WO2021197542A1 - Verfahren zur herstellung eines stahl-fahrzeugrades und entsprechend hergestelltes stahl-fahrzeugrad - Google Patents

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Marco Queller
Felix Schürmann
Achim Bandorski
Burkhard Tetzlaff
Erwin Blumensaat
Chris Schmidtke
Peter Ohse
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Thyssenkrupp Steel Europe Ag
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    • C21D9/34—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tyres; for rims

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a steel vehicle wheel, the method comprising the following steps: providing a first component made of steel, which corresponds to a wheel rim, and a second component made of steel, which corresponds to a wheel disc; - Thermal, cohesive joining of the first and the second component to produce an assembled steel vehicle wheel.
  • the invention also relates to a steel vehicle wheel comprising a wheel rim with a wheel disk that is thermally and cohesively joined to the wheel rim.
  • gas-shielded metal (MIG / MAG) welding is predominantly used for the thermally cohesive connection between a wheel disc and a wheel rim to produce a vehicle wheel. Due to the process, the welding speed is usually limited to less than 1.5 m / min. For example, the fatigue strength may be limited due to a strong notch effect.
  • the notch effect is not only due to the geometry of the joining zone in the transition between the wheel disk / wheel rim and the joint seam (geometric notch effect), but can also have a negative effect in the form of an influence on the structure due to the thermal effect of the joining process (metallurgical notch effect).
  • connection seam is of subordinate importance as “securing the position", since the operational stress is borne by the frictional connection between the wheel disc and the wheel rim (drop center rim, drop center wheel).
  • Fillet welds at overlap joints are unfavorable for components with fatigue stress due to the notches that appear (metallurgical and geometrical), but can hardly be avoided with conventionally manufactured steel vehicle wheels with this welding process.
  • Conventionally weldable steels with a maximum tensile strength of 700 MPa with good formability are used as base materials for wheel rims and wheel disks.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method for producing a steel vehicle wheel, with which the aforementioned disadvantages and problems can be essentially avoided or at least substantially reduced, and to provide a corresponding steel vehicle wheel.
  • This object is achieved by a method with the features of claim 1.
  • This object is achieved by a steel vehicle wheel with the features of claim 7.
  • a laser-MSG flybridge method is used for thermal, material-locking joining.
  • the joint between the wheel rim and the wheel disk is therefore a laser-MSG-Flybrid joint.
  • the inventors have found that by using a laser MSG flybridge method for the thermal, cohesive joining of a wheel rim and a wheel disc to produce a steel vehicle wheel with a laser MSG hybrid joining connection between the wheel rim and the wheel disc, a steel vehicle wheel a high load-bearing capacity under operating loads, high connection stiffness and a reduced geometric notch in combination with a low expansion of the joint connection and heat-affected zone, so that the structural influence and the resulting metallurgical notch can be reduced.
  • the laser-MSG hybrid process combines a laser welding process with a MSG (metal shielding gas) welding process. This advantageously combines the advantages of the two individual methods.
  • a laser arrangement can be guided in the joining direction before or after an MSG arrangement.
  • the material of the component (s) with a small spot diameter is melted by means of a laser beam. Due to the high energy density, the laser beam can penetrate deeply into the material of the component (s), melt it and connect it.
  • filler material is introduced and the weld pool is enlarged due to the divergence of the arc.
  • the filler material compensates for the cross-section reduction resulting from the air gap between the components to be connected as well as the shrinkage stresses and creates a secure flank connection.
  • a laser-MSG hybrid joint connection resulting from this can have a high welding depth with high seam quality.
  • the parameters for the laser welding process and the MSG welding process can be set individually and / or independently of one another. In this way, the shape and depth of the joint seam / connection can be adapted to the component conditions in order, for example, to achieve optimal seam quality.
  • a fiber laser for example a Yb, Nd: YAG or Yb: YAG laser, can be used as the laser.
  • a gas laser for example a CO 2 laser, is also conceivable.
  • the joining speed is between 1 and 5 m / min.
  • the joining speed can in particular be increased to at least 1.3 m / min, preferably to at least 1.6 m / min, preferably to at least 1.8 m / min.
  • the power of the laser is between 3 and 10 kW.
  • the laser power can in particular be increased to at least 3.5 kW, preferably to at least 4 kW.
  • the laser spot diameter can be selected between 100 and 1500 pm.
  • the focus position of the laser can be selected between -5 and +5 mm in relation to the surface of the component.
  • the focal length of the laser welding optics can be selected between 50 and 500 mm.
  • the collimation of the laser welding optics can be selected between 50 and 500 mm.
  • the angle of the laser to the surface of the component and at right angles to the joining direction can be selected between - 45 and + 45 °. 0 ° corresponds to a perpendicular or right-angled alignment to the surface of the workpiece / component.
  • the angle of the laser to the surface of the component transversely to the joining direction can be between -45 and -2 ° or +2 and + 45 °.
  • At right angles to the joining direction means that the alignment is to be considered at right angles to the joining direction.
  • the angle of the laser (laser axis or the axis of the laser beam) to the surface of the component and in the joining direction between -25 and + 25 ° can be selected.
  • 0 ° corresponds to a perpendicular or right-angled alignment to the surface of the component.
  • the distance between the center point (laser axis) of the spot diameter and the center point (tip) of the filler metal can be selected between 0.5 and 10 mm, in particular between 1 and 5 mm.
  • both methods (laser / MSG) or their arrangements can be spatially and temporally arranged in such a way that they do not act in a common weld pool.
  • the speed of the filler material can be selected between 3 and 28 m / min, in particular between 8 and 25 m / min.
  • the thickness of the filler metal can be selected between 0.8 and 1.6 mm.
