DE102015109471A1

DE102015109471A1 - Hybridbauteil sowie Verfahren zur Herstellung des Hybridbauteils

Info

Publication number: DE102015109471A1
Application number: DE102015109471.1A
Authority: DE
Inventors: Simon Potthast
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2016-12-15
Also published as: US20160362144A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils. Das Hybridbauteil weist ein Stahlbauteil 1 und ein Leichtmetallbauteil 2 auf, wobei das Stahlbauteil 1 eine dieses durchgreifende zum Leichtmetallbauteil 2 hin sich verjüngende Ausnehmung 3 aufweist, welche mit Schweißzusatzwerkstoff 6 aufgefüllt ist, so dass das Stahlbauteil 1 aufgrund des Schweißzusatzwerkstoffes 6 formschlüssig lagefixiert hintergriffen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridbauteil gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 11.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Hybridbauteile, insbesondere für Kraftfahrzeuge, herzustellen. Unter einem Hybridbauteil wird ein Bauteil verstanden, welches aus zwei Einzelbauteilen zusammengesetzt ist und die zwei Einzelbauteile aus voneinander verschiedenen Werkstoffen ausgebildet sind.
Beispielsweise ist es bekannt, metallische Bauteile mit Kunststoffbauteilen, insbesondere Faserverbundwerkstoffbauteilen, zu koppeln.
Oftmals werden jedoch auch mehrteilige metallische Bauteile miteinander hergestellt, wobei zwei unterschiedliche metallische Werkstoffe zum Einsatz kommen, die im Wesentlichen nicht oder nur unter besonderen Bedingungen miteinander thermisch fügbar sind. Insbesondere zählt hierzu die Koppelung eines Stahlwerkstoffes mit einem Werkstoff aus einer Leichtmetalllegierung.
Hierzu haben sich aus dem Stand der Technik das Stanznietverfahren mittels thermischem Fügen oder ein Fügen mittels fließlochformenden Schrauben als zweckmäßig gerade für die Serienproduktion erwiesen. Nachteilig ist jedoch, dass zusätzliche Hilfsmittel, beispielsweise im Falle des Stanznietens, verwendet werden müssen, die zum einen bevorratet werden müssen, zum anderen erhöhte Produktionskosten mit sich bringen.
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik das Schweißnieten bekannt, bei welchem zunächst in ein zu fügendes Bauteil ein Niet eingenietet wird und dann der Niet mit dem zweiten zu fügenden Bauteil verschweißt wird. Auch hier muss zunächst ein Nietvorgang durchgeführt werden, wobei entsprechend auch der Niet wiederum bevorratet werden muss und als externes Bauteil zusätzliche Kosten verursacht.
Aus der DE 10 2009 017 376 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Stützstruktur bekannt, bei dem eine erste Komponente mit einem Loch versehen wird und mit einer zweiten Komponente formschlüssig zur Anlage gebracht wird und im Anschluss daran durch das Loch hindurch erhitzt wird und ein verflüssigtes Material in dem Loch aufsteigt, um nach Abkühlen eine nietartige Verbindung einzugehen. Es entsteht jedoch bei allen Verbindungen mit Niet oder Verbindungen mit Nietenformen ein ausgeprägter Überstand.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik, ein Hybridbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung des Hybridbauteils aufzuzeigen, das zwei voneinander verschiedene Werkstoffe aufweist, das kostengünstig und produktionssicher herstellbar ist.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Hybridbauteil mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 11 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Das Hybridbauteil weist ein Stahlbauteil und ein Leichtmetallbauteil auf. Es ist insbesondere als Kraftfahrzeughybridbauteil ausgebildet. Das Stahlbauteil liegt dazu zumindest bereichsweise bzw. abschnittsweise flächig an dem Leichtmetallbauteil an. Das Stahlbauteil ist formschlüssig von einer Fügeverbindung hintergriffen. Erfindungsgemäß ist die Fügeverbindung derart ausgebildet, dass an dem Stahlbauteil eine das Stahlbauteil durchgreifende und zu dem Leichtmetallbauteil hin sich verjüngende Ausnehmung ausgebildet ist und die Ausnehmung von einem stoffschlüssig mit dem Leichtmetallbauteil gekoppelten Schweißzusatzwerkstoff hintergriffen ist.
