CN103703152A - 钢板的局部热处理工艺及产品 - Google Patents

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博里斯·舒利金
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Abstract

一种对钢板部件进行局部硬化的工艺，其包括使激光束沿扫描方向扫描跨过钢板部件的预定部分。激光束选择性地将钢板部件的预定部分内的材料加热至奥氏体化转变的温度。在激光束扫描跨过预定部分的过程中，外部冷却源应用于预定部分内、并且沿激光束的扫描方向紧随在激光束后面的材料。外部冷却源被选择为以足够快的速度冷却材料，从而形成基本上限定在预定部分内的局部硬化区。在应用外部冷却源之后，允许钢板部件的预定部分内的材料冷却至环境温度。

Description

钢板的局部热处理工艺及产品
本申请要求2011年7月25日提交的美国临时专利申请No.61/511,283的优先权，该申请的全部内容通过参引的方式并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及具有定制的回火性能的金属板材部件，并且更具体地涉及一种用于基于激光束热处理而局部增强金属板材部件强度的工艺、一种用于实施该工艺的系统、以及用该系统生产的产品。
背景技术
在车辆构造的领域中，使用越来越多的由高强度钢和超高强度钢制成的车辆零件以满足关于轻质构造的标准。这应用于车体构造，其中，为了满足重量目标和安全要求，例如结构性元件和/或安全元件（例如门防撞梁、A柱和B柱、保险杠、纵梁以及横梁）越来越多地由拉伸强度大于1000Mpa的热成型和压模淬火钢以及UHSS（超高强度钢）来生产。
在机动车辆工程的不同应用中，成形零件在某些区域应具有高强度同时它们在其它区域应相对于上述区域具有较高延展性。以此方式“定制”成形零件的性能有利于后续的成形操作，例如对零件进行修整或者穿孔，并且产生能够通过变皱而将撞击能量转化成变形的区域。一个常规方法包括将金属板材坯件例如在炉中加热到其奥氏体化温度以上，然后将受加热的坯件迅速转移至冷轧机并且将坯件成形为所需形状。使用位于冲压机的成形表面内的加热嵌件或者隔热嵌件以用于在成形和冷却步骤中控制金属板材坯件的选定部分的冷却速度，使得选定部分获得较低的拉伸强度和/或较低的硬度。此方法适合于在本来会具有高拉伸强度和/或高硬度的部件内形成拉伸强度减小和/或硬度减小的局部区域。不幸的是，此方法具有与将整个零件加热至其奥氏体化温度相关的高能量成本，并且对成形工具产生严重磨损。此方法不是非常适合于生产高强度和/或硬度的区域相对较小的零件。另外，由于需要对零件之间的成形工具进行冷却，因此最大生产速度受到限制。
Jahn等人（Physics Procedia12（2011）431-441）描述了一种用于车体结构中的负载适应部件设计的钢板的局部强化的工艺。为了强化钢板，Jahn等人使用激光再熔化、随后自身自淬火从而产生选择性的材料强化作用的工艺。此再熔化区域是窄的焊缝并且周围材料能够作为大块材料从而从焊缝吸收热量。再熔化之后的再凝固产生具有良好微观结构的材料，其相对于原始材料具有较高强度。现有技术中已知大块材料的其它激光硬化工艺，其也依赖于自淬火来实现所需相变。自淬火作用通过所加热的材料附近的大块材料来提供，如参照Jahn等人的教导所述。不幸的是，这些方法需要足量的大块材料来产生自淬火作用，并且因此往往不适合于在用薄钢板制成的部件上使用。
因此，提供以下工艺和系统是有利的，它们能够克服现有技术的上述限制和劣势中的至少一部分。
发明内容
根据本发明的至少一个实施方式的方面，提供了一种用于由可硬化铁合金形成的钢板部件的局部热处理的工艺，包括：提供钢板部件；将激光束投射到钢板部件上；提供激光束与钢板部件之间的相对运动从而使激光束沿扫描方向扫描跨过钢板部件的预定部分，激光束具有以下功率：所述功率选择成将预定部分内的材料加热至奥氏体化转变的温度；在使激光束扫描跨过预定部分的过程中，向位于预定部分内、并且沿激光束的扫描方向紧随在激光束后面的材料应用外部冷却源，外部冷却源被选择为以足够快的速度冷却材料，从而形成基本上限定在预定部分内的局部硬化区域；并且在应用外部冷却源之后，允许钢板部件的预定部分内的材料冷却至环境温度。