  • the welding current of the MSG process can be selected between 100 and 400 A, in particular between 120 and 380 A.
  • the welding voltage of the MSG process can be selected between 15 and 35 V, in particular between 18 and 32 V.
  • an iron-based or copper-based filler material can be used for the MSG welding method.
  • a filler material with a yield point is used which essentially corresponds to the yield point of the component with the lower yield point.
  • the second component and / or first component can consist of steel material with the following chemical composition in% by weight:
  • the steel material has been austenitized and hardened before being made available.
  • the steel material can be austenitized and hardened in the course of direct or indirect hot forming.
  • Direct hot forming is based on an essentially flat sheet metal blank (steel material), which is hot formed and hardened, in particular press hardened.
  • Indirect hot forming is based on a preform (steel material) which has been cold preformed from a sheet metal blank, which is postformed in the warm state and / or calibrated to final dimensions and hardened, in particular press hardened.
  • the steel material is in particular heated or austenitized to a temperature of at least Ac3, preferably heated to a temperature which is higher than Ac3, so that a complete and global conversion into austenite can be ensured. That (Press) hardening takes place in at least one (press) hardening tool, which in particular is actively cooled and provides corresponding (critical) cooling speeds in order to set the conversion of austenite into a hard structure comprising essentially martensite and / or bainite in the second component to be able to. Parameters such as Acl, Ac3, (critical) cooling rates etc. depend on the composition of the steel material used and can be derived from so-called ZTU or ZTA diagrams.
  • the first and / or second component which is preferably hardened, can have a structure made of martensite with at least 50%, in particular at least 60%, preferably at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least 90%, with others or remaining Structural components in the form of bainite, austenite, retained austenite, cementite, pearlite and / or ferrite can be present.
  • the remaining non-martensitic structural component consists for the most part of bainite, it being possible for pearlite and / or ferrite to be present with up to 10%, preferably with up to 5%.
  • the structure preferably consists of 100% martensite, whereby the highest possible hardness, in particular in connection with the corresponding alloying elements used, can be provided.
  • the structure can optionally have up to a maximum of 2% production-related, unavoidable structural components such as cementite and / or other precipitates such as carbides, nitrides and / or oxides and their mixed forms.
  • the invention relates to a steel vehicle wheel comprising a wheel rim with a wheel disc that is thermally and cohesively connected to the wheel rim.
  • the joint between the wheel rim and the wheel disk is a laser-MSG hybrid joint.
  • the structure carrying the tire flanks and producing the tightness cannot be formed by the wheel rim, but is created by welding the wheel disc to the wheel rim, particularly preferred in so-called full-face steel vehicle wheels.
  • Depth means the alignment of the joint seam in its longest extent in cross section from the top layer to the root or corresponds to the seam thickness
  • width means the alignment of the joint seam in its longest extent essentially at right angles to the depth in cross section or seam width , whereby the heat affected zone is not taken into account in this view.
  • the expression “essentially” can be understood to mean deviations between +/- 20%, in particular between +/- 10%, preferably between +/- 5, which means at right angles and 90 ° that the maximum range is from 72 ° to 108 ° is to be understood as essentially rectangular.
  • the wheel rim can have a flange for joining to the wheel disc, which defines an extension or width which corresponds to a radius with which the flange is smaller than or equal to the remaining part the wheel rim is bent.
  • the extension or width can be understood as the length between the front edge of the flange and the transition into the radius. The extension can also be 0, so that there is then no classic flange but only the transition or part of the transition of the curved area of the wheel rim.
  • the area of the front edge of the flange or the curved sub-area of the wheel rim can also be covered by the joining seam, either part of the front edge (in certain areas) or the front edge is completely covered by the joining seam.
  • the second component or the wheel disc can have a thickness of 3 to 6 mm.
  • the steel vehicle wheel is preferably intended for use on passenger vehicles.
  • the second component or the wheel disc can have a thickness of 4 to 10 mm.
  • the steel vehicle wheel is preferably intended for use on trucks or utility vehicles.
  • FIG. 3 shows a part of a steel vehicle wheel in cross section according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a part of a steel vehicle wheel in cross section according to a third embodiment of the invention.
  • Figures 1 and 2 show a comparison of a steel vehicle wheel joined by means of MSG welding process, Figure 1, and a steel vehicle wheel according to the invention joined by means of laser MSG hybrid process (3), Figure 2.
  • a first component (1 ) made of steel and a second component (2) made of steel which corresponded to a wheel rim (1) and a wheel disc (2), an assembled steel vehicle wheel being produced by means of different thermal, cohesive joining of the first and second components.
  • the joint connection in FIG. 1 is an MSG joint connection and that in FIG. 2 is a laser-MSG hybrid joint connection (4), which were each formed in the flanged joint.
  • the embodiments shown in this case relate to a full-face steel vehicle wheel.
  • the first component (1) was made from one Steel material of quality S420MC formed, for example by means of profiling and / or pressure rolling.
  • the wheel rim (1) has a flange (1.1) for joining to the wheel disc (2), which defines an extension (bl) which is less than or equal to the radius (rl) with which the flange (1.1) is separated from the rest of the part the wheel rim (1) is bent over.
  • the flange (1.1) had a thickness of 1.8 mm.
  • the second component (2) was each formed from a manganese-boron steel material of the quality 22MnB5, which was preferably austenitized and hardened. The thickness of the second component (2) was 4.35 mm.
  • the MSG welding process was carried out as MAG welding on a welding system from SKS Welding, with a filler material, which is available under the trade name Union K 56, in wire form with a diameter of 1 mm and a wire feed rate of 9 m / min, with a protective gas of 90% argon and 10% carbon dioxide and a gas throughput of approx. 13 l / min.