Im Rahmen der Erfindung ist es somit in besonders einfacher und effizienter Weise möglich, die Fügeverbindung und damit die Koppelung des Hybridbauteils herzustellen. Hierzu wird das Stahlbauteil mit einer Ausnehmung versehen, wobei die Ausnehmung insbesondere durch Stanzen, jedoch bevorzugt auch durch Ausschneiden, beispielsweise mittels eines Lasers oder Wasserstrahlschneiden, hergestellt werden kann. Beide Bauteile (Stahlbauteil, Leichtmetallbauteil) werden dann in Anlagenkontakt gebracht und zueinander ausgerichtet. Sodann wird in die Ausnehmung des Stahlbauteils ein Schweißzusatzwerkstoff gegeben und durch Verschweißen des Schweißzusatzwerkstoffes mit dem Leichtmetallbauteil eine stoffschlüssige Verbindung zu dem Leichtmetallbauteil hergestellt, wobei der dabei aufschmelzende Schweißzusatzwerkstoff das Stahlbauteil aufgrund der sich verjüngenden Ausnehmung formschlüssig hintergreift bzw. hinterschneidet. Erfindungswesentlicher Vorteil ist, dass dieses Verfahren auf bereits vorhandenen Produktionsanlagen durchführbar ist, beispielsweise insbesondere auf Lichtbogenschweißanlagen.
Die zu dem Leichtmetallbauteil hin sich verjüngende Ausnehmung bedeutet im Rahmen der Erfindung als besonders bevorzugte Ausgestaltungsvariante, dass die beiden Bauteile übereinander liegen und die Ausnehmung im Stahlbauteil dann von einer dem Leichtmetallbauteil abgewandten Oberseite hin zu einer an dem Leichtmetallbauteil anliegenden Unterseite hin sich verjüngt. Im Sinne der Erfindung kann dies jedoch auch bedeuten, dass das Stahlbauteil und das Leichtmetallbauteil sich nur randseitig überlappen und die Ausnehmung nicht umlaufend geschlossen ist, sondern zu dem Rand des Stahlbauteils hin offen ist. Der Schweißzusatzwerkstoff greift dann puzzleteilartig seitlich in das Stahlbauteil ein. Die Ausnehmung ist dann bevorzugt von der Oberseite zur Unterseite des Stahlbauteils hin sich verjüngend und weiterhin zu dem offenen Randbereich hin ebenfalls sich verjüngend ausgebildet.
Die beiden Bauteile, mithin das Stahlbauteil und das Leichtmetallbauteil können bereits ihre Endkontur aufweisen, es können jedoch auch zunächst beide Bauteile in Form von Blechplatinen und/oder Profilen vorliegen. Nach der Koppelung mit der erfindungsgemäßen Fügeverbindung können diese dann einem Umformprozess oder einem sonstigen Weiterverarbeitungsprozess zugeführt werden.
Die Ausnehmung ist insbesondere rund, sternförmig, eckig, insbesondere mehreckig, als Langloch und/oder in einer beliebigen Mischform der zuvor genannten Ausgestaltungsvarianten ausgebildet. Diese geometrische Form bezieht sich maßgeblich auf die Draufsicht. Mithin würde im Falle einer runden, insbesondere kreisrunden Ausnehmung, und einer Herstellung durch Stanzen eine runde Ausnehmung in das Stahlbauteil eingestanzt werden, die sich von einer Oberseite des Stahlbauteils zu einer Unterseite verjüngt.
In allen Fällen ist eine Innenmantelfläche der Ausnehmung derart ausgebildet, dass sie einen schrägen Verlauf aufweist. Zu den die Ausnehmung berandenden Oberflächen des Stahlbauteils verläuft sie somit nicht in einem 90°-Winkel, sondern leicht angeschrägt, so dass sich die Ausnehmung das Stahlbauteil durchgreifend zu dem Leichtmetallbauteil hin verjüngt. Bevorzugt verläuft die Innenmantelfläche der Ausnehmung in einem Winkel größer 60° und kleiner 90° zur Oberfläche des Stahlbauteils, insbesondere in einem Winkel kleiner gleich 87°, größer 70° und besonders bevorzugt in einem Winkel kleiner gleich 85° und größer gleich 75°. Somit weist die Ausnehmung einen sich verjüngenden Querschnitt auf, wobei der sich verjüngende Querschnitt insbesondere V-förmig oder Y-formig ausgebildet ist. Die jeweiligen aufeinander zu laufenden Schenkel selbst können einen geradlinigen Verlauf, jedoch auch einen degressiven oder progressiven Verlauf aufweisen. Wichtig hierbei ist jedoch, dass sie sich zu der zu dem Leichtmetallbauteil orientierten Seite des Stahlbauteils hin verjüngen.
