CN107201487A - 高度应变部件的恢复热处理 - Google Patents

Abstract

一种工件的恢复热处理的方法包括使工件的至少一部分与流体接触，该流体被加热到足以使工件的该至少一部分在预定时间段内加热到预定温度范围的温度。该方法可以实施为两阶段恢复热处理或退火加工的第一步骤，之后是通过另一退火加工将工件的该至少一部分加热至最终目标温度的第二步骤。

Description

高度应变部件的恢复热处理

技术领域

本公开总体涉及金属成形领域，并且更具体地涉及一种用于工件的恢复热处理的方法，该方法用于在工件的弯曲、预成形、液压成形、二次成形、拉拔、再拉拔、再冲制、冲压、折边等加工方法中提供增强的可成形性并且减少缺陷相关或应变相关的裂缝。

背景技术

液压成形是用于金属成形的术语，其中金属通过内部流体压力抵靠模具成形。这通过向管施加轴向载荷或者在金属板的情况下利用单侧模具通过内部流体压力来完成，利用单侧模具的金属板的情况下，金属板通过囊/隔膜成形。管件液压成形通常使用具有高冲压力的常规单一动作液压机。

在一个示例中，液压成形的铝封闭或“箱形”梁可以用于形成车辆结构的车架纵梁、A柱车顶梁等。这种类型的部件可以由结构(通道口)或无缝挤压管制成。结构管具有更好的壁和直径尺寸公差，并且挤压更高效，但对于弯曲、预成形和液压成形加工而言，具有较低的成形性。因此，在液压成形加工中结构管通常只能用于形成较不复杂的部件形状。无缝管可以具有显著更高的成形性，这使得无缝管成为用于液压成形具有复杂横截面几何形状的部件(例如A柱车顶梁和车架纵梁)的优选材料。然而，无缝管与结构管相比是相对昂贵的。这是因为无缝管相对于结构管挤压效率低，这归因于低输出一次挤压加工方法和无缝压机周期时间限制。无缝管还具有至少是结构管的两倍的壁和直径尺寸公差。

当使用多级方法进行液压成形时，可在部件的最终液压成形之前出现各种弯曲/预成形步骤。在这些初始变形阶段期间，大量的材料可成形性被耗尽，为液压成型加工方法本身留下很小的塑性应变能力。例如，在用于制造如车辆箱形车架纵梁工件的液压成型加工方法期间，在工件的高应变区域中会出现裂缝。这种裂缝潜在地与其它恶化因素相关联，一个非限制性示例是在弯曲和/或预成形加工期间发生的拉毛，并且产生不可用或不适当的工件以及在制造新工件时的材料和劳动的伴随成本。虽然在某种程度上是可控的，但是这种缺陷相关的裂缝难以完全消除。

减轻这些局部缺陷的影响以及改善成形性的一种方法是在液压成形加工方法的各阶段之间应用恢复热处理。然而，如感应退火的传统的恢复热处理加工方法虽然有效，但由于其尺寸和复杂的几何形状限制了对某些车辆部件(例如箱形车架纵梁)的适用性。因此，为了解决这个以及其它问题，本公开旨在用于减轻如在工件弯曲、预成形和/或液压成形加工期间遇到的缺陷相关的裂纹以及改善工件的整体可成形性的恢复热处理加工方法。有利地，所述加工方法容许使用较便宜的结构管挤压件来制造如车架纵梁、车顶梁、A立柱梁等的工件。

发明内容

根据本文所述的目的和有益之处，在一方面提供了一种恢复热处理或退火方法，该方法包括使工件的至少一部分与流体接触，该流体被加热至足以使工件的该至少一部分在预定时间段内加热到预定温度范围的温度。该工件可以包括金属或合金，例如铝合金，如6xxx或5xxx的铝合金。这样的铝合金包括但不限于AA6082铝合金、AA6061铝合金、AA6063铝合金、AA6111铝合金、AA6022铝合金、AA6016铝合金、AA5754铝合金或AA5182铝合金。工件可以是弯曲的和/或预成形的车辆箱形车架纵梁、前梁或车顶梁。可选地，工件可以是预成形的金属板车身内板或外板或结构部件。

