CN109797340A - 疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种疲劳性能优异的超高强度扭力梁横梁的制作方法，其包括：焊管：根据横梁的尺寸大小，钢板通过制管设备弯曲成相应尺寸的圆管，再进行焊接，获得封闭的圆管；预成型：将所述圆管进行冷冲压成形，从而获得具有扭力梁型面特征的横梁半成品；内高压成形：将所述横梁半成品的两端进行充液，充液后密封，加压胀形，两端冲头推进补料，使得管材贴靠模具，从而得到横梁成品；去应力退火：所述横梁成品在成形后需要进行去应力退火处理。本发明中高强钢管件的抗拉强度在达到780～920MPa的同时，屈服强度达到600～730MPa，且屈服强度与抗拉强度之比不超过0.86，延伸率达到11％以上。

Description

疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法

技术领域

本发明涉及一种汽车领域，特别适用于一种疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法。

背景技术

近年来，为了满足节能减排、提高碰撞安全性以及降低制造成本等方面的需求，越来越多的车厂开始重视汽车的轻量化设计。其中，高强钢在汽车上的运用，在不显著提高制造成本的前提下，保证了汽车零部件的结构强度和服役性能的同时，还可以有效地降低零件的厚度，从而实现汽车零部件的轻量化。

在汽车领域中，扭力梁是汽车底盘的关键部件之一，其主要作用是平衡车轮的上下跳动，减少车辆晃动，保证车辆的稳定。而且，作为扭力梁的重要组成部分，其横梁在行驶过程中反复地受到冲击载荷和扭转载荷等。因此，为了提高车辆的稳定性，需要横梁具有高强度和优异的疲劳特性。

目前，扭力梁横梁设计方案主要分为两种：封闭梁和开口梁。相对开口梁设计，封闭梁在满足相同性能要求时，其重量更轻，结构更加简单，制造成本也相对较低。因此，基于轻量化、高性能和低成本的考虑，目前扭力梁横梁的生产方式多以高强钢为原料，采用内高压成形的方式获得封闭变截面扭力梁横梁。

然而，人们在制造过程中发现，当管件的抗拉强度达到780MPa以上时，横梁本体成形难度显著提升，相应成品的疲劳性能也急剧下降，从而限制了超高强度钢在封闭横梁上的应用。

现有技术中有一种高强度耐疲劳扭力梁横梁的热成形方法，通过将管件在900～950℃保温，随后放入热成形模具中进行成形和淬火，得到一种抗拉强度达到1500MPa的高疲劳扭力梁横梁。

此外，现有技术中还有一种高强度扭力梁横梁的制作方法，其通过将成形零件在900℃以上保温，然后淬火冷却和回火处理，获得的扭力梁横梁抗拉强度可达1300MPa以上具良好的疲劳耐久性能。

通过以上几种方案可以得到超高强度且疲劳性能优异的横梁件，但工艺较复杂，较高的热处理温度使得生产能耗大幅提升，且整个过程产生大量氧化皮，需要通过喷丸消除，这都造成了工艺成本的显著上升。

此外，上述热处理方式下，超高速冷却使得横梁整体性能的均匀性往往无法得到保证，对后续使用的稳定性也带来的隐患。有鉴于此，本领域技术人员需要开发一种工艺简单，性能稳定，生产成本低的扭力梁横梁制造方法，使得成品抗拉强度达到780MPa以上时，横梁仍然具有优异的疲劳耐久性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中通过淬火热处理的方式得到的横梁件生产效率低，性能不稳定且制造成本高等的缺陷，提供一种疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法，其特点在于，所述超高强度扭力梁横梁的制作方法包括：

焊管：根据横梁的尺寸大小，钢板通过制管设备弯曲成相应尺寸的圆管，再进行焊接，获得封闭的圆管；

预成型：将所述圆管进行冷冲压成形，从而获得具有扭力梁型面特征的横梁半成品；

内高压成形：将所述横梁半成品的两端进行充液，充液后密封，加压胀形，两端冲头推进补料，使得管材贴靠模具，从而得到横梁成品；

去应力退火：所述横梁成品在成形后需要进行去应力退火处理。

根据本发明的一个实施例，所述管件的抗拉强度在达到780～920MPa的同时，屈服强度达到600～730MPa，且屈服强度与抗拉强度之比不超过0.86，延伸率达到11％以上。

