DE10320684B4

DE10320684B4 - Method for increasing the fatigue strength of multi-part components

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Publication number: DE10320684B4
Application number: DE2003120684
Authority: DE
Inventors: Ping Dr.-Ing. Xu; Bernhard Lehmkuhl
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2023-05-01
Also published as: DE10320684A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Schwingfestigkeit von mehrteiligen Bauteilen (1), vorzugsweise zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, wobei die Bauteile aus mindestens zwei, vorzugsweise metallischen, Bauelementen 2a, 2b bestehen, welche durch Punktschweißung miteinander verbunden sind. Auf das Bauteil wird vor dem Einbau in ein Kraftfahrzeug oder dergleichen in mindestens einer Belastungsrichtung zur Erzeugung von örtlichen plastischen Verformungen im Bereich von Punktschweißungen eine quasi statische Vorlast aufgebracht. DOLLAR A Mit dem vorliegenden Verfahren ist es möglich, auf eine einfache und kostengünstige Weise hochbelastbare Leichtbauteile herzustellen.The present invention relates to a method for increasing the fatigue strength of multi-part components (1), preferably for use in motor vehicles, wherein the components of at least two, preferably metallic, components 2a, 2b are connected to each other by spot welding. A quasi-static preload is applied to the component prior to installation in a motor vehicle or the like in at least one loading direction for producing local plastic deformations in the region of spot welds. DOLLAR A With the present method, it is possible to produce heavy-duty lightweight components in a simple and cost-effective manner.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Schwingfestigkeit von mehrteiligen Bauteilen sowie mit diesem Verfahren behandelte Bauteile und schließlich eine Einrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens.The The present invention relates to a method for increasing the Vibration resistance of multi-part components and with this method treated components and finally a device for carrying out the mentioned method.

Es sind, z.B. im Kraftfahrzeugbau, mehrteilige Bauteile bekannt, wobei diese aus mindestens zwei vorzugsweise metallischen Bauelementen bestehen können, welche durch Punktschweißung miteinander verbunden sind.It are, e.g. in motor vehicle construction, multi-part components known, wherein these from at least two preferably metallic components can exist, which by spot welding connected to each other.

Aus der ökologisch begründeten Forderung nach Verringerung des Kraftstoffverbrauches und damit geringerem Schadstoffausstoß resultiert das Bestreben der Fahrzeug- und Zulieferindustrie nach konsequentem Leichtbau. Für den Leichtbau sind mikrolegierte hochfeste Stahlfeinbleche von großem Interesse, da mit solchen Werkstoffen aufgrund ihrer höheren statischen Festigkeit Blechdicken- damit Gewichtsreduzierungen erzielt werden können.Out the ecological justified Demand for reduction of fuel consumption and thus lower Pollutant emissions result the endeavor of the vehicle and supplier industry for consistent Lightweight. For Lightweight construction is a matter of great interest for micro-alloyed high-strength steel sheet because with such materials due to their higher static strength Thicknesses - so that weight reductions can be achieved.

Das Widerstandspunktschweißen ist bis heute das dominierende Fügeverfahren für Stahlfeinblechverbindungen in der Fahrzeugproduktion. Generell verfügen mikrolegierte hochfeste Stähle über eine gute bis sehr gute Punktschweißeignung. Unter quasistatischer Beanspruchung ertragen Punktschweißverbindungen an solchen Stählen wesentlich höhere Lasten als vergleichbare Verbindungen an weichen unlegierten Stählen.The Resistance spot welding is until today the dominant joining method for steel sheet metal joints in vehicle production. In general, microalloyed high-strength Steels over one good to very good spot welding suitability. Under quasistatic stress, spot welds endure such steels much higher Loads as comparable joints on soft unalloyed steels.

Untersuchungen an Massivproben belegen, dass die Schwingfestigkeit von hochfesten Stählen zwar im Allgemeinen mit zunehmender statischer Werkstofffestigkeit zunimmt; diese Vorteile gehen zum Teil jedoch wieder verloren, wenn solche Stähle widerstandspunktgeschweißt und die Verbindungen anschließend schwingend beansprucht werden. Der Werkstoffeinfluss wird durch die von den Schweißverbindungen ausgehende geometrische Kerbwirkung in den Hintergrund gedrängt. Hinzu kommt eine "metallurgische Kerbe", die infolge thermischer Effekte beim Schweißen entsteht. Das unbefriedigende Ermüdungsverhalten hochfester Stähle stellt daher ein Hindernis für den verbreiteten Einsatz dieser Werkstoffe im Fahrzeugbau dar.investigations on solid samples prove that the fatigue strength of high strength toughen although generally with increasing static material strength increases; However, some of these benefits are lost again when such steels resistance spot welding and then swinging the compounds be claimed. The material influence is determined by that of the welds outgoing geometric notch effect pushed into the background. in addition comes a "metallurgical Score "due as a result thermal effects during welding arises. The unsatisfactory fatigue behavior of high-strength steels therefore an obstacle to the widespread use of these materials in vehicle construction.

Seit vielen Jahren wird versucht, die Zusammenhänge zwischen Schweißprozess und Gefügeausbildung, Härteverlauf, Eigenspannungsverteilung, Kerbgrundgeometrie usw. zu klären. Das Ziel dieser Bemühungen ist es, die Schwingfestigkeit und das Ermüdungsverhalten von Punktschweißverbindungen metallischer Werkstoffe, insbesondere hochfester Stähle zu erhöhen, damit beim Einsatz solcher Stähle keine Beeinträchtigungen von Lebensdauer und Sicherheit der Bauteile auftreten.since Many years trying to understand the relationships between welding process and structural education, Hardness profile, Residual stress distribution, notch base geometry, etc. to clarify. The Goal of this effort It is the fatigue strength and fatigue behavior of spot welded joints metallic materials, in particular high-strength steels increase, so when using such steels no impairment lifetime and safety of components occur.

