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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbehandlung eines ersten Bauteils für eine Herstellung eines Bauteilverbunds aus dem ersten Bauteil und mindestens einem zweiten Bauteil, wobei zumindest das erste Bauteil mit einer Beschichtung beschichtet ist und durch die Beschichtung eine Oberfläche des ersten Bauteils ausgebildet wird.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds sowie einen Bauteilverbund selbst.
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Stand der Technik
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Eine Schwachstelle von geklebten Verbindungen zwischen Werkstoffen, beispielsweise warmumgeformten Stählen, ist oft nicht die Klebeschicht selbst, sondern eine Beschichtung des Werkstoffs. Beim Versagen geklebter Verbindungen aus warmumgeformten Stählen, die oft eine metallische, beispielsweise eine Aluminium-Silizium-Beschichtung aufweisen, löst sich die Verbindung bei Belastung oft nicht im Bereich der Klebeschicht, sondern innerhalb der Beschichtung selbst. Beim Erhitzen bzw. Warmumformen eines beschichteten Bauteils bilden sich in der Beschichtung mehrere verschiedene Diffusionszonen. Durch das Abkühlen beim Formhärten wird die Diffusion zwischen Bestandteilen des Grundkörpers und der Beschichtung eines Bauteils gestoppt, sodass die Diffusion oft unvollständig ist und die Beschichtung unterschiedliche Zonen und spröde Phasen aufweist. Der Zusammenhalt der einzelnen Zonen innerhalb der Beschichtung ist somit stark geschwächt und weist oft Mikrorisse auf. Der Zusammenhalt der einzelnen Diffusionszonen ist dann schlechter als die Adhäsion vom Klebstoff an der obersten Schichtlage und der untersten Beschichtungslage am Grundwerkstoff.
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Dieses Problem wird im Stand der Technik dadurch gelöst, dass die Beschichtung nach dem Warmumformen bzw. Formhärten mittels eines Strahlprozesses, beispielsweise mittels Korundstrahlens, zumindest bereichsweise abgestrahlt und entfernt wird. Die Beschichtung wird dabei zumindest in dem Bereich, in dem das Bauteil mit einem weiteren Bauteil verbunden, beispielsweise verklebt, werden soll, vollständig entfernt. Nachteilig ist dabei, dass in diesem Bereich dann kein Korrosionsschutz durch die Beschichtung mehr besteht.
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In der
EP 2 241 863 B1 wird ein Verfahren zum Herstellen eines heißgestanzten beschichten Stahlabschnitts beschrieben. Dabei wird der im Stand der Technik bekannte Warmumformprozess beschrieben sowie der Aufbau der Beschichtung nach dem Warmumformen näher gezeigt.
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Die
EP 2 679 692 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Formbauteils aus einer Platine aus ungehärtetem Stahlblech, wobei die Platine in einem Presswerkzeug zum Formbauteil umgeformt und pressgehärtet wird, sodass das Formbauteil teilweise hochfeste und teilweise duktile Bereiche aufweist.
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In der
DE 10 2008 006 241 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtragen einer metallischen Beschichtung einer Platine, welche aus einer Stahllegierung besteht und eine metallische Beschichtung aufweist, beschrieben. Dabei wird die metallische Beschichtung der Platine durch einen Laserstrahl erhitzt und über eine Absaugvorrichtung von der Platine entfernt.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Vorbehandlung eines ersten Bauteils für eine Herstellung eines Bauteilverbunds aus dem ersten Bauteil und mindestens einem zweiten Bauteil, wobei zumindest das erste Bauteil mit einer Beschichtung beschichtet ist, bereitzustellen, wobei die Schichtfestigkeit der Beschichtung des ersten Bauteils verbessert wird und der mit dem ersten Bauteil hergestellte Bauteilverbund größeren Belastungen standhält.
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Erfindungsgemäß wird hierfür ein Verfahren zur Vorbehandlung eines ersten Bauteils für eine Herstellung eines Bauteilverbunds aus dem ersten Bauteil und mindestens einem zweiten Bauteil vorgeschlagen, wobei zumindest das erste Bauteil mit einer Beschichtung beschichtet ist und durch diese Beschichtung eine Oberfläche des ersten Bauteils ausgebildet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf:
- a) Erhitzen des ersten Bauteils; und
- b) Formhärten des ersten Bauteils; und
- c) Aufschmelzen der Beschichtung in einem Bereich der Oberfläche des ersten Bauteils zur Erhöhung der Festigkeit der Beschichtung in diesem Bereich, derart, dass die Beschichtung nach dem Aufschmelzen in diesem Bereich der Oberfläche des ersten Bauteils verbleibt.