根据本发明的一个实施例，所述焊管采用的焊接方式为高频焊接或激光焊接。

根据本发明的一个实施例，所述去应力退火采用的退火温度为500～620℃，保温时间为20～120min，冷却方式选择为空冷冷却。

根据本发明的一个实施例，所述圆管的化学成分按重量百分比为C含量≤0.10％，Si含量≤0.6％，Mn含量1.00～2.00％，P含量≤0.02％，S含量≤0.02％，Al含量0.01～0.10％。

根据本发明的一个实施例，所述圆管的化学成分中还含有Cr含量0.01-1.0％和Mo含量0.01-0.5％的至少其中之一。

根据本发明的一个实施例，所述圆管的化学成分中还含有Nb含量0.01-0.1％，V含量0.01-0.2％和Ti含量0.01-0.2％的至少其中之一。

根据本发明的一个实施例，所述圆管的化学成分中C、Si、Mn、P和S的含量应满足C+Si/30+Mn/20+2P+4S≤0.24。

根据本发明的一个实施例，在所述去应力退火之后，在所述横梁成品的横梁本体上取拉伸样，进行力学性能测试；将所述横梁成品焊接成扭力梁总成，进行台架试验。

根据本发明的一个实施例，所述力学性能测试采用拉伸试验，所述拉伸样取自所述横梁本体的中部，所述拉伸样的方向平行于所述横梁的长度方向，测试温度为20-30℃；

所述台架试验采用位移控制，位移要求为±49mm，频率为2Hz。

本发明的积极进步效果在于：

本发明疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法的高强钢管件具有良好的成形性，在预成型和内高压成形过程中不容易发生开裂。而且，管件具有较低的屈服强度和屈强比，可以保证横梁在大变形区域具有高强度的同时，在小变形区域仍具有较低的屈服强度和良好的变形能力，从而提高了横梁的疲劳耐久能力。

此外，管件的低合金设计，也使得横梁具有良好的焊接性能。在去应力退火过程中，退火温度控制在500～620℃，均热时间在20～120min，冷却方式采用空冷冷却，进一步提高横梁的疲劳耐久性能的同时，能耗较低，生产成本较低。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1为本发明疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法中扭力梁总成的结构示意图。

图2为图1中沿A-A线剖开的剖面图。

图3为图1中沿B-B线剖开的剖面图。

图4为图1中沿C-C线剖开的剖面图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。

此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。

此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。

图1为本发明超高强度扭力梁横梁的制作方法中扭力梁总成的结构示意图。图2为图1中沿A-A线剖开的剖面图。图3为图1中沿B-B线剖开的剖面图。图4为图1中沿C-C线剖开的剖面图。

如图1至图4所示，本发明公开了一种疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法，其生产工艺简单，性能稳定，制造成本低。

所述超高强度扭力梁横梁的制作方法包括：

焊管：根据横梁的尺寸大小，钢板通过制管设备弯曲成相应尺寸的圆管，再进行焊接，获得封闭的圆管；所述焊管采用的焊接方式优选为高频焊接或激光焊接。

预成型：将所述圆管进行冷冲压成形，从而获得具有扭力梁型面特征的横梁半成品；

内高压成形：将所述横梁半成品的两端进行充液，充液后密封，加压胀形，两端冲头推进补料，使得管材贴靠模具，从而得到横梁成品；

去应力退火：所述横梁成品在成形后需要进行去应力退火处理。

为提高扭力梁横梁的疲劳耐久性能，横梁在成形后需要进行去应力退火，相应的退火温度优选为500～620℃，保温时间优选为20～120min，冷却方式优选为空冷冷却。较低的退火温度以及较短的保温时间将影响去应力退火效果，而过高的退火温度以及较短的保温时间将导致零件发生回火软化，横梁抗拉强度下降至780MPa以下。

所述疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法，其疲劳特性优异，且其管件的抗拉强度达到780～920MPa。同时，为了满足零件的成形要求，管件应具有足够的延伸率，即达到11％以上。此外，在管件成形过程中，零件的剖面形状不断变化(如图2至图4所示)。同时，各个剖面中圆角处的变形最大，也是服役过程中疲劳裂纹萌生和扩展的主要区域。为了提高横梁的疲劳耐久性能，圆角等大变形区域材料需要具有高强度，以抵抗服役过程中的应力累积，延缓疲劳裂纹的产生，而其他小变形区域，则要求材料仍具有较低的屈服强度和良好的变形能力，用以传递和承载服役过程中产生的应力。因此，管件需要具有较低的屈服强度和屈强比。此外，管件的屈服强度也不宜过低，以避免汽车行驶过程中高载荷下可能造成的横梁塑性变形。有鉴于此，要求管件的屈服强度达到600～730MPa，且屈强比不超过0.86。