  • the welding current and voltage were 180 A and 25 V.
  • the joining speed was approx. 0.7 m / min, with high heat input. As can be seen from FIG. 1, it was not possible to produce a flawless joint seam.
  • the illustration in FIG. 2 is different.
  • a system comprising a laser arrangement with a fiber laser with the trade name "YLS-10000" from IPG, which was operated with the following parameters: Ytterbium laser with a wavelength of 1070 nm, power of 4, 5 kW, focus position of +/- 0 mm, fiber diameter 400 pm, spot diameter 600 pm, collimation 200 mm, focal length 300 mm, joining speed 2 m / min, angle (a) across the joining direction + 5 °, angle in joining direction 0 °, Distance between the center (laser axis) of the spot diameter and the center (tip) of the filler material 3 mm, whereby the laser was guided leading in the joining direction; and downstream MAG welding arrangement with the trade name "TransPuls Synergie 5000 CMT" from Fronius, which was operated with the following parameters: Filler material Union K 56 in wire form with a diameter of 1 mm and a wire feed rate of approx. 22 m / min, shielding gas 82% Argon and 18% carbon dioxide with a gas
  • the joint seam (5) preferably encompasses the front edge (1.2) of the flange (1.1) or the front edge of the curved sub-area of the wheel rim (1) in certain areas or completely, see FIGS. 3 and 4.
  • additional weight can be saved by adapting the extension (bl) of the flange (1.1) of the wheel rim (1), which on the one hand benefits the rotating mass and the geometric notch.
  • the features described can all be combined with one another as far as technically possible.
  • the design of the steel vehicle wheel is not limited to the full-face design (joining seam in the full flow of force), but can also be advantageously transferred to steel vehicle wheels with a drop center (additional force / form fit) and others. This applies to steel vehicle wheels for passenger cars as well as for trucks or utility vehicles.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stahl-Fahrzeugrads (3), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen eines ersten Bauteils, welches einer Felge (1) entspricht, und eines zweiten Bauteils, welches einer Radschüssel (2) entspricht; - Thermisches, stoffschlüssiges Fügen des ersten und des zweiten Bauteils um ein zusammengebautes Stahl-Fahrzeugrad (3) zu erzeugen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Stahl-Fahrzeugrad (3) umfassend eine Radfelge (1) mit einer an die Radfelge (1) thermisch, stoffschlüssig gefügten Radschüssel (2).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Stahl-Fahrzeugrades und entsprechend hergestelltes Stahl-Fahrzeugrad
Technisches Gebiet (Technical Field)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stahl-Fahrzeugrads, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen eines ersten Bauteils aus Stahl, welches einer Radfelge entspricht, und eines zweiten Bauteils aus Stahl, welches einer Radschüssel entspricht; - Thermisches, stoffschlüssiges Fügen des ersten und des zweiten Bauteils um ein zusammengebautes Stahl-Fahrzeugrad zu erzeugen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Stahl-Fahrzeugrad umfassend eine Radfelge mit einer an die Radfelge thermisch, stoffschlüssig gefügten Radschüssel.
Technischer Hintergrund (Background Art)
Bei der Herstellung von Stahlrädern für Kraftfahrzeuge kommt bei der thermisch stoffschlüssigen Verbindung zwischen einer Radschüssel und einer Radfelge zur Erzeugung eines Fahrzeugrads überwiegend das Metall-Schutzgas (MSG)-Schweißen zur Anwendung. Dabei ist die Schweißgeschwindigkeit prozessbedingt in der Regel auf unter 1,5 m/min beschränkt. Beispielsweise kann die Ermüdungsfestigkeit aufgrund einer starken Kerbwirkung eingeschränkt sein. Die Kerbwirkung liegt nicht nur in der Geometrie der Fügezone im Übergang zwischen Radschüssel/Radfelge zur Fügenaht begründet (geometrische Kerbwirkung), sondern kann sich auch negativ in Form einer Gefügebeeinflussung durch die Wärmewirkung des Fügeprozesses auswirken (metallurgische Kerbwirkung). Beim MSG- Schweißverfahren brennt ein Lichtbogen zwischen einer abschmelzenden Drahtelektrode und dem/der zu fügenden Bauteil(e). Die Menge des verwendeten Zusatzwerkstoffs (Drahtelektrode), ausgedrückt durch die Abschmelzleistung, ist prozessbedingt direkt gekoppelt mit der eingebrachten Energiemenge. Es werden Drahtelektroden für niedriglegierte Stähle nach DIN EN ISO 14341 und Schutzgase nach DIN EN ISO 14175 eingesetzt. Die Wärmeeinbringung beim MSG-Schweißen von konventionellen Stahl-Fahrzeugrädern ist aufgrund der langsamen Schweißgeschwindigkeit sehr hoch. Die Verbindung zwischen Radschüssel und Radfelge erfolgt konventionell als Kehlnaht am Überlappstoß zwischen Radfelge und Radschüssel. Hierbei kommt der Verbindungsnaht eine untergeordnete Bedeutung als „Lagesicherung" zu, da die Betriebsbeanspruchung über den Kraftschluss zwischen Radschüssel in die Radfelge ertragen wird (Tiefbettfelge, Drop Center Wheel). Kehlnähte an Überlappstößen sind für Bauteile mit Ermüdungsbeanspruchung aufgrund der sich einstellenden Kerben (metallurgisch und geometrisch) ungünstig, aber bei konventionell hergestellten Stahl-Fahrzeugrädern mit diesem Schweißverfahren kaum zu vermeiden. Als Grundwerkstoffe werden konventionell für Radfelge und Radschüssel schweißgeeignete Stähle bis zu einer Zugfestigkeit von maximal 700 MPa mit guter Umformeignung eingesetzt. Höher oder höchstfeste Stähle weisen zwar ein hohes Potential zur Performanceverbesserung auf, finden aber aufgrund ihrer im Vergleich zu normalfesten Stählen eingeschränkten Umform- und Fügeeignung sowie der vergleichsweise geringen Belastbarkeit bei Ermüdungsbeanspruchung bisher keine Anwendung, so dass das Potential von höchstfesten Stählen wie zum Beispiel von Mangan-Bor-Stählen bisher nicht sinnvoll genutzt werden kann, insbesondere wenn die Fügezone mittels MSG-Verfahren geschweißt wird und hohen Ermüdungsbeanspruchungen ausgesetzt ist. Auch bei normalfesten Stählen ist die Fügezone häufig der Bereich, in dem bei Ermüdungsbeanspruchung ein Versagen erfolgt. In der Offenlegungsschrift DE 11 2004 000 312 T5 ist beispielhaft ein Verfahren zur Herstellung eines Stahl-Fahrzeugrades mittels MSG-Verfahren beschrieben.