Durch die Verjüngung wird der Hinterschnitt des Stahlbauteils durch den Schweißzusatzwerkstoff sichergestellt. Im Rahmen der Erfindung wäre es auch vorstellbar, dass der Querschnitt X-förmig bzw. sanduhrförmig ausgebildet ist, so dass ein oberer Bereich sich zunächst zu dem Leichtmetallbauteil hin verjüngend ausgebildet ist und im weiteren Verlauf wiederum sich aufweitet.
Als Schweißzusatzwerkstoff wird insbesondere ebenfalls eine Leichtmetalllegierung oder aber eine Legierung auf Basis von Kupfer und/oder Messing eingesetzt. Bevorzugt wird ein MIG MAG Schweißverfahren eingesetzt. Besonders bevorzugt kann der Schweißzusatzwerkstoff bei Erkalten bzw. Erstarren eine schrumpfende Eigenschaft aufweisen, so dass das Leichtmetallbauteil an das Stahlbauteil im Koppelungsbereich zusätzlich aufgrund der Schrumpfung des Schweißzusatzwerkstoffes in Verbindung mit dem Hinterschnitt angepresst wird.
Ein weiterer erfindungswesentlicher Vorteil besteht darin, dass ein beschichtetes Stahlbauteil und/oder ein Stahlbauteil mit hochfesten oder höchstfesten Eigenschaften eingesetzt werden kann. Bei der Beschichtung handelt es sich insbesondere um eine Antikorrosionsbeschichtung, welche besonders bevorzugt durch eine intermetallische Phase mit dem Stahlbauteil verbunden ist. Weder die Beschichtung noch die hochfesten oder höchstfesten Gefügeeigenschaften des Stahlbauteils werden durch das erfindungsgemäße Koppelungsverfahren merkbar bzw. wesentlich beeinflusst. Insbesondere wird hierzu ein Schweißzusatzwerkstoff gewählt, der eine Schmelztemperatur aufweist, die geringer ist als die des Stahlbauteils und insbesondere geringer als die der Beschichtung, jedoch mindestens gleich oder höher dem Schmelzpunkt des Stahlbauteils ist. Somit wird bei dem thermischen Fügevorgang von Schweißzusatzwerkstoff mit dem Leichtmetallbauteil das umliegende Werkstoffgefüge des Stahlbauteils und/oder die Beschichtung des Stahlbauteils in zu vernachlässigender Weise bzw. gar nicht negativ beeinflusst.
Bevorzugt wird die Beschichtung des Stahlbauteils beim Herstellen der Ausnehmung in die Mantelfläche der Ausnehmung wenigstens teilweise verlagert, wodurch ein besserer Stoffschluss zum Stahlteil und eine geometrisch präzise, formschlüssige Verbindung der Teile ausgebildet wird. Bevorzugt schließt der Schweißzusatzwerkstoff im Wesentlichen bündig mit der dem Leichtmetallbauteil gegenüberliegenden Oberseite des Stahlblechbauteils ab. Im Rahmen der Erfindung bedeutet bündig, dass eine ebene Fläche oder eine unebene aber nur prozessbedingt buckelig über die Oberseite überstehende Fläche vorliegt. In der Großserienfertigung unvermeidbares Spritzen oder Anfließen des Schweißzusatzwerkstoffes auf die Oberseite oberhalb der Mantelinnenfläche bleiben davon unberührt.
Weiterhin besonders bevorzugt weist das Hybridbauteil in einer Längsorientierung mehrere Fügeverbindungen, insbesondere in einer Reihe orientiert angeordnet auf, wobei die einzelnen Fügeverbindungen jeweils einen Abstand zueinander besitzen. Hierdurch ist es insbesondere möglich, einen Schweller oder aber auch eine Kraftfahrzeugsäule bzw. einen Dachholm als Hybridbauteil herzustellen.
Weiterhin besonders bevorzugt wird auf der dem Leichtmetallbauteil gegenüberliegenden Seite über der Fügeverbindung eine Dichtung angeordnet. Diese Dichtung kann beispielsweise selbst aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet sein, ist bevorzugt jedoch aus einem elastischen Werkstoff, insbesondere einem Kunststoff- und/oder Gummiwerkstoff ausgebildet. Insbesondere wird die Dichtung aufgeklebt und/oder aufvulkanisiert. Das Hybridbauteil ist dann insbesondere im Bereich der Türen und Klappen, A-Säule, C-Säule oder D-Säule einsetzbar.