Versuche, die Schweißprozesse mikrolegierter, hochfester Stähle zu optimieren, gestalten sich schwierig, da sich zum einen die "geometrische Kerbwirkung" nur geringfügig verringern lässt und zum anderen für jede Stahlsorte eine individuelle Prozessoptimierung erforderlich ist.Tries, the welding processes microalloyed, high-strength steels to optimize, make it difficult because on the one hand, the "geometric notch effect" only slightly reduced lets and for another every steel grade requires an individual process optimization is.

Bekannt sind bisher Vorrichtungen für die Schwingfestigkeitsprüfung nach der DE 3102778A1. Eine solche Vorrichtung weist beispielsweise einen federnd von einem Gestell gehaltenen Schwingkörper und einen zwischen diesen und dem einen zum halten des Prüfkörpers dienenden Halteelement angeordneten, elektromagnetischen Schwingungserreger auf. Ferner ist bei der bekannten Vorrichtung noch eine verstellbare Gewindespindel vorhanden, um der bei einer Schwingfestigkeitsprüfung auf den Prüfkörper ausgeübten Schwinglast eine statische Last zu überlagern. Der Schwingungserreger ist mit zwei für die Schwingungserregung bezüglich einander bewegbaren Teilen versehen, von denen der eine mit dem Schwingkörper und der andere mit dem genannten Halteelement verbunden ist. Die beiden Schwingungserreger-Teile sind durch stabförmige, elastische Glieder miteinander verbunden. Diese sind derart bemessen, dass sich zwischen den beiden Schwingungserreger-Teilen bei allen vorgesehenen Betriebsbedingungen ein Luftspalt ergibt, der eine Schwingungserregung mit entsprechendem Wirkungsgrad ermöglicht.Known are so far devices for the fatigue strength test according to DE 3102778A1. Such a device has, for example a resiliently held by a frame vibrating body and one between them and one serving to hold the test specimen Holding element arranged, electromagnetic vibration exciter on. Furthermore, in the known device is still an adjustable Threaded spindle present to the in a vibration test on the test body exerted vibration load to superimpose a static load. The vibration exciter is with two for vibrational excitation with respect to each other provided movable parts, one of which with the oscillating body and the other is connected to said holding element. The two Vibration parts are by rod-shaped, elastic members together connected. These are dimensioned such that between the two vibration exciter parts results in an air gap under all intended operating conditions, which allows vibration excitation with the appropriate efficiency.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Bauteile, welche aus mehreren durch Punktschweißung zusammengesetzten Bauelementen bestehen, in ihrer Schwingfestigkeit so zu erhöhen, dass auf eine kostengünstige Weise sehr belastbare Bauteile mit niedriger Masse bereitgestellt werden können.Of the The present invention is therefore based on the object components, which consists of several components assembled by spot welding to increase in their vibration resistance so that in a cost effective manner very resilient components are provided with low mass can.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung der Schwingfestigkeit, z.B. unter Zuhilfenahme einer erfindungsgemäßen Einrichtung, für die zu behandelnden Bauteile bereitgestellt.These The object is achieved by the method according to the invention for increasing the Fatigue strength, e.g. with the aid of a device according to the invention, for the provided components to be treated.

Dadurch, dass bei einem gattungsgemäßen Verfahren auf das Bauteil vor dem Einbau in ein Kraftfahrzeug oder dergleichen in mindestens einer Belastungsrichtung zur Erzeugung von örtlichen plastischen Verformungen im Bereich von Punktschweißungen eine quasistatische Vorlast aufgebracht und vor dem Einbau in ein Kraftfahrzeug oder dergleichen diese Last wieder weggenommen wird, wird diese Aufgabe in Bezug auf das Verfahren gelöst.Thereby, that in a generic method on the component prior to installation in a motor vehicle or the like in at least one loading direction for the production of local plastic deformations in the area of spot welds applied quasi static preload and before installation in a motor vehicle or the like, this load is taken away, this is Task solved in terms of the procedure.

Mit einem einfachen und allgemein einsetzbaren Verfahren kann die Schwingfestigkeit und der Ermüdungswiderstand von Punktschweißverbindungen z.B. hochfester Stähle signifikant erhöht werden.With a simple and generally applicable method, the vibration resistance and the fatigue resistance of spot welded joints e.g. high-strength steels significantly increased become.

Die geschweißte Blechstruktur wird dazu vor dem Betriebseinsatz mit einer Vorlast kurzzeitig belastet und danach wieder entlastet.The welded Sheet metal structure becomes to it before the operational use with a preload briefly loaded and then relieved again.

Hierbei wird ausgenutzt, dass örtliche plastische Verformungen an Punktschweißverbindungen unter schwingender Beanspruchung wesentlich für die Risseinleitung und damit für die erste Schädigung verantwortlich sind.in this connection is exploited that local plastic deformations on spot welded joints under oscillating Stress essential for the crack initiation and thus for the first injury are responsible.