在实施例中，该方法包括使工件的至少一部分与流体接触的步骤，该流体被加热到足以在预定时间段内使工件的该至少一部分加热到预定退火温度范围的温度。在实施例中，该方法可以包括使工件的仅弯曲部分与流体接触。在实施例中，流体可以是液体，并且工件可以完全或部分地浸没在流体中。

在另一方面，描述了一种工件的恢复热处理或退火方法，该方法包括在预定时间段内将工件的至少一部分加热到第一中间温度范围的第一步骤。在下一步骤中，将工件的该至少一部分在预定时间段内加热到第二退火温度范围。使工件的该至少一部分加热到第一中间温度范围的步骤可以利用合适的热源实现。在实施例中，可以通过大体上如上文所概述的加热流体将工件的至少一部分加热到中间温度。在其它实施例中，热源可以是一个或多个加热元件。在实施例中，将工件的该至少一部分加热到最终目标温度的步骤可以通过感应或其它合适的退火工艺来实现。

根据本发明的一方面，提供一种工件恢复热处理的方法，包含：

在预定时间段中将工件的至少一部分加热到第一中间温度范围；以及

在预定时间段中将工件的该至少一部分加热到第二退火温度范围。

根据本发明的一个实施例，其中工件包含铝合金。

根据本发明的一个实施例，其中铝合金选自由下列构成的组：AA6082铝合金、AA6061铝合金、AA6063铝合金、AA6111铝合金、AA6022铝合金、AA6016铝合金、AA5754铝合金或AA5182铝合金。

根据本发明的一个实施例，其中工件是弯曲和/或预成形车辆车架纵梁或成形金属板工件。

根据本发明的一个实施例，包括使工件的该至少一部分与流体接触，该流体被加热到足以使工件的该至少一部分加热到第一中间温度范围的温度。

根据本发明的一个实施例，包括使工件的仅成形部分与流体接触。

根据本发明的一个实施例，其中流体是液体。

根据本发明的一个实施例，其中流体包含细碎的颗粒固体。

根据本发明的一个实施例，其中液体选自由下列构成的组：油、润滑油、淬火油、加热油、合成油、半合成油、矿物油、水、水-油乳液、高分子水(polymer water)、油基溶液和乳液、熔融盐、碱金属盐及其组合。

根据本发明的一个实施例，该方法包括通过一个或多个加热元件将工件的该至少一部分加热到第一中间温度范围。

根据本发明的一个实施例，其中一个或多个加热元件是红外加热元件。

根据本发明的一个实施例，该方法包括通过感应退火加工将工件的该至少一部分加热到第二退火温度范围。

在下文的描述中，示出并描述了所公开的恢复热处理加工方法的实施例。应当认识到的是，在不脱离如下列权利要求中所阐述和描述的装置和方法的情况下，这些加工方法能够具有其它不同的实施例，并且它们的若干细节能够在各种明显的方面进行修改。相应地，附图和描述应当被认为本质上是说明性的而不是限制性的。