Bei einer Fügeverbindung ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass sich diese von dem Leichtmetall aus nur in die Ausnehmung hineinragend bzw. diese nur teilweise durchgreifend erstreckt. Ein über das Stahlbauteil überstehender Nietkopf an oder auf der Fügeverbindung wird somit vermieden. Eine Dichtung kann plan ohne Luftspalt anliegen bzw. flächig aufliegen an der Oberfläche des Stahlbauteils, so dass durch die erfindungsgemäße Fügeverbindung keine Beschädigung oder Verformung der Dichtung bewirkt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils mit mindestens einigen der vorgenannten Eigenschaften, welches sich durch folgende Verfahrensschritte auszeichnet:

– Bereitstellen eines Stahlbauteils und Erzeugen mindestens einer das Stahlbauteil durchgreifenden Ausnehmung, die sich zu der dem späteren anzulegenden Leichtmetallbauteil liegenden Unterseite des Stahlbauteils hin im Querschnitt verjüngt,
– Bereitstellen eines Leichtmetallbauteils,
– Zumindest abschnittsweise formschlüssiges aneinanderlegen von Leichtmetallbauteil und Stahlbauteil,
– Einbringen von Schweißzusatzwerkstoff in die Ausnehmung und stoffschlüssiges Verschweißen des Schweißzusatzwerkstoffes mit dem Leichtmetallbauteil,
– Wobei das Leichtmetallbauteil und der Schweißzusatzwerkstoff eine formschlüssige Verbindung mit dem Stahlbauteil ausbilden.

Besonders bevorzugt wird weiterhin das Stahlbauteil mittels Warmumformen und Presshärten hergestellt und umgeformt, bevor es der Koppelung mit dem Leichtmetallbauteil zugeführt wird. Die Ausnehmungen werden in diesem Fall dann auch besonders bevorzugt vor oder während dem Warmumformen und Presshärten eingebracht. Durch das Verschweißen des Schweißzusatzwerkstoffes mit dem Leichtmetallbauteil werden die damit eingestellten Festigkeitseigenschaften des gehärteten Stahlbauteils nicht oder nur in zu vernachlässigender Weise beeinflusst.
Weiterhin ist es möglich, dass das Stahlbauteil bzw. ein Stahlband bzw. eine Stahlplatine zur Herstellung des Stahlbauteils beschichtet wird. Die Erzeugung der Ausnehmung kann dann nach durchgeführter Beschichtung erfolgen. Der – nicht beschichtete – Innenrand bzw. Innenmantelfläche der Ausnehmung kann durch das Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes derart versiegelt werden, dass hier eine Korrosion vermieden wird und/oder der Zusatzwerkstoff wird mit der auf der Oberseite des Stahlbauteils liegenden Beschichtung stoffschlüssig verbunden, so dass ebenfalls hier eine Versiegelung stattfindet.
Die Schmelztemperatur des Schweißzusatzwerkstoffes liegt hierzu besonders bevorzugt bei oder unterhalb der Schmelztemperatur der Beschichtung.
Bei Verwendung eines Schweißzusatzwerkstoffes, der sich bei Abkühlung gezielt kontrahiert/schrumpft, erfolgt gleichzeitig eine Anpressung von Stahlbauteil an das Leichtmetallbauteil aufgrund der Schrumpfung bzw. Kontraktion des Schweißzusatzwerkstoffes.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
1a) bis d) eine Draufsicht und einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß hergestelltes Hybridbauteil,
2a) bis c) verschiedene Ausgestaltungsvarianten des Hybridbauteils im Querschnitt,
3a) bis c) verschiedene Draufsichten auf unterschiedliche Ausnehmungen,
4a) bis c) eine Draufsicht, eine Rückansicht und eine Seitenansicht einer Stoßfängeranordnung, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren,
5a) bis c) eine alternative Ausgestaltungsvariante zu 4,
6a) bis c) eine weitere alternative Ausgestaltungsvariante zu 4,
7a) bis c) eine alternative Ausgestaltungsvariante zu 4,
8a) und b) eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kraftfahrzeugsäule,
9 ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Türblech,
10a) und b) einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Hybridbauteil mit beschichtetem Stahlbauteil,
11a) und b) eine weitere alternative Ausgestaltung der Ausnehmung mit randseitiger Öffnung und
12 eine Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Hybridbauteils.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
1a) bis c) zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Hybridbauteils vor und nach dem Fügevorgang. In 1a) ist eine Draufsicht auf das Stahlbauteil 1 mit darunter befindlichem Leichtmetallbauteil 2 gezeigt. Das Stahlbauteil 1 weist eine dieses von einer Oberseite O zu einer Unterseite U durchgreifende Ausnehmung 3 auf, wobei die Ausnehmung 3 sich zu dem Leichtmetallbauteil 2 bzw. der Unterseite U hin verjüngend ausgebildet ist. Insbesondere ist somit eine Innenmantelfläche 4 der Ausnehmung 3 konisch aufeinander zu laufend bzw. sich verjüngend ausgebildet. Die Innenmantelfläche 4 verläuft in einem Winkel α zur Oberseite O. Sodann sind gemäß 1b) im Querschnitt erkennbar das Leichtmetallbauteil 2 und das Stahlbauteil 1 in einem Abschnitt 5 formschlüssig flächig aneinander liegend.
