用於由高強度鋼和超高強度鋼製造成形部件的方法

2023-05-28 11:05:51 3

專利名稱：用於由高強度鋼和超高強度鋼製造成形部件的方法
用於由高強度鋼和超高強度鋼製造成形部件的方法本發明涉及一種用於由抗拉強度> 780MPa的高強度鋼和超高強度鋼製造部件 (例如，用於汽車窗框板(sillboard)、保險槓、側面防撞杆、安全零部件、支柱、頂軌、橫 梁、側梁、加強件(stiffners)、懸掛構件等)的方法，並且涉及通過所述方法製造的部件。已知將高強度鋼和超高強度鋼成形或變形以便由這些鋼製造部件。這些成形方法 可以包括例如深拉、衝壓(stamping)或軋製成形方法。這種類型的鋼材料的機械成形導致脆化現象的發生增加，這導致在剛成形時或者 一段時間後在材料中形成裂紋。這些裂紋形成被解釋為來自於環境中的氫在材料中的冶金夾雜物。這些夾雜物很大程度上受材料中的局部應力影響。所述氫夾雜物很大程度上出現 在經受拉伸應力的區域內。沒有或較少的夾雜物被發現在經受壓縮應力的區域內。當材料 的抗拉強度增加時，此影響被極大地放大。所述影響由於各種氫來源進一步地加劇，這可能阻礙表面塗層的使用或者還可能 產生品質低劣的部件。在用於製造這種類型的部件的標準方法中，特別在汽車工業中，例如，在壓制、衝 壓和深拉過程中，材料的製造中涉及非常高的拉伸負荷。然而，這種類型的脆化和裂紋不僅發生在非常強烈變形的區域，而且還發生在邊 緣區域中，即，在其中已經進行了切割或分割的區域。這種影響也可以歸因於切割區域中的 應力狀態和微細裂紋。然而，在焊接這種類型的高強度鋼和超高強度鋼時，也發生這種不利的氫脆。在焊 縫區域中，熱的影響和相應環境因素或氣氛的影響導致可歸因於氫脆的裂紋。儘管有這些 缺點，在汽車工業中還沒有這些高強度鋼和超高強度鋼的替代品，這是由於減重是當今汽 車工業的基本要求。然而，這種類型的重量減少只能夠通過使用顯著更高強度的鋼來實現。 然而，一個缺點是上述這些鋼的氫脆和性能意味著只可能達到一定的變形度，而這低於實 際需要的變形度。作為結果，所述成形受到相當多的限制並只能通過大的半徑和短的深拉 距離來實現。本發明的目的是提供一種用於由高強度鋼和超高強度鋼製造部件的方法，所述方 法可以用於達到高的變形度並避免脆化和裂紋。該目的通過具有權利要求1的特徵的方法實現。有利的改進在從屬權利要求中提供。本發明的另一個目的是提供由高強度鋼和超高強度鋼製成的部件，所述部件具有 高的變形度，而在其中沒有氫脆發生。該目標通過具有權利要求17的特徵的部件達到。有利的改進在從屬權利要求中進行描述。根據本發明，所述成形操作可以被用於通過在具有合適的工具設計的被稱為軋制 成形設備的裝置中，將由高強度鋼和超高強度鋼製成的部件變形來影響所述部件的應力狀 態，而沒有必要受到形狀和部件幾何結構方面的主要限制。
在這種情況下，在工件的所有區域中，S卩，在彎曲半徑區域中和邊緣區域中，以及 在焊縫處，都可以有利地避免已經描述過的缺點。為了影響帶材邊緣中的應力狀態並且為了避免這裡的氫脆，根據本發明，將所述 帶材邊緣頂鍛(upset-forged)或衝壓。根據本發明，此帶材邊緣衝壓或頂鍛或變形以例如 相對於垂線15°至60°的角度進行。在軋製成形設備中，在實際變形區域的帶材入口上遊、在變形區域中或在帶材出 口的變形區域下遊，在縱向定尺切割過程中軋制異型(roll-profiling)之前，通過異型輥 或斜置輥(obliquely disposed rollers)可以實現這種類型的變形、衝壓或頂鍛。根據本發明對於加工帶材邊緣(相對於帶材表面45°至90° )的另一種可能 性，為相應塑性變形區域不是提供通過壓縮應力來抵消，而是為相應部件在邊緣區域設置 過大尺寸，然後將所述過大尺寸通過銑削、磨削、刨削、刮削或其它加工工序去除。加工站 (machining stations)對應用於衝壓操作的加工站，其中可以使用直的或斜置加工輥或工 具。所去除的材料的量典型地在0.1至0.5mm之間。由此獲得的另一個優點為表面是平 滑的，因而避免了缺口。為了避免在部件的變形區域中的裂紋和氫脆，在軋製成形設備中的變形可以以上 升或下降的方式進行。術語上升或下降表示在軋製成形過程中，部件底部(base)相對於平 板的入口平面降低或上升。通過在軋製成形工序中適當地選擇成形方式(上升或下降)，根 據本發明，可以對部件中的應力狀態產生顯著的影響。在此情況下，成形方式可以為以部件 高度的0. 1至0. 6倍上升或者下降。另一個避免部件變形區域中的裂紋的方式是通過軋製成形設備中的中間輥進行 另外的變形，在這樣的情況下，這些中間輥在將要變形的區域中將部件拉伸至比獲得最終 的形狀基本上必需的程度更大的程度。隨後的異型(profiling)再次部分地降低這種拉 伸，因此可以通過隨後再引入的壓縮應力補償最初存在的拉伸應力。具體地，中間輥可以 被用於減少軋鋼機架(roller stand)間的回彈，在這樣的情況下，在相反方向上的過彎曲 (over-bending)，即拉伸應力的過度引入是可能的。這種類型的中間輥可以被安置在軋制 成形設備的整個變形區域上，即，在所有軋鋼機架之間。然而，具體地，這種類型的中間輥應 該存在於相應的成形階段(forming stage)的末端區域中或者存在於軋製成形設備的末端 區域中。在此情況下，距軋鋼機架的距離在100至300mm之間，並且優選使用圓柱輥。還可 以使用具有45°至90°錐角的錐形輥。還可以使用多個輥，在這樣的情況下，應該可以通過在水平和垂直方向上的調整 來優化過彎曲。根據本發明，為了避免在焊縫區域中的裂紋和氫脆，將帶材邊緣預加工以便特意 影響應力狀態。將拉伸應力轉變為壓縮應力或消除。此外，在焊接操作過程之中和之後，可以不接近潛在的氫源。所述加工可以包括切削成形加工，比如銑削、磨削、刨削或刮削，在這樣的情況下， 如在其它工藝中，壓縮應力也可以由相應的輥施加。可以藉助於直的或斜(15°至60° )置輥或工具來實現切削成形加工(相 對於帶材邊緣45°至90° )和壓縮應力的施加，在這樣的情況下，相應的影響措施可以發生在成形區域本身中、在成形區域的帶材入口上遊、軋製成形設備中定尺切割 (cutting-to-length)設備中軋制異型的上遊，或者在焊接之前在設備的帶材出口中成形 區域下遊。如果進行去除毛刺(chip-removing)或去除其它材料的加工操作，這同樣地在距 自由縱向邊緣0. 1至0. 5mm的距離處進行。此外，在熱處理過程中，可以進行邊緣區域中的熱引起的應力下降，以及上述的潛 在氫源和/或雜質的消除。本發明通過參考附圖以舉例的方式進行說明，在附圖中

