TWI811095B - 空心穩定桿製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種空心穩定桿製造方法，關於管胚的製備，包括：選擇鋼材進行拉
伸試驗；根據目標抗拉強度，求得鋼材的抽管前抗拉強度、特徵參數、目標延伸係數、目標截面積縮減率；求得管胚外徑與厚度的關係；選擇目標管胚尺寸；選擇鋼材尺寸；高頻焊接成該目標管胚。
Description
本發明關於一種汽車空心穩定桿的製造方法，尤其是一種關於有縫焊接的汽車空心穩定桿的製造方法。
汽車用空心穩定桿的高頻焊管管胚傳統工藝(CN109423580和CN110038913)步驟如下：制管->退火熱處理->打頭->酸洗->皮膜皂化->抽管(依管胚尺寸採1~3次)->切頭尾->正火熱處理->矯直->探傷->切斷。其中制管後的退火熱處理，目的在改善焊縫組織，使其接近母材以利後續抽管。抽管後的正火熱處理，目的在調整材料組織，使其滿足機械性能需求。
在熱處理工藝方面，空心穩定桿對表面質量要求極高，不得存在過厚的脫碳層和微裂紋，以保證其抗疲勞性能。傳統熱處理採用連續爐或批次爐，在鋼的A1或A3變態點溫度以上，持溫一段時間來改變材料組織。溫度愈高或持溫時間愈長，表面的脫碳和氧化情況愈嚴重。現有工藝常藉由氣氛保護，降低脫碳和氧化的發生，相對增加生產成本。
在表面處理工藝方面，傳統熱處理後會進行酸洗，移除表面過燒的氧化層，後再執行皂化，使其表面產生一層縝密的潤滑膜，提供抽管時的潤
滑用途。經磷化和皂化處理的溶液，需經過中和淨化後再排放，方得降低汙染風險。
在抽管工藝方面，傳統採多次抽拉，每次抽管之間需進行製程退火，不易提升抽管後的抗拉強度，且需付出較高的生產成本。
為了減少抽管的次數，本發明之一實施例提出一種空心穩定桿製造方法，關於管胚的製備，包括：選擇一鋼材及該鋼材之一目標抗拉強度；利用拉伸試驗得到該鋼材的截面積縮減率-抗拉強度之一拉伸關係，和一抽管前抗拉強度a；藉由該拉伸關係，以lnY=lna+n*lnX為基礎進行曲線擬合，其中Y為該鋼材之一抗拉強度，X為該鋼材截面積縮減率所對應之一延伸係數，得到該鋼材之一特徵參數n；根據該目標抗拉強度、該抽管前抗拉強度a、該特徵參數n，得到該鋼材之一目標延伸係數；根據該目標延伸係數，得到一截面積目標縮減率RA；根據一管胚厚度關係式t*(D-t)=(1-RA)* t0*(D0-t0)，得到一D0對t0之關係，其中D為將該鋼材製成一管胚後，再經過抽管之一目標外徑，t為該管胚抽管後之一目標壁厚，D0為該管胚之一管胚外徑，t0為該管胚之一管胚厚度；根據該D0對t0之關係，選擇一目標管胚尺寸；
根據該目標管胚尺寸，選擇一目標鋼材尺寸，將該鋼材卷製成型，然後高頻焊接成該目標管胚。
10:選擇鋼材進行拉伸試驗
11:得到該鋼材的截面積縮減率-抗拉強度的拉伸關係，和抽管前的抗拉強度
12:以統御方程式為基礎，透過曲線擬合得到該鋼材的特徵參數
13:得到該鋼材的目標延伸係數
14:得到該鋼材截面積之目標縮減率
15:得到D0對t0之關係，D0為該管胚之管胚外徑，t0為該管胚之管胚厚度
16:選擇目標管胚尺寸
17:選擇鋼材尺寸
18:高頻焊接成該目標管胚
30:管胚
31:輥模
32:輥模
33:輥模
34:感應線圈
200:製管
201:第一感應熱處理
202:打頭
203:浸油潤滑
204:抽管
205:裁切
206:第二感應熱處理
207:矯直
208:探傷
209:短管
210:防鏽
圖1為本發明之一實施例，汽車穩定桿製造方法之一流程圖。
圖2為本發明之一實施例，截面積縮減率-抗拉強度之關係圖。
圖3為本發明之一實施例，利用曲線擬合求得鋼材特徵參數之示意圖。
圖4為本發明之一實施例，汽車穩定桿製造方法之一流程圖。
圖5為本發明之一實施例，高頻焊接裝置之示意圖。
圖6為本發明之一實施例，管胚之示意圖。