Gemäß 1c) ist die Ausnehmung 3 mit einem Schweißzusatzwerkstoff 6 aufgefüllt. Der gemäß 1b) dargestellte V-förmige Querschnittsverlauf der sich verjüngenden Ausnehmung 3 bildet somit im Zusammenspiel mit dem Schweißzusatzwerkstoff 6 einen formschlüssigen Hinterschnitt, wodurch eine Fügeverbindung 7 von Leichtmetallbauteil 2 zu Stahlbauteil 1 hergestellt ist.
Insbesondere wird die Innenmantelfläche 4 der Ausnehmung 3 entsprechend formschlüssig von dem Schweißzusatzwerkstoff 6 hintergriffen. In einem Koppelungsbereich 8 ist der Schweißzusatzwerkstoff 6 stoffschlüssig mit dem Leichtmetallbauteil 2 gekoppelt. Ferner ist in 1d) ersichtlich, dass der Schweißzusatzwerkstoff 6 im Wesentlichen plan mit der Oberseite O des Stahlbauteils 1 abschließend ausgebildet ist und selbst eine plane Oberfläche 9 aufweist zur Herstellung des Hybridbauteils.
2 zeigt jeweils einen bereichsweisen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Hybridbauteil 10, wobei jeweils auf die Bildebene bezogen oben das Stahlbauteil 1 und unten das Leichtmetallbauteil 2 angeordnet sind. Zu erkennen ist gemäß 2a), dass ebenfalls hier die Ausnehmung 3 mit ihrer Innenmantelfläche 4 V-förmig in Richtung des Leichtmetallbauteils 2 sich verjüngend ausgebildet ist. Somit wird durch den Schweißzusatzwerkstoff 6 ein formschlüssiger Hinterschnitt hergestellt. Der Schweißzusatzwerkstoff 6 ist jedoch nur bereichsweise bzw. abschnittsweise die Ausnehmung 3 durchgreifend und somit mit seiner Oberfläche 9 gegenüber der Oberseite O des Stahlbauteils 1 zurückversetzt ausgebildet.
Gemäß der Ausführungsvariante von 2b) ist der Querschnitt bzw. die Innenmantelfläche 4 im Querschnitt Y-förmig verlaufend ausgebildet. Die Ausnehmung 3 weist somit nur eine partiell angefaste Lochkante bzw. Ausnehmungskante auf. Auch hier ist der Schweißzusatzwerkstoff 6 nur teilweise das Stahlbauteil 1 durchgreifend, mithin nicht bis zur Oberseite O plan abschließend ausgebildet.
Gemäß der Ausgestaltungsform von 2c) ist zusätzlich auf das Hybridbauteil 10 eine Dichtung 11 aufgebracht, wobei die Oberseite O des Stahlbauteils 1 mit der Oberfläche 9 des in der Ausnehmung 3 angeordneten Schweißzusatzwerkstoffes 6 im Wesentlichen plan abschließend ausgebildet ist.
3a) bis c) zeigen jeweils verschiedene Ausgestaltungsvarianten der Ausnehmung 3 in Draufsicht. Gemäß 3a) ist es möglich, diese elliptisch auszubilden, gemäß 3b) rund, insbesondere kreisrund, und gemäß 3c) rechteckig bzw. in Form eines Langlochs. Die Ausnehmungen 3 verjüngen sich in die Bildebene hinein, so dass die Innenmantelfläche 4 sichtbar ist.
4a) bis c) zeigt eine Anwendung des erfindungsgemäßen Hybridbauteils 10 als Stoßfängeranordnung 12, aufweisend einen Stoßfängerquerträger 13 sowie im Endbereich des Stoßfängerquerträgers 13 angeordnete Crashboxen 14 in Draufsicht im Falle von 4a). Diese sind in Fügeverbindungen 7 in Form eines Langloches ausgebildet, wobei zwei Langlöcher jeweils V-förmig zueinander angeordnet sind. Gemäß 4b) ist zu erkennen, dass die Crashboxen 14 einen sechseckigen Querschnitt aufweisen und als Stahlbauteil 1 ausgebildet sind. Der Stoßfängerquerträger 13 ist als Leichtmetallbauteil, insbesondere als Strangpressbauteil, ausgebildet. Ferner zu erkennen ist, dass die Crashboxen 14 mit Flanschen 16 gemäß 4c) den Stoßfängerquerträger 13 in Längsrichtung L zumindest abschnittsweise übergreifen. Der Stoßfängerquerträger 13 ist in diesem Fall bevorzugt als Mehrkammerhohlprofil ausgebildet. Insbesondere wird ein Stahlwerkstoff mit hochfesten oder höchstfesten Eigenschaften eingesetzt und als Leichtmetalllegierung eine 5000-er, 6000er- oder 7000er-Aluminiumlegierung.
