CN102162574A

CN102162574A - 一种超高强钢激光拼焊板及其成形工艺

Info

Publication number: CN102162574A
Application number: CN2011100805613A
Authority: CN
Inventors: 唐炳涛; 王红娟; 原政军; 程钢; 李云江
Original assignee: Shandong Jianzhu University
Current assignee: Shandong Jianzhu University
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: CN102162574B

Abstract

本发明涉及一种超高强钢激光拼焊板及其成形工艺，将超高强钢与高强钢根据所需形状激光拼焊，然后将所得的焊板送进有保护气体的炉中加热到920～940℃，至少持续5分钟，充分奥氏体化，再将奥氏体化后的焊板转移到压力机快速合模、成形，然后保压淬火冷却至100-150℃，随室温冷却制得所需零件。本发明激光拼焊板热冲压工艺兼有激光拼焊板成形和热冲压成形的双重优势，同时解决了超高强钢难以以激光拼焊板的形式应用于汽车结构件/骨架件生产中的难题。

Description

一种超高强钢激光拼焊板及其成形工艺

技术领域

本发明涉及一种汽车用超高强钢的设计及其成形工艺，属于材料加工技术领域。

背景技术

随着能源和环境问题的日益突出，以及人们对轿车的安全性、可靠性、舒适性等要求的提高，各大汽车制造商努力从改善汽车的结构设计和寻找新的替代材料两个方面减轻汽车的重量；不断改进和采用新的零件制造工艺，提高产品的质量。

拼焊板(Tailor Welded Blanks，TWBs)是将几块不同材质、不同厚度、不同涂层的钢板焊接成一块，以满足零部件对材料性能的不同要求。激光焊接凭着多项显著的优点，非常适合用于生产拼焊板。采用激光拼焊板不仅降低了整车的制造成本、物流成本、整车重量、装配公差、油耗和废品率，而且减少了外围加强件数量，简化了装配步骤及工艺。激光拼焊板在内覆盖件、外覆盖件和骨架件制造中有着广阔的应用前景。

拼焊板的使用虽带来了诸多好处，但也存在众多技术上难题：激光拼焊板由于焊缝及热影响区与母材在微观组织及宏观力学性能上的差异导致成形性能下降；传统的激光拼焊板成形工艺为冷成形，焊缝的移动导致模具的磨损加重，尤其对于高强钢，模具的寿命问题尤为突出。并且焊缝的不良移动能改变应力应变分布，使产品出现回弹、破裂等缺陷。目前激光拼焊板主要应用于高强钢及以下(＜700Mpa)的钢种，较难应用于超高强钢。

作为新材料，先进高强钢即高强钢(Advanced High-Strength Steels，AHSS)和超高强钢(Ultrahigh-Strength Steels，UHSS)的研究和使用，提高了汽车的碰撞性能，实现了轻量化的要求。但是，超高强钢在室温下变形能力很差。一方面，超高强钢板强度高，在室温下塑性变形范围很窄，所需冲压力大，容易开裂；另一方面，冲压成形后零件回弹增加，导致零件尺寸和形状稳定性变差。因此传统的冷冲压方法难以解决超高强钢在汽车车身制造中遇到的问题。近几年，国外学者开发出一种新的(超)高强钢板加热成形工艺-热冲压成形技术。在热冲压工艺中，AHSS和UHSS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。采用热冲压工艺后，尤其是轿车车身及结构件所用钢板的厚度可以降低，同时由于部件强度得到大幅度提高，车身上的加强板、加强筋可以大量减少，从而降低了车身的重量。由于采用热加工工艺，钢板的热变形能力得到大幅度提高，并且冲压变形所需的压力相对降低，一般而言热冲压轧机的吨位800t即可满足生产需要。因此，与其他成形工艺相比，板料的热冲压成形具有以下优点：变形抗力小、塑性好、成形极限高、易于成形；能够生产具有复杂几何形状的工件，成形零件具有良好的尺寸精度；配以合适的热处理方式，可使板料发挥其最佳的性能，为汽车提供高质量的零部件。

近几年，虽然国内外在激光拼焊板和热冲压技术方面做了许多研究工作，但研究对象仅限于现有技术的领域禁锢单独面向拼焊板冷成形或(超)高强钢板热冲压成形，针对(超)高强钢激光拼焊板的热冲压工艺研究成果未见报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足和偏见，提出一种超高强钢激光拼焊板及其成形工艺，通过(超)高强钢激光拼焊板热冲压实现了高强钢和拼焊板的完美结合。