根据本发明的至少一个实施方式的方面，提供了一种用于实施由可硬化铁合金形成的钢板部件的局部热处理的系统，包括：支撑结构，支撑结构用于在钢板部件的局部热处理过程中保持钢板部件；用于产生激光束的激光源，激光源能够相对于支撑结构移动从而使所产生的激光束扫描跨过钢板部件的预定部分，激光源具有以下输出功率：所述输出功率足以形成能够将预定部分内的材料加热至奥氏体化转变的温度的加热斑；以及外部冷却源，外部冷却源与激光源相邻地布置并且能够与激光源一起相对于底座移动，使得在使用中外部冷却源布置成冷却位于预定部分内、并且沿激光束的扫描方向紧随在由激光束产生的加热斑后面的材料。
根据本发明的至少一个实施方式的方面，提供了一种用于实施由可硬化铁合金形成的钢板部件的局部热处理的系统，其包括：支撑结构，支撑结构用于在钢板部件的局部热处理的过程中保持钢板部件；用于产生激光束的激光源，激光源能够相对于支撑结构移动从而使所产生的激光束扫描跨过钢板部件的预定部分，激光源具有以下输出功率：所述输出功率足以形成能够将预定部分内的材料加热至奥氏体化转变的温度的加热斑；以及外部冷却源，外部冷却源布置成在使用中冷却位于预定部分内、并且沿激光束的扫描方向紧随在由激光束产生的加热斑后面的材料。
附图说明
现将参照附图仅以示例方式对本发明进行描述，其中在全部多个附图中，类似附图标记代表类似元件，并且在图中：
图1为示出了根据本发明的实施方式的钢板部件的、具有激光束热处理材料的条带的部分的简化立体图。
图2为示出根据本发明的实施方式的、用于实施钢板部件的局部热处理的系统的简化立体图。
图3为示出根据本发明的实施方式的、用于实施钢板部件的局部热处理的另一系统的简化立体图。
图4为示出根据本发明的实施方式的、用于实施钢板部件的局部热处理的又一系统的简化立体图。
图5为示出根据本发明的实施方式的、用于实施钢板部件的局部热处理的又一系统的简化立体图。
图6示出了对于不同冷却机构，在钢板部件的局部热处理过程中，在激光束扫描路径内的固定位置处用高温计测量的温度的图示。
图7示出了在局部热处理之后钢板部件中的强度增强的图示。
图8示出了示出具有用于增强零件强度的激光束热处理条带的零件的示意图。
图9示出了涡流管的示意图，该涡流管使用压缩空气来产生冷空气流以进行激光束斑冷却。
图10示出了包括具有局部热处理的部件的汽车框架的示意图。
具体实施方式
提出下列说明是为了使本领域技术人员能够实现并使用本发明，并且下列说明在具体应用和其要求的背景下提供。对于本领域技术人员而言，公开的实施方式的多种变形是显而易见的，并且文中限定的基本原理可以在不脱离本发明的范围的情况下应用于其它实施方式和应用。因此，本发明无意于局限于所公开的实施方式，而是应给予与文中公开的原理和特征相符的最宽的范围。
图1为示出了具有激光束热处理材料102条带的钢板部件100的一部分的简化立体图，激光束热处理材料102条带形成在所述钢板部件100的预定部分104内。例如，钢板部件100由可硬化钢（例如Usibor
Figure BDA0000461818710000042
Figure BDA0000461818710000043
、Usibor
Figure BDA0000461818710000041
）或者其它适当的钢的钢板106冲压而成。作为具体的、非限制性的示例，部件100是汽车的结构性元件或者安全元件，例如门防撞梁、A柱、B柱、保险杠、纵梁或者横梁等中的一者。
现参照图2，示出了描绘根据本发明实施方式的、用于实施钢板部件100局部热处理的系统200的多个部件的简化立体图。为了清楚，实现本发明的理解所不必需的系统200的部件已经从描述中省略。因此，图2中未示出诸如激光束生成单元、激光传输光学装置、驱动机构以及用于冷却流体的流动控制系统等部件。另外，为了清楚，钢板部件100示出为平的矩形板106。可以理解，在实践中钢板部件100可以具有复杂的三维形状。例如，钢板部件100可以是汽车的B柱等。