5a) bis c) zeigt eine dazu alternative Ausgestaltungsvariante, aufweisend ebenfalls einen Stoßfängerquerträger 13 sowie im Bereich der Enden angeordnete Crashboxen 14. Hier ist jedoch der Stoßfängerquerträger 13 als Stahlbauteil 1 ausgebildet, weshalb die ebenfalls im Querschnitt sechseckig ausgebildeten Crashboxen 14 in diesen hineingreifen, was insbesondere in 5c) gut ersichtlich ist. Der Stoßfängerquerträger 13 weist einen C-förmigen Querschnitt auf. Ebenfalls sind wiederum die Fügeverbindungen 7 V-förmig zueinander angeordnet und verbinden den Stoßfängerquerträger 13 hintergreifend die Crashboxen 14 aus Leichtmetall mit diesem formschlüssig.
6a) bis c) zeigt eine dazu alternative Ausgestaltungsvariante einer Stoßfängeranordnung 12, aufweisend einen Stoßfängerquerträger 13 aus einer Leichtmetalllegierung sowie Crashboxen 14 aus einer Stahllegierung. Ebenfalls ist eine Platte 15 für eine Abschleppöse mit dem Stoßfängerquerträger 13 aus Leichtmetall gekoppelt. Sowohl die Crashboxen 14 als auch die Abschleppösenplatte 15 sind mit der erfindungsgemäßen Fügeverbindung 7 mit dem Stoßfängerquerträger 13 gekoppelt. Gemäß 6c) gut ersichtlich ist, dass sich die Crashboxen 14 in Längsrichtung L zu einem nicht näher dargestellten Kraftfahrzeug hin aufweiten. Zusätzliche Ausnehmungen 3.1 mit Teilmantelflächen 4.1 ergeben zusätzliche Verbindungen 7.1, wodurch Querbelastungen noch besser entgegengewirkt wird.
7a) bis c) zeigt eine Stoßfängeranordnung 12, aufweisend einen sich quer erstreckenden Stoßfängerquerträger 13 sowie im jeweiligen Endbereich des Stoßfängerquerträgers 13 angeordneten Crashboxen 14. Die Crashboxen 14 selbst sind aus einer Leichtmetalllegierung als Blechteile ausgebildet und der Stoßfängerquerträger 13 aus einem Stahlwerkstoff. Gemäß 7c) ist gut erkennbar, dass die Crashboxen 14 in den Stoßfängerquerträger 13 die Vorderwand des Stoßfängers abstützend eingesetzt sind. Auf die Bildebene von 7a) bezogen links ist eine beidseitige Randschweißung 17 als formschlüssige Verbindung vorgenommen worden.
Auf die Bildebene von 7a) bezogen rechts sind mehrere erfindungsgemäße Fügeverbindungen 7 angeordnet in einer Dreieckskonfiguration bzw. pyramidenförmig zueinander. Gemäß 7b) ist zu erkennen, dass die Crashboxen 14 im Querschnitt X-förmig bzw. sanduhrförmig ausgebildet sind. Bei den zwei verschiedenen Fügeverbindungen auf der linken und rechten Seite des Stoßfängerquerträgers 13 handelt es sich um Varianten, die jeweils für sich genommen selbstverständlich beidseitig zur Verbindung von Crashbox 14 und Stoßfängerquerträger 13 anwendbar sind.
8a) und b) zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Hybridbauteils in Form einer A-Säule 18. Hierzu ist ein Bauteil als Stahlbauteil 1 ausgebildet und ein Bauteil als Leichtmetallbauteil 2. Ferner ist eine Dichtung 11 angeordnet, wobei die Fügeverbindung 7 im auf die Bildebene von 8b) bezogenen unteren Bereich bündig mit der Oberfläche des Stahlteils abschließt und eine plane Anbindungsfläche ohne Überstand oder Beschädigung der Dichtung gewährleistet.