为实现管件上述的性能，所述圆管的化学成分按重量百分比为C含量≤0.10％，Si含量≤0.6％，Mn含量1.00～2.00％，P含量≤0.02％，S含量≤0.02％，Al含量0.01～0.10％。所述圆管的化学成分中还含有Cr含量0.01-1.0％和Mo含量0.01-0.5％的至少其中之一。在去应力退火过程中，横梁将发生回火软化，将影响横梁强度和其他服役性能。因此，所述圆管的化学成分中还含有Nb含量0.01-0.1％，V含量0.01-0.2％和Ti含量0.01-0.2％的至少其中之一。

在本发明的成分设计中：

C：是钢中为了确保强度而必需的固溶强化元素，C含量过低时，材料强度不足，而C含量过高时，钢材的焊接性能显著恶化。因此，本发明超高强度扭力梁横梁的制作方法中控制C含量≤0.10％。

Si：具有在提高强度的同时改善钢材成形性的作用，为确保钢材具有良好的成形性，可在本发明中适量添加。但是，过量添加Si同样会导致钢材的焊接性能恶化。因此，本发明控制Si含量≤0.6％。

Mn：降低了钢淬火时的临界冷却温度以及马氏体转变温度Ms，可提高钢板的淬透性。此外，Mn是固溶强化元素，对提高钢板的强度有利，但过高的Mn含量会导致连铸工序中钢坯裂纹产生，且影响钢材的焊接性能。因此，本发明控制Mn含量为1.00～2.00％。

P：在本发明中是杂质元素，使得焊接性能变差，增加钢的冷脆性，降低了钢的塑性。因此，需要控制P在0.02％以下。

S：同样作为杂质元素，使得焊接性能变差，降低钢的塑性。因此，需要控制S在0.02％以下。

Al：是为了钢水的脱氧而添加的。Al含量过低时，无法达到脱氧的目的，而Al含量过高，脱氧效果饱和。因此，本发明控制Al含量在0.01～0.10％。

Cr和Mo：Cr和Mo可提高钢的淬透性，进而提高钢的强度。为保证钢的淬透性，本发明对Cr和Mo的质量百分比控制在0.01-1.0％的Cr和0.01-0.5％的Mo的至少其中之一。

适量上述微合金元素的添加，可在退火时析出弥散细小的碳化物，起到析出强化的作用。最后，为保证横梁具有良好的焊接性能，管件的化学成分中，所述圆管的化学成分中C、Si、Mn、P和S的含量应满足C+Si/30+Mn/20+2P+4S≤0.24。

优选地，在所述去应力退火之后，在所述横梁成品的横梁本体上取拉伸样，进行力学性能测试；将所述横梁成品焊接成扭力梁总成，进行台架试验。

进一步优选地，所述力学性能测试采用拉伸试验，所述拉伸样取自所述横梁本体的中部，所述拉伸样的方向平行于所述横梁的长度方向，测试温度为20-30℃。

更优选地，所述台架试验采用位移控制，位移要求为±49mm，频率为2Hz。

以下对本发明超高强度扭力梁横梁的制作方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

本发明实施例1-12超高强度且疲劳特性优异的扭力梁横梁和对比例1-6的扭力梁横梁采用下述步骤制得：

表1列出了实施例1-12和对比例1-6管件的化学元素的重量百分比(％)和力学性能，其中YS表示屈服强度；TS表示抗拉强度；EL表示延伸率。

表2示出了力学性能测试结果和台架试验结果。将具有表1所示成分和性能的管件进行预成型和内高压成形，得到横梁成品，并对横梁成品进行不同的去应力退火工艺处理，相应的工艺参见表2。最后，在退火后的横梁本体上取拉伸样，进行力学性能测试。同时，将横梁焊接成扭力梁总成，进行台架试验。

其中，拉伸试验方法为：采用JIS5号拉伸试样，试样取自横梁中部，拉伸方向平行于横梁长度方向，测试温度为20～30℃。

台架试验方法为：采用位移控制，位移要求为±45mm，频率为2Hz。对于台架疲劳寿命低于10万次的，标记为“×”，超过10万次但低于15万次的，标记为“○”，超过15万次的，标记为“●”。