仍参照图2，系统200包括支撑结构202，支撑结构202用于在钢板部件100的局部热处理过程中保持钢板部件100。激光束成形光学装置204表现为激光束源，用于提供激光束206并用于将激光束206投射到钢板部件100的预定部分104上，从而产生加热斑208。在图2中示出的具体示例中，激光束206在截面上是圆形的并且产生圆形加热斑208。支撑结构202能够相对于激光束源204移动从而使激光束206扫描跨过钢板部件100的预定部分104。具体地，激光束206沿图2中用实心箭头示出的扫描方向进行扫描，使得加热斑208加热钢板部件100的预定部分104内的材料。可选地，激光束206是静止的并且支撑结构202沿与扫描方向相反的方向移动，或者支撑结构202是静止的并且激光束206沿扫描方向移动。可替代地，激光束206和支撑结构202两者都移动。在实施方式中，激光束206能够沿x方向和y方向中的一者移动，并且支撑结构202能够沿x方向和y方向中的另一者移动，从而支持形成激光束热处理材料的弯曲条带或者其它形状。可替代地，激光束206或者支撑结构能够沿x方向和y方向移动。
在操作过程中，加热斑208将预定部分104内的材料加热至奥氏体化转变的温度。例如，预定部分104内的材料被加热至约800℃与约950℃之间。在预定部分104内和预定部分104附近的钢板部件100的材料都不足够厚，以至于不支持受激光束加热的材料的自淬火。换言之，在加热斑208加热之后，材料的冷却速度不足够快，以至于不能将材料的主要为奥氏体微观结构转变成主要为贝氏体和/或马氏体微观结构。因此，系统200包括外部冷却源210。在图2中示出的示例中，外部冷却源210包括管道，其用于将冷却流体流212引向预定部分104内、并且沿着激光束206的扫描方向紧随在激光束206后面的材料。外部冷却源210在激光束206扫描跨过预定部分102的过程中提供冷却流体流212。换言之，将冷却流体引向追随加热斑208的点。
外部冷却源210被选择和调整成以足够快的速度冷却材料从而形成基本上在预定部分104内的局部硬化和/或强化区域。具体地，外部冷却源210被选择成以足够快的速度冷却材料从而将材料的主要为奥氏体微观结构转变成主要为贝氏体和/或马氏体微观结构。以此方式冷却材料实现了预定的机械性能，例如高强度和强硬的微观结构。可以用来调整外部冷却源210的选项例如包括改变加热斑208与外部冷却源210之间的距离。所述距离可以确定为用于实现最佳冷却性能。可替代地，冷却流体本身被选择以针对特定应用实现最佳冷却性能。根据实施方式，冷却流体是冷空气。可选地，使用其它气态或者液态冷却介质作为冷却流体。例如，干冰（CO2）和水雾是两种替代性的冷却流体。另外，通过使用外部冷却源210而实现的冷却速度取决于冷却流体的流动速度和/或流量、冷却流体与受加热材料的相互作用时间、以及冷却流体的温度。如下文中一些示例中所述，可以通过使用多个管道提供冷却流体、和通过适当地布置在管道之间的间隔来增加冷却流体的相互作用时间。
仍参照图2，示出为外部冷却源210与激光束源204沿钢板部件100的同一侧布置，即沿钢板部件100的加热侧布置。可替代地，外部冷却源210布置成将冷却流体流引向沿着钢板部件100的与加热侧相反一侧的材料。另外可替代地，将单独的冷却流体流引向钢板部件100的加热侧和引向钢板部件100的相反侧。
可选地，在单个钢板零件上、在零件的子组件上、或者在零件的完整组件上实施激光束热处理工艺。有利地，能够将激光束206引向零件或者子组件的任何预定位置以产生局部增强，即使在其它情况下难以接近的位置处也是如此。
虽然图2中示出的示例示出了平钢板部件100，但是可以理解，该工艺可同样地应用于管状结构或者其它封闭轮廓结构，特别是液压成形管状零件。与前述类似，激光束206用于向管状零件内需改进机械性能的预定区域提供局部加热，之后对受加热区域进行快速冷却/淬火以产生从主要为奥氏体微观结构向主要为马氏体和/或贝氏体微观结构的相变。
现参照图3，示出了描绘根据本发明实施方式的用于实施钢板部件100的局部热处理的另一系统300的简化立体图。为了清楚，实现本发明的理解所不必需的系统300的部件已经从描述中省略。因此，图3中未示出例如激光束生成单元、激光传输光学装置、驱动机构以及用于冷却流体的流动控制系统等部件。另外，为了清楚，钢板部件100示出为平的矩形板106。可以理解，在实践中钢板部件100可以具有复杂的三维形状。例如，钢板部件100可以是汽车的B柱等。