一种超高强钢激光拼焊板，它由超高强钢与高强钢激光拼焊而成。

所述的超高强钢抗拉强度大于1200MPa，所述的高强钢抗拉强度在300-1000MPa。

所述的超高强钢优选宝钢产冷轧钢B1500HS；所述的高强钢优选宝钢产冷轧钢HC340。

所述的超高强钢激光拼焊板可用于汽车B柱加强件、A柱加强件、保险杠加强件、前纵梁、发动机支架横梁等结构件/骨架件的生产。

一种超高强钢激光拼焊板的成形工艺，包括步骤如下：

(1)将超高强钢与高强钢分别拆剪成所需形状并激光拼焊；

(2)将步骤(1)得的焊板送进有保护气体的炉中加热920～940℃，至少持续5分钟，充分奥氏体化；

(3)将奥氏体化后的焊板转移到压力机快速合模、成形，然后保压淬火冷却至100-150℃；

(4)随室温冷却，激光切割、冲孔。

步骤(1)所述的激光拼焊板采用对接接缝结构。优选采用高强钢板HC340和超高强钢板B1500HS进行激光拼焊，HC340(含碳量≤0.15％)可以显著改观B1500HS(含碳量≤0.221％)的焊接性能。激光焊接设备优选采用Nd:YAG激光器，激光功率4KW、光斑直径0.6mm，焊接速度40～50mm/s，所述焊接工艺中采用高压气刀保护激光器。

步骤(3)所述的冷却最小冷却速度为30℃/s。

本发明超高强钢激光拼焊板将不同力学属性或不同厚度的材料拼焊到一起，然后进行热冲压成形，一方面可获得拼焊板带来的降低车体重量、提高装配精度、简化装配步骤等优点；另一方面兼顾热冲压成形的优势，进一步提高超高强钢板的成形性和最终产品的尺寸精度，从而提高汽车抗碰撞性，更好地满足安全及节能减排的迫切需求。激光拼焊板热冲压工艺兼有激光拼焊板成形和热冲压成形的双重优势，解决了激光拼焊板及超高强钢冷成形困难的问题。

附图说明

图1为某车B柱加强件拉深零件；

图2为B柱加强件采用的坯料形状及高强钢分布示意图(激光拼焊板)，I为HC340，II为B1500HS，III为焊缝；

图3为超高强钢B1500HS的连续冷却曲线图，A-奥氏体，F-铁素体，B-贝氏体，P-珠光体，M-马氏体；

图4为HC340/B1500HS激光拼焊板热冲压前焊缝及热影响区硬度分布测试曲线；

图5为HC340/B1500HS激光拼焊板热冲压后焊缝及热影响区硬度分布测试曲线。

具体实施方式

实施例1

超高强钢激光拼焊板成形零件B柱加强件(图1所示)，在安全性要求较高的正面部位，采用厚度为1.5mm的宝钢产超高强硼钢B1500HS；而在成形性和吸能性均有所要求的加强件的上下端，采用厚度为1.0mm的宝钢产高强钢HC340(图2所示)，激光拼焊后进行热冲压。当碰撞发生时，HC340钢的作用是吸收碰撞能量，而硼钢B1500HS的作用是将负载从驾驶舱上移开，从而避免驾驶舱发生灾难性的塑性变形。

成形工艺步骤：

1)下料；

2)激光拼焊；

3)在步进炉中加热到920～940℃，至少持续5分钟，充分奥氏体化；

4)快速转移到压力机；

5)快速合模、成形，保压10s冷却至100-150℃，超高强钢组织变为100％马氏体。根据图3可以确定最小冷却速度大约30℃/s，马氏体转变温度为425℃(马氏体开始转变点位Ms)并且在280℃结束(马氏体转变结束点位Mf)；

