ES2345029B1 - Componente estructural de un vehiculo y procedimiento de fabricacion. - Google Patents
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Abstract
Componente estructural de un vehículo y
procedimiento de fabricación.
La invención se refiere a un procedimiento para
la fabricación de un componente estructural de un vehículo, a partir
de una plancha de acero con revestimiento a base de aluminio y
silicio y de espesor comprendido entre 1 y 3 mm, que comprende
someter la plancha a una estampación en caliente, someter
posteriormente al menos una zona localizada y previamente
seleccionada de la plancha a un tratamiento térmico posterior,
irradiándola con un haz láser diodo de potencia comprendida entre
500 W y 6 kW hasta alcanzar una temperatura comprendida entre 400 y
900ºC, dejando enfriar a continuación la plancha, para alterar su
microestructura, dotando a dicha zona de un contenido en martensita
intencionadamente inferior y por consiguiente con un reducido límite
elástico y un mayor alargamiento en comparación con el de sus zonas
adyacentes no sometidas a dicho tratamiento térmico.
Description
Componente estructural de un vehículo y
procedimiento de fabricación.
La invención se refiere a un componente
estructural de un vehículo, obtenido a partir de una plancha de
acero con un revestimiento a base de aluminio y silicio, destinado a
formar parte de una estructura compleja como la estructura de un
vehículo automóvil. El componente estructural de la invención puede
ser, a título de ejemplo, uno cualquiera de la siguiente lista
abierta: un refuerzo de ventana, una viga de parachoques, un
refuerzo de montante de vano, un refuerzo de pilar central o un
refuerzo de puerta.
Dicho componente ha sido sometido durante su
proceso de obtención a un tratamiento específico para alterar su
microestructura en una zona localizada y previamente
seleccionada.
En el sector de la automoción está ampliamente
extendido el procedimiento de estampación en caliente para la
conformación de componentes estructurales del vehículo. Durante este
procedimiento se consigue con carácter simultáneo una alteración
homogénea de la microestructura del material metálico de partida y
conformar la pieza final según la forma deseada.
Así por ejemplo, la microestructura de planchas
de acero 22MnB5 de grosor entre 0,8 y 2,5 mm, utilizadas
frecuentemente en el sector de la automoción por sus prestaciones
mecánicas tras estampación en caliente, se transforma habitualmente
en dos etapas desde ferrita-perlita a austerita
mediante un tratamiento térmico específico seguido por una
transformación a fase martensítica durante su enfriamiento en las
prensas de estampación.
Con el propósito de obtener piezas con zonas
localizadas que tengan diferente dureza y ductilidad, recientemente
se han dado conocer variantes de los procedimientos habituales
mediante los cuales se consigue que zonas localizadas de las piezas
obtenidas no muestren una microestructura martensítica pura, lo que
causa que la pieza terminada sea ligeramente más dúctil que las
piezas obtenidas siguiendo el procedimiento habitual.
Esto se consigue reduciendo la velocidad de
enfriamiento, únicamente en aquellas zonas seleccionadas, a un ratio
por debajo del requerido de 27 K/s imprescindible para alcanzar un
microestructura martensítica pura.
Para la puesta en práctica de estas variantes de
los procedimientos habituales, los documentos de patente DE
102005032113 y EP 1715066 proponen el uso de prensas cuyas placas o
cuerpos de prensado están provistas, en zonas localizadas, de medios
calefactores para calentar las zonas deseadas de la pieza en curso
de fabricación así como de medios aislantes para que la energía
calorífica transmitida a dichas zonas sea controlada y
localizada.
Es un objetivo de la presente invención un
procedimiento alternativo para alcanzar el mismo resultado, así como
un componente estructural de un vehículo obtenible mediante el
procedimiento de la invención.
Otro objetivo de la presente invención es un
procedimiento que para su puesta en práctica no requiera del cambio
de utillajes para la operación de estampación en caliente. En otras
palabras, que no requiera la sustitución de las prensas que vienen
siendo utilizadas por prensas con sectores delimitados por elementos
aislantes y que incorporan medios calefactores.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, es
deseado que el procedimiento alternativo sea de aplicación para la
obtención de componentes estructurales obtenidos a partir de plancha
de acero Usibor 1500 P.
El procedimiento según la invención comprende la
operación de someter una lámina o plancha de acero con un
revestimiento a base de aluminio y silicio y de espesor comprendido
entre 1 y 3 mm a una operación previa de conformación en caliente
por estampado.