Eine weitere Ausgestaltungsvariante ist in 9 dargestellt in Form eines Türinnenbleches 20 einer Kraftfahrzeugtür 19. Die Kraftfahrzeugtür 19 weist ein Türinnenblech 20 auf, welches außen umlaufend eine Stahlverstärkung beispielsweise in Form eines Stahlrahmens 21 besitzt. Auf dem Stahlrahmen 21 ebenfalls angeordnet ist eine umlaufende Dichtung 11 und Schlossverstärkung 25. Die Schlossverstärkung 25 kann ebenfalls in Hybridbauweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sein.
Im Bereich der Dichtung sind erfindungsgemäße Ausnehmungen im Stahlbauteil 1 durch die erfindungsgemäße Ausnehmung 3 durch Schweißzusatzwerkstoff 6 hinterschneidend gefüllt, wodurch die Fügeverbindung 7 zum Türinnenblech 20 ausgebildet ist. Weitere Fügeverbindungen 7 sind bei Kopplung des Türinnenblechs 20 mit einer Schlossverstärkung 25 zu erkennen.
Weiterhin ist in der 10b) zu erkennen, dass die Beschichtung bereits vor Einbringen der Ausnehmung 3 in das Stahlbauteil 1 vorhanden war. Folglich ist der Rand 28 der Beschichtung 29 in Richtung der Ausnehmung 3 zu dem Leichtmetallbauteil 2 hin umgeknickt bzw. eingebracht. Die stoffschlüssige Verbindung überdeckt die Oberfläche der Beschichtung somit vollständig und verhindert hier ein Eindringen von Verschmutzungen, insbesondere einen Kontakt von Feuchtigkeit mit der Innenmantelfläche 4 der Ausnehmung 3.
10 zeigt ein Hybridbauteil 10 analog zu 1d). In Ergänzung ist jedoch das Stahlbauteil 1 mit einer umlaufenden Beschichtung 22 versehen, wobei die Beschichtung 22 auf der Oberseite O, der Unterseite U sowie der Stirnseite 23 des Stahlbauteils 1 ausgebildet ist. Dadurch, dass die Ausnehmung 3 erst nach dem Beschichten eingebracht ist, ist die Innenmantelfläche 4 der Ausnehmung 3 nicht beschichtet. Die Oberfläche O des Schweißzusatzwerkstoffes 6 ist jedoch an einer umlaufenden Verbindung 24 stoffschlüssig mit der Beschichtung 22 gekoppelt, so dass zwischen Schweißzusatzwerkstoff 6 und Innenmantelfläche 4 sowie zwischen Oberfläche O und Beschichtung 22 keine Verschmutzung und insbesondere keine Feuchtigkeit eindringen können.
11a) und b) zeigen eine jeweilige Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Hybridbauteils 10, bei dem ein auf die Bildebene bezogen oben liegendes Stahlbauteil 1 mit einem darunter liegenden Leichtmetallbauteil 2 gekoppelt ist. Diese überlappen sich nur in einem Randbereich 26, wobei die Ausnehmungen 3 in dem Stahlbauteil 1 sich in Richtung 27, mithin zu dem Leichtmetallbauteil 2 hin verjüngen. Ergänzend, hier jedoch nicht näher dargestellt, können sich die Ausnehmungen 3 in dem Stahlbauteil 1 auch in die Bildebene hinein verjüngen. Nach Einbringen des Schweißzusatzwerkstoffes 6 greift dieser nach Art des Kopfes eines Puzzleteils randseitig in das Stahlbauteil 1 ein.
12 zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Hybridbauteils. Hierbei ist das Stahlbauteil 1 aus einzelnen Stahlschalen gebildet, die mittels Punktschweißverbindungen 30 über Flansche 31 miteinander gekoppelt sind. Das Leichtmetallbauteil 2 ist als längliches Profilbauteil dann in eine durch das Stahlbauteil 1 gebildete Schale bzw. Aufnahmeöffnung formschlüssig eingesteckt und mittels der erfindungsgemäßen Fügeverbindung 7 gekoppelt. Insbesondere ermöglicht dies eine zusätzliche formschlüssige Fixierung gegen ein Verrücken in X-Richtung. Beispielsweise kann dies als Anbindung eines Dachrahmens ausgebildet sein, so dass das Leichtmetallbauteil 2 als Dachrahmen hergestellt ist und das Stahlbauteil 1 als Anbindungsbereich für eine Kraftfahrzeugsäule, beispielsweise insbesondere eine A-Säule ausgebildet ist.