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Das erste Bauteil weist hierfür zumindest einen Grundkörper und eine auf dem Grundkörper angeordnete Beschichtung auf. Der Grundkörper kann Stahl bzw. Eisen aufweisen oder daraus bestehen. Die Beschichtung ist eine metallische Beschichtung und weist vorzugsweise Aluminium und/oder Silizium und/oder Eisen auf. Besonders bevorzugterweise weist die Beschichtung eine Aluminium/Silizium-Verbindung auf.
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Beim Erwärmen diffundiert üblicherweise der Aluminium-Bestandteil der Beschichtung mit dem Eisen-Bestandteil des Grundkörpers. Beim anschließenden Abkühlen während des Formhärtens wird die Diffusion gestoppt, sodass aufgrund der unvollständigen Diffusion einzelne Diffusionszonen in der Beschichtung bestehen. Die Festigkeit zwischen den einzelnen Zonen ist aufgrund spröder Phasen geschwächt, was nachteilig für eine spätere Beanspruchung eines aus dem ersten Bauteil hergestellten Bauteilverbunds ist.
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In Schritt a) wird das erste bereits beschichtete Bauteil erwärmt bzw. erhitzt. Beispielsweise kann das erste Bauteil in einem Durchlaufofen erhitzt werden, wobei das erste Bauteil in einer Umgebung von mindestens 800° Celsius erhitzt wird.
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In Schritt b) wird das erhitzte erste Bauteil mittels Formhärten bzw. Presshärten umgeformt (in die gewünschte Form gepresst) und abgekühlt. Unter Formhärten bzw. Presshärten ist ein Warmumformen mit anschließendem Abkühlen zu verstehen. Unter Formhärten ist im Sinne dieser Erfindung sowohl ein direktes Formhärten bzw. eine direkte Warmumformung sowie auch ein indirektes Formhärten bzw. eine indirekte Warmumformung zu verstehen. Beim indirekten Warmumformen kann beispielsweise vor Schritt a) das beschichtete Bauteil bereits in die gewünschte Form (beispielsweise durch Tiefziehen) gebracht, anschließend erst erhitzt (Schritt a)) und in Schritt c) abgekühlt werden. Auch beim indirekten Warmumformen wird in Schritt c) das bereits in Form gebrachte Bauteil noch in die endgültige gewünschte Form gebracht (Anpassen der Form).
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Nach den Schritten a) und b) hat sich die Beschaffenheit bzw. die Eigenschaft und Struktur der Beschichtung in Bezug auf dessen Festigkeit (Schichtfestigkeit) verändert und insbesondere verschlechtert. Durch das anschließende Aufschmelzen (Schritt c)) der Beschichtung wird die Schichtfestigkeit dann verbessert. Beim Aufschmelzen wird die Beschichtung in dem Bereich kurzzeitig flüssig bzw. es entsteht in diesem Bereich ein Schmelzbad. Unter Aufschmelzen ist somit auch ein Umschmelzen zu verstehen. Erfindungsgemäß wird die Beschichtung beim Aufschmelzen nicht abgetragen, beispielsweise nicht abgesaugt, abgestrahlt oder anderweitig entfernt. Es ist erfindungsgemäß beim Aufschmelzen kein Strahlprozess und somit kein Eintrag von Strahlmitteln zum Entfernen der Beschichtung vorgesehen.
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Die Verfahrensschritte a) bis c) sind erfindungsgemäß in der vorgenannten Reihenfolge vorgesehen. Durch das bereichsweise Aufschmelzen der Beschichtung wird die Festigkeit (Schichtfestigkeit) der Beschichtung in diesem Bereich verbessert, wodurch der mit dem ersten Bauteil hergestellte Bauteilverbund höheren Belastungen standhält.