Bei der Herstellung von Stahl-Fahrzeugrädern wurde zumindest in Bezug auf die thermische Beanspruchung (metallurgische Kerbwirkung) bereits in der EP 1 184 202 Bl erkannt, dass mit einem MSG-Lötverfahren eine materialschonendere (Löt-)Verbindung zwischen Radfelge und Radschüssel erzeugt werden kann. Des Weiteren ist aus der EP 3 610 983 Al bekannt, anstelle eines MSG-Schweißverfahrens ein Laserschweißverfahren zur Reduzierung der Wärmeeinflusszone beim Fügen einer Radfelge mit einer Radschüssel bei der Herstellung von Stahl-Fahrzeugrädern zu bevorzugen.
Hinsichtlich des Standes der Technik besteht Optimierungsbedarf in der Herstellung von Stahl-Fahrzeugrädern umfassend eine Radfelge mit einer an der Radfelge thermisch, stoffschlüssig gefügten Radschüssel.
Zusammenfassung der Erfindung (Summary of Invention)
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Stahl- Fahrzeugrads bereitzustellen, mit welchem die vorgenannten Nachteile und Problemstellungen im Wesentlichen vermieden oder zumindest wesentlich reduziert werden können und ein entsprechendes Stahl-Fahrzeugrad anzugeben. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Stahl-Fahrzeugrad mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zum thermischen, stoffschlüssigen Fügen ein Laser- MSG-Flybridverfahren verwendet wird. Die Fügeverbindung zwischen Radfelge und Radschüssel ist somit eine Laser-MSG-Flybrid-Fügeverbindung.
Die Erfinder haben festgestellt, dass durch die Verwendung eines Laser-MSG- Flybridverfahrens zum thermischen, stoffschlüssigen Fügen einer Radfelge und einer Radschüssel zur Erzeugung eines Stahl-Fahrzeugrades mit einer Laser-MSG-Hybrid- Fügeverbindung zwischen Radfelge und Radschüssel, ein Stahl-Fahrzeugrad mit einer hohen Tragfähigkeit bei Betriebsbelastung, hohen Verbindungssteifigkeit sowie reduzierter geometrischer Kerbe in Kombination mit einer geringen Ausdehnung von Fügeverbindung und Wärmeeinflusszone hergestellt werden kann, so dass die Gefügebeeinflussung und die sich dadurch einstellende metallurgische Kerbe reduziert werden kann. Dies ergibt sich durch eine im Vergleich zum konventionellen MSG-Schweißen zur Erzeugung von Stahl- Fahrzeugrädern ein bis zu 5-fach höhere Fügegeschwindigkeit, was in einer Reduzierung der der Wärmeeinbringung und damit u. a. des Verzugs sowie der Eigenspannungen resultiert. Damit ergeben sich eine im Vergleich zum Laserstrahlschweißen verbesserte Spaltüberbrückbarkeit und damit eine Verringerung der Ansprüche an die Toleranz der Bauteile zum sicheren Einschweißen und damit die Möglichkeit des einseitigen Fügens bei Vollanschluss der Laser-MSG-Hybrid-Fügeverbindung. Das Laser-MSG-Hybridverfahren kombiniert ein Laserschweißverfahren mit einem MSG (Metallschutzgas)-Schweißverfahren. Dadurch werden in vorteilhafter Weise die Vorteile der beiden einzelnen Verfahren vereint.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Ein oder mehrere Merkmale aus den Ansprüchen, der Beschreibung wie auch der Zeichnung können mit einem oder mehreren anderen Merkmalen daraus zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung verknüpft werden. Es können auch ein oder mehrere Merkmale aus den unabhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere andere Merkmale verknüpft werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in Fügerichtung eine Laseranordnung vor oder nach einer MSG-Anordnung geführt werden. Bevorzugt wird die Laseranordnung vor der MSG-Anordnung geführt. Mittels Laserstrahl wird das Material des bzw. der Bauteile mit einem kleinen Spotdurchmesser aufgeschmolzen. Aufgrund der hohen Energiedichte kann der Laserstrahl tief in das Material des bzw. der Bauteile eindringen, aufschmelzen und verbinden. Beim MSG-Schweißprozess erfolgt die Einbringung von Zusatzwerkstoff sowie durch die Divergenz des Lichtbogens eine Vergrößerung des Schmelzbades. Der Zusatzwerkstoff kompensiert die sich durch den Luftspalt zwischen den zu verbindenden Bauteilen sowie Schrumpfspannungen ergebende Querschnittsminderung und bewirkt eine sichere Flankenanbindung. Eine daraus resultierende Laser-MSG-Hybrid- Fügeverbindung kann eine hohe Einschweißtiefe mit hoher Nahtgualität aufweisen.