Unter der Vorlast gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Stellen mit hoher Kerbspannung plastisch verformt, während die Spannung von den daneben liegenden Stellen noch im elastischen Bereich des Werkstoffes bleibt. Die örtlich plastisch verformten Stellen werden nach der Entlastung von den daneben liegenden Stellen zusammengedrückt. Es entsteht dadurch an kritischen Stellen eine günstige Druckspannung, die anschließend der schwingenden Beanspruchung entgegenwirkt. Bei kaltverfestbaren Werkstoffen wie Stählen erfahren die örtlich plastisch verformten Stellen noch eine Kaltverfestigung. Dies hat zur Folge, dass durch eventuell örtliche Kaltverfestigung und durch Erzeugung von Druckspannungen in kritischen Stellen die Risseinleitung wesentlich verzögert wird. Dieses Verfahren eignet sich für Punktschweißverbindungen aller metallischen Werkstoffe, insbesondere aber für hochfeste Stähle, denn bei ihnen sind die durch Vorlasten verbleibenden Restverformungen der Blechstruktur wegen der hohen statischen Festigkeit dieser Werkstoffe wesentlich geringer als bei weichen Stählen. Die Bauteilpassgenauigkeit wird durch die Restverformungen nicht negativ beeinflusst.Under the preload according to the method of the invention The points are plastically deformed with high notch stress, while the Stress from the adjacent points still in the elastic range of the material remains. The local plastically deformed areas are released after the discharge squeezed adjacent places. It is created by it critical places a cheap one Compressive stress, which subsequently counteracts the oscillating stress. For hardenable Materials such as steels learn the local plastically deformed areas still a cold work hardening. this has the consequence that by possibly local Hardening and by generating compressive stresses in critical Make the crack initiation is significantly delayed. This method is suitable for Spot welded joints of all Metallic materials, but especially for high-strength steels, because with them are the remaining deformations due to preloads the sheet structure due to the high static strength of these materials essential less than soft steels. The component fitting accuracy is not due to the residual deformations negatively influenced.

Zur Unterscheidung dieser theoretischen Zusammenhänge wurde versucht, zunächst an Einpunktproben aus dem weichen Stahl DC01 durch kurzzeitig erhöhte Vorlast den Kerbgrund an der Fügestelle durch plastische Verformung zu verfestigen. Das Ziel dieser Maßnahme war es, an der Fügestelle mit höchster Kerbspannung Druckspannungen zu erzeugen, um damit die Kerbwirkung zu verringern. Die Schwingprüfung an so vorbelasteten Proben ergab eine deutliche Verbesserung des Ermüdungsverhaltens der Verbindungen.to Differentiation of these theoretical connections was attempted at first One-point specimens made of the soft steel DC01 by briefly increased preload the notch bottom at the joint solidify by plastic deformation. The goal of this measure was it, at the joint with highest Notch stress to generate compressive stresses, thus causing the notch effect to reduce. The vibration test on such preloaded samples showed a significant improvement of the fatigue behavior the connections.

Eine entsprechende Behandlung ist auch an hochfestem Stahl ZStE300 durchgeführt worden. Hier zeigte sich eine noch deutlichere Verbesserung des Ermüdungsverhaltens. Bauteilähnliche Versuche an Mehrpunktproben beider Werkstoffe bestätigten nicht nur die o.g. genannte Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens, sondern auch die besondere Eignung des Verfahrens für Bauteile, deren Schweißpunkte nicht gleichmäßig beansprucht sind.A corresponding treatment has also been carried out on high-strength steel ZStE300. Here was an even clearer improvement in the fatigue behavior. Similar component Tests on multipoint samples of both materials did not confirm only the o.g. mentioned effectiveness of the method according to the invention, but also the particular suitability of the method for components, their welds not evenly stressed are.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren sich insbesondere für Anwendungen in der Automobil- oder z.B. auch Luftfahrtindustrie eignet. Es wird somit möglich, mikrolegierte hochfeste Werkstoffe mit dem Punktschweißverfahren (Widerstandspunktschweißen) so zu bearbeiten, dass die Festigkeitseigenschaften dieser Werkstoffe im Betrieb voll ausgenutzt werden können und damit ein entsprechender Leichtbau und niedrigere Kraftstoffverbräuche möglich werden.In summary can be said that the inventive method is particularly for applications in the automotive or e.g. also aviation industry is suitable. It will thus possible Micro-alloyed high-strength materials with the spot welding process (Resistance spot welding) to process so that the strength properties of these materials can be fully exploited in operation and thus a corresponding Lightweight construction and lower fuel consumption become possible.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.advantageous Further developments of the invention are specified in the dependent claims.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Vorlast monoton steigend aufgebracht wird. D.h., dass keine alternierende Lastaufbringung nötig ist, in der z.B. durch sukzessive schwingende Vorbelastung auf unterschiedlichen Niveaus mit dazwischen liegenden Ruhephasen oder anderen komplizierten Lastaufbringungsmethoden die Vorlast aufgebracht werden muss. Es ist hierbei z.B. möglich, dass die quasistatische Vorlast stetig steigend aufgebracht wird. Insbesondere bietet sich eine im Wesentlichen lineare Lastaufbringung an. Hierzu wird an einer vorbestimmten Stelle des Bauteils, welches z.B. an zwei raumfesten Punkten fixiert ist, eine Verformungsbewegung aufgebracht. Diese kann linear aufgebracht werden durch Verformung des betreffenden Abschnitts mit einer Verformungsgeschwindigkeit von 1 – 10 mm/min., vorzugsweise 3 – 7 mm/min.An advantageous development of the method provides that the preload is applied monotonically increasing. This means that no alternating load application is necessary, in which eg the preload must be applied by successively oscillating preloading at different levels with intermediate resting phases or other complicated load application methods. For example, it is possible for the quasistatic preload to be applied in a steadily increasing manner. In particular, offers a substantially linear load application. For this purpose, a deformation movement is applied to a predetermined position of the component, which is fixed for example at two fixed space points. This can be applied linearly by deformation of the relevant section with a deformation rate of 1-10 mm / min., Vorzugswei se 3 - 7 mm / min.