仍参照图3，系统300包括支撑结构302，支撑结构302用于在钢板部件100的局部热处理过程中保持钢板部件100。激光束成形光学装置304用于代表激光束源，其用于提供激光束306并用于将激光束306投射到钢板部件100的预定部分104上，从而产生加热斑308。在图3中示出的具体示例中，激光束306在截面上是方形的并且产生方形加热斑308。支撑结构302能够相对于激光束源304移动从而使激光束306扫描跨过钢板部件100的预定部分104。具体地，激光束306沿图3中用实心箭头示出的扫描方向进行扫描，使得加热斑308加热钢板部件100的预定部分104内的材料。可选地，激光束306是静止的并且支撑结构302沿与扫描方向相反的方向移动，或者支撑结构302是静止的并且激光束306沿扫描方向移动。可替代地，激光束306和支撑结构302两者都移动。在实施方式中，激光束306能够沿x方向和y方向中的一者移动，并且支撑结构302能够沿x方向和y方向中的另一者移动，从而支持形成激光束热处理材料的弯曲条带或其它形状。可替代地，激光束306或者支撑结构302能够沿x方向和y方向移动。
在操作过程中，加热斑308将预定部分104内的材料加热至奥氏体化转变的温度。例如，预定部分104内的材料被加热至约800℃与约950℃之间。在预定部分104内和预定部分104附近的钢板部件100的材料都不足够厚，以至于不支持受激光束加热的材料的自淬火。换言之，在加热斑308加热之后，材料的冷却速度不足够快，以至于不能将材料的主要为奥氏体微观结构转变成主要为贝氏体和/或马氏体微观结构。因此，系统300包括外部冷却源310。在图3中示出的示例中，外部冷却源310是管道，其用于将冷却流体流312引向位于预定部分104内、并且沿着激光束306的扫描方向紧随在激光束306后面的材料。外部冷却源310在激光束306扫描跨过预定部分102的过程中提供冷却流体流312。换言之，将冷却流体引向追随加热斑308的点。
外部冷却源310被选择和调整成以足够快的速度冷却材料从而形成基本上在预定部分104内的局部硬化区域。具体地，外部冷却源310被选择成以足够快的速度冷却材料从而将材料的主要为奥氏体微观结构转变成主要为贝氏体和/或马氏体微观结构。以此方式冷却材料实现了预定的机械性能，例如高强度和强硬的微观结构。对外部冷却源310进行的调整包括例如改变加热斑308与冷却流体所导向的区域之间的距离。所述距离可以确定为用于实现最佳冷却性能。可替代地，冷却流体本身被选择以针对特定应用实现最佳冷却性能。根据实施方式，冷却流体是冷空气。可选地，使用其它气态或者液态冷却介质作为冷却流体。例如，干冰（CO2）和水雾是两种替代性的冷却流体。另外，通过外部冷却源310而实现的冷却速度取决于冷却流体的流动速度和/或流量、冷却流体与受加热材料的相互作用时间、以及冷却流体的温度。如下文中一些示例所述，可以通过使用多个管道提供冷却流体、并且适当地布置管道之间的间隔来增加冷却流体的相互作用时间。
图3示出了外部冷却源310与激光束源304沿钢板部件100的同一侧布置，即沿金属板材部件的加热侧布置。可替代地，外部冷却源310布置成将冷却流体流引向沿着金属板材部件100的与加热侧相反一侧的材料。另外可替代地，将单独的冷却流体流引向金属板材部件100的加热侧和相反侧两者。
可选地，在单个金属板材零件上、在零件的子组件上、或者在零件的完整组件上实施激光束热处理工艺。有利地，能够将激光束306引向零件或者子组件的任何预定位置以产生局部增强，即使在其它情况下难以接近的位置也是如此。
虽然图3中示出的示例示出了平金属板材部件100，但是可以理解，该工艺可同样地应用于管状结构或者其它封闭轮廓结构，特别是液压成形管状零件。与前述类似，激光束306用于向管状零件内需要改善机械性能处的预定区域提供局部加热，之后对受加热区域进行快速冷却/淬火以产生从主要为奥氏体微观结构向主要为马氏体和/或贝氏的体微观结构的相变。
现参照图4，示出了描绘根据本发明实施方式的用于实施钢板部件100的局部热处理的另一系统400的简化立体图。为了清楚，实现本发明的理解所不必需的系统400的部件已经从描述中省略。因此，图4中未示出诸如激光束生成单元、激光传输光学装置、驱动机构以及用于冷却流体的流动控制系统等部件。另外，为了清楚，钢板部件100示出为平的矩形板106。可以理解，在实践中钢板部件100可以具有复杂的三维形状。例如，钢板部件100可以是汽车的B柱等。
