DE19730647C2 - Leichtbauplatte aus Metall in Form einer Höckerplatte und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Leichtbauplatte aus Metall in Form einer Höckerplatte aus einem formgepreßten Höckerblech und einem damit an den Höckerstirnflächen stoffschlüssig verbundenen Flachblech.

Leichtbauplatten aus Metall sind in verschiedenen Formen, insbesondere als Hohlfachplatten und als Höckerplatten bekannt. Hohlfachplatten und Höckerplatten bestehen aus äußeren Deckblechen sowie dazwischen angeordneten Abstandshaltern unterschiedlichster Bauart. Bei solchen Leichtbauplatten wirken je nach Belastungsfall das eine äußere Deckblech als Zuggurt und das andere als Druckgurt. Solche Leichtbauplatten haben im Vergleich zu massiven Platten bei gleichem Flächengewicht eine höhere Biege- und Beulsteifigkeit. Sie werden deshalb als tragende Bauteile für begehbare Bodenplatten oder Fahrbahnplatten, aber auch für Wände eingesetzt.

Bekannte Hohlfachplatten aus Aluminium oder Stahl (Techn. Mitt. Krupp, Werksberichte, Band 32 (1974) H. 1, S. 1-14, insbesondere S. 5, 6) bestehen aus äußeren Deckblechen und dazwischen als Abstandshalter angeordneten, nur in einer Richtung verlaufenden, durchgehenden Stegen, die mit den Deckblechen fest verbunden sind. Bei einer Hohlfachplatte aus Aluminium sind Deckbleche und Stege einstückig stranggepreßt. Bei einer Hohlfachplatte aus Stahl werden die Stege von zickzackförmig gekanteten Trapezblechen gebildet, die mit den Deckblechen verschweißt sind.

Solche Hohlfachplatten aus Aluminium oder Stahl haben zwar eine hohe Biegesteifigkeit in Längsrichtung der Stege, aber eine kleine Biegesteifigkeit quer zur Längsrichtung der Stege. Da deshalb ihre Beulsteifigkeit nicht besonders hoch ist, eignen sie sich nicht als Flächentragwerk.

Andere bekannte Höckerplatten aus Stahl oder Aluminium (Techn. Mitt. Krupp, Werksberichte, Band 32 (1974) H. 1, S. 1-14, insbesondere S. 2, 3) sind dadurch gekennzeichnet, daß sie ausschließlich aus zwei miteinander verbundenen Deckblechen bestehen, von denen mindestens ein Blech als Höckerblech ausgebildet ist. Dieses Höckerblech kann an den Höckerstirnflächen eines gleichartigen Höckerbleches oder aber mit einem Flachblech verbunden sein. Der Vorteil einer solchen Höckerplatte besteht darin, daß sie in allen Richtungen die gleiche Beulsteifigkeit hat. Ungünstig ist jedoch das Verhältnis von Gewicht zu Biegesteifigkeit bzw. Beulsteifigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leichtbauplatte aus Metall in Form einer Höckerplatte zu schaffen, die bei einem geringen Flächengewicht eine gute Biegesteifigkeit in x- und y-Richtung der Plattenebene und eine gute Beulsteifigkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird bei einer Leichtbauplatte der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Flachblech aus Aluminium und das Höckerblech aus Stahl bestehen und die stoffschlüssige Verbindung eine unter Wärmeeinwirkung ohne Schmelzphase hergestellte metallische Verbindung ist mit einer Schub- und Scherfestigkeit von mehr als 15 N/mm².