Die Parameter für das Laserschweißverfahren und das MSG-Schweißverfahren können individuell und/oder unabhängig voneinander eingestellt werden. So können die Form und Tiefe der Fügenaht/-verbindung an die Bauteilgegebenheiten angepasst werden, um beispielsweise eine optimale Nahtgualität erzielen zu können.
Als Laser kann ein Faserlaser verwendet werden, beispielsweise ein Yb-, Nd:YAG- oder ein Yb:YAG-Laser. Denkbar ist auch die Verwendung eines Gaslaser, beispielsweise eines C02- Lasers.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Fügegeschwindigkeit zwischen 1 und 5 m/min. Um die Wärmeeinbringung zu reduzieren kann die Fügegeschwindigkeit insbesondere auf mindestens 1,3 m/min, vorzugsweise auf mindestens 1,6 m/min, bevorzugt auf mindestens 1,8 m/min erhöht werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Leistung des Lasers zwischen 3 und 10 kW. Um die Tiefe des Einschweißens zu erhöhen, kann die Laserleistung insbesondere auf mindestens 3,5 kW, vorzugsweise auf mindestens 4 kW erhöht werden.
Der Spotdurchmesser des Lasers kann zwischen 100 und 1500 pm gewählt werden.
Die Fokuslage des Lasers kann zwischen -5 und +5 mm bezogen auf die Oberfläche des Bauteils gewählt werden.
Die Brennweite der Laserschweißoptik kann zwischen 50 und 500 mm gewählt werden. Die Collimation der Laserschweißoptik kann zwischen 50 und 500 mm gewählt werden.
Der Winkel des Lasers zur Oberfläche des Bauteils und quer zur Fügerichtung kann zwischen - 45 und +45° gewählt werden. 0° entspricht einer senkrechten bzw. rechtwinkligen Ausrichtung zur Oberfläche des Werkstücks/Bauteils. Bei einer einseitigen und/oder beschränkten Zugänglichkeit kann der Winkel des Lasers zur Oberfläche des Bauteils quer zur Fügerichtung zwischen -45 und -2° oder +2 und +45° betragen. Quer zur Fügerichtung bedeutet, dass die Ausrichtung rechtwinklig zur Fügerichtung zu betrachten ist.
Zusätzlich oder alternativ kann der Winkel des Lasers (Laserachse bzw. die Achse des Laserstrahls) zur Oberfläche des Bauteils und in Fügerichtung zwischen -25 und +25° gewählt werden. 0° entspricht einer senkrechten bzw. rechtwinkligen Ausrichtung zur Oberfläche des Bauteils.
Der Abstand zwischen Mittelpunkt (Laserachse) des Spotdurchmessers und Mittelpunkt (Spitze) des Zusatzwerkstoffs kann zwischen 0,5 und 10 mm, insbesondere zwischen 1 und 5 mm gewählt werden. Beispielsweise können beide Verfahren (Laser/MSG) respektive ihre Anordnungen räumlich und zeitlich derart angeordnet sein, dass sie nicht in einem gemeinsamen Schmelzbad wirken.
Die Geschwindigkeit des Zusatzwerkstoffs kann zwischen 3 und 28 m/min, insbesondere zwischen 8 und 25 m/min gewählt werden.
Die Dicke des Zusatzwerkstoffes kann zwischen 0,8 und 1,6 mm gewählt werden.
Der Schweißstrom des MSG-Prozesses kann zwischen 100 und 400 A, insbesondere zwischen 120 und 380 A gewählt werden.
Die Schweißspannung des MSG-Prozesses kann zwischen 15 und 35 V, insbesondere zwischen 18 und 32 V gewählt werden.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Zusatzwerkstoff für das MSG-Schweißverfahren auf Eisenbasis oder Kupferbasis verwendet werden. Vorzugsweise wird ein Zusatzwerkstoff mit einer Streckgrenze verwendet, welche im Wesentlichen der Streckgrenze des Bauteils mit der niedrigeren Streckgrenze entspricht.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das zweite Bauteil und/oder erste Bauteil aus Stahlmaterial mit folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.-% bestehen:
C = 0,05 bis 0,5, insbesondere C = 0,15 bis 0,45, Mn = 0,3 bis 3,0, Si = 0,05 bis 1,7, P bis 0,1, S bis 0,1, N bis 0,1, sowie optional eines oder mehrerer Legierungselemente aus der Gruppe (AI, Ti, V, Nb, B, Cr, Mo, Cu, Ni, Ca):
AI bis 1,0,
Ti bis 0,2,
V bis 0,5,
Nb bis 0,5,
B bis 0,01,
Cr bis 1,0,
Mo bis 1,0,
Cu bis 1,0,
Ni bis 1,0,
Ca bis 0,1,
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen. Insbesondere ist das Stahlmaterial vor der Bereitstellung austenitisiert und gehärtet worden. Das Stahlmaterial kann im Zuge einer direkten oder indirekten Warmumformung austenitisiert und gehärtet werden. Eine direkte Warmumformung geht von einem im Wesentlichen ebenen Blechzuschnitt (Stahlmaterial) aus, welcher warmumgeformt und gehärtet, insbesondere pressgehärtet wird. Eine indirekte Warmumformung geht von einer Vorform (Stahlmaterial) aus, welche aus einem Blechzuschnitt kalt vorgeformt wurde, welches im warmen Zustand nachverformt und/oder auf Endmaß kalibriert und gehärtet, insbesondere pressgehärtet wird. Das Stahlmaterial, ob eben oder vorgeformt, wird insbesondere auf eine Temperatur von mindestens Ac3 erwärmt respektive austenitisiert, vorzugsweise auf eine Temperatur erwärmt, die höher ist als Ac3, so dass eine vollständige und globale Umwandlung in Austenit sichergestellt werden kann. Das (Press-)Härten erfolgt in mindestens einem (Press-) Härtewerkzeug, welches insbesondere aktiv gekühlt ist und entsprechende (kritische) Abkühlgeschwindigkeiten bereitstellt, um die Umwandlung von Austenit in ein hartes Gefüge umfassend im Wesentlichen Martensit und/oder Bainit in dem zweiten Bauteil einstellen zu können. Kenngrößen wie Acl, Ac3, (kritische) Abkühlgeschwindigkeiten etc. sind abhängig von der Zusammensetzung des verwendeten Stahlmaterials und lassen sich aus sogenannten ZTU- bzw. ZTA-Diagrammen ableiten.