另参照图4，系统400包括支撑结构202，支撑结构202用于在钢板部件100的局部热处理过程中保持钢板部件100。激光束成形光学装置304用于代表激光束源，其用于提供激光束306并用于将激光束306投射到钢板部件100的预定部分104上，从而产生加热斑308。在图4中示出的具体示例中，激光束306在截面上是方形的并且产生方形加热斑308。支撑结构202能够相对于激光束源304移动从而使激光束306扫描跨过钢板部件100的预定部分104。具体地，激光束306沿图4中用实心箭头示出的扫描方向进行扫描，使得加热斑308加热钢板部件100的预定部分104内的材料。可选地，激光束306是静止的并且支撑结构202沿与扫描方向相反的方向移动，或者支撑结构202是静止的并且激光束306沿扫描方向移动。可替代地，激光束306和支撑结构202两者都移动。在实施方式中，激光束306能够沿x方向和y方向中的一者移动，并且支撑结构202能够沿x方向和y方向中的另一者移动，从而支持形成激光束热处理材料的弯曲条带或者其它形状。可替代地，激光束306或者支撑结构能够沿x方向和在y方向移动。
在操作过程中，加热斑308将预定部分104内的材料加热至奥氏体化转变的温度。例如，预定部分104内的材料被加热至约800℃与约950℃之间。在预定部分104内和预定部分104附近的钢板部件100的材料都不足够厚，以至于不支持受激光束加热的材料的自淬火。换言之，在加热斑308加热之后，材料的冷却速度不足够快，以至于不能将材料的主要为奥氏体微观结构转变成主要为贝氏体和/或马氏体微观结构。因此，系统400包括外部冷却源402。在图4中示出的示例中，外部冷却源402是多个管道，其用于将冷却流体流404引向位于预定部分104内、并且沿着激光束306的扫描方向紧随在激光束306后面的材料。外部冷却源402在激光束306扫描跨过预定部分102的过程中提供冷却流体流404。换言之，将冷却流体引向追随加热斑308的点。
外部冷却源402被选择和调整成以足够快的速度冷却材料从而形成基本上在预定部分104内的局部硬化区域。具体地，外部冷却源402被选择成以足够快的速度冷却材料从而将材料的主要为奥氏体微观结构转变成主要为贝氏体和/或马氏体微观结构。以此方式冷却材料实现了预定的机械性能，例如高强度和强硬的微观结构。对外部冷却源402进行的调整包括例如改变加热斑308与外部冷却源402之间的距离。所述距离可以确定为用于实现最佳冷却性能。可替代地，冷却流体本身被选择以针对特定应用实现最佳冷却性能。根据实施方式，冷却流体是冷空气。可选地，使用其它气态或者液态冷却介质作为冷却流体。例如，干冰（CO2）和水雾是两种替代性的冷却流体。通过外部冷却源402而实现的冷却速度取决于冷却流体的流动速度和/或流量、冷却流体与受加热材料的相互作用时间、以及冷却流体的温度。在本示例中，通过使用多个管道提供冷却流体、并且适当地布置管道之间的间隔，相对于系统200和300而言增加了冷却流体的相互作用时间。图4中示出了两个单独的管道，但是可以理解，可以使用超过两个单独的管道。
图4示出了外部冷却源402与激光束源304沿金属板材部件100的同一侧布置，即沿金属板材部件的加热侧布置。可替代地，外部冷却源302布置成将冷却流体流引向沿金属板材部件100的与加热侧相反一侧的材料。另外可替代地，将单独的冷却流体流引向金属板材部件100的加热侧和相反侧两者。
可选地，在单个金属板材零件上、在零件的子组件上、或者在零件的完整组件上实施激光束热处理工艺。有利地，能够将激光束306引向零件或者子组件的任何预定位置以产生局部增强，即使在其它情况下难以接近的位置也是如此。
虽然图4中示出的示例示出了平金属板材部件100，但是可以理解，该工艺可同样地应用于管状结构或者其它封闭轮廓结构，特别是液压成形管状零件。与前述类似，激光束306用于向管状零件内需改进机械性能处的预定区域提供局部加热，之后对受加热区域进行快速冷却/淬火以产生从主要为奥氏体微观结构到主要为马氏体和/或贝氏体微观结构的相变。
现参照图5，示出了描绘根据本发明实施方式的用于实施钢板部件100的局部热处理的另一系统500的简化侧视图。为了清楚，实现本发明的理解所不必需的系统500的部件已从描述中省略。因此，图5中未示出诸如激光电源、激光光学装置、驱动机构以及散热冷却结构等部件。另外，为了清楚，钢板部件100示出为平的矩形板106。可以理解，在实践中钢板部件100可以具有复杂的三维形状。例如，钢板部件100可以是汽车的B柱等。