Diese Vorlast kann über einen unterschiedlich langen Zeitraum aufgebracht werden, je nach Größe und Material des Bauteils. So kann die Vorlast über 5 sek. bis 5 min., vorzugsweise 30 sek. bis 3 min., besonders vorzugsweise 40 sek. bis 90 sek. aufgebracht werden bis zur Erreichung einer Höchstlast. Nach Erreichung dieser Höchstlast wird die Belastung wieder allmählich auf 0 zurückgefahren. Die Art und Richtung der Vorlast entsprechen hierbei vorteilhafterweise Werten der späteren Betriebslast des Bauteils. So kann z.B. als Mindesthöhe der Vorlast der höchste Wert des Lastkollektivs, das unter Betriebsbedingungen zu erwarten ist, gewählt werden. Sind größere Restverformungen zulässig, können auch noch höhere Vorlasten gewählt werden. Beispielsweise wird vor dem Aufbringen einer Vorlast ein Lastkollektiv für das Bauteil in eine bestimmte Belastungsrichtung ermittelt. Anschließend wird die Vorlast so aufgebracht, dass diese bis maximal 60 – 120 %, vorzugsweise 90 – 110 % der Höchstbelastung des Lastkollektivs beträgt; bei der Ermittlung des Lastenkollektivs wurden dynamische Effekte berücksichtigt.These Preload can over be applied a different length of time, depending on Size and material of the component. So the preload can be over 5 sec. to 5 min., preferably 30 sec. to 3 minutes, more preferably 40 seconds. up to 90 sec. upset be up to a maximum load. After achieving this maximum load the burden becomes gradual again reduced to 0. The type and direction of the preload advantageously correspond here Values of later Operating load of the component. Thus, e.g. as the minimum amount of preload the highest Value of load collective to be expected under operating conditions is, elected become. Are larger residual deformations permissible can even higher Pre-loads selected become. For example, a pre-load is applied before application Load collective for the component determined in a specific load direction. Subsequently, will the preload is applied in such a way that it reaches a maximum of 60 - 120%, preferably 90-110 % of maximum load of the load collective is; in determining the load collective were dynamic effects considered.

Es ist besonders vorteilhaft, dass die Aufbringung der Vorlast nicht allein in eine bestimmte Richtung erfolgt. So ist es z.B. möglich, dass in verschiedenen Belastungsrichtungen zugeordnete verschiedene Vorlasten nacheinander aufgebracht werden, wobei die Vorlasten von Richtung, Betrag und Dauer unterschiedlich sein können. Solche Vorlasten können auch gleichzeitig aufgebracht werden. Es ist auch eine flächige Kraftaufbringung möglich.It is particularly advantageous that the application of the preload not alone in a certain direction. So it is e.g. possible that different preloads assigned in different load directions be applied sequentially, with the preloads of direction, Amount and duration can be different. Such preloads can also be applied simultaneously. It is also a surface force application possible.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht nähere Einzelheiten bezüglich der Schweißpunkte des Bauteils vor. Es ist von Vorteil, dass die Schweißpunkte des Bauteils vor dem Aufbringen der Vorlast im Wesentlichen einen zur Bauteiloberfläche hin orientierten runden Querschnitt aufweisen, wobei der Mindestdurchmesser dieses Querschnittes mindestens das 3,5 – 5-fache des Betrags der Quadratwurzel der mittleren Blechdichte der zwei zu fügenden Bauelemente des Bauteils beträgt. Unabhängig hiervon soll stets gewährleistet sein, dass die bei der Herstellung des Schweißpunktes durch Widerstandspunktschweißen aufgewendete Elektrodenkraft bzw. Schweißzeit bzw. Schweißstromstärke so gewählt ist, dass der spätere Schweißpunkt zumindest die Festigkeit des Grundwerkstoffs des Bauelementes aufweisen soll.A Further advantageous development provides more details regarding the welds of the component. It is advantageous that the welding points of the component before the application of the preload essentially one to the component surface have oriented round cross section, wherein the minimum diameter this cross-section at least 3.5 - 5 times the amount of the square root the mean sheet density of the two components to be joined of the component is. Independently this should always be guaranteed be that spent in the manufacture of the welding point by resistance spot welding Electrode force or welding time or welding current is chosen so that later WeldingSpot have at least the strength of the base material of the component should.

Hierbei ist es außerdem vorteilhaft, dass die Schweißpunkte vor dem Aufbringen der Vorlast einen Mindestabstand haben, welcher von Schweißpunktmitte zu Schweißpunktmitte mindestens das 5-fache des Betrags des kleinsten Schweißpunktdurchmessers auf weist.in this connection it is as well advantageous that the welding points have a minimum distance before applying the preload, which from welding spot center to spot weld center at least 5 times the amount of the smallest spot diameter having.

Es ist besonders vorteilhaft, dass die Bauelemente im Bauteil umgeformte und/oder nicht umgeformte Bleche sind, wobei die Blechdicke zwischen 0,6 und 5 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 2,5 mm liegen kann. Besonders vorteilhaft sind hierbei metallische Bleche, wie sie im Fahrzeug- bzw. Flugzeugbau anwendbar sind. Dies sind insbesondere warm- oder kaltgewalzte metallische Feinbleche, die dann später zunächst umgeformt werden in üblichen Umformverfahren und schließlich punktgeschweißt werden. Diese Bauelemente sind vorteilhafterweise aus metallischen Werkstoffen wie Stahl oder Aluminium , insbesondere mikrolegierten hochfesten Stählen, wie Feinkornbaustählen und Mehrphasenstählen. Beispielsweise sind dies folgende Stähle:

It is particularly advantageous that the components are formed in the component and / or not formed sheets, wherein the sheet thickness can be between 0.6 and 5 mm, preferably between 1 and 2.5 mm. Particularly advantageous here are metallic sheets, as they are applicable in vehicle or aircraft. These are in particular hot-rolled or cold-rolled metallic thin sheets, which are then first formed later in customary forming methods and finally spot-welded. These components are advantageously made of metallic materials such as steel or aluminum, in particular micro-alloyed high-strength steels, such as fine-grain steels and multiphase steels. For example, these are the following steels:

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Werkstoffe der Bauelemente nach der Punktverschweißung und vor dem Aufbringen der Vorlast eine Streckgrenze von mindestens 200 Mega Pascal, vorzugsweise mindestens 300 Mega Pascal aufweisen. An dieser Stelle sei erklärend angemerkt, dass diese Streckgrenzenangabe problemlos für weiche Flussstähle (etwa St 37, St 52) anzunehmen ist, weil diese eine deut lich ausgeprägte Streckgrenze aufweisen, nach deren Überschreitung eine plastische Verformung einsetzt. Bei anderen Werkstoffen, welche eine solche ausgeprägte Streckgrenze nicht aufweisen, wird in der vorliegenden Erfindung von der R_P0,2-Grenze ausgegangen (etwa bei Aluminium). Bei diesen Werkstoffen ist ein fließender Übergang vom elastischen zum plastischen Zustand gegeben, bei Aufbringen der R_P0,2-Kraft verbleibt in der Werkstoffprobe eine bleibende Dehnung von 0,2 %.A particularly advantageous embodiment provides that the materials of the components have a yield strength of at least 200 mega pascals, preferably at least 300 mega pascals after Punktverschweißung and before applying the preload. It should be explained at this point that this yield point specification can easily be assumed for soft flow steels (for example St 37, St 52), because they have a pronounced yield strength, after which a plastic deformation is exceeded starts. In the case of other materials which do not have such a pronounced yield strength, the R _P 0.2 limit is assumed in the present invention (for aluminum, for example). In these materials, a smooth transition from elastic to plastic state is given, when applying the R _P 0.2 force remains in the material sample a residual elongation of 0.2%.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit recht einfachen Mitteln durchgeführt werden. Es empfiehlt sich hierbei, das Bauteil nach seiner Punktschweißung (z.B. direkt vor dem Einbau in ein Kraftfahrzeug etc.) fest einzuspannen, z.B. in eine Dreipunktlagerung. Hierbei kann zumindest ein Lagerpunkt beweglich sein, so dass durch eine entsprechende Bewegung dieses Lagerpunktes eine Verformung des Bauteils eintritt und die erfindungsgemäße örtliche Plastifizierung im Bereich der Schweißpunkte stattfindet.The inventive method can be done with fairly simple means. It is advisable in this case, the component after its spot welding (for example, directly before installation in a motor vehicle etc.), e.g. in a three-point storage. In this case, at least one bearing point can be movable, so that a corresponding movement of this bearing point a deformation of the component occurs and the inventive local plasticization in Range of welds takes place.

Dieses Verfahren ist selbst bei Großserienprodukten, wie z.B. Automobilen, sehr leicht durchführbar und eignet sich dort besonders für sehr stark beanspruchte Teile, etwa Fahrwerksteile, insbesondere Dreieckslenker an Fahrwerken. Es ist z.B. möglich, dieses Verfahren an aus der Kraftfahrzeugindustrie bekannten Testeinrichtungen zur Schwingfestigkeit (Dauerschwingversuche) anzuwenden, wobei allerdings die Vorlast nicht schwingend, sondern mit einer Schwingfrequenz gleich 0 Hz aufgebracht wird.This Procedure is even for high volume products, such as. Automobiles, very easy to carry out and is suitable there especially for very heavily stressed parts, such as chassis parts, in particular Wishbone on suspensions. It is e.g. possible to do this procedure from the automotive industry known testing facilities for fatigue strength (Fatigue tests), although the preload not oscillating, but with an oscillation frequency equal to 0 Hz is applied.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in übrigen abhängigen Ansprüchen beschrieben.Further Advantageous developments of the present invention are described in the remaining dependent claims.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:The The present invention will now be explained with reference to several figures. It demonstrate:

1a bis 1c punktgeschweißte Bauteile unter Belastung, 1a to 1c spot-welded components under load,

2 ein erfindungsgemäßes Bauteil bei Einbringung, 2 an inventive component during insertion,

3a und 3b verschiedene Diagramme zur Erläuterung der Erfindung. 3a and 3b various diagrams for explaining the invention.

1a bis 1c zeigen jeweils erfindungsgemäße Bauteile, welche aus zwei Blechen bestehen, welche miteinander durch Schweißpunkte (3a bzw. 3b etc.) verbunden sind. Diese Bauteile sind noch nicht in einem erfindungsgemäßen Verfahren vorbelastet worden. 1a to 1c each show inventive components, which consist of two sheets, which together by welding points ( 3a respectively. 3b etc.) are connected. These components have not yet been preloaded in a method according to the invention.

Die Hauptbeanspruchungsarten, die durch von außen auf ein punktgeschweißtes Bauteil wirkenden Lasten hervorgerufen werden, sind durch die Grundbeanspruchungen Scherung und Schälen charakterisiert. In 1a und 1b bezeichnen F_SL die Scherung in Richtung der Punktnaht, F_Sq die Scherung quer zur Punktnaht sowie F_K eine Schälkraft. Die Höhe der Beanspruchung in der Schweißzone entlang des Umfangs eines Schweißpunktes ist hierbei jedoch örtlich sehr unterschiedlich.The main types of stress caused by external loads on a spot-welded component are characterized by the basic stresses of shear and peeling. In 1a and 1b F _SL denotes the shear in the direction of the point seam, F _Sq the shear transverse to the point seam and F _K a peel force. However, the amount of stress in the weld zone along the circumference of a weld point is locally very different.