附图说明

包含在本文中并且形成说明书一部分的附图示出了当前所述方法的若干方面，并与说明书一起用于解释本文的某些原理。在附图中：

图1示出了用于现有技术的感应退火加工方法而接收在通道线圈中的工件；

图2A描述了形成根据本发明的代表性方法的流程图，该方法用于液压成形梁工件，该方法包括恢复热处理加工；

图2B描述了形成根据本发明的代表性方法的流程图，该方法用于成形平面工件，该方法包括恢复热处理加工；

图3描述了图2的恢复热处理加工；

图4描述了形成根据本发明的代表性方法的流程图，该方法用于液压成形梁工件，该方法包括两阶段恢复热处理加工方法；

图5描述了适于实现图4的两阶段恢复热处理加工方法的加热元件装置；

现在详细参考所公开的方法的实施例，其示例在附图中示出。

具体实施方式

初步地，下列说明主要在预应变金属梁工件的液压成形加工的上下文中描述了恢复热处理加工方法。然而，容易理解的是，所描述的恢复热处理加工方法同样适用于预应变的平面工件，例如金属板。相应地，所描述的恢复热处理加工方法同样适用于其它金属成形加工方法，没有任何限制的意思地包括金属弯曲、预成形、二次成形、拉拔、再拉拔、再冲制、冲压、折边以及其它加工方法。

用于预应变金属工件的恢复热处理的一种已知加工方法是感应退火，该加工方法使用流过感应线圈的交流电流来产生电磁交变场，该交变场相应地感应涡电流以加热工件。该加工方法需要遵循工件(次级变压器)形状的水冷铜线圈(初级变压器)，并且适应加工方法(频率、电压和其它)、线圈和工件的变量。在图1中示出了该加工方法，其描绘了用于热处理管状工件102的水冷感应线圈100。电压水平取决于初级变压器中的电匝数。工件的加热通过引起焦耳加热效果的感应电流(箭头I)来实现。通过相对于工件102设计/形状的线圈设计和轮廓来实现加热效率和均匀性。总的来说，感应退火是用于退火工件102的不连续部分的高效且有作用的加工方法。

因此，感应退火被认为是用于减轻工件预成形、弯曲、液压成形等期间出现的裂缝的恢复热处理的潜在方法。然而，由于某些工件的尺寸和/或构造和/或待退火的目标区域的位置，已经发现感应退火不适合于这些工件。例如，对于用于形成车辆箱形车架纵梁和其它这样的部件的预成形和/或弯曲制管而言，已经发现循环时间和温度要求使得感应退火不便于并且不适于包含在制造过程中。

更具体地，在考虑用于制造车辆箱形车架纵梁和其它这样的部件的铝或其它金属或合金制管的管液压成形/退火加工方法时，已经发现没有由感应线圈引起的合适水平的能量/热通量可以在所需的21秒周期时间内实现140±10℃的所需平均目标温度。较高水平的通量能够在21秒的循环时间内实现该平均目标温度，但产生超过300℃的不可接受的温度梯度。另一方面，使用较低水平的通量实现所需的140±10℃的平均目标温度需要至少90秒的循环时间，这明显超过所需的21秒生产循环时间目标。

因此，考虑可选的恢复热处理方法。在高水平，本公开描述了一种用于将工件或工件的部分升高到所需的目标退火温度的恢复热处理方法。所述恢复热处理方法还可以设置为多步骤退火加工方法中的第一步骤，其中使用当前描述的恢复热处理加工方法将工件加热至所需中间温度，然后在随后的第二步骤中使用第二加热处理加工方法将工件加热到最终目标温度。在实施例中，第二加热步骤可包括在2015年11月5日公开的、由Harrison等人申请的、美国专利公开号为2015/0315666、名称为“作为扩展液压成形管成形性的方法的感应退火”的专利申请中描述的感应退火加工方法，在此通过引用包含其全部内容。然而，可以想到将其它已知的退火加工方法用于第二加热步骤。

当前描述的加工方法可以被包含为液压成形工件102的加工方法的一部分，例如在美国专利公开号为2015/0315666的申请中所公开的液压成形加工方法，其包括以不同顺序执行的弯曲、退火、预成形、液压成形、修整和时效处理工件的各种步骤。用于梁的这种代表性的液压成形加工方法200在图2A中示出。图2A所示的加工方法包括将工件(未示出)弯曲成第一初步形状(参见步骤202)的步骤。这之后是应用到工件的恢复热处理的加工方法(参见步骤204)。恢复热处理加工方法204局部加热工件，从而减轻工件内的过度应变硬化，由此容许在液压成形方法的后期阶段期间增加可成形性。