仍参照图5，系统500包括支撑结构202，支撑结构202用于在钢板部件100的局部热处理过程中保持钢板部件100。设置有激光束源204，用于产生激光束206并用于将激光束206投射到钢板部件100的预定部分（用虚线示出），从而产生加热斑208。在图5中示出的具体示例中，激光束206在截面上是圆形的并且产生圆形加热斑208。支撑结构202能够相对于激光束206移动，从而使激光束206扫描跨过钢板100的预定部分104。具体地，激光束206沿图5中用实心箭头所示的扫描方向进行扫描，使得加热斑208加热钢板部件100的预定部分104内的材料。可选地，激光束源204是静止的并且支撑结构202沿与扫描方向相反的方向移动，或者支撑结构202是静止的并且激光束源204沿扫描方向移动。可替代地，激光束源204和支撑结构202两者都移动。在实施方式中，激光束源204沿x方向（图5中的左右方向）和y方向（图5中纸面的内外方向）中的一者移动，并且支撑结构202沿x方向和y方向中的另一者移动，由此支持形成激光束热处理材料的弯曲条带或者其它形状。可替代地，激光束源204或者支撑结构202能够沿x方向和y方向移动。
在操作过程中，加热斑208将预定部分104内的材料加热至奥氏体化转变的温度。例如，预定部分104内的材料被加热至约800℃与约950℃之间。在预定部分104内和预定部分104附近的钢板部件100的材料都不足够厚，以至于不支持受激光束加热的材料的自淬火。换言之，在加热斑208加热之后，材料的冷却速度不足够快，以至于不能将材料的主要为奥氏体微观结构转变成主要为贝氏体和/或马氏体微观结构。因此，系统500包括外部冷却源。在图5中示出的示例中，外部冷却源是散热构件502，散热构件502设置成沿钢板部件100的与由激光束206加热的一侧相反的一侧与钢板部件100热连通。散热构件502还与预定部分104对准，并且其宽度选择成与基于热处理工艺而期望受到热影响的区域成比例。通过具体示例，散热构件502是由钢和/或铜或者另一适当材料制成的匹配的接触金属散热器。例如，散热构件502利用超传导性的（ultra-conductive）铜合金制成，超传导性的铜合金是软的、柔性的并且能够易于弯曲从而遵循受激光热处理的预定部分104的形状。可选地，支撑结构202和/或另一固定装置与散热构件502相邻地设置。可选地，设置有使用外部冷却源210、310或者420中的一者进行的补充冷却。
散热构件502以足够快的速度冷却预定部分104内的受加热材料，从而将材料主要为奥氏体微观结构转变成主要为贝氏体和/或马氏体微观结构。以此方式冷却材料实现了预定的机械性能，例如高强度和强硬的微观结构。可选地，在单个钢板零件上、在零件的子组件上、或者在零件的完整组件上实施激光束热处理工艺。有利地，能够将激光束206引向零件或者子组件的任何预定位置以产生局部增强，即使在其它情况下难以接近的位置也是如此。
图6示出了在采用不同冷却机构对钢板部件进行局部热处理的过程中，由高温计在激光束扫描路径内的固定位置处测量到的温度的图示。高温计仅能够测量270℃至960℃的范围中的温度。通常，认为约50℃每秒的冷却速度在钢合金中产生足够量的贝氏体和马氏体量，这产生可接受的激光热处理材料的硬化和/或强化。图6中示出的图示示出了在使用冷却气体喷射的情况下能够实现约50℃每秒的冷却速度。另外，图6中清楚地示出了，当不使用外部冷却源时，冷却速度不足够快以至于不能实现期望的贝氏体和马氏体的形成。
图7示出了在局部热处理之后的钢板部件中观测到的强度增强的图示。4130合金的拉伸强度从热处理前的约500N/mm2增大到热处理后的超过1500N/mm2。类似地，1050合金的拉伸强度从热处理前的约500N/mm2增大到热处理后的超过2000N/mm2。
现参照图8，示出了描绘零件800的示例性的图示，零件800具有用于增大零件强度的激光热处理条带802。在图8中示出的示例中，零件800是用于汽车的B柱并且激光束热处理条带802基本上沿B柱的至少一部分长度延伸。如图8中所示，激光束热处理条带802弯曲并且遵循零件的形状。