Für den in 1a gezeigten Belastungszustand wird dies beispielsweise anhand von 1c klar. So wird bei einer Scher- oder Schälbeanspruchung wie in 1a (mit F_Sq ≠ 0, F_SL = 0) eine Stelle mit dem Umfangswinkel 0° zwischen den Blechen im Kerbgrund am höchsten beansprucht. An den beiden Seiten bis zum Umfangswinkel 90° bzw. -90° nimmt die Spannung mit der Vergrößerung des Umfangswinkels allmählich ab. Bereits unter einer kleinen Schwinglast kann wegen der geometrischen Kerbwirkung an der Stelle 0° die Streckgrenze des Werkstoffes überschritten und dadurch eine örtliche plastische Verformung hervorgerufen werden.For the in 1a This is shown for example by means of 1c clear. Thus, in a shear or peel stress as in 1a (with F _Sq ≠ 0, F _SL = 0) a point with the circumferential angle 0 ° between the sheets in the notch base claimed the highest. On the two sides up to the circumferential angle 90 ° or -90 ° the tension gradually decreases with the increase of the circumferential angle. Already under a small vibration load can exceed the yield strength of the material due to the geometric notch effect at the point 0 °, thereby causing a local plastic deformation.

Es ist somit das Ziel der Erfindung, für die in 1a bis 1c gezeigten Bauteilarten durch Aufbringung einer Vorlast eine Plastifizierung im Bereich des Kerbgrundes herzustellen, so dass hierdurch bei einer späteren Betriebslast durch ein entsprechend aufgebaute "Eigenspannung" im Gefüge eine Gegenkraft gegeben ist, welche einer eventuellen Rissbildung entgegenwirkt.It is thus the object of the invention for which in 1a to 1c shown component types by applying a preload to produce a plasticization in the region of the notch base, so that in this way at a later operating load by a correspondingly structured "residual stress" in the structure is given a counterforce, which counteracts any cracking.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, für Bauteile, deren Schweißpunkte ungleichmäßig beansprucht sind, durch Aufbringung einer Vorlast Plastifizierung mit unterschiedlichen Graden an einzelnen Schweißpunkten herzustellen, so dass an höheren beanspruchten Schweißpunkten auch höhere „Eigenspannung" aufgebaut werden. Bei einer späteren Betriebslast wirken diese Eigenspannungen auch unterschiedlich stark entgegen, welche zu einer gleichmäßigeren Beanspruchung der Schweißpunkte führt. Damit wird die Entstehung des ersten Risses an dem höchsten beanspruchten Schweißpunkt deutlich verzögert.One Another object of the invention is, for components whose welds are claimed unevenly, by applying a preload plastification with different Grades at individual welding points so that at higher stressed welds also higher "residual stress" can be built. At a later Operating load, these residual stresses also act differently which leads to a more uniform stress on the welding points leads. Thus, the formation of the first crack is claimed to be the highest WeldingSpot significantly delayed.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes Bauteil 1. Dieses ist in eine Einrichtung eingespannt zur Aufbringung einer erfindungsgemäßen Vorlast. Diese Einrichtung weist eine Dreipunktlagerung auf, welche aus zwei festen Lagerpunkten 4a und 4b und einem beweglichen Lagerpunkt 4c besteht. Bei dem Lagerpunkt 4a handelt es sich um einen Lagerpunkt, welcher neben Kräften auch Momente aufnehmen kann, so dass durch die Punkte 4a und 4b das Bauteil 1 im Wesentlichen raumfest ein gespannt ist und jede Verformung des Lagerpunktes 4c durch eine Verformung des Bauteils 1 ausgeglichen werden muss. Bei der in 2 gezeigten Einrichtung handelt es sich um eine solche, mit welcher z.B. üblicherweise in der Kraftfahrzeugindustrie Schwingfestigkeitsversuche durchgeführt werden. Für den vorliegenden Fall ist der Lagerpunkt 4c aber nicht schwingend zu belasten, sondern vorzugsweise quasistatisch. Dies kann z.B. mit Hilfe einer üblichen Hydraulik geschehen, welche sehr exakt steuerbar ist und hohe Kräfte einbringen kann. 2 shows a component according to the invention 1 , This is clamped in a device for applying a preload according to the invention. This device has a three-point bearing, which consists of two fixed bearing points 4a and 4b and a movable bearing point 4c consists. At the bearing point 4a it is a bearing point, which in addition to forces can also absorb moments, so that through the points 4a and 4b the component 1 essentially spatially fixed is a stretched and any deformation of the bearing point 4c by a deformation of the component 1 must be compensated. At the in 2 The device shown is one with which, for example, usually performed in the automotive industry vibration resistance tests. For the present case, the bearing point 4c but not swinging, but preferably quasi-static. This can be done for example by means of a conventional hydraulic, which is very precisely controlled and can bring in high forces.

Bauteil 1 in 2 besteht aus zwei metallischen Bauelementen 2a und 2b. Die metallischen Bauelemente 2a und 2b sind im Umformverfahren aus warm gewalzten Feinblechen hergestellt worden. Nach ihrer Umformung sind diese Teile punktgeschweißt worden. Die Schweißpunkte (beispielsweise 3c und 3d) des Bauteils hatten vor dem Aufbringen der Vorlast im Wesentlichen einen zur Bauteiloberfläche hin orientierten runden Querschnitt, wobei der Mindestdurchmesser dieses Querschnittes mindestens das 3,5-fache des Betrags der Quadratwurzel der mittleren Blechdichte der für die zwei zu fügenden Bauelemente 2a, 2b des Bauteils 1 betrug. Es sei allerdings angemerkt, dass durch die Aufbringung der erfindungsgemäßen Vorlast lediglich geringe Gesamtverformung des Bauteils 1 eingetreten ist, welche die Bauteilpassgenauigkeit nicht beeinflusst. Die Schweißpunkte 3c und 3d beispielsweise hatten vor dem Aufbringen der Vorlast einen Mindestabstand a, welcher von Schweißpunktemitte zu Schweißpunktmitte mindestens das 5-fache des Betrags des kleinsten Schweißpunktdurchmessers aufweist. Die ursprünglichen Bleche, aus welchen die Bauelemente 2a und 2b gebildet worden sind, waren warm gewalzte Bleche aus einem weichen Stahl StW24, die Blechdicke be trug 1,9 mm.component 1 in 2 consists of two metallic components 2a and 2 B , The metallic components 2a and 2 B have been produced in the forming process from hot rolled thin sheets. After being formed, these parts have been spot-welded. The welding points (for example 3c and 3d ) of the component had, prior to application of the preload, essentially a circular cross-section oriented toward the component surface, the minimum diameter of this cross-section being at least 3.5 times the square root mean square density of the components to be joined 2a . 2 B of the component 1 amounted to. It should be noted, however, that the application of the preload according to the invention only low overall deformation of the component 1 occurred, which does not affect the component fitting accuracy. The welds 3c and 3d For example, prior to application of the preload, there was a minimum distance a which, from the center of the weld to the center of the weld, is at least 5 times the magnitude of the smallest spot diameter. The original sheets from which the components 2a and 2 B were formed, were hot-rolled sheets of a soft steel StW24, the sheet thickness was 1.9 mm.