Bei der erfindungsgemäßen Leichtbauplatte werden die materialspezifischen Vorteile von Aluminium und Stahl ausgenutzt, um zu einer Leichtbauplatte zu kommen, die in bezug auf ihr Flächengewicht im Vergleich zu herkömmlichen Leichtbauplatten nur aus Stahl oder nur aus Aluminium eine verbesserte Biegesteifigkeit und Beulsteifigkeit hat. Bei Belastung der Leichtbauplatte von der Seite des Flachbleches ist für den Widerstand gegen Einknicken das Flächenträgheitsmoment des Flachbleches maßgebend. Das Flächenträgheitsmoment ist um so höher, je dicker das Flachblech dimensioniert ist. Somit ist der Einsatz eines Flachbleches aus Aluminium vorteilhaft, weil es bei gleichem Flächengewicht wesentlich dicker als ein Flachblech aus Stahl dimensioniert sein kann. Deshalb knickt die erfindungsgemäße Leichtbauplatte erst bei wesentlich höheren Lasten als eine Leichtbauplatte gleichen Flächengewichtes mit einem Abdeckblech aus Stahl als Druckgurt unter Bildung eines Knickes des Druckgurtes zwischen den Verbindungspunkten. Daher kann auch der Höckerabstand bei den erfindungsgemäßen Leichtbauplatten im Vergleich zu Höckerplatten ausschließlich aus Stahl etwa 6 mal größer sein, was unter Bildung eines insgesamt größeren Flächenträgheitsmomentes zur Versteifung des Zuggurtes führt. Somit wird weniger Material aus dem Stahlblech zur Formung der Höcker herausgepreßt und die Zahl und Fläche der notwendigen Verbindungsstellen wird vergleichsweise gering gehalten. Wegen dieses geringen Flächenanteils der Höcker an der Gesamtfläche des Höckerbleches ist die Zugaufnahmefähigkeit des Höckerbleches im Vergleich zu einem Flachblech nicht wesentlich beeinträchtigt. Da bei der oben genannten Belastung das Höckerblech aus Stahl auf Zug beansprucht wird und Stahl im Vergleich zu Aluminium einen sehr viel höheren E-Modul besitzt, ist auch eine höhere Beulsteifigkeit der erfindungsgemäßen Leichtbauplatte im Vergleich zu einer nur als Aluminium bestehenden Leichtbauplatte gewährleistet. Wegen der guten Verformbarkeit und des hohen E-Moduls von Stahl bereitet auch das Formpressen der Höcker keine Probleme. Durch die besondere Verbindung der verschiedenen Materialien Aluminium und Stahl an den Höckerstirnflächen ist auch gewährleistet, daß ohne Beeinträchtigung der Materialeigenschaften das Flachblech und das Höckerblech auf Dauer steif und fest miteinander verbunden bleiben.

Die Festigkeit der Verbindung zwischen Stahl und Aluminium kann auf verschiedene Art und Weise weiter verbessert werden. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Höckerblech aus Stahl an seiner Verbindungsseite verzinkt ist. Dadurch wird auch die sogenannte Spaltkorrosion verhindert. Alternativ oder zusätzlich kann die Verbindung auch formschlüssig sein. Insbesondere kann der Formschluß der Verbindung von in Eingriff stehenden parallelen Rillen und Rippen der Bleche gebildet sein.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform haben die Höcker einen trapezförmigen Querschnitt und sind länger als breit. Zur Erhöhung der Steifigkeit und zur Schalldämmung der Leichtbauplatte kann der Hohlraum zwischen den Blechen mit einem formstabilen Füllmaterial ausgefüllt sein. Vorzugsweise sind das Schaummaterialien oder Hohlkörper mit Kunststoffbindung.

Folgende Dimensionierungen der Leichtbauplatte werden bevorzugt: Für die Blechdicken von Aluminium und Stahl gilt: d_St ≧ ¹/₄ d_Al, vorzugsweise d_St = ¹/₃ bis ^1,3/₃ d_Al. Diese Verhältnisse sind vorteilhaft für beulsteife Leichtbauwände. Zur Herstellung von Ausfächerungen von rechteckigen Rahmenkonstruktionen kann auch eine größere Stahlblechdicke als ^1,3/₃ d_Al verwendet werden. In diesem Fall sollte bei länglichen Höckern die Längsachse der Höcker in Richtung des kleineren Rahmenabstandes verlaufen. Das Verhältnis von verbundener Fläche (Höckerstirnfläche) zur Gesamtfläche sollte 5-13% betragen. Der gegenseitige Abstand a der Höcker in halber Höhe sollte das 8-12-fache des Abstandes der Bleche h betragen. Ferner sollte der Abstand l_x,y der Höckermitten in Richtung der x- bzw. y-Achse l_x,y ≦ 45 d_Al + D_x,y, insbesondere mit 30 d_Al + D_x,y ≦ l_x,y betragen mit d_Al = Materialdicke des Aluminiumblechs und D_x,y = Länge bzw. Breite der Höckerstirnfläche in Richtung der x- bzw. y-Achse.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Leichtbauplatte nach der Erfindung. Ein solches Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das aus Stahl bestehende Höckerblech und/oder das aus Aluminium bestehende Flachblech örtlich begrenzt auf den an den Höckerstirnflächen zu verbindenden Oberflächenbereich durch Erwärmung mit Laserstrahlung aktiviert, aber nicht aufgeschmolzen werden und in diesem Zustand beide Bleche durch Druck metallisch miteinander verbunden werden. Die Verbindung unter Druck erfolgt vorzugsweise durch Walzfügen, wie es an sich bekannt ist (DE 195 02 140 C1), insbesondere aber Gegenstand einer älteren deutschen Patentanmeldung ist (19 640 612.9-45).