之后是将工件预成形为第二初步形状(步骤206)。接下来，将工件液压成形为所需的最终形状(见步骤208)。在液压成形之后，可以可选地将工件修整到所需的长度(步骤210)。接下来，工件可以经受热处理，从而使工件具有所需的强度特性(见步骤212)。在一个示例性实施例中，热处理可以是在180℃下进行6小时的T6处理，从而引起或使工件具有典型的290MPa的平均屈服强度。在可选实施例中，热处理可以在160-200℃之间的温度持续4～10小时来完成。仍在其它可选方案中，可以实施没有热处理的自然时效处理，以容许工件硬化到所需的平均屈服强度。

当然，可以想到可选的步骤顺序，如在美国专利公开号为2015/0315666的专利申请中所描述的。例如，弯曲和预成形的步骤可以在恢复热处理的步骤之前。可选地，弯曲和预成形的每个步骤之后可以是恢复热处理的单独步骤。可以在本文中想到所有这些可选步骤顺序。

在图2B中示出了用于成形如金属板的平面工件的类似加工方法214，其示出了冲切(步骤216)、初步成形(步骤218)、根据本公开的恢复热处理(步骤204)、二次成形(步骤220)和可选的修整(步骤222)的步骤。再次地，可以想到可选的步骤顺序。

为了说明的目的，本文描述了恢复热处理/退火车辆箱形前车架纵梁的加工方法204，该梁由弯曲和/或预成形的挤压铝合金制成。在所描述的实施例中，铝合金是6xxx铝合金或5xxx铝合金，其没有任何限制的意思地包括AA6082铝合金、AA6061铝合金、AA6063铝合金、AA6111铝合金、AA6022铝合金、AA6016铝合金、AA5754铝合金或AA5182铝合金。然而，本领域技术人员可以理解的是，所描述的加工方法同样适用于其它工件和其它工件组成，例如金属板、钢和其它合金等，并且因此该描述不应被视为限制。

如上文所概述的，在一个实施例中，根据本公开的工件的恢复热处理的步骤204包含使工件的至少一部分与流体接触，该流体被加热到足以在预定时间段内将工件的至少一部分加热到预定温度范围的温度，其在有利于常规制造工艺的时间范围中提供所需的退火效果。如本领域技术人员所理解的，术语“流体”描述在应用剪切应力下持续变形(流动)的物质，并且包括物质的各种相，各种相包括液体、气体、等离子体和一定程度的塑性固体。在可选实施例中，工件的恢复热处理步骤204包括使工件的至少一部分与包括固体的流体接触，所有流体被加热到足以使工件的至少一部分在预定时间段内被加热到预定退火温度范围的温度。

该步骤204包括使工件的至少一部分与加热到合适的退火温度范围——即加热到足以使工件的至少一部分加热到合适的退火温度的温度——的退火物质接触。如所理解的，特定的退火温度范围会根据工件、退火物质的物理、机械和化学性质以及对于特定生产设置的目标退火循环时间而变化。例如，退火特定铝合金所需的特定退火温度会根据合金性质而变化。如所理解的，本领域技术人员能够容易地确定特定金属和金属合金的特定退火温度范围。仅用于示例的目的，退火温度和合金的特定组合在2008年5月8日公开、由Golovashchenko等人发明的、美国专利公开号为2008/0105023的申请中进行了阐述，通过引用将其结合于此。

在一个实施例中，该步骤204包括使工件与被加热到一定温度的流体接触，该温度足以使工件的至少一部分在20到30秒中被加热到约130℃至约150℃的温度。工件的一些或全部可以与流体接触。例如，如图3所示，只有工件的弯曲部分可以与流体接触，工件的弯曲部分是具有大量累积的塑性变形并且因此最易受到缺陷相关裂纹影响的部分。