Das erste und/oder zweite Bauteil, welches vorzugsweise gehärtet ist, kann ein Gefüge aus Martensit mit mindestens 50 %, insbesondere mindestens 60 %, vorzugsweise mindestens 70 %, bevorzugt mindestens 80 %, besonders bevorzugt mindestens 90 % aufweisen, wobei andere bzw. verbleibende Gefügebestandteile in Form von Bainit, Austenit, Restaustenit, Zementit, Perlit und/oder Ferrit vorhanden sein können. Insbesondere besteht der verbleibende nicht martensitische Gefügeanteil zum größten Teil aus Bainit, wobei vorzugsweise Perlit und/oder Ferrit mit bis zu 10 %, bevorzugt mit bis zu 5 % vorliegen können. Vorzugsweise besteht das Gefüge zu 100 % aus Martensit, wodurch die höchstmögliche Härte, insbesondere in Verbindung mit den entsprechend eingesetzten Legierungselementen, bereitgestellt werden kann. Das Gefüge kann optional bis maximal 2 % herstellungsbedingte, unvermeidbare Gefügebestandteile wie Zementit und/oder andere Ausscheidungen wie Carbide, Nitride und/oder Oxide sowie deren Mischformen aufweisen.
Alle Angaben zu Gehalten der in der vorliegenden Anmeldung angegebenen Legierungselemente sind auf das Gewicht bezogen, sofern nicht ausdrücklich anders erwähnt. Alle Gehalte sind daher als Angaben in Gew.-% zu verstehen. Die angegebenen Gefügebestandteile werden durch ein geeignetes Auswerteverfahren, z. B Auswertung licht- oder elektronenmikroskopischer Untersuchungen insbesondere an einem oder mehreren Schliffbildern bestimmt und sind daher als Flächenanteile in Flächen-% zu verstehen, sofern nicht ausdrücklich anders erwähnt. Eine Ausnahme hiervon bildet der Gefügebestandteil Austenit bzw. Restaustenit, welcher als Volumenanteil in Vol.-% angegeben wird, sofern nicht ausdrücklich anders erwähnt.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Stahl-Fahrzeugrad umfassend eine Radfelge mit einer an die Radfelge thermisch, stoffschlüssig verbundenen Radschüssel. Erfindungsgemäß ist die Fügeverbindung zwischen Radfelge und Radschüssel eine Laser- MSG-Hybrid-Fügeverbindung. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stahl-Fahrzeugrads sind die Radfelge und die Radschüssel im Bördelstoß miteinander gefügt und die Fügeverbindung umfasst eine Fügenaht, welche eine Tiefe (T) und eine Breite (B) mit einem Verhältnis von T/B >= 1 aufweist. Das Verhältnis T/B kann insbesondere >= 1.3, vorzugsweise >= 1.5, bevorzugt >= 1.7 betragen, um eine Fügeverbindung zwischen Radfelge und Radschüssel derart auszuführen, dass sich bei Betriebsbelastung eine möglichst hohe Tragfähigkeit ergibt. Beispielsweise kann anders als bei üblichen Konstruktionen die die Reifenflanken tragende und die Dichtigkeit herstellende Struktur nicht durch die Radfelge gebildet werden, sondern entsteht durch das Verschweißen der Radschüssel mit der Radfelge, besonders bevorzugt bei sogenannten Full-Face-Stahl-Fahrzeugrädern. Unter Tiefe ist die Ausrichtung der Fügenaht in seiner längsten Erstreckung im Querschnitt von der Decklage bis zur Wurzel gemeint bzw. entspricht der Nahtdicke, und unter Breite ist die Ausrichtung der Fügenaht in seiner längsten Erstreckung im Wesentlichen rechtwinklig zur Tiefe im Querschnitt bzw. Nahtbreite zu verstehen, wobei die Wärmeeinflusszone bei dieser Sichtweise nicht berücksichtigt wird. Unter dem Ausdruck „im Wesentlichen“ können Abweichungen zwischen +/- 20%, insbesondere zwischen +/- 10%, vorzugsweise zwischen +/- 5 verstanden werden, bedeutet bei rechtwinklig und 90°, dass der maximale Bereich von 72° bis 108° als im Wesentlichen rechtwinklig zu verstehen ist.
