bspw. in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt durch vorlochfreies Vernieten oder Verschrauben (Direktverschrauben) gefügt werden. Bei dem Blechbauteil 200 handelt es sich bspw. um pressgehärtetes Blechformteil aus einem hochfesten Stahlblechmaterial.
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Die lokale Wärmebehandlung erfolgt erfindungsgemäß durch lokale Widerstandserwärmung mit Hilfe von zwei Elektroden 110A und 110B, zwischen denen das Blechbauteil 200 positioniert wird und die zwischen sich das Blechbauteil 200 an der Stelle X mit definierter Klemmkraft F einklemmen, was die beidseitige Zugänglichkeit voraussetzt.
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Die sich gegenüberliegenden Elektroden 110A und 110B des gezeigten Elektrodenpaars können in einem nicht gezeigten Halterahmen, bspw. einem C-Rahmen oder dergleichen, angeordnet sein. Ein solcher Rahmen kann ortsfest bzw. stationär oder beweglich, bspw. durch Anbindung an einen Roboterarm, sein. Zum Ausführen einer Klemmbewegung und zum Aufbringen der Klemmkraft F kann ein hydraulisch, pneumatisch und/oder elektromotorisch betätigter Stellmechanismus vorgesehen sein. Die Elektroden 110A und 110B sind identisch ausgebildet und bezüglich der gemeinsamen Kraftachse symmetrisch (ohne Versatz) angeordnet. Die Elektroden 110A und 110B können mit Kühleinrichtungen, bspw. mit Kühlfluid durchströmbaren Kühlkanälen, ausgebildet sein.
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Zum Ausführen der lokalen Wärmebehandlung wird das Blechbauteil 200 zwischen den Elektroden 110A und 110B positioniert (oder umgekehrt), die sodann eine Klemmbewegung ausführen und das Blechbauteil 200 punktartig an der Stelle X zwischen sich mit der Klemmkraft F einklemmen. Zeitgleich kann das Blechbauteil 200 auch an anderen Stellen punktweise zwischen weiteren Elektroden eingeklemmt werden. Die kreisförmigen elektrischen Kontaktpunkte zwischen den Elektroden 110A und 110B und dem Bauteil 200, womit die beidseitigen punktartigen und kreisförmigen Kontaktflächen KA und KB gemeint sind, weisen einen Durchmesser D auf, der mehr als dem Zehnfachen Wurzelwert (oder größer, wie obenstehend angegeben) der Blechdicke s an der Stelle X entspricht, wozu die Elektroden 110A und 110B entsprechend ausgebildet sind. Die Elektroden 110A und 110B erfüllen somit die Bedingung bzw. die Relation: D > 10·√s (bzw. D > 12,5·√s; D > 15·√s; D > 20·√s), wobei D der Durchmesser der Kontaktpunkte bzw. Kontaktflächen KA und KB und s die Blechdicke des Blechbauteils 200 an der Klemmstelle X ist. Wenigstens erfüllt einer der Kontaktpunkte KA oder KB diese Bedingung.
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Nach kurzer Vorhaltezeit (Druckaufbauzeit) beginnt die Widerstandserwärmung an der Stelle X mit Hilfe eines durch die Elektroden 110A und 110B zu- und abgeführten Stroms I, wobei die Elektroden 110A und 110B an der Stelle X zusammen mit dem Blechbauteil bzw. Werkstück 200 einen elektrischen Stromkreislauf zur Widerstandserwärmung bilden.
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Die Widerstandserwärmung und der damit einhergehende Temperaturverlauf T(t) an der Stelle X, wobei der Stromverlauf I(t) des elektrischen Erwärmungsstroms I unter Berücksichtigung der Erwärmungseffekte entsprechend gesteuert oder geregelt wird, erfolgt bei einem konstanten Elektrodenkraftverlauf F(t) (wobei auch ein nicht-konstanter Elektrodenkraftverlauf F(t) vorgesehen sein kann) in drei definierten Phasen, wie in 2 veranschaulicht:
- – einer schnellen Erwärmungsphase mit einem Temperaturanstieg von mindestens 50 K/sec, wie mit der steilen Rampe a veranschaulicht;
- – einer Temperaturhaltephase, insbesondere in einem der oben beschriebenen Temperaturbereiche, die mindestens eine Sekunde (1 sec) und bevorzugt mehrere Sekunden andauert, wie mit dem Plateau b veranschaulicht; und
- – einer langsamen Abkühlungsphase mit einem Temperaturabfall von höchstens 25 K/sec und insbesondere von nicht weniger als 5 K/sec, wie mit der flachen Rampe c veranschaulicht.
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Diese Phasen können gesteuert oder geregelt ausgeführt werden.
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Der Widerstandserwärmung schließt sich eine Nachhaltezeit an, innerhalb derer das Blechbauteil 200 an der Stelle X zwischen den Elektroden 110A und 110B eingeklemmt bleibt (Haltenachdruck).
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Die lokale Widerstandserwärmung an der Stelle X führt, abhängig von der Erwärmungstemperatur und Temperaturhaltezeit, zu einer lokal exakt begrenzten und verzugsfreien Festigkeitsverringerung und Duktilitätssteigerung in dem zwischen den Elektroden 110A und 110B eingeklemmten Bereich M des Blechmaterials. Im Blechmaterial bildet sich gleichmäßig um den wärmebehandelten Bereich bzw. um die wärmebehandelte Zone M herum eine kleine bzw. schmale Übergangszone U aus.
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3 zeigt eine Variante, bei der zwischen den Elektroden 110A und 110B und dem Blechbauteil 200 jeweils eine stromleitende und insbesondere metallische Folie 120A/120B angeordnet ist, die einen direkten Kontakt zwischen den Elektroden 110A und 110B und dem Blechbauteil 200 verhindert. Die vorausgehenden Erläuterungen gelten analog auch für diese Variante. Die Foliendicke geht nicht in die Ermittlung der minimalen Kontaktflächen KA und/oder KB ein.
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4 zeigt eine Variante, bei der auf die Elektroden 110A und 110B auswechselbare metallische Steckkappen 130A und 130B aufgesteckt sind, über die die Kontaktflächen KA und KB gebildet werden (die Steckkappen 130A und 130B sind in einer Schnittdarstellung gezeigt). Die vorausgehenden Erläuterungen gelten analog auch für diese Variante. Die Kappendicke geht nicht in die Ermittlung der minimalen Kontaktflächen KA und/oder KB ein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011101991 B3 [0003]
- DE 102006054389 A1 [0003]