Bezugszeichenliste

1: Stahlbauteil
2: Leichtmetallbauteil
3: Ausnehmung
3.1: Ausnehmung
4: Innenmantelfläche zu 3
4.1: Innenmantelfläche zu 3
5: Abschnitt
6: Schweißzusatzwerkstoff
7: Fügeverbindung
7.1: Fügeverbindung
8: Kopplungsbereich
9: Oberfläche zu 6
10: Hybridbauteil
11: Dichtung
12: Stoßfängeranordnung
13: Stoßfgängerquerträger
14: Crashbox
15: Abschleppösenplatte
16: Flansch
17: Formschlussrandschweißung
18: Hybrid-A-Säule
19: Kraftfahrzeugtür
20: Türinnenblech
21: Stahlrahmen
22: Beschichtung
23: Stirnseite
24: Verbindung
25: Schlossverstärkung
26: Randbereich
27: Richtung
28: Rand
29: Beschichtung
30: Punktschweißverbindung
31: Flansch
L: Längsrichtung
O: Oberseite zu 1
U: Unterseite zu 1
α: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009017376 A1 [0008]

Claims

Hybridbauteil (10) aufweisend ein Stahlbauteil (1) und ein Leichtmetallbauteil (2), insbesondere Kraftfahrzeughybridbauteil, wobei das Stahlbauteil (1) mit dem Leichtmetallbauteil (2) zumindest abschnittsweise flächig aneinander liegt und das Stahlbauteil (1) formschlüssig von einer Fügeverbindung (7) hintergriffen ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Stahlbauteil (1) eine dieses durchgreifende und zu dem Leichtmetallbauteil (2) hin sich verjüngende Ausnehmung (3) ausgebildet ist und die Ausnehmung (3) von einem stoffschlüssig mit dem Leichtmetallbauteil (2) gekoppelten Schweißzusatzwerkstoff (6) hintergriffen ist.
Hybridbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlbauteil (1) ein Stahlbauteil (1) ist, insbesondere mit hochfesten oder höchstfesten Werkstoffeigenschaften.
Hybridbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (3) im Querschnitt V-förmig oder Y-förmig verläuft.
Hybridbauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel der V-form oder der Y-form einen geradlinigen, progressiven oder degressiven Verlauf aufweisen.
Hybridbauteil nach, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (3) rund, sternförmig, mehreckig oder ein Mischform der zuvor genannten Formen aufweist und/oder dass die Ausnehmung (3) als Langloch ausgebildet ist.
Hybridbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlbauteil (1) beschichtet ist.
Hybridbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Längsorientierung mehrere Fügeverbindungen (7) in einem jeweiligen Abstand zueinander angeordnet sind.
Hybridbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Fügeverbindungen (7) eine Dichtung (11) angeordnet ist, insbesondere in Längsorientierung.
Hybridbauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenmantelfläche (4) der Ausnehmung (3) nicht beschichtet ist und dass der Schweißzusatzwerkstoff (6) die Ausnehmung (3) durchgreifend bis zu der dem Leichtmetallbauteil (2) gegenüberliegenden Beschichtung des Stahlbauteils (1) hin ausgebildet ist, insbesondere ist der Schweißzusatzwerkstoff (6) stoffschlüssig mit der Beschichtung verbunden.
Hybridbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißzusatzwerkstoff (6) sich von dem Leichtmetallbauteil (2) aus nur zum Teil die Ausnehmung (3) durchgreifend erstreckt oder dass eine Oberfläche (9) des Schweißzusatzwerkstoffes (6) plan mit der Oberseite (O) des Stahlbauteils (1) abschließend ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils nach mindestens Anspruch 1, gekennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines Stahlbauteils (1) und Erzeugen mindestens einer das Stahlbauteil (1) durchgreifenden Ausnehmung (3), die sich zu der dem späteren anzulegenden Leichtmetallbauteil (2) liegenden Unterseite (U) des Stahlbauteils (1) hin im Querschnitt verjüngt, – Bereitstellen eines Leichtmetallbauteils (2), – Zumindest abschnittsweise formschlüssiges aneinanderlegen von Leichtmetallbauteil (2) und Stahlbauteil (1), – Einbringen von Schweißzusatzwerkstoff (6) in die Ausnehmung (3) und stoffschlüssiges Verschweißen des Schweißzusatzwerkstoffes (6) mit dem Leichtmetallbauteil (2), – Wobei das Leichtmetallbauteil (2) und der Schweißzusatzwerkstoff (6) eine formschlüssige Verbindung mit dem Stahlbauteil (1) ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlbauteil (1) beschichtet wird, insbesondere mit einer Beschichtung, die mit der Oberfläche des Stahlbauteils (1) eine intermetallische Phase ausbildet.