En esencia, el procedimiento se caracteriza
porque comprende la operación posterior de someter al menos una zona
localizada y previamente seleccionada de dicha plancha a un
tratamiento térmico posterior, irradiándola con un haz láser diodo
de potencia comprendida entre 500 W y 6 kW hasta alcanzar una
temperatura comprendida entre 400ºC y 900ºC, dejando enfriar a
continuación la plancha, para alterar su microestructura, dotando a
dicha zona de un contenido en martensita intencionadamente inferior
y por consiguiente con un reducido límite elástico y un mayor
alargamiento en comparación con el de sus zonas adyacentes no
sometidas a dicho tratamiento térmico.
Según otra característica de la invención, con
posterioridad a ser sometida al tratamiento térmico posterior, la
plancha se deja enfriar a temperatura ambiente o es sometida a una
operación de enfriamiento controlado en la que la velocidad de
enfriamiento es igual o inferior a 10ºC/s.
De acuerdo con otra característica de la
invención, el tratamiento térmico posterior se realiza trazando
sobre la plancha y mediante un haz de sección transversal
paralelepipédica una figura predeterminada, siendo la velocidad de
avance del haz láser de 4 a 20 mm/s.
En una variante preferida, el procedimiento
comprende la operación de irradiar con el haz láser una misma zona,
o al menos parte de ella, más de una vez.
Según otra característica del procedimiento, se
dota a la zona localizada de una microestructura mayoritaria o
totalmente compuesta por ferrita, perlita, martensita revenida o una
mezcla de algunas de las anteriores.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se
da a conocer un componente estructural de un vehículo, constituido
por una plancha de acero con un revestimiento a base de aluminio y
silicio, de espesor comprendido entre 1 y 3 mm, que habiendo sido
sometida a una operación previa de conformación en caliente por
estampado, comprende al menos una zona localizada, que no está
destinada a ser unida por soldadura a una pieza contigua de
similares características, que ha sido selectivamente sometida a un
tratamiento térmico posterior mediante un haz láser diodo de alta
potencia seguido de una etapa de enfriamiento para alterar su
microestructura, dotando a dicha zona de un contenido en martensita
intencionadamente inferior y por consiguiente con un reducido límite
elástico y un mayor alargamiento en comparación con el de sus zonas
adyacentes no sometidas a dicho tratamiento térmico posterior.
Según otra característica del componente
reivindicado, la estructura de dicha zona localizada es de base
ferrita y perlita, habiéndose eliminado la estructura en martensita
obtenida de la conformación en caliente.
En una variante de la invención, la plancha que
constituye el componente comprende varias zonas localizadas, en
forma de motas, manchas o franjas, adyacentes entre sí y en un
número suficiente para modificar las propiedades mecánicas de la
plancha, tal como su resistencia a tracción, cuando es integrada en
una estructura compleja, por ejemplo la estructura de un vehículo
automóvil.
Según otra característica de la invención, la
resistencia a tracción del componente acabado es entre un 30% y un
50% de la resistencia a tracción medida después de la conformación
en caliente.
En una variante de interés, la plancha a partir
de la cual se obtiene el componente acabado es de acero al boro, y
su resistencia a tracción medida después de la conformación en
caliente, está comprendida entre 1200 MPa y 1600 MPa.
En los dibujos adjuntos se ilustra, a título de
ejemplo no limitativo, un componente estructural en forma de
refuerzo central de un vehículo automóvil y diferentes variantes de
una zona localizada, selectivamente irradiada con un haz láser para
la puesta en práctica de la invención. En concreto:
La Fig. 1 es una vista en planta de un refuerzo
central, en la que se ha señalado en sombreado una parte que ha sido
irradiada de forma selectiva con un haz láser según la
invención;
La Fig. 2 es una vista en planta de otro
refuerzo central, en la que se han señalado en sombreado cuatro
partes que han sido irradiadas de forma selectiva con un haz láser
según la invención;
La Fig. 3 es una vista esquemática de varias
formas que puede tener el haz del láser utilizado para irradiar las
zonas localizadas;
Las Figs. 4 y 5 muestran dos posibles variantes
para la formación de zonas localizadas irradiadas con un haz láser
destinadas a modificar las propiedades mecánicas de la plancha
estampada, con una distribución en forma de ondas y con otra a base
de puntos cuadrados adyacentes formando una línea en zigzag; y
Las Figs. 6 y 7 muestran en detalle dos ejemplos
de irradiación con láser de una de las zonas laterales localizadas
de la Fig. 2, presentando en ambos casos una distribución lineal a
base de puntos irradiados separados entre sí, con una forma ovalada
y con una forma cuadrada, respectivamente.