在实施例中，流体可以是液体或气体。在包括使工件与液体接触的实施例中，液体可以选自由下列构成的组：油、润滑油、淬火油、加热油、合成油、半合成油、矿物油、水、水-油乳液、高分子水、油基溶液和乳液、熔融盐(如钠和钾的硝酸盐、亚硝酸盐和氯盐)、碱金属盐和其组合。

在其它实施例中，可以通过使工件的至少一部分例如在包括流体的流化床装置中与固体接触来实现退火步骤，流体包含干燥的细碎固体颗粒。这种装置在本领域中是已知的，其中流体/固体混合物被保持在使混合物表现为流体的条件下。

应当理解的是，可以根据工件的物理、化学、机械和其它性质以及所实施的目标退火温度和/或循环时间来选择特定的恢复热处理物质(流体、液体、气体、液体/固体混合物)。具体地，将物质选择为由此达到的目标退火温度高于物质熔化温度但低于物质闪点温度。相应地，应该考虑在目标退火温度的蒸发速率以及与下游处理设备/工艺的兼容性。通常，水基物质适合于较低的目标退火温度范围，油基物质适合于中间目标退火温度范围，并且熔融盐基物质适合于较高的目标退火温度范围，但这些范围可以重叠。特定退火物质的选择完全在本领域技术人员的能力范围内。

如图3所示，工件102的一些或全部可以与液体300接触，例如通过将工件的至少一部分浸入容纳液体的容器302中。在所示的实施例中，提供了“双侧”暴露，即加热的液体300与经受恢复热处理的工件部分的内表面和外表面两者接触。然而，应当理解的是，也可以想到部分浸没(即“单侧”暴露)，其引起工件的弯曲部分304的外表面或内表面中的仅一个与液体300接触。

有利地，图3所示的加工方法容许特别大和/或限定复杂外部几何形状的部件以比使用其它退火加工方法可行的更高的加热速率/更短的周期时间进行退火或恢复热处理。例如，当前描述的加工方法容许提供比通过感应退火可行的大得多的尺寸和更复杂的几何形状的工件102的均匀加热，这是由于受感应线圈装置100(参见图1)的构造的限制。相应地，所示加工方法的简单性引起恢复热处理和随后的液压成形加工期间明显的成本节省。

在另一实施例中，考虑了以下情况，其中退火工件102或工件部分所需的期望目标温度范围可以超过所需液体300的沸点，或者出于安全原因时的情形需要最大液体300温度上限，该温度上限低于退火工件102的所需目标温度范围。在这种情况下，可以想到两阶段退火加工方法。

参考图4，用于梁工件的两阶段恢复热处理加工被示出为液压成形加工方法400的一部分。虽然没有具体描述，但容易理解的是，所描述的两阶段恢复热处理加工方法容易结合到用于成形如图2B所示的金属板的平面工件的加工方法中。大体上如图2所示，加工方法400包括弯曲(步骤402)、恢复热处理(步骤404)、预成形(步骤406)、液压成形(步骤408)、可选地修整(步骤410)以及可选地时效处理(步骤412)。再次地，可以想到可选的步骤顺序。例如，弯曲和预成形的步骤可以在恢复热处理的步骤之前。可选地，弯曲和预成形的每个步骤之后可以是恢复热处理的单独步骤。在本文中可以想到所有这些可选步骤顺序。

两阶段恢复热处理加工方法包括第一步骤404a，其通过将工件102的一些或全部浸入适当加热的流体或固体中而将工件(未示出)的至少一部分加热至第一中间温度，大体上如上文所述并如图3所示。具体的中间温度范围和时间段可以是固定的，或者可以根据如上文所述的工件102的物理、化学和机械性质而变化。