Das in 2 gezeigte Bauteil 1 ist ein Dreieckslenker für ein Kraftfahrzeug. Bei einem solchen Lenker, welcher ein wesentliches und sehr sicherheitsrelevantes Teil eines Kraftfahrzeugfahrwerks ist, ist eine sichere Auslegung extrem wichtig. Andererseits muss jedoch darauf geachtet werden, dass die Auslegung dieses Bauteils nicht überdimensioniert, da hierdurch sehr große bewegte Massen den Federungskomfort einschränken können bzw. aufgrund ihres hohen Gewichtes den Kraftstoffverbrauch steigern können.This in 2 shown component 1 is a wishbone for a motor vehicle. In such a handlebar, which is an essential and very safety-relevant part of a motor vehicle chassis, a safe design is extremely important. On the other hand, however, care must be taken that the design of this component is not oversized, as this very large moving masses can limit the suspension comfort or can increase fuel consumption due to their high weight.

Daher wurde das hier gezeigte Bauteil 1, welches praktisch einbaufertig vorgefertigt war, vor dem endgültigen Einbau in ein Kraftfahrzeug noch mit einem erfindungsgemäßen Verfahren vorbelastet. Hierzu wurde in der 2 gezeigten Einrichtung auf das Bauteil 1 vor dem endgültigen Einbau in ein Kraftfahrzeug in mindestens einer Belastungsrichtung (hier x₁) zur Erzeugung von örtlichen plastischen Verformungen von Punktschweißungen (beispielsweise 3c, 3d) eine quasistatische Vorlast F₁(t) aufgebracht und vor dem Einbau in das Kraftfahrzeug wieder entlastet. Nach der Entlastung erfolgt ein Ausbau aus der in 2 gezeigten Einrichtung und ein endgültiger Einbau in das Kraftfahrzeug.Therefore, the component shown here became 1 , which was prefabricated practically ready to install, pre-loaded prior to final installation in a motor vehicle with a method according to the invention. This was done in the 2 shown device on the component 1 before the final installation in a motor vehicle in at least one loading direction (here x ₁ ) for generating local plastic deformations of spot welds (for example 3c . 3d ) applied a quasi static preload F ₁ (t) and relieved before installation in the motor vehicle again. After the discharge takes place an expansion from in 2 shown device and a final installation in the motor vehicle.

Die Aufbringung der erfindungsgemäßen Vorlast erfolgte folgendermaßen:
Zur Aufbringung der Vorlast F₁(t) erfolgt die Einspannung des noch belasteten Bauteils 1 in eine Vorrichtung nach 2. Dort erfolgt eine z.B. lineare Aufbringung einer quasistatischen Vorlast in Richtung x₁, wobei eine Verformungsgeschwindigkeit am Lager punkt 4c von 5 mm/min. angenommen wird, welche über 20 sek. aufgebracht wird.The application of the preload according to the invention was carried out as follows:
To apply the preload F ₁ (t), the clamping of the still loaded component takes place 1 in a device after 2 , There takes place, for example, a linear application of a quasi-static preload in the direction x ₁ , wherein a deformation speed point at the camp 4c of 5 mm / min. is assumed which over 20 sec. is applied.

Die Aufbringung der Kraft F₁ (t) in Richtung x₁ erfolgt nach dem Diagramm in 3a. Dieses zeigt den zeitlichen Verlauf F₁(t) über die Zeit t. Am Anfangspunkt ist der Träger bereits fest eingespannt. Die Kraft F₁, welche am Lagerpunkt 4c angreift, ist linear ansteigend bis zu einem Höchstwert und fällt dann allmählich ab auf F₁ = 0. Die Höchstbelastung in der Kurve F₁(t) ist vorzugsweise bis 60 – 120 % der Kraft F_1max, vorzugsweise 90 – 110 % der Höchstbelastung F_1max.The application of the force F ₁ (t) in the direction x ₁ takes place according to the diagram in FIG 3a , This shows the time course F ₁ (t) over the time t. At the starting point, the carrier is already firmly clamped. The force F ₁ , which at the bearing point 4c attacks, is linearly increasing to a maximum value and then falls gradually to F ₁ = 0. The maximum load in the curve F ₁ (t) is preferably up to 60-120% of the force F _1max, preferably 90-110% of the maximum load F _1max .