Neben der stoffschlüssigen Verbindung kann eine Formschlußverbindung durch plastische Verformung des Flachbleches aus Aluminium erreicht werden. Insbesondere können beim Verbinden der Höckerstirnflächen mit dem Flachblech aus Aluminium in die Höckerstirnflächen Rippen eingeprägt werden, die sich dabei in das Flachblech eindrücken.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Leichtbauplatte rechts in Aufsicht von der Seite 1 des Höckerbleches und links im Schnitt A-A der rechten Darstellung,

Fig. 2 die Leichtbauplatte der Fig. 1 während ihrer Herstellung in isometrischer Darstellung und

Fig. 3 die Höckerplatte gemäß Fig. 1 während der Herstellung in einem ausschnittweisen Querschnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte Leichtbauplatte besteht aus einem Höckerblech 1 aus Stahl mit einer Vielzahl von verteilten länglichen, im Grundriß ovalen und im Querschnitt trapezförmigen Höckern 2 und einem Flachblech 3 aus Aluminium. Das Höckerblech 1 ist vorzugsweise an seiner dem Flachblech 3 zugekehrten Seite verzinkt. Zwischen den Höckerstirnseiten und dem Flachblech 3 besteht eine stoffschlüssige und formschlüssige Verbindung. Der Formschluß wird bewirkt durch das Ineinandergreifen von Rippen und Rillen der Höckerstirnseiten und des Flachbleches 3, wobei die dem Höckerblech 1 abgewandte Außenseite des Flachbleches 3 eben ist. Die Höckerstirnseiten haben eine Länge D_x und eine Breite D_y. Die Abstände der Mitten benachbarter Höcker in Richtung der x-Achse betragen l_x und in Richtung der y-Achse l_y. Der Abstand benachbarter Höcker 2 in halber Höckerhöhe in Richtung der y-Achse beträgt a. Das Höckerblech 1 hat eine Dicke d_St, während das Flachblech 3 eine Dicke d_Al hat. Die Hohlraumhöhe zwischen den beiden Blechen 1,3 beträgt h. Wie schon die Zeichnung zeigt, ist das Flachblech 3 aus Aluminium wesentlich dicker als das Höckerblech 1 aus Stahl, um den betrieblichen Beanspruchungen gewachsen zu sein. Üblicherweise wird eine solche Leichtbauplatte so belastet, daß das dickere Flachblech 3 aus Aluminium als Druckgurt und das dünnere Höckerblech 1 aus Stahl als Zuggurt wirken.

Folgende Beziehungen haben sich für die Dimensionierung der Leichtbauplatte als vorteilhaft erwiesen:

d_St = 1/4 bis 1 d_Al, insbesondere = 1/3 bis 1,3/3 d_Al 8 h ≦ a ≦ 12 h
Verhältnis der Summe der verbundenen Höckerstirn­ flächen zur Gesamtfläche der Leichtbauplatte = 0,06 bis 0,13 30 d_Al + D_x,y ≦ l_x,y ≦ 45 d_Al + D_x,y.

Die Herstellung der Leichtbauplatte erfolgt in der Weise, daß das formgepreßte Höckerblech 1 einer Walzfügestufe zugeführt wird, wie es in Fig. 2 und 3 dargestellt ist. In dieser Walzfügestufe werden die Oberflächen der flachen Stirnflächen der Höcker 2 mit einem Laserstrahl 5 aktiviert. Dabei darf es nicht zu einem Aufschmelzen oder gar zu einem Verdampfen an der Oberfläche, etwa der Zinkschicht, kommen. In der Walzfügestufe wird das Höckerblech 1 mit dem dickeren Flachblech 3 aus Aluminium zusammengepreßt, während der Laserstrahl 5 in den sich schließenden Fügespalt eingebracht wird. Gleichzeitig wird auch die Oberfläche des Flachbleches 3 an den Verbindungsstellen durch den Laserstrahl 5 aktiviert. Als Laser können Gaslaser oder Festkörperlaser, wegen der hohen Leistungsstärke insbesondere Diodenlaser, eingesetzt. Als Preßwerkzeuge dienen eine auf das Flachblech 3 einwirkende ebene Stützplatte 4 (Fig. 2) oder eine Stützrolle 4* mit zylindrischer Mantelfläche (Fig. 3), auf der das Flachblech 3 ruht, und auf das Höckerblech 1 einwirkende und in die Höcker 2 eintauchende, profilierte Drückrollen 6 oder eine abrollende profilierte Preßfläche. Beim Zusammenpressen der beiden Bleche 1, 3 wird die von Rillen und Rippen gebildete Profilierung der Drückrolle 5 auf die Stirnseite der Höcker 2 und von hier auf die Fügeseite des Flachbleches 3 aus Aluminium übertragen, wobei eine plastische Verformung des Flachbleches 3 von höchstens 40% und mindestens 20% stattfindet. Die besondere Profilierung der Drückrollen 6 in Form von Rillen und Rippen verhindert einen unerwünschten seitlichen Materialfluß des Aluminiums in der Blechebene. Bei diesem Zusammenpressen unter Druck ergibt sich sowohl eine stoffschlüssige als auch formschlüssige dauerhafte Verbindung.

