CN101717850B

CN101717850B - 一种超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺及装置

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Publication number: CN101717850B
Application number: CN2009102586986A
Authority: CN
Inventors: 李辉平; 贺连芳
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2029-12-14
Also published as: CN101717850A

Abstract

本发明提供了一种超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺和装置。该工艺是将要成形的超高强度钢板加热到钢材的奥氏体化温度，并在奥氏体化温度下保温至钢板中的组织完全转变为奥氏体，然后根据所要成形的零件的性能要求，对超高强度钢板不同要求区域利用不同的冷却方式进行热处理。该装置包括上下组成结构相对应的两部分，每一部分至少包括水雾冷却模块、冷却水铜模块、冷却水钢模块、铜模块、钢模块、气冷模块、空冷模块和保温退火模块中的一种模块，各模块紧密排列在一起。本发明可以使同一个成形板料的不同区域具有不同的机械性能，得到各处性能存在差异的拼合板料。

Description

一种超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺及装置

技术领域

本发明涉及高强度钢、先进高强度钢、超高强度钢等高强度冲压板料在冲压前的热处理工艺及装置，属于热处理和板料成形技术领域。

背景技术

随着钢材强度的提高，材料的延伸率和成形性能也大大降低，成形过程中容易产生破裂、起皱、尺寸难以控制和形状不良等问题，传统的冷冲压成形工艺已不能满足技术和生产发展的需要。为此，各国学者和各大汽车公司在优化汽车框架和结构的同时，把工作重点转向新材料新工艺的应用。目前，对于超高强度钢板的成形工艺有两种，一是热冲压及模内淬火技术，该技术是将可淬火硼钢板料在加热炉中被加热到奥氏体化温度(900～950℃)，并在奥氏体区保持5分钟，然后将板料转移到压力机，在冲压模具中同时进行冲压成形和淬火，使成形零件获得100％马氏体组织，该工艺可使板料发挥其最佳的性能，为汽车提供高质量的零部件；另一种是激光拼焊板技术，该技术是为了满足高强度板的成形及使用要求，根据成形件的特点，从不同强度和厚度的钢板上切割下坯料，然后利用激光焊接技术，将这些坯料焊接在一起，再用冷冲压模具进行成形，该工艺使制造商能够在提高碰撞性能和疲劳强度的同时降低汽车结构件的重量。

对于热冲压及模内淬火技术，需要许多专用设备：(1)能够夹持成形零件(温度200℃左右)的高速机械手和夹持器；(2)具备合模冲压并保压功能的压力机，压力机必须兼顾传通液压机和机械压力机的优点；(3)成形零件的切边和切孔工艺，由于零件强度非常高，目前主要采用一条线配备多台激光切割机的方法。该工艺投入资金很大，另外，热冲压零件只具有高强度，但不具有汽车安全部件要求的吸能性。

对于激光拼焊板技术也有其无法克服的缺陷。一是拼焊板存在焊缝，焊缝会影响材料的性能及冲压成形过程中零件的成形性能；二是拼接板材料性能过渡剧烈，由于是将不同强度或不同厚度的材料拼焊在一起，导致材料性能在拼接处发生突变；三是需要专用的焊接激光器和与其配套的光学装置，拼焊设备价格昂贵。

也有从材料本身的组分上改变超高强度的弯曲加工及耐候性的，如CN1297681C公开的《弯曲加工性优良的耐候性高强度钢板及其制造方法》，提供确保屈服强度为700MPa或以上的超高强度、同时能耐喷丸后等的弯曲加工且具备耐候性的钢板及其制造方法，该钢板以质量％计含有C：0.05～0.15％、Si：0.5％或以下、Mn：0.5～2.0％、P：0.02或以下、S：0.005％或以下、Ni：0.2～2.0％、Cu：0.2～0.5％、Cr：0.2～1.0％、且含有Ti：0.03～0.2％、Nb：0.01～0.07％、V：0.01～0.07％、B：0.0005～0.0050％之中的1种、2种或以上、余量为Fe以及不可避免的杂质。但这又增加了材料本身的制造难度。

发明内容

本发明针对现有超高强度钢板的成形工艺存在的不足(热冲压及模内淬火工艺存在的专用设备贵重、投资大、成形零件只有高强度没有吸能性等缺陷，以及激光拼焊技术存在的拼焊板的焊缝影响材料的性能及成形性能、拼接板材料性能过渡剧烈、需要专用的焊接激光器和与其配套的光学装置、拼焊设备价格昂贵等缺陷)，提供一种既能保证材料的高强度和吸能性、材料性能又不会过渡剧烈的超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺，该工艺能够使同一个成形板料的不同区域具有不同的机械性能，得到各处性能存在差异的热处理拼合板料。本发明同时提供一种实现该工艺的装置。