图9示出了涡流管的示意图，该涡流管使用压缩空气来产生用于激光束斑冷却的冷空气流。具体地，涡流管900可以用作以上分别参照图2、图3以及图4所述的外部冷却源210、310以及402。例如，涡流管900用作使用压缩空气作为动力源的管道，而不需要位于装置内部的任何移动零件。提供至涡流管900的压缩空气902在管内分成两股空气流。由于角动量守恒原理，通过两股空气流之间的能量交换，一股空气流变成引向钢板部件100的预定部分104的冷空气流904。另一股空气流906从钢板部件排出。涡流管900能够使气体温度下降多达46℃或者更多，并且这非常适合于在预定部分104内的材料被激光束的加热斑加热之后对该材料进行冷却。
图10示出了汽车框架1000的示意图，汽车框架1000包括已经经受如上所述的局部激光束热处理工艺的部件。具体地，图10示出了如何将局部激光热处理的区域（白线1002）应用于汽车部件的主体结构，从而提供对汽车部件的预定区域中的机械性能的局部强化。当然，局部激光热处理还可以应用于其它汽车部件，以及其它非汽车部件。
在参照图1至4描述的示例中，激光束热处理材料102直线地延伸并且限定窄的条带。可替代地，可以使用不同定尺寸的激光束斑尺寸以用于产生具有不同宽度的激光束热处理材料的条带。例如，已经通过使用可得到的16mm×16mm方形激光束斑生成宽度为12mm的条带。特别地，在12mm宽条带中的激光束热处理材料的整个厚度上实现相变，并且实验测定显示此条带的强度在局部激光热处理之后大幅增加。
如上所述的本发明的实施方式提供了一种用于金属板材部件的局部增强的工艺和系统，其通过使用激光束进行局部加热、然后使用外部冷却源进行快速冷却而实现。在金属板材部件的情况下，激光束的热效应基本上延伸贯穿金属板材部件的整个厚度并且由此金属板材部件不承受大块金属部件的情形下那样的自淬火。通过使用外部冷却源实施的有效冷却步骤提供具有局部硬化区域的产品，与形成在大块金属部件中的仅硬化顶层相反，该局部硬化区域基本上延伸贯穿金属板材部件的整个厚度。
尽管以上描述构成了本发明的多个实施方式，但是可以理解，本发明易于在不脱离随附权利要求的真正含义的情况下进行进一步改进和改变。

Claims (23)

1.一种由可硬化铁合金形成的钢板部件的局部热处理的工艺，包括：
提供钢板部件；
将激光束投射到所述钢板部件上；
提供所述激光束与所述钢板部件之间的相对运动从而使所述激光束沿扫描方向扫描跨过所述钢板部件的预定部分，所述激光束具有以下功率：所述功率被选择成将所述预定部分内的材料加热至奥氏体化转变的温度；
在使所述激光束扫描跨过所述预定部分的过程中，向位于所述预定部分内、并且沿所述激光束的所述扫描方向紧随在所述激光束后面的材料应用外部冷却源，所述外部冷却源被选择为以足够快的速度冷却所述材料，从而形成基本上限定在所述预定部分内的局部硬化区域；并且
在应用所述外部冷却源之后，允许所述钢板部件的所述预定部分内的材料冷却至环境温度。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述钢板部件的所述预定部分内的材料具有厚度，并且其中，所述材料的所述厚度不足以支持所述预定部分内的受加热材料的自淬火。
3.根据权利要求1或2所述的工艺，其中，冷却的速度足够快从而将所述材料的主要为奥氏体微观结构转变成主要为贝氏体微观结构和马氏体微观结构中的至少一者。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的工艺，其中，所述温度介于800℃与950℃之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的工艺，其中，所述激光束的扫描不在所述钢板部件与另一钢板部件之间形成焊缝。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的工艺，其中，所述激光束跨过所述钢板部件的所述预定部分的扫描使得贯穿所述材料的整个厚度进行加热。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的工艺，其中，应用所述外部冷却源包括将冷却流体引向位于所述预定部分内、并且沿所述激光束的所述扫描方向紧随在所述激光束后面的材料。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的工艺，其中，所述激光束轰击在沿所述钢板部件的第一侧的表面上，并且其中，应用所述外部冷却源包括提供散热材料，所述散热材料与沿所述钢板部件的第二侧的表面热连通，其中所述第二侧与所述第一侧相反。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的工艺，其中，在所述材料冷却到铁合金的贝氏体起始温度或马氏体起始温度以下之前，所述外部冷却源应用于所述预定部分内的材料。