參考圖1，一種製造汽車空心穩定桿的方法，關於管胚的製備，於一實施例包括：步驟10，選擇鋼材，感應熱處理後進行拉伸試驗；步驟11，得到該鋼材的截面積縮減率-抗拉強度的拉伸關係，和抽管前的抗拉強度；步驟12，以統御方程式為基礎，透過曲線擬合得到該鋼材的特徵參數；步驟13，得到該鋼材的目標延伸係數；步驟14，得到該鋼材截面積之目標縮減率；步驟15，得到D0對t0之關係，D0為該管胚之管胚外徑，t0為該管胚之管胚厚度；步驟16，選擇目標管胚尺寸；步驟17，選擇鋼材尺寸；步驟18，高頻焊接成該目標管胚。
步驟10，選擇錳硼鋼做為汽車用空心穩定桿的鋼材及該鋼材的目標抗拉強度，於一實施例，以質量百分比而言，鋼材包括：碳C：0.20~0.40%、矽Si：0.15~0.40%、錳Mn：1.1~1.5%、鋁Al：0.01~0.06%、鉻Cr：0.05~0.3%、鈦Ti：0.01~0.06%、硼B：0.001~0.005%、限制磷P在0.02%以下、限制硫S在0.01%以下、限制氮N在0.01%以下，其餘由鐵Fe和不可避免的雜質構成。
於一實施例，將上述鋼材卷製高頻焊接成管，即為管胚。參考圖6，管胚包括母材1和焊道2。參考表1，對管胚進行兩種不同溫度區間的感應熱處理，分別為700~830度C及830~960度C，然後進行拉伸試驗。由表1管胚感應熱處理前後機械性能比較表可見，兩種不同溫度區間的感應熱處理，都可以讓焊道2及母材1的機械性質，例如抗拉強度、降伏強度、延伸率，都趨於一致。其中，焊道2在感應熱處理後，延伸率大幅的提升，延展性能大有改善。於一實施例，管胚經過感應熱處理之後，以拉伸試驗得到抽管前的抗拉強度a。
步驟11及12，於一實施例，感應熱處理後的管胚，針對不同的截面積縮減率，分別進行拉伸試驗，可以得到截面積縮減率和抗拉強度之間的拉伸關係，其關係圖參考圖2。RA1、RA2、RA3、RA4、RA5，分別代表由小到大的
截面積縮減率。圖2中，實線為管胚中母材的數據，虛線為焊道的數據。於一實施例，當縮減率為0時，Y軸的截距即為鋼材抽管前的抗拉強度a。
利用統御方程式Y=a*Xn，Y為抗拉強度，X為管胚的延伸係數，定義X=1/(1-RA)，RA為截面積縮減率，可以得到lnY=lna+n*lnX，n為管胚的特徵參數。針對不同的縮減率，其抗拉強度和延伸係數分別取對數，得到圖3的實驗數據(實線)，再對於實驗數據進行曲線擬合(curve fitting)。擬合後的直線(虛線)，其斜率即為管胚的特徵參數n。
步驟13，利用lnY=lna+n*lnX，依據曲線擬合求得的管胚抽管前的抗拉強度a和管胚的特徵參數n，還有目標抗拉強度，可以求得目標延伸係數。
步驟14，利用管胚的延伸係數X=1/(1-RA)，可以得到管胚的目標截面積縮減率。
步驟15，根據管胚厚度關係式t*(D-t)=(1-RA)* t0*(D0-t0)，得到D0對t0之關係，其中D為將該鋼材製成一管胚後，再經過抽管之一目標外徑，t為該管胚抽管後之一目標壁厚，D0為該管胚之一管胚外徑，t0為該管胚之一管胚厚度。於一實施，選定鋼材及鋼材抽管後的目標抗拉強度，透過上述流程依序可以得到鋼材抽管前的抗拉強度a、鋼材的特徵參數n、目標延伸係數、目標截面積縮減率，然後將目標截面積縮減率帶入此關係式中的RA，再搭配目標外徑D、目標壁厚t，就可以得到D0對t0的關係。
步驟16，根據D0對t0的關係，選擇管胚的目標尺寸及對應的目標鋼材尺寸。可能為選定t0，再根據對應的D0製作一模具；亦或是選定D0，再根據對應的t0選擇該管胚的鋼材厚度。如此，可由鋼帶厚度，推導出高頻焊管的管徑，選擇適當的製管模具。也可由現有的製管模具對應的管徑，採購適當的鋼帶厚
度。於一實施例，由既有的制管模具，向鋼廠下訂需要的鋼捲板厚，或者是由既有鋼捲的板厚，決定管胚的管徑，再開發制管的模具。
步驟17，將符合目標鋼材尺寸的鋼材卷製成型，然後高頻焊接成目標管胚。如此，管胚尺寸可藉由成品需求尺寸和機械性能逆推獲得。
參考圖4，一種製造汽車空心穩定桿的方法，於一實施例包括：步驟200，製管；步驟201，第一感應熱處理；步驟202，打頭；步驟203，浸油潤滑；步驟204，抽管；步驟205，裁切；步驟206，第二感應熱處理；步驟207，矯直；步驟208，探傷；步驟209，短管；步驟210，防鏽。