本发明的超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺是：

根据超高强度钢板所要成形的零件的形状和成形特点，将板料划分为变形和不变形区域，将要成形的超高强度钢板加热到钢材的奥氏体化温度(750~950℃)，并在奥氏体化温度下保温至钢板中的组织完全转变为奥氏体，然后根据零件的不同区域的成形性能要求，对超高强度钢板性能要求不同的区域利用不同的冷却方式进行热处理，对于需要变形的区域，采用较慢冷却速度进行热处理，而对于要求强度高、不变形的区域，采用较快冷却速度进行热处理，使同一个成形板料的不同区域具有不同的机械性能。然后再将板料利用冷冲压模具进行零件成形。

实现上述超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺的装置采用以下技术方案：

该装置包括上下组成结构相对应的两部分，每一部分至少包括水雾冷却模块、冷却水铜模块、冷却水钢模块、铜模块、钢模块、气冷模块、空冷模块和保温退火模块中的一种模块，各模块紧密排列在一起。

水雾冷却模块包括钢模板和喷头，在钢模板上设有冷却水通道，通道上安装有冷却水进口接头，在钢模板上安装有水雾喷头，各个喷头均与通道连通。水雾冷却模块中设置一个进水口和多个水雾喷头，进水口接头连接供水设备，水雾喷头向可淬火超高强度钢板(如硼钢板)喷水雾从而对板料进行快速冷却，达到局部热处理的目的。

气冷模块与水雾冷却模块的结构一样，包括钢模板和喷头，在钢模板上设有高压气体的通道，通道上安装有高压气体进口接头，在钢模板上安装有高压气体喷头，各个喷头均与通道连通。用于冷却的气体可以是高压空气或氮气、氩气、氦气等高压惰性气体，进气口接头与高压气源连接在一起，通过高压气体喷头将高压气体喷向可淬火超高强度冲压板料(如硼钢板)表面从而对可淬火板料进行冷却，达到局部热处理的目的。

冷却水钢模块包括钢模板，钢模板内设有冷却水道，冷却水道上设有进水口和出水口。

冷却水铜模块与冷却水钢模块的结构一样，包括铜模板，铜模板内设有冷却水道，冷却水道上设有进水口和出水口。

保温退火模块是在框架上设置有保温材料。通过该模块使超高强度冲压板料的局部达到保温下缓慢退火的热处理目的。

铜模块就是一个长方体铜块，根据要处理的区域的大小选择合适尺寸。

钢模块就是一个长方体钢块，根据要处理的区域的大小选择合适尺寸。

空冷模块就是使板材局部进行空冷，根据所处理区域的大小和位置设置，是一个虚的模块。如果空冷模块位于其他两个实体模块之间，通过连接件将两个实体模块连接一起，连接件与需要处理的板料之间保持30mm~50mm的适当间距。

上述各模块对加热到适当温度并保温后的板材的冷却速度由快到慢依次为水雾冷却模块、冷却水铜模块、冷却水钢模块、铜模块、钢模块、空冷模块和保温退火模块，气冷模块随着所通气源种类、压力、温度的不同，所得到的材料性能也不相同，所通气源的压力越大、温度越低，所得到的材料的强度和硬度越高，通过这些模块控制板材不同区域的冷却速度，达到板材不同区域具有不同机械性能的目的。

对于不同的超高强度钢板材料，通过上述不同的模块进行冷却热处理，得到的板料抗拉强度、硬度等性能可以通过实验得出，以得出的实验数据作为模块组合的依据，得到超高强度钢板冲压前所需的各处性能。

本发明使同一个成形板料的不同区域具有不同的机械性能，得到各处性能存在差异的拼合板料，然后再利用冷冲压模具进行零件成形，克服了热冲压零件只有高强度没有吸能性的缺点，板料不存在焊缝，材料的性能过渡均匀，而且设备简单、投资少。不仅可以降低了部件废品率，而且可以减少了外围加强件数量，简化了装配步骤及工艺，冲压成型率提高；同时由于成形零件具有高强度和吸能性，可使应用的车辆碰撞能力增强。

附图说明

图1是本发明中的水雾冷却模块或气冷模块的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是本发明中的冷却水铜模块和冷却水钢模块的结构示意图。