可选地，可以使用可选的热源来预热工件102以使工件达到所需的中间温度范围。在一个实施例中，热源是合适的加热元件。如图5所示，在一个可行的实施例中，输送机500使一个或多个工件102通过一个或多个加热元件502。工件102可以设置为使工件的特定部分(弯曲部504)最接近加热元件502，在所示的实施例中加热元件502大体上安装在工件将通过的位置上方，并且因此接收最多的加热。

在所述的实施例中，加热元件502是红外加热器(也称为加热灯)，红外加热器已知是通过辐射传输热(发射红外波长的能量)。然而，可以想到可选的加热元件类型，没有任何限制的意思地包括加热枪、用于在工件102的表面或外露部上方将将加热的气体输送到低温对流或辐射炉的加压鼓风机。这可以通过将工件102放置在所述炉中或者可选地通过使如图5所示的输送机通过这样的炉而产生。

在工件或工件的所需部分已经被加热到第一中间温度范围之后，那么工件可以被加热到第二退火温度范围(步骤404b)以完成两阶段恢复热处理加工404。在一个实施例中，可以通过感应退火加工将工件加热到第二退火温度范围，该感应退火加工方法大体如上文所述(参见图1)并且更充分地在美国专利公开号为2015/0315666的专利申请中进行描述。然而，也可以想到其它合适的退火加工方法。

相应地，本领域技术人员可以明白的是，根据所使用的加热流体/加热元件和工件的已知物理性质容易计算具体的温度，该温度是根据上文所阐述的加工方法在预定时间范围内将工件的全部或一部分加热到预定的退火温度或温度范围(图2A、2B、3)或加热到预定的中间温度(图4)所需的。在一个实施例中，用于加热工件或工件部分的流体或固体被加热到预定的退火温度或温度范围或预定的中间温度或温度范围。

总之，从如本文所公开的工件102的恢复热处理204、404的所述方法中产生了许多益处。该方法支持大批量汽车制造。任何可以想到的金属成形工艺都受益于该方法，这包括成形结构和无缝管。实际上，现在结构管可以容易地用于难以成形的箱形车架纵梁、A立柱车顶梁以及其它的生产中。因此，该方法容许使用液压成形车顶梁的更高公差和更高制造效率的材料。

有利地，所描述的方法是简单、有效和经济的，并且可以以限制于在工件102中将要被退火的特定关注区域的方式实施，例如在箱形车架纵梁中的弯曲部，其中塑性应变能力已经在生产加工期间通过弯曲和/或预成形步骤或阶段而降低。工件102的加热可以容易地局部化到将要被退火的区域，并且因此在未加热区域中不需要用于工件的材料处理的专用设备。

为了说明和描述的目的呈现出上述内容。其并非旨在穷举或将实施例限制为所公开的精确形式。根据上述教导，显而易见的修改和变化是可行的。当根据其公平、合法和等效享有的宽度来解释时，所有这些修改和变化都在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种恢复热处理的方法，包含使工件的至少一部分与流体接触，所述流体被加热到足以使所述工件的所述至少一部分在预定时间段中加热到预定退火温度范围的温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件包含铝合金。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述铝合金选自由下列构成的组：AA6082铝合金、AA6061铝合金、AA6063铝合金、AA6111铝合金、AA6022铝合金、AA6016铝合金、AA5754铝合金或AA5182铝合金。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件是弯曲和/或预成形车辆车架纵梁或成形金属板工件。

5.根据权利要求1所述的方法，包括使所述工件的仅成形部分与所述流体接触。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体是液体。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体包含细碎的颗粒固体。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述液体选自由下列构成的组：油、润滑油、淬火油、加热油、合成油、半合成油、矿物油、水、水-油乳液、高分子水、油基溶液和乳液、熔融盐、碱金属盐及其组合。

9.一种工件的恢复热处理的方法，包含：

在预定时间段中将所述工件的至少一部分加热到第一中间温度范围；以及

在预定时间段中将所述工件的所述至少一部分加热到第二退火温度范围。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述工件包含铝合金。