En la Fig. 1 se ha representado un refuerzo
central de un vehículo automóvil en el que, para compresión del
lector, se ha señalado en forma de sombreado la parte que, de forma
localizada, comprende al menos una zona localizada que ha sido
sometida a un segundo tratamiento térmico para alterar su
microestructura. Mientras que la parte del refuerzo central no
sombreada no ha sido sometida a ningún tratamiento térmico con
posterioridad al procedimiento convencional de estampación en
caliente para la conformación del componente, habiéndose
transformado su microestructura original hasta una microestructura
en martensita, al menos parte de la superficie de la zona sombredad
ha sido sometida, con posterioridad a la estampación en caliente del
componente, a un segundo tratamiento térmico irradiándola con un haz
láser diodo de potencia comprendida entre 500 W y 6 kW hasta
alcanzar una temperatura comprendida entre 400ºC y 900 SC,
habiéndose dejado enfriar a continuación el componente de forma
controlada a una velocidad comprendida entre 1ºC/s y 10ºC/s dotando
a dicha zona de un contenido en martensita intencionadamente
inferior, y por consiguiente con un reducido límite elástico y un
mayor alargamiento, en comparación con el de sus zonas adyacentes no
sometidas a dicho tratamiento térmico, no sombreadas en la Fig.1. A
diferencia de la Fig. 1, en la Fig. 2 el refuerzo central de un
vehículo automóvil comprende en total cuatro zonas localizas que han
sido sometidas al mismo tratamiento descrito para la Fig. 1.
En un primer ejemplo de realización, el
componente está formado por una pieza estampada en caliente a partir
de una chapa original de acero Usibor 1500 P de 1,7 mm de espesor y
la parte sombreada del componente comprende una única zona
localizada de 200 cm^{2} que se irradió posteriormente con un haz
láser de 6 KW de potencia, a una velocidad de avance de 8 mm/s,
siendo el formato de láser de los que irradian superficies a base de
puntos con una superficie variable de 1800 mm^{2} aproximadamente
y habiéndose elevado su temperatura hasta alcanzar 680ºC. Después de
alcanzarse dicha temperatura, se dejó enfriar el componente en un
entorno a temperatura ambiente.
Ensayos realizados con este ejemplo práctico
permitieron obtener un componente acabado con un valor de
resistencia a la tracción del metal de 740 MPa, lo que representa
una reducción del 50% respecto de la resistencia a tracción de un
componente análogo desprovisto de zona localizada sometida a un
tratamiento térmico posterior a la estampación en caliente del
componente. Por lo que respecta al alargamiento, con el tratamiento
por láser se consiguió un valor de A80 igual al 11%, lo que se
traduce en un aumento del alargamiento del 120% con respecto al
alargamiento de un componente análogo desprovisto de zona localizada
sometida a un tratamiento térmico posterior a la estampación en
caliente del componente.
En un segundo ejemplo de realización, el
componente estaba formado por una pieza estampada en caliente a
partir de una chapa original de acero Usibor 1500 P de 1,3 mm de
espesor. La parte sombreada del componente comprendía una única zona
localizada irradiada con un haz láser de 500 W de potencia, a una
velocidad de avance de 8 mm/s, siendo la superficie irradiada de 100
cm^{2} con un formato de láser en forma de puntos con una
superficie de 510 mm^{2} aproximadamente. La temperatura del láser
durante la irradiación alcanzó los 650ºC y posteriormente el
componente se dejó enfriar a temperatura ambiente. Ensayos
realizados con este ejemplo práctico permitieron obtener un
componente acabado con un valor resistencia a la tracción del metal
de 623 MPa, lo que representa una reducción del 58% respecto de la
resistencia a tracción que muestra un componente análogo desprovisto
de zona localizada sometida a un tratamiento térmico posterior a la
estampación en caliente del componente. Por lo que respecta al
alargamiento, con el tratamiento por láser se consiguió un valor de
A80 igual al 6%, lo que se traduce en un aumento del alargamiento
del 20% con respecto al alargamiento de un componente análogo
desprovisto de zona localizada sometida a un tratamiento térmico
posterior a la estampación en caliente del componente.