6)随室温冷却，激光切割、冲孔；

7)如果钢板无镀层，则增加喷丸处理以去除零件表面氧化皮。

其中，满足过程(2)的激光拼焊设备，可实现待焊钢板的快速定位、加紧和激光切割、对接。利用夹具加紧待焊钢板，夹具由液压系统驱动，阻止切割和焊接中的变形。根据待焊钢板的特性选取焊接激光功率、速度、辅气种类及辅气压力等参数。对板厚0.8mm～1.6mm的对接试样，激光功率4KW时，光斑直径采用0.6mm，焊接速度40～50mm/s。光斑直径变为0.4mm，焊接速度可以提高至80～100mm/s。辅气种类可以选择氩气或者氮气。辅助气压0.5～1MPa。。满足过程(3)的加热炉中通保护气体，避免钢板在加热过程中被氧化。并且实现自动进出料，出料位置精确。满足过程(4)的上下料装置，采用所需板料形状设计的夹具机器人或机械手来快速、平稳、准确地将高温状态下的钢板送到模具上，避免钢板在夹送过程中的表面氧化和局部降温。并且热冲压后经保压淬火后的零件表面温度尚有150℃及以上，也只能采用夹具或者机械手下料。满足过程(5)的模具设计有冷却系统，在完成热冲压动作的同时，完成对钢板淬火冷却过程。满足过程(5)的模具冷却水道采用U形设计，冷却水道直径10mm，冷却水道之间的距离30-40mm，流速0.8m/s。对于复杂拉深零件，可采用2排或以上的冷却水道，保持模具相对一致的温度，保证批量生产零件质量的稳定性。为了防止加热钢板与受水冷的模具接触时间过长、产生热量传递而导致成形过程中焊缝或零件产生裂纹，要求冷却水的循环动作在冲压动作完成后进行，并且加快成形过程凸模的运动速度。满足过程(5)的模具材料优选采用Al₂O₃/Cu复合材料。满足过程(5)的热冲压模具为最大限度避免毛坯在冲压之前过早地和模具表面接性，采用收缩可控的钢球支撑毛坯，可以有效避免增加模具加热系统等导致模具异常复杂的机构。满足过程(5)的模具，对差厚激光拼焊板采用带阶梯的压边圈，根据具体零件需要台阶设定在凸模或者凹模一侧。满足过程(6)的切边和冲孔采用激光切割进行。

性能测试

为了验证焊接质量，将宝钢产冷轧超高强钢B1500HS与宝钢产冷轧高强钢HC340进行激光焊接，对焊接样品进行了三点弯曲测试，虽然冲击力作用在焊缝中间，但母材HC340出现了损伤，验证了焊缝的质量满足成形性的要求。B1500HS与含碳量较低的HC340之间具有良好的焊接性能。对母材、焊缝及热影响区采用维氏硬度计进行硬度测试，发现热冲压成形前，焊缝及热影响区硬度分布起伏较大，焊缝的硬度明显高于周围母材的硬度，且焊缝中心处存在硬度降低现象(图4所示)。热冲压后，超高强钢B1500HS的硬度由热冲压之前的200～300变为淬火硬化后的500左右，硬度显著提高；高强钢HC340的硬度由热冲压之前的200左右变为淬火硬化后的300左右，硬度有所提高；焊缝及热影响区硬度分布由B1500HS到HC340平滑过渡，其硬度值在300～500之间。

对激光拼焊板焊缝、热影响区及母材在高速冷却环境下的微观组织及宏观力学性能进行检测。发现，冷却前后，母材微观组织变化最为明显，其次是热影响区、焊缝，最终微观组织基本趋于一致。对三区的硬度进行测试，发现，冷却前焊缝区硬度剧烈增大的现象得到了极大缓解，三区硬度值基本趋于一致(图5所示)，从宏观的角度验证了微观观察结果。通过工艺检验可以验证超高强硼钢激光拼焊板热冲压是一种极具潜力的塑性成形新工艺。

Claims

1.一种超高强钢激光拼焊板，其特征是，它由超高强钢与高强钢激光拼焊而成。

2.根据权利要求1所述的超高强钢激光拼焊板，其特征是，所述的超高强钢抗拉强度大于1200MPa，所述的高强钢抗拉强度在300-1000MPa。

3.根据权利要求2所述的超高强钢激光拼焊板，其特征是，所述的超高强钢为宝钢产冷轧钢B1500HS，所述的高强钢为宝钢产冷轧钢HC340。

4.一种超高强钢激光拼焊板的成形工艺，其特征是，包括步骤如下：

(1)将超高强钢与高强钢根据所需形状下料并激光拼焊；

(2)将步骤(1)得的焊板送进有保护气体的炉中加热到920～940℃，至少持续5分钟，充分奥氏体化；

(4)随室温冷却，激光切割、冲孔。

5.根据权利要求4所述的超高强钢激光拼焊板的成形工艺，其特征是，步骤(3)所述的冷却最小冷却速度为30℃/s。

6.根据权利要求4所述的超高强钢激光拼焊板的成形工艺，其特征是，步骤(1)所述的激光拼焊，激光功率4KW，光斑直径采用0.6mm时，焊接速度40～50mm/s；光斑直径为0.4mm时，焊接速度80～100mm/s。