Um die geometrische Kerbwirkung zu reduzieren, kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stahl-Fahrzeugrads die Radfelge einen Flansch zum Fügen an die Radschüssel aufweisen, welcher eine Erstreckung oder Breite definiert, welche kleiner oder gleich einem Radius entspricht, mit welchem der Flansch vom restlichen Teil der Radfelge umgebogen ist. Insbesondere beträgt die Erstreckung oder Breite <= 0.8*Radius, vorzugsweise <= 0.6*Radius. Die Erstreckung oder Breite kann als Länge zwischen Stirnkante des Flansches und ansetzendem Übergang in den Radius verstanden werden. Die Erstreckung kann auch 0 betragen, so dass dann kein klassischer Flansch sondern nur der Übergang oder ein Teil des Übergangs des gebogenen Bereichs der Radfelge vorliegt. Besonders bevorzugt kann auch der Bereich der Stirnkante des Flansches oder des gebogenen Teilbereichs der Radfelge von der Fügenaht erfasst sein, entweder ein Teil von der Stirnkante (bereichsweise) oder die Stirnkante ist vollständig von der Fügenaht erfasst. Das zweite Bauteil respektive die Radschüssel kann eine Dicke von 3 bis 6 mm aufweisen. Bevorzugt ist das Stahl-Fahrzeugrad für den Einsatz an Personenkraftwagen vorgesehen.
Das zweite Bauteil respektive die Radschüssel kann eine Dicke von 4 bis 10 mm aufweisen. Bevorzugt ist das Stahl-Fahrzeugrad für den Einsatz an Lastkraftwagen oder Nutzfahrzeugen vorgesehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen (Brief Description of Drawings)
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 einen Teil eines Stahl-Fahrzeugrads im Querschnitt hergestellt mittels eines konventionellen Fügeverfahrens,
Fig. 2 einen Teil eines Stahl-Fahrzeugrads im Querschnitt gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Fig. 3 einen Teil eines Stahl-Fahrzeugrads im Querschnitt gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform und
Fig. 4 einen Teil eines Stahl-Fahrzeugrads im Querschnitt gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen (Best Mode for Carrying out the Invention)
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Gegenüberstellung eines mittels MSG-Schweißverfahren gefügten Stahl-Fahrzeugrads, Figur 1, und eines erfindungsgemäßen mittels Laser-MSG- Hybridverfahren gefügten Stahl-Fahrzeugrads (3), Figur 2. In beiden Fällen wurden ein erstes Bauteil (1) aus Stahl und ein zweites Bauteil (2) aus Stahl bereitgestellt, welche einer Radfelge (1) und einer Radschüssel (2) entsprachen, wobei mittels unterschiedlichem thermischen, stoffschlüssigem Fügen des ersten und des zweiten Bauteils jeweils ein zusammengebautes Stahl-Fahrzeugrad erzeugt wurde. Die Fügeverbindung in Figur 1 ist eine MSG- Fügeverbindung und die in Figur 2 eine Laser-MSG-Hybrid-Fügeverbindung (4), welche jeweils im Bördelstoß ausgebildet wurden. Die in diesem Fall gezeigten Ausführungsformen betreffen ein Full-Face-Stahl-Fahrzeugrad. Das erste Bauteil (1) wurde jeweils aus einem Stahlmaterial der Güte S420MC geformt, beispielsweise mittels Profilieren und/oder Drückwalzen. Die Radfelge (1) weist einen Flansch (1.1) zum Fügen an die Radschüssel (2) auf, welcher eine Erstreckung (bl) definiert, welche kleiner oder gleich dem Radius (rl) entspricht, mit welchem der Flansch (1.1) vom restlichen Teil der Radfelge (1) umgebogen ist. Der Flansch (1.1) hatte eine Dicke von 1,8 mm. Das zweite Bauteil (2) wurde jeweils aus einem Mangan-Bor-Stahlmaterial der Güte 22MnB5 geformt, welches vorzugsweise austenitisiert und gehärtet wurde. Die Dicke des zweiten Bauteils (2) betrug 4,35 mm.
Das MSG-Schweißverfahren wurde als MAG-Schweißen auf einer Schweiß-Anlage von SKS Welding durchgeführt, mit einem Zusatzwerkstoff, welcher unter der Handelsbezeichnung Union K 56 beziehbar ist, in Drahtform mit einem Durchmesser von 1 mm und einem Drahtvorschub mit 9 m/min, mit einem Schutzgas von 90% Argon und 10% Kohlenstoffdioxid und einem Gasdurchsatz von ca. 13 l/min. Der Schweißstrom und die Schweißspannung betrugen 180 A und 25 V. Die Fügegeschwindigkeit lag bei ca. 0,7 m/min, mit hoher Wärmeeinbringung. Wie aus der Figur 1 zu entnehmen ist, konnte keine fehlerfreie Fügenaht erzeugt werden. Anders ist die Darstellung in Figur 2. Gefügt wurde auf einer Anlage umfassend eine Laseranordnung mit einem Faserlaser mit der Handelsbezeichnung „YLS- 10000“ von IPG, welcher mit folgenden Parametern betrieben wurde: Ytterbium-Laser mit einer Wellenlänge von 1070nm, Leistung von 4,5 kW, Fokuslage von +/- 0 mm, Faserdurchmesser 400 pm, Spotdurchmesser 600 pm, Collimation 200 mm, Brennweite 300 mm, Fügegeschwindigkeit 2 m/min, Winkel (a) guer zur Fügerichtung +5°, Winkel in Fügerichtung 0°, Abstand zwischen Mittelpunkt (Laserachse) des Spotdurchmessers und Mittelpunkt (Spitze) des Zusatzwerkstoffs 3 mm, wobei der Laser vorlaufend in Fügerichtung geführt wurde; und nachgelagerte MAG-Schweißanordnung mit der Handelsbezeichnung „TransPuls Synergie 5000 CMT“ von Fronius, welche mit folgenden Parametern betrieben wurde: Zusatzwerkstoff Union K 56 in Drahtform mit einem Durchmesser von 1 mm und einem Drahtvorschub von ca. 22 m/min, Schutzgas 82% Argon und 18% Kohlenstoffdioxid mit einem Gasdurchsatz von ca. 25 l/min, Schweißstrom 356 A, Schweißspannung 24,8 V. Die Wärmeeinbringung war geringer im Vergleich zum reinen MSG-Schweißprozess.