从下面的表2可以看出，经本发明的去应力退火工艺配合，所有实施例的抗拉强度均在780MPa以上，且台架疲劳寿命均可达到10万次以上，部分工艺的寿命超过15万次，展现了超高强度和优异的疲劳特性。

表1

表2

结合表1和表2可知，对比例1的管件成形后未经过去应力退火处理，横梁上在变形过程中残留的应力未得到良好的消除，其台架疲劳寿命未达到10万次。对比例2的去应力退火保温时间为200min，超过设计要求的上限，横梁在退火过程中发生回火软化，尽管台架疲劳寿命超过15万次，但横梁抗拉强度不足，低于780MPa。对比例3的保温时间为10min，对比例4的保温温度为450℃，均未达到设计要求的下限，横梁退火效果不佳，其台架疲劳寿命未满足要求。对比例5和6的管件化学成分中，C和Mn含量超出设计要求上限，且未添加Nb、V和Ti等微合金元素。同时，管件的屈服强度和屈强比均超出了设计要求的上限，在经过去应力退火后，横梁发生回火软化，其抗拉强度低于780MPa，而且台架疲劳寿命也不足10万次。

综上所述，本发明超高强度扭力梁横梁的制作方法中，高强钢管件具有良好的成形性，在预成型和内高压成形过程中不容易发生开裂。而且，管件具有较低的屈服强度和屈强比，可以保证横梁在大变形区域具有高强度的同时，在小变形区域仍具有较低的屈服强度和良好的变形能力，从而提高了横梁的疲劳耐久能力。

此外，管件的低合金设计，也使得横梁具有良好的焊接性能。在去应力退火过程中，退火温度控制在500～620℃，均热时间在20～120min，冷却方式采用空冷冷却，进一步提高横梁的疲劳耐久性能的同时，能耗较低，性能稳定，生产成本较低。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法，其特征在于，所述超高强度扭力梁横梁的制作方法包括：

焊管：根据横梁的尺寸大小，钢板通过制管设备弯曲成相应尺寸的圆管，再进行焊接，获得封闭的圆管；

预成型：将所述圆管进行冷冲压成形，从而获得具有扭力梁型面特征的横梁半成品；

内高压成形：将所述横梁半成品的两端进行充液，充液后密封，加压胀形，两端冲头推进补料，使得管材贴靠模具，从而得到横梁成品；

去应力退火：所述横梁成品在成形后需要进行去应力退火处理。

2.如权利要求1所述的疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法，其特征在于，所述管件的抗拉强度在达到780～920MPa的同时，屈服强度达到600～730MPa，且屈服强度与抗拉强度之比不超过0.86，延伸率达到11％以上。

3.如权利要求1所述的疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法，其特征在于，所述焊管采用的焊接方式为高频焊接或激光焊接。

4.如权利要求1所述的疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法，其特征在于，所述去应力退火采用的退火温度为500～620℃，保温时间为20～120min，冷却方式选择为空冷冷却。

5.如权利要求1所述的疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法，其特征在于，所述圆管的化学成分按重量百分比为C含量≤0.10％，Si含量≤0.6％，Mn含量1.00～2.00％，P含量≤0.02％，S含量≤0.02％，Al含量0.01～0.10％。

6.如权利要求4所述的疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法，其特征在于，所述圆管的化学成分中还含有Cr含量0.01-1.0％和Mo含量0.01-0.5％的至少其中之一。

7.如权利要求5所述的疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法，其特征在于，所述圆管的化学成分中还含有Nb含量0.01-0.1％，V含量0.01-0.2％和Ti含量0.01-0.2％的至少其中之一。

8.如权利要求4所述的疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法，其特征在于，所述圆管的化学成分中C、Si、Mn、P和S的含量应满足C+Si/30+Mn/20+2P+4S≤0.24。

9.如权利要求3所述的疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法，其特征在于，在所述去应力退火之后，在所述横梁成品的横梁本体上取拉伸样，进行力学性能测试；将所述横梁成品焊接成扭力梁总成，进行台架试验。

10.如权利要求8所述的疲劳性能优异的扭力梁横梁的制作方法，其特征在于，所述力学性能测试采用拉伸试验，所述拉伸样取自所述横梁本体的中部，所述拉伸样的方向平行于所述横梁的长度方向，测试温度为20-30℃；

所述台架试验采用位移控制，位移要求为±49mm，频率为2Hz。