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Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass in Schritt c) die Beschichtung mittels eines Lasers aufgeschmolzen wird. Nach dem Formhärten in Schritt b) werden die Bauteile üblicherweise in einem nachgeordneten Prozessschritt mittels einer Laservorrichtung zurechtgeschnitten (Laserbeschnitt), um die gewünschten Fertigteile zu erzeugen. Die in einem derartigen Prozessablauf bereits vorhandene Laservorrichtung kann besonders vorteilhafterweise für den zusätzlichen Verfahrensschritt (Schritt c)) vorgesehen werden, wobei der bereits vorhandene Laser unter Auswahl und Einstellung besonders geeigneter Parameter für das Aufschmelzen der Beschichtung vor oder nach dem eigentlichen Laserbeschnitt verwendet wird.
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Die Beschichtung weist eine Dicke auf, wobei bevorzugterweise vorgesehen ist, dass in Schritt c) die Beschichtung über mehr als 60 %, besonders bevorzugterweise über mehr als 80 % sowie ganz besonders bevorzugterweise über mehr als 90 %, der Dicke aufgeschmolzen wird. Beispielsweise kann die Beschichtung über dessen gesamte Dicke, das heißt bis zur Oberfläche des Grundkörpers des ersten Bauteils, aufgeschmolzen werden. Dabei ist besonders bevorzugterweise vorgesehen, dass das Material des Grundkörpers nicht mit aufgeschmolzen wird. Hierfür kann die vorteilhafterweise vorgesehene Laservorrichtung mit besonders bevorzugten Parametern betrieben werden.
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Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass in Schritt c) die Beschichtung derart aufgeschmolzen wird, dass nach dem Aufschmelzen sowie nach einem anschließenden Abkühlen der Beschichtung eine Dicke der Beschichtung in dem aufgeschmolzenen Bereich im Vergleich zur Dicke der Beschichtung vor dem Aufschmelzen nicht mehr als 30%, besonders bevorzugterweise nicht mehr als 20%, sowie ganz besonders bevorzugterweise nicht zugenommen hat.
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Vorteilhafterweise wird in Schritt c) die Beschichtung derart aufgeschmolzen, dass die Beschichtung nach dem Aufschmelzen in dem aufgeschmolzenen Bereich im Wesentlichen homogen ist. Dabei ist besonders bevorzugterweise vorgesehen, dass die Beschichtung in dem aufgeschmolzenen Bereich nach dem Aufschmelzen über die gesamte Dicke der Beschichtung im Wesentlichen homogen ist. Somit ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Beschichtung durch das Aufschmelzen homogenisiert wird und dadurch die unterschiedlichen Diffusionszonen und spröden Phasen entfernt werden.
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In Schritt c) wird die Beschichtung vorzugsweise mittels eines Lasers mit kontinuierlichem Laserstrahl aufgeschmolzen. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass bei der Vorbehandlung mittels eines Lasers die Schichtfestigkeit bei Verwendung eines kontinuierlichen Laserstrahls weiter verbessert werden kann als bei Verwendung eines gepulsten Laserstrahls.
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Ferner ist bevorzugterweise vorgesehen, dass in Schritt c) die Beschichtung mittels eines Lasers und unter Zuführung von Schutzgas aufgeschmolzen wird. Hierdurch kann die Prozessgeschwindigkeit und Prozesssicherheit weiter erhöht werden.
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Des Weiteren ist bevorzugterweise vorgesehen, dass in Schritt c) während des Aufschmelzens oder nach dem Aufschmelzen der Beschichtung mindestens ein zusätzliches Material durch Einschmelzen der Beschichtung hinzugefügt wird. Beim Aufschmelzen der Beschichtung entsteht kurzzeitig ein Schmelzbad, in welches ein zusätzliches Material eingebracht werden kann oder mehrere zusätzliche Materialien eingebracht werden können. Durch das Einbringen mindestens eines zusätzlichen Materials in die Beschichtung kann in besonders vorteilhafter Weise eine Lötstelle oder Schweißstelle vorbereitet werden. Des Weiteren kann durch geeignete Materialauswahl die Schichteigenschaft weiterverbessert und für die weitere Verarbeitung (Verbindung mit einem weiteren Bauteil zur Herstellung eines Bauteilverbunds) vorbereitet werden.
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Nach dem Aufschmelzen in Schritt c) wird vorteilhafterweise eine Klebeschicht auf die Oberfläche zur Verklebung des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil aufgetragen. Dabei ist besonders vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Klebeschicht im Wesentlichen nur in dem Bereich auf die Oberfläche aufgetragen wird, in dem die Beschichtung in Schritt c) aufgeschmolzen wurde.