10.一种用于实施由可硬化铁合金形成的钢板部件的局部热处理的系统，包括：
支撑结构，所述支撑结构用于在所述钢板部件的局部热处理的过程中保持所述钢板部件；
用于产生激光束的激光源，所述激光源能够相对于所述支撑结构移动从而使所产生的激光束扫描跨过所述钢板部件的预定部分，所述激光源具有以下输出功率：所述输出功率足以形成能够将所述预定部分内的材料加热至奥氏体化转变的温度的加热斑；以及
外部冷却源，所述外部冷却源与所述激光源相邻地布置并且能够与所述激光源一起相对于底座移动，使得在使用中所述外部冷却源布置成冷却位于所述预定部分内、并且沿所述激光束的扫描方向紧随在由所述激光束产生的所述加热斑后面的材料。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述外部冷却源包括至少一个管道，所述至少一个管道布置成将冷却流体流引向位于所述预定部分内、并且紧随在所述加热斑后面的材料。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述外部冷却源包括至少一个管道，所述至少一个管道布置成将冷却流体流引向与位于所述预定部分内、并且紧随在所述加热斑后面的材料紧邻的材料。
13.根据权利要求11或12所述的系统，其中，所述冷却流体是气体。
14.根据权利要求11或12所述的系统，其中，所述冷却流体是液体。
15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述至少一个管道是多个管道，并且其中，所述多个管道中的每一个布置成将所述冷却流体流的一部分引向位于所述预定部分内、并且紧随在所述加热斑后面的材料。
16.根据权利要求12所述的系统，其中，所述至少一个管道是多个管道，并且其中，所述多个管道配合以将所述冷却流体流的一部分引向与位于所述预定部分内、并且紧随在所述加热斑后面的材料的相反的边缘紧邻的材料。
17.根据权利要求10所述的系统，其中，所述外部冷却源包括涡流管。
18.一种用于实施由可硬化铁合金形成的钢板部件的局部热处理的系统，包括：
支撑结构，所述支撑结构用于在钢板部件的局部热处理的过程中保持所述钢板部件；
用于产生激光束的激光源，所述激光源能够相对于所述支撑结构移动从而使所产生的激光束扫描跨过所述钢板部件的预定部分，所述激光源具有以下输出功率：所述输出功率足以形成能够将所述预定部分内的材料加热至奥氏体化转变的温度的加热斑；以及
外部冷却源，所述外部冷却源布置成在使用中冷却所述预定部分内、并且沿所述激光束的扫描方向紧随在由所述激光束产生的所述加热斑后面的材料。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述外部冷却源与所述激光源相邻地布置并且能够与所述激光源一起相对于所述支撑结构移动，并且所述外部冷却源包括至少一个管道，所述至少一个管道布置成将冷却流体流引向位于所述预定部分内、并且紧随在所述加热斑后面的材料。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述外部冷却源包括涡流管。
21.根据权利要求18所述的系统，其中，所述支撑结构保持所述钢板部件，使得所述激光束轰击在沿所述钢板部件的第一侧的表面上，并且其中，所述外部冷却源包括散热材料，所述散热材料与沿所述钢板部件的第二侧的表面热连通，其中所述第二侧与所述第一侧相反。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述散热材料是超传导性的铜合金。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述散热材料的宽度与基于所述局部热处理的期望热影响区成比例。
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