图4是图3的左视图。

图5是本发明中的保温退火模块的结构示意图。

图6是本发明中的空冷模块的示意图。

图7是一种U形弯曲件的示意图。

图8是对图7所示U形弯曲件成形板料进行局部热处理装置的示意图。

图9是一种帽形弯曲件的示意图。

图10是对图9所示帽形弯曲件成形板料进行局部热处理装置的示意图。

其中：1、钢模板，2、通道，3、丝堵，4、喷头，5、接头，6、进水口，7、出水口，8、铜模板或钢模板，9、冷却水道，10、连接水管，11、保温材料，12、框架，13、板材，14、连接块，15、直壁区域，16、圆角区域，17、底部，18、冷却水铜模块，19、保温退火模块，20、凸缘，21、气冷模块。

具体实施方式

本发明中的水雾冷却模块或气冷模块的结构如图1和图2所示，包括钢模板1和喷头4，在钢模板1上设有冷却水或高压气体的通道2，通道2的两端通过丝堵3封堵住。在钢模板1上安装有若干水雾或高压气体的喷头4，各个喷头4均与通道2连通，喷头4上设置有许多喷孔。通过冷却水进口或高压气体进口的接头5向冷却水道或高压气体的通道2内通入冷却水或高压气体，再通过水雾喷头或高压气体喷头4喷向超高强度冲压板料。

气冷模块设置中所用冷却气体可以是高压空气或氮气、氩气、氦气等高压惰性气体，进气口与高压气源连接在一起，通过高压气体喷头将高压气体喷向可淬火硼钢板表面从而对可淬火硼钢板进行冷却。

本发明中的冷却水铜模块和冷却水钢模块的结构如图3和图4所示，包括铜模板或钢模板8内设有冷却水道9，冷却水道9通过连接水管10连接。冷却水由进水口6进入冷却水道9，由出水口7排出冷却水道9。为了保证模块表面的温度尽可能均匀，在每个模块中设置多个进水口和多个出水口，进水口与供水设备连接在一起，出水口与冷却水回收设备连接在一起。

本发明中的保温退火模块的结构如图5所示，是在框架12上设置有保温材料11。

铜模块或钢模块就是一个长方体铜块或钢块，根据要处理的区域的大小选择合适尺寸。

图6给出了空冷模块的示意图。空冷模块就是使板材局部进行空冷，根据所处理区域的大小和位置设置，是一个虚的模块。将在进行空冷区域两侧的水雾冷却模块与保温退火模块通过连接块14连接在一起，水雾冷却模块与保温退火模块之间的空挡即为空冷模块。连接块14与板材13之间保持30mm~50mm的适当间距，以达到对板材进行空冷的目的。

上述水雾冷却模块、气冷模块、冷却水铜模块、冷却水钢模块、保温退火模块、铜模块、钢模块和空冷模块可以根据具体工艺通过连接块任意组合连接在一起，成为热处理装置。

将可淬火硼钢板加热到900℃，并保温至完全奥氏体化后，利用上述不同的模块进行冷却热处理，得到的板料性能如下：用水雾冷却模块进行热处理后材料的抗拉强度1550~1750MPa，洛氏硬度43~48HRC；用冷却水铜模块进行热处理后材料的抗拉强度1400~1500MPa，洛氏硬度41~45HRC；用冷却水钢模块进行热处理后材料的抗拉强度1350~1400MPa，洛氏硬度39~41HRC；用铜模块进行热处理后材料的抗拉强度1200~1350MPa，洛氏硬度33~38HRC；用钢模块进行热处理后材料的抗拉强度900~1250MPa，洛氏硬度30~35HRC；用气冷模块进行热处理后材料的抗拉强度600~1350MPa，洛氏硬度25~40HRC；用空冷模块进行热处理后材料的抗拉强度400~600MPa；用保温退火模块进行热处理后材料的抗拉强度250~400MPa。

对于其它材料的超高强度钢板，通过不同的模块进行冷却热处理后得到的板料抗拉强度、硬度等性能可以通过实验得出，可依据得到的数据进行模块组合。

对于图7所示的U形弯曲件，根据其成形特点，可将板材坯料划分为五个区域：两个直壁区域15、底部17和两个圆角区域16，由于零件在成形过程中，只是圆角部分发生塑性变形，而其它部分没有产生塑性变形，为了保证零件的高强度和成形性，在通过局部热处理工艺拼合其成形坯料时，对两个直壁区域15和底部17使用冷却水铜模块进行冷却，对于两个圆角区域16，采用保温退火模块。