In den Figuren 3 und 4 sind weitere Ausführungen gezeigt, wobei die gleichen Parameter, wie sie in Ausführung der Figur 2 verwendet wurden, zur Anwendung kamen, jedoch mit dem Unterschied, dass der abgestellte Flansch (1.1) der Radfelge (1) eine Erstreckung oder Breite (bl) definiert und einem Radius (rl) entspricht, mit welchem der Flansch (1.1) vom restlichen Teil der Radfelge (1) umgebogen worden ist, wobei bl <= rl, s. Figur 2, insbesondere bl <= 0.8*rl, s. Figur 3, vorzugsweise bl <= 0.6*rl, s. Figur 4, sein kann. Vorzugsweise erfasst die Fügenaht (5) die Stirnkante (1.2) des Flansches (1.1) oder die Stirnkante des gebogenen Teilbereichs der Radfelge (1) bereichsweise oder vollständig, vgl. Figuren 3 und 4. Die Tiefe (T) und die Breite (B) der Fügenaht (5) kann besonders belastbar ausgebildet werden, wobei das Verhältnis T/B >= 1, insbesondere >= 1.3, vorzugsweise >= 1.5, bevorzugt >= 1.7 betragen kann. Infolge der tiefen und gualitativ sehr robusten Ausbildung der Fügeverbindung (4) kann zusätzliches Gewicht durch Anpassung der Erstreckung (bl) des Flansches (1.1) der Radfelge (1) eingespart werden, was zum einen der rotierenden Masse sowie der geometrischen Kerbe zugutekommen.
Die beschriebenen Merkmale sind alle, soweit technisch möglich, miteinander kombinierbar. Die Ausführung des Stahl-Fahrzeugrads ist nicht auf die Full-Face-Bauweise beschränkt (Fügenaht im vollen Kraftfluss), sondern kann ebenfalls auf Stahl-Fahrzeugrad mit Tiefbett (zusätzlicher Kraft/Formschluss) und andere vorteilhaft übertragen werden. Dies betrifft sowohl Stahl-Fahrzeugräder für Personenkraftwagen als auch für Lastkraftwagen oder Nutzfahrzeuge.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Stahl-Fahrzeugrads (3), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Bereitstellen eines ersten Bauteils aus Stahl, welches einer Radfelge (1) entspricht, und eines zweiten Bauteils aus Stahl, welches einer Radschüssel (2) entspricht;
- Thermisches, stoffschlüssiges Fügen des ersten und des zweiten Bauteils um ein zusammengebautes Stahl-Fahrzeugrad (3) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass zum thermischen, stoffschlüssigen Fügen ein Laser-MSG-Hybridverfahren verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Fügerichtung eine Laseranordnung vor oder nach einer MSG-Anordnung geführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Fügegeschwindigkeit zwischen 1 und 5 m/min beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Leistung des Lasers zwischen 3 und 10 kW beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei ein Zusatzwerkstoff für das MSG-Schweißverfahren auf Eisenbasis oder Kupferbasis verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das zweite Bauteil und/oder das erste Bauteil aus einem Stahlmaterial mit folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.-% besteht:
C = 0,05 bis 0,5,
Mn = 0,3 bis 3,0,
Si = 0,05 bis 1,7,
P bis 0,1,
S bis 0,1,
N bis 0,1, sowie optional eines oder mehrerer Legierungselemente aus der Gruppe (AI, Ti, V, Nb, B, Cr, Mo, Cu, Ni, Ca): AI bis 1,0,
Ti bis 0,2,
V bis 0,5,
Nb bis 0,5,
B bis 0,01,
Cr bis 1,0,
Mo bis 1,0,
Cu bis 1,0,
Ni bis 1,0,
Ca bis 0,1,
Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen, wobei vor der Bereitstellung, das Stahlmaterial austenitisiert und gehärtet worden ist.
7. Stahl-Fahrzeugrad (3) umfassend eine Radfelge (1) mit einer an die Radfelge (1) thermisch, stoffschlüssig verbundenen Radschüssel (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung (4) zwischen Radfelge (1) und Radschüssel (2) eine Laser-MSG- Flybrid-Fügeverbindung ist.
8. Stahl-Fahrzeugrad nach Anspruch 7, wobei die Radfelge (1) und die Radschüssel (2) im Bördelstoß miteinander gefügt sind und die Fügeverbindung (4) eine Fügenaht (5) umfasst, welche eine Tiefe (T) und eine Breite (B) mit einem Verhältnis von T/B >= 1 aufweist.
9. Stahl-Fahrzeugrad nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Radfelge (1) einen Flansch (1.1) zum Fügen an die Radschüssel (2) aufweist, welcher eine Erstreckung (bl) definiert, welche kleiner oder gleich dem Radius (rl) entspricht, mit welchem der Flansch (1.1) vom restlichen Teil der Radfelge (1) umgebogen ist.
10. Stahl-Fahrzeugrad nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Fügenaht (5) die Stirnkante (1.2) des Flansches (1.1) oder die Stirnkante des gebogenen Teilbereichs der Radfelge (1) bereichsweise oder vollständig erfasst.
11. Stahl-Fahrzeugrad nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Radschüssel (2) eine Dicke von
3 bis 6 mm aufweist und als Stahl-Fahrzeugrad (3) für den Einsatz an einem Personenkraftwagen vorgesehen ist.
12. Stahl-Fahrzeugrad nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Radschüssel (2) eine Dicke von
4 bis 10 mm aufweist und als Stahl-Fahrzeugrad (3) für den Einsatz an einem Lastkraftwagen oder Nutzfahrzeug vorgesehen ist.
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