步驟200，鋼材卷製成型之後，參考圖5，管胚30左側為經過感應圈34高頻感應加熱後的開口管，因受到集膚效應和鄰近效應，熱量集中於開口端兩側，通過右側輥模31、32、33的擠壓，使材料熔融結合，再分別通過內刮和外刮裝置，刮除擠壓後產生的焊瘤，使得鋼管焊縫處的內、外表面光滑平順，壁厚均勻。完成內、外刮的焊管通過定徑段的輥模滾軋，控制外徑尺寸和直度。定徑成形後的高頻焊管通過線上偵測裝置，檢查焊縫品質，確保無開裂或融合不足現象。最後藉由飛鋸切出下料長度，運送至落料台堆疊裝捆，待轉後續熱處理。
步驟201，第一感應熱處理來進行管胚退火，採用感應加熱方式，感應線圈圈數1~3圈，加熱頻率3~30kHz，將鋼管加熱至700~960度C的熱處理溫度，使鋼管以固定速率通過線圈，自然空冷。管胚焊縫經退火後的不存在麻田散鐵組織，組織為肥粒鐵和波來鐵，機械性質均勻。熱處理後具有如下的機械性能：抗拉500~650MPa、降伏強度350~500MPa、延伸率25%以上，以及如下的組織特性：晶粒度優於8級、表面脫碳層在40um以下、表面氧化層在10um以下。
於一實施例，將鋼管加熱至兩種相異溫度，一為700~830度C、另一為830~960度C。由試驗結果可知，鋼管經過上述之兩組參數的熱處理後，焊縫處的機械性能均接近母材，兩組參數都可達到焊縫優化目的。
步驟202，對鋼管頭部進行縮徑，使得縮徑後的鋼管頭部能夠進入拉拔模具中，方便抽管時夾持，為拉拔做準備。
步驟203，因採感應熱處理，加熱時間極短，無表面過燒的氧化層，抽管前直接浸入拉拔油來潤滑，不做磷化和皂化處理，直接以油抽方式進行抽管。
步驟204，抽管工藝，係將管胚退火後完成打頭和潤滑的鋼管，放置於臥式抽管設備上，抽管前的鋼管長度介於4~7米，單次拉拔1~3根。採用一次抽管，減縮率在25~35%，抽管速度10~25m/min，抽管後鋼管長度介於6~10米。抽管後的直管符合如下的尺寸精度：外徑公差+/-0.10mm以內、壁厚公差+/-0.10mm以內、圓度外徑公差0.08mm以內、表面粗糙度Ra3.2以內，以及如下的機械性能：抗拉強度800~900MPa、降伏強度500~780MPa、延伸率8%以上。抽管後的直管，經壓扁測試，壓扁至原管徑的86%才出現開裂；經擴口測試，相對原管徑擴口增加38%才出現開裂。
步驟205，裁切為去除打頭端的長度。
步驟206，第二感應熱處理進行精抽管退火。採用感應加熱方式處理精抽後符合尺寸的直管，加熱頻率3~30kHz，以500~750度C的熱處理溫度，進行退火，使退火後直管具有如下的機械性能：抗拉550~750MPa、降伏強度350~500MPa、延伸率15%以上，以及如下的組織特性：晶粒度優於8級、表面脫碳層在40um以下、表面氧化層在10um以下，以及如下的尺寸精度：外徑公差+/-0.10mm以內、壁厚公差+/-0.10mm以內、圓度外徑公差0.08mm以內、直度1mm/1m
以內、表面粗糙度Ra3.2以內。經熱處理後的直管，經壓扁測試，壓扁達原管徑的50%才發生開裂；經擴口測試，擴口率達32%尚未出現開裂，滿足允收規格28%。
步驟207，於一實施例，使用多個輥模來進行矯直。
步驟208，於一實施例，使用渦流與超聲波來對鋼管內外表面進行無損探傷。
步驟209，將鋼管裁切到最終指定交貨長度。
步驟210，進行防鏽處理。
10:選擇鋼材，感應熱處理後進行拉伸試驗
11:得到該鋼材的截面積縮減率-抗拉強度的拉伸關係，和抽管前的抗拉強度
12:以統御方程式為基礎，透過曲線擬合得到該鋼材的特徵參數
13:得到該鋼材的目標延伸係數
14:得到該鋼材截面積之目標縮減率
15:得到D0對t0之關係，D0為該管胚之管胚外徑，t0為該管胚之管胚厚度
16:選擇目標管胚尺寸
17:選擇鋼材尺寸
18:高頻焊接成該目標管胚
Claims (10)