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Ferner ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Klebeschicht in dem gesamten Bereich auf die Oberfläche aufgetragen wird, in dem die Beschichtung in Schritt c) aufgeschmolzen wurde. Durch das bereichsweise Aufschmelzen der Beschichtung wird nicht nur die Eigenschaft der Beschichtung sondern auch das Aussehen der Oberfläche in diesem Bereich verändert. Somit kann nach dem Aufschmelzen der aufgeschmolzene Bereich visuell vom nicht aufgeschmolzenen Bereich unterschieden werden. Der vorteilhafterweise vorgesehene nachfolgende Klebstoffauftrag kann hierdurch besonders prozesssicher durchgeführt werden, da durch das Aufschmelzen eine Oberfläche markiert wurde, welche komplett mit einer Klebeschicht zu versehen ist. Es kann somit in besonders einfacher Weise erkannt werden, ob bestimmte Bereiche ausgelassen wurden.
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Ferner ist bei Verwendung eines Lasers zum Aufschmelzen der Beschichtung in Schritt c) vorteilhafterweise eine Vorgabe besonders geeigneter Parameter für die Leistung, den Vortrieb, den Fokus, die Schutzgaszuführung, die Laserstrahlführung und/oder den Abständen der einzelnen Laserlinien vorgesehen.
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Vorteilhafterweise kann bei der Vorbehandlung die Rauigkeit, beispielsweise die mittlere Rauhtiefe, der Oberfläche verändert werden. Hierunter ist zu verstehen, dass sich die Rauigkeit der Oberfläche im aufgeschmolzenen Bereich nach der Vorbehandlung im Vergleich zur Rauigkeit vor der Vorbehandlung verändern kann. Durch geeignete Parametervorgabe und/oder Prozesssteuerung ist bevorzugterweise vorgesehen, dass die Rauigkeit der Oberfläche einstellbar ist.
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Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds aus mindestens einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil vorgesehen, wobei das erste Bauteil eine Beschichtung aufweist und das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil gefügt, beispielsweise verklebt, verlötet oder verschweißt, wird. Erfindungsgemäß ist das erste Bauteil gemäß einem vorbeschriebenen Verfahren vorbehandelt.
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Des Weiteren ist erfindungsgemäß ein Bauteilverbund aufweisend ein erstes Bauteil und ein mit dem ersten Bauteil gefügtes, beispielsweise verklebtes, verlötetes oder verschweißtes, zweites Bauteil vorgesehen, wobei das erste Bauteil gemäß einem vorbeschriebenen Verfahren vorbehandelt ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen schematisch:
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1: eine Prozesskette zur Warmumformung eines Bauteils,
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2: einen Verfahrensschritt zum Aufschmelzen einer Beschichtung eines ersten Bauteils während der Vorbehandlung, und
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3: einen Bauteilverbund aus einem ersten Bauteil und einem mit dem ersten Bauteil verklebten zweiten Bauteil.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist beispielhaft eine Prozesskette für die Warmumformung von Bauteilen 10, 11 gezeigt. Beschichtete Bauteile 10, 11 werden in einem Durchlaufofen 19 erhitzt. Dabei ist üblicherweise eine Standzeit von ca. 4 bis 10 Minuten bei ca. 900 bis 950° Celsius vorgesehen. Im nächsten Schritt werden die erhitzten Bauteile 10, 11 in einer Vorrichtung 20 zum Formhärten in die gewünschte Form gepresst und abgekühlt. Im folgenden Schritt werden die umgeformten Bauteile 10, 11 in einer Laserbeschnittvorrichtung 21 zu den Fertigteilen zugeschnitten. In der Laserbeschnittvorrichtung 21 kann der erfindungsgemäße Verfahrensschritt c) für die Vorbehandlung eines Bauteils, beispielsweise eines ersten Bauteils 10, integriert sein. Beispielsweise kann in der Laserbeschnittvorrichtung 21 durch Änderung und geeigneter Einstellung der Laserparameter die Beschichtung 12 des ersten Bauteils 10 in einem vorgegebenen Bereich 14 der Oberfläche 13 des ersten Bauteils 10 aufgeschmolzen werden.