Pruebas similares a las anteriores realizadas en
otros componentes sometidos al mismo procedimiento descrito,
irradiando una zona localizada con un haz láser diodo de potencia
comprendida entre 500 W y 6 kW, alcanzando una temperatura
comprendida entre 650ºC y 680ºC y utilizando un formato de láser en
forma de puntos con una superficie comprendida entre 1800 mm^{2} y
510 mm^{2}, dejando enfriar posteriormente el componente a
temperatura ambiente, han permitido obtener en la zona tratada del
componente valores óptimos del proceso en la reducción del límite
elástico y en el aumento del alargamiento, en concreto, un valor de
resistencia a la tracción del metal de 590 MPa y un valor de A80
igual al 11%.
Cabe mencionar que la zona o zonas localizadas
irradiadas con el láser pueden ser irradiadas según diversos
patrones de distribución, como los mostrados a modo de ejemplo en
las Figs. 4, 5, 6 y 7, y según sea el formato del haz del láser
utilizado (ver Fig. 3).
Claims (10)
1. Componente estructural de un vehículo,
constituido por una plancha de acero con un revestimiento a base de
aluminio y silicio, de espesor comprendido entre 1 y 3 mm, que
habiendo sido sometida a una operación previa de conformación en
caliente por estampado se caracteriza porque comprende al
menos una zona localizada, que no está destinada a ser unida por
soldadura a una pieza contigua de similares características, que ha
sido selectivamente sometida a un tratamiento térmico posterior
mediante un haz láser diodo de alta potencia seguido de una etapa de
enfriamiento para alterar su microestructura, dotando a dicha zona
de un contenido en martensita intencionadamente inferior y por
consiguiente con un reducido límite elástico y un mayor alargamiento
en comparación con el de sus zonas adyacentes no sometidas a dicho
tratamiento térmico posterior.
2. Componente según la reivindicación 1,
caracterizado porque la estructura de la zona localizada es
de base ferrita y perlita, habiéndose eliminado la estructura en
martensita obtenida de la conformación en caliente.
3. Componente según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
varias zonas localizadas, en forma de motas, manchas o franjas,
adyacentes entre sí y en un número suficiente para modificar las
propiedades mecánicas de la plancha, tal como su resistencia a
tracción, cuando es integrada en una estructura compleja, por
ejemplo la estructura de un vehículo automóvil.
4. Componente según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque su
resistencia a tracción es entre un 30% y un 50% de la resistencia a
tracción medida después de la conformación en caliente.
5. Componente según la reivindicación anterior,
caracterizado porque la plancha a partir de la cual se
obtiene el componente acabado es de acero al boro, y porque su
resistencia a tracción medida después de la conformación en
caliente, está comprendida entre 1200 MPa y 1600 MPa.
6. Procedimiento para la fabricación de un
componente estructural de un vehículo, tal como un vehículo
automóvil, a partir de una lámina o plancha de acero con un
revestimiento a base de aluminio y silicio y de espesor comprendido
entre 1 y 3 mm, que comprende la operación de someter la plancha a
una operación previa de conformación en caliente por estampado,
caracterizado porque comprende la operación posterior de
someter al menos una zona localizada y previamente seleccionada de
la plancha a un tratamiento térmico posterior, irradiándola con un
haz láser diodo de potencia comprendida entre 500 W y 6 kW hasta
alcanzar una temperatura comprendida entre 400ºC y 900ºC, dejando
enfriar a continuación la plancha, para alterar su microestructura,
dotando a dicha zona de un contenido en martensita intencionadamente
inferior y por consiguiente con un reducido límite elástico y un
mayor alargamiento en comparación con el de sus zonas adyacentes no
sometidas a dicho tratamiento térmico.
7. Procedimiento según la reivindicación
anterior, caracterizado porque con posterioridad a ser
sometida al tratamiento térmico posterior, la plancha se deja
enfriar a temperatura ambiente o es sometida a una operación de
enfriamiento controlado en la que la velocidad de enfriamiento es
igual o inferior a 10ºC/s.
8. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 6 ó 7, caracterizado porque el tratamiento
térmico posterior se realiza trazando sobre la plancha y mediante un
haz de sección transversal paralelepipédica una figura
predeterminada, siendo la velocidad de avance del haz láser de 4 a
20 mm/s.
9. Procedimiento según la reivindicación
anterior, caracterizado porque comprende la operación de
irradiar con el haz láser una misma zona, o al menos parte de ella,
más de una vez.
10. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 6 a 9, caracterizado porque la
microestructura de la zona localizada está mayoritaria o totalmente
compuesta por ferrita, perlita, martensita revenida o una mezcla de
algunas de las anteriores.
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