对图7所示U形弯曲件成形板料进行局部热处理的装置如图8所示。该装置有上下两部分组成，上下两部分结构组成是相同的，上下两部分均有三块冷却水铜模块18和两块保温退火模块19组成，将加热并完全奥氏体化后的超高强度钢板材13夹在图8所示局部热处理装置的上、下两部分。用图8所示的装置对钢板进行局部热处理后，两个直壁区域15和底部17的板材坯料部分强度高、塑性差，这些区域的材料在成形时不产生变形。两个圆角区域16处材料的强度低、塑性好，可以非常容易地利用U形弯曲件弯曲成形模具进行成形。通过局部热处理拼合工艺处理的U形弯曲件成形坯料具有成形容易，对模具和成形设备没有特殊要求等优点，而且成形后的U形弯曲件强度极高，直壁和底部的抗拉强度可达1400~1600MPa。

对于图9所示的帽形弯曲件，根据其成形特点，可将坯料划分为九个区域：两个直壁区域15、底部17、四个圆角区域16和两个凸缘20，由于零件在成形过程中，只是四个圆角区域16发生塑性变形，而其它部分没有产生塑性变形，为了保证零件的高强度、成形性和碰撞吸能性，在通过本发明的局部热处理工艺拼合其成形板材坯料时，对两个凸缘20和底部17使用冷却水铜模块进行冷却，对于四个圆角区域16采用保温退火模块，对于两个直壁区域15采用以3~4MPa室温压缩空气为冷却介质的气冷模块。

图10给出了图9所示的帽形弯曲件成形坯料的局部热处理的装置。该装置有上下两部分组成，上下两部分的组成结构是相同的，上下两部分均有三块冷却水铜模块18、四块保温退火模块19和两块空冷模块21组成，板材坯料加热并完全奥氏体化后的超高强度钢板13夹在上下两部分之间。用图10所示的装置对钢板进行局部热处理拼合后，两个凸缘20和底部17的坯料强度高、塑性差，这些区域的材料在成形时不产生变形。四个圆角区域16处材料的强度低、塑性好，可以非常容易地利用帽形件弯曲成形模具进行成形。两个直壁区域15具有适中的强度，较好塑性，遇到较大力时可以发生变形，产生吸能效果。通过局部热处理拼合工艺处理的帽形件成形坯料具有成形容易，对模具和成形设备没有特殊要求等优点，而且成形后强度极高、吸能性好，凸缘和底部的抗拉强度可达1400~1500MPa，直壁的抗拉强度可达600~700MPa，屈服强度可达500~550MPa。

Claims

1.一种超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺，其特征是：

根据超高强度钢板所要成形的零件的形状和成形特点，将板料划分为变形和不变形区域，将要成形的超高强度钢板加热到钢材的奥氏体化温度，并在奥氏体化温度下保温至钢板中的组织完全转变为奥氏体，然后根据零件的不同区域的成形性能要求，对超高强度钢板性能要求不同的区域利用不同的冷却方式进行热处理，对于需要变形的区域，采用较慢冷却速度进行热处理，而对于要求强度高、不变形的区域，采用较快冷却速度进行热处理，使同一个成形板料的不同区域具有不同的机械性能。

2.一种实现权利要求1所述超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺的装置，其特征是：

该装置包括上下组成结构相对应的两部分，每一部分至少包括水雾冷却模块、冷却水铜模块、冷却水钢模块、铜模块、钢模块、气冷模块、空冷模块和保温退火模块中的两种模块，各模块紧密排列在一起。

3.根据权利要求2所述的实现权利要求1所述超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺的装置，其特征是：所述水雾冷却模块包括钢模板和喷头，在钢模板上设有冷却水通道，通道上安装有冷却水进口接头，在钢模板上安装有水雾喷头，各个喷头均与通道连通。

4.根据权利要求2所述的实现权利要求1所述超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺的装置，其特征是：所述气冷模块包括钢模板和喷头，在钢模板上设有高压气体的通道，通道上安装有高压气体进口接头，在钢模板上安装有高压气体喷头，各个喷头均与通道连通。

5.根据权利要求2所述的实现权利要求1所述超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺的装置，其特征是：所述冷却水钢模块包括钢模板，钢模板内设有冷却水道，冷却水道上设有进水口和出水口。

6.根据权利要求2所述的实现权利要求1所述超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺的装置，其特征是：所述冷却水铜模块包括铜模板，铜模板内设有冷却水道，冷却水道上设有进水口和出水口。

7.根据权利要求2所述的实现权利要求1所述超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺的装置，其特征是：所述保温退火模块是在框架上设置有保温材料。

8.根据权利要求2所述的实现权利要求1所述超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺的装置，其特征是：所述铜模块是一个长方体铜块。

9.根据权利要求2所述的实现权利要求1所述超高强度钢板冲压前的热处理拼接工艺的装置，其特征是：所述钢模块是一个长方体钢块。