- 一種空心穩定桿製造方法，包括：選擇一鋼材及該鋼材之一目標抗拉強度；利用拉伸試驗得到該鋼材的截面積縮減率-抗拉強度之一拉伸關係，和一抽管前抗拉強度a；藉由該拉伸關係，以lnY=lna+n*lnX為基礎進行曲線擬合，其中Y為該鋼材之一抗拉強度，X為該鋼材截面積縮減率所對應之一延伸係數，得到該鋼材之一特徵參數n；根據該目標抗拉強度、該抽管前抗拉強度a、該特徵參數n，得到該該鋼材之一目標延伸係數；根據該目標延伸係數，得到一截面積目標縮減率RA；根據一管胚厚度關係式t*(D-t)=(1-RA)* t0*(D0-t0)，得到一D0對t0之關係，其中D為將該鋼材製成一管胚後，再經過抽管之一目標外徑，t為該管胚抽管後之一目標壁厚，D0為該管胚之一管胚外徑，t0為該管胚之一管胚厚度；根據該D0對t0之關係，選擇一目標管胚尺寸；根據該目標管胚尺寸，選擇一目標鋼材尺寸，將該鋼材卷製成型，然後高頻焊接成該目標管胚。
- 如請求項1所述之方法，其中根據該D0對t0之關係，選擇一管胚尺寸步驟，包括選定D0，再根據t0採購一產品鋼材。
- 如請求項1所述之方法，其中根據該D0對t0之關係，選擇一管胚尺寸步驟，包括選定t0，再根據D0製作一模具。
- 如請求項1所述之方法，高頻焊接成該管胚之後，進一步包括：對該管胚進行第一感應熱處理，然後直接浸油潤滑，再接著進行抽管。
- 如請求項4所述之方法，該第一感應熱處理步驟，包括提供一加熱頻率3KHz~30KHz，及一加熱溫度700度C~960度C。
- 如請求項4所述之方法，該管胚第一感應熱處理步驟，包括於該管胚形成一表面脫碳層小於40um、及一表面氧化層小於10um，以及如下的組織特性：晶粒度優於8級，以及如下的機械性能：抗拉500~650MPa、延伸率25%以上。
- 如請求項4所述之方法，該管胚抽管步驟，包括一次抽管就達成該截面積之目標縮減率RA，表面粗糙度Ra3.2以內，以及如下的機械性能：抗拉強度800~900MPa、延伸率8%以上。
- 如請求項4所述之方法，該抽管步驟之後，進一步包括對該管胚進行第二感應熱處理。
- 如請求項8所述之方法，該第二感應熱處理步驟，包括提供一加熱頻率3KHz~30KHz，及一加熱溫度500度C~750度C。
- 如請求項8所述之方法，該管胚第二感應熱處理步驟，包括於該管胚形成一表面脫碳層小於40um、及一表面氧化層小於10um，以及如下的機械性能：抗拉550~750MPa、降伏強度350~500MPa、延伸率15%以上，以及如下的組織特性：晶粒度優於8級。
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| US5180204A (en) * | 1990-09-20 | 1993-01-19 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | High strength steel pipe for reinforcing door of car |
| US8293037B2 (en) * | 2009-01-19 | 2012-10-23 | Sumitomo Metal Industries, Ltd. | Method for producing duplex stainless steel pipe |
| WO2021187408A1 (ja) * | 2020-03-18 | 2021-09-23 | Ｊｆｅスチール株式会社 | 電縫鋼管、その製造方法および自動車用構造部材 |
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2022
- 2022-09-07 TW TW111133969A patent/TWI811095B/zh active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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