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In 1 ist beispielhaft die Prozesskette für eine direkte Warmumformung gezeigt. Alternativerweise könnte auch eine indirekte Warmumformung mit einem Formgebungsschritt vor dem Erhitzen im Durchlaufofen 19 vorgesehen sein.
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Durch das bereichsweise Aufschmelzen der Beschichtung 12 werden die einzelnen Diffusionszonen 25, welche beim Erhitzen und anschließenden Formhärten in der Beschichtung 12 entstehen, entfernt und eine homogenere Beschichtung 12 in diesem Bereich 14 erzeugt werden. Hierdurch wird die Schichtfestigkeit verbessert, wobei die Belastbarkeit eines Bauteilverbunds 100 aus dem ersten Bauteil 10 verbessert wird.
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In 2 ist ein Ausschnitt eines ersten Bauteils 10 gezeigt. Das erste Bauteil 10 weist einen Grundkörper 24 aus Stahl bzw. Eisen auf, auf welchem eine Beschichtung 12 angeordnet ist.
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Durch die Beschichtung 12 wird die Oberfläche 13 des ersten Bauteils 10 gebildet. In 2 ist das erste Bauteil 10 nach dem Erwärmen und Formhärten während des Verfahrensschritts des Aufschmelzens der Beschichtung 12 gezeigt.
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Mittels eines Lasers 16 wird die Beschichtung 12 in einem vorgegebenen Bereich 14 aufgeschmolzen. Hierfür wird der Laser 16 in der Bearbeitungsrichtung 22 entlang der Oberfläche 13 des ersten Bauteils 10 bewegt. Der in 2 gezeigte Laser 16 weist ferner die optionale Schutzgaszuführung 18 auf. In 2 ist deutlich gezeigt, wie durch das Aufschmelzen der Beschichtung 12 die Struktur der Beschichtung 12 in dem vorgegebenen Bereich 14 verändert wird. In dem nicht aufgeschmolzenen Bereich weist die Beschichtung 12 unterschiedliche Diffusionszonen 25 auf. In dem aufgeschmolzenen Bereich wird die Beschichtung 12 homogenisiert und somit die Schichtfestigkeit der Beschichtung 12 erhöht. Hierfür wird die Beschichtung in dem vorgegebenen Bereich 14 über die gesamte Dicke der Beschichtung 12 aufgeschmolzen, wobei das Material des Grundkörpers 24 des ersten Bauteils 10 nicht mit aufgeschmolzen wird.
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In 3 ist ein Bauteilverbund 100 bestehend aus einem ersten Bauteil 10 und einem zweiten Bauteil 11 gezeigt. Das erste Bauteil 10 weist einen Grundkörper 24 und eine metallische Beschichtung 12 auf. Das erste Bauteil 10 wurde in einem Durchlaufofen 19 erhitzt und anschließend in einer Vorrichtung 20 zum Formhärten in die gewünschte Form gepresst und abgekühlt. Nach dem Formhärten wurde ein vorgegebener Bereich 14 der Oberfläche 13 des ersten Bauteils 10 mittels eines Lasers 16 aufgeschmolzen. Somit wurde die Beschichtung 12 in diesem Bereich 14 homogenisiert. Auf die Oberfläche 13 dieses Bereichs 14 wurde anschließend eine Klebeschicht 15 aufgetragen und das erste Bauteil 10 mit dem zweiten Bauteil 11 verklebt.
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In 3 ist lediglich beispielhaft ein Bauteilverbund 100 mit mindestens einem ersten Bauteil 10 und einem zweiten Bauteil 11 gezeigt. Das zweite Bauteil 11 könnte wie das erste Bauteil 10 vorbehandelt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Bauteilverbund
- 10
- erstes Bauteil
- 11
- zweites Bauteil
- 12
- Beschichtung
- 13
- Oberfläche
- 14
- Bereich der Oberfläche
- 15
- Klebeschicht
- 16
- Laser
- 17
- Laserstrahl
- 18
- Schutzgaszuführung
- 19
- Durchlaufofen
- 20
- Vorrichtung zum Formhärten
- 21
- Laserbeschnittvorrichtung
- 22
- Bearbeitungsrichtung
- 23
- Dicke der Beschichtung
- 24
- Grundkörper des ersten Bauteils
- 25
- Diffusionszonen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2241863 B1 [0005]
- EP 2679692 A1 [0006]
- DE 102008006241 A1 [0007]