Claims (17)

1. Leichtbauplatte aus Stahl in Form einer Höckerplatte aus einem formgepreßten Höckerblech (1) und einem damit an den Höckerstirnflächen stoffschlüssig verbundenen Flachblech (3), dadurch gekennzeichnet, daß das Flachblech (3) aus Aluminium und das Höckerblech (1) aus Stahl bestehen und die stoffschlüssige Verbindung eine unter Wärmeeinwirkung ohne Schmelzphase hergestellte metallische Verbindung ist mit einer Schub- und Scherfestigkeit von mehr als 15 N/mm².

2. Leichtbauplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Höckerblech (1) aus Stahl zumindest an seiner Verbindungsseite verzinkt ist.

3. Leichtbauplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zusätzlich formschlüssig ist.

4. Leichtbauplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formschluß der Verbindung von in Eingriff stehenden parallelen Rillen und Rippen des Flach-(3) und Höckerbleches (1) an den Höckerstirnflächen gebildet wird.

5. Leichtbauplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höcker (2) einen trapezförmigen Querschnitt haben.

6. Leichtbauplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Höcker (2) länger als breit sind.

7. Leichtbauplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum zwischen den Blechen (1, 3) mit formstabilem Füllmaterial ausgefüllt ist.

8. Leichtbauplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Blechdicken von Stahl und Aluminium gilt d_St = ¹/₄ bis 1 d_Al.

9. Leichtbauplatte nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Blechdicken gilt d_St = ¹/₃ bis ^1,3/₃ d_Al.

10. Leichtbauplatte nach einem der Ansprüch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Abstände (a) der Höcker (2) in halber Höhe gilt 8 h ≦ a ≦ 12 h mit h = Hohlraumhöhe.

11. Leichtbauplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Summe der verbundenen Höckerstirnflächen zur Gesamtfläche der Leichtbauplatte 0,06 bis 0,13 beträgt.

12. Leichtbauplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand l_x,y der Höckermitten in Richtung der x- bzw. y-Achse l_x,y ≦ 45 . d_Al + D_x,y, insbesondere mit 30 . d_Al + D_x,y ≦ l_x,y beträgt mit d_Al = Materialdicke des Flachbleches (3) und D_x,y = Länge bzw. Breite der Höckerstirnfläche in Richtung der x- bzw. y-Achse.

13. Verfahren zum Herstellen einer Leichtbauplatte in Form einer Höckerplatte aus einem formgepreßten Höckerblech und einem damit stoffschlüssig verbundenen Flachblech, dadurch gekennzeich­ net, daß das aus Stahl bestehende Höckerblech und das aus Aluminium bestehende Flachblech örtlich begrenzt auf den an den Höckerstirnflächen zu verbindenden Oberflächenbereich durch Erwärmen mit Laserstrahlung aktiviert wird, aber nicht aufgeschmolzen wird, und beide Bleche durch Druck metallisch miteinander verbunden werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verbinden das Flachblech aus Aluminium plastisch verformt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verbinden der Höckerstirnflächen mit dem Flachblech aus Aluminium unter Druck in die Höckerstirnflächen Rippen und Rillen eingeprägt werden, die sich dabei in das Flachblech eindrücken und es dabei plastisch verformen.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 15 unter Verwendung eines an der Verbindungsseite verzinkten Stahlbleches.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmelieferant ein Diodenlaser verwendet wird.