Selbstverständlich ist es auch möglich, Vorlasten in mehrere Richtungen aufzubringen, wobei die Vorlasten von Richtung, Betrag und Dauer unterschiedlich sein können. Im in 2 gezeigten Beispiel ist die Richtung x₁ der Richtung x₂ genau entgegengesetzt. Die Kraftaufbringung erfolgt zeitlich nach der Kraftaufbringung der Kraft F₁(t). Selbstverständlich ist es auch möglich, die Kraft F₂(t) an einer anderen Stelle des Bauteils angreifen zu lassen bzw. in eine andere Richtung als die hier gezeigte (also eine umgekehrte Richtung zu x₁ muss nicht sein, es kann eine beliebige Richtung bezüglich x₁ sein). Außerdem ist es möglich, dass in entsprechender Weise Biegemomente bzw. Flächenkräfte aufgebracht werden. Ziel ist lediglich, dass eine gewünschte örtliche Plastifizierung im Bereich der Schweißpunkte eintritt.Of course, it is also possible to apply preloads in several directions, the preloads of direction, amount and duration may be different. Im in 2 In the example shown, the direction x _{1 is} exactly opposite to the direction x ₂ . The force application takes place after the force application of the force F ₁ (t). Of course, it is also possible to have the force F ₂ (t) attacked at another point of the component or in a different direction than that shown here (ie a reverse direction to x ₁ does not have to be, it can be any direction with respect x ₁ ). In addition, it is possible that bending moments or surface forces are applied in a corresponding manner. The goal is simply that a desired local plasticization occurs in the area of the welds.

Die guten Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand von 3b nochmals kurz erläutert. Hierbei ist ein Diagramm gezeigt, welches zwei lineare Funktionsverläufe angibt. Der Verlauf der mit P1 bezeichneten Kurve (Rautensymbol) zeigt das Ermü dungsverhalten von Proben, welche nicht erfindungsgemäß vorbelastet wurden. Der Verlauf von P2 (Kreissymbol) zeigt dagegen das Ermüdungsverhalten von Proben, welche erfindungsgemäß vorbelastet wurden.The good results of the method according to the invention are based on 3b briefly explained again. Here is a diagram showing two linear function curves. The course of the curve designated by P1 (diamond symbol) shows the fatigue behavior of samples which have not been preloaded according to the invention. The course of P2 (circular symbol), on the other hand, shows the fatigue behavior of samples which were preloaded according to the invention.

Bei den Proben handelte es sich um mit drei Schweißpunkten verbundene Bleche aus dem Werkstoff ZStE300 mit 1,5 mm Dicke, welche mit einer sinusförmigen Zugkraft quer zur Punktnaht im Zugschwellbereich (R = 0,1), wie in 3b gezeigt, belastet wurden. Es handelte sich hierbei um einen Dauerschwingversuch mit einer Prüffrequenz von 50 Hz, als Prüfmaschine diente eine MTS 25kN.The samples were sheet metals of ZStE300 1.5 mm thick bonded to three welds, which had a sinusoidal tensile force transverse to the point seam in the tensile threshold range (R = 0.1), as in 3b shown were charged. This was a fatigue test with a test frequency of 50 Hz, the test machine was an MTS 25kN.

Dem Diagramm in 3b ist klar zu entnehmen, dass die vorbelasteten Proben bei einer gleich hohen Oberkraft der Schwingbelastung im Schwingversuch eine deutlich höhere Schwingspielzahl erreichten als die unbelasteten Proben.The diagram in 3b It can be clearly seen that the preloaded samples achieved a significantly higher number of oscillations compared to the unloaded samples with an equally high upper force of the vibration load in the vibration test.

Claims

Method for increasing the fatigue strength of multi-part components ( 1 ), preferably for use in motor vehicles, wherein the components of at least two metallic components ( 2a . 2 B ), which are interconnected by spot welding, characterized in that on the component before installation in a motor vehicle or the like in at least one loading direction (x ₁ ) for generating local plastic deformations in the range of spot welds ( 3a - 3d ) applied a quasi static preload (F ₁ (t)) and the component is relieved again before installation in a motor vehicle or the like.

A method according to claim 1, characterized in that the preload (F ₁ (t)) is applied monotonically increasing.

A method according to claim 2, characterized in that the preload (F ₁ (t)) is applied linearly by deformation of a portion of the component with a deformation rate of 1 - 10 mm / min., Preferably 3 - 7 mm / min.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the quasistatic preload (F1 (t)) increases steadily is applied.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the preload (F ₁ (t)) over a period of 5 sec. to 5 min., preferably 30 sec. to 3 minutes, more preferably 40 seconds. up to 90 sec. is applied and gradually reduced after reaching the maximum load.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that before the application of the preload (F ₁ (t)), the highest operating load for the component ( 1 ) in a certain loading direction (X ₁ ) is determined, and the preload (F ₁ (t)) is applied so that this is a maximum of 60 to 120%, preferably 90 to 110% of the maximum load of the load collective.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in different load directions (x ₁ , x ₂ ) associated different preloads (F ₁ (t), (F ₂ (t)) are applied successively, the preloads of direction, amount and Duration can be different.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the welding points ( 3a - 3d ) of the component before application of the preload essentially have a surface oriented towards the component surface round cross section, wherein the minimum diameter of this cross section at least 3.5 - 5 times the amount of the square root of the average sheet density of the two components to be joined ( 2a . 2 B ) of the component.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the welding points ( 3a - 3d ) before application of the preload (F ₁ (t)) have a minimum distance (a), which has at least 5 times the amount of the smallest welding spot diameter from the center of the spot weld to the center of the spot weld.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the Bauelemen te ( 2a . 2 B ) are formed and / or not formed sheets, wherein the sheet thicknesses between 0.6 and 5 mm, preferably between 1 and 2.5 mm.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the components ( 2a . 2 B ) are made of metallic materials such as aluminum or steel, in particular micro-alloyed high-strength steels.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the spot welding of the components ( 2a . 2 B ) have at least the strength of the base materials before application of the preload.

Component ( 1 ) produced by a method according to any one of claims 1 to 12.

Device for applying preloads for carrying out the method according to any one of claims 1-12, characterized in that this for example for the component ( 2 ) a three-point bearing ( 4a . 4b . 4c ), wherein a bearing point ( 4c ) is movable to apply a preload (F ₁ (t)).

Device according to claim 14, characterized that this is a usual in the automotive industry Schwingfestigkeitsprüfeinrichtung which is for applying the preload with a vibration frequency of 0 Hertz is operable.