圖1 顯示通過變形或衝壓對帶材邊緣中應力狀態的影響；圖2 示出根據本發明已進行衝壓或變形的帶材邊緣；圖3 顯示根據本發明去除帶材邊緣中具有拉伸應力的區域；圖4 顯示軋製成形設備中的上升或下降變形；圖5 顯示根據本發明藉助於軋製成形設備中的中間輥的變形；圖6 顯示中間輥在帶材上的操作；圖7 以高度示意性的形式顯示另一種用於通過衝壓或去除輥來加工帶材邊緣的 布置；圖8 具有在壁中的縱向開口和所述開口的焊接邊緣的管狀部分；圖9 顯示在軋製成形設備中在過度衝壓(over-stamping)的情況下的上升或下 降變形；圖10 ；以高度示意性的形式顯示在管的內部區域使用分離介質，以及在軋製成形 部和焊接部之間的潤滑介質隔開以防止氫接近；圖11 以高度示意性的形式顯示在即將進行焊接工序之前帶邊緣(edged)的帶材 的清潔和乾燥；根據本發明對帶材2的帶材邊緣1進行衝壓以便減小帶材邊緣1的區域中的拉伸 應力，可以例如使用具有楔形或V形接觸面4(圖1)的輥3進行，在這樣的情況下，這種類 型的輥3給邊緣1提供兩個頂鍛斜面(chamfer)。以這樣的方式，在敏感區域中出現的拉伸 應力由壓縮應力補償。這種類型的衝壓結果可以在圖2中看到，其中所述衝壓可以進行到 這樣的程度在縱向邊緣的自由端面5中材料被均勻地壓縮在一起，以使壓力在自由端面5 的整個區域全部均勻形成直至金屬板的中立斜面(neutralchamfer)。通過使用輥6 (圖3)去除板2或帶材2的自由縱向邊緣7的拉伸應力區域，也可 以消除自由縱向邊緣區域中的相應拉伸應力。在這樣的情況下，使用適當設計的具有磨削 面8的加工輥(tooling roller) 6或合適的工具，通過切削成形或磨削加工，進行所述去除 直至0. 1至0. 5mm的厚度。與上述方法中不同，這不導致縱向邊緣的任何變形，而當使板2 或帶材2和部件形成所需的尺寸時，將要去除的區域必須被考慮在內，S卩，需要形成相應的 過大尺寸。同樣為了確保金屬板部件的彎曲區域中的相應壓縮應力，根據本發明，在軋製成 形設備中提供成形模式，即從水平面(即板2的入口平面)向軋製成形設備中偏離。在此 情況下，偏離水平面可以為上升或者下降；圖4顯示了下降成形模式。根據本發明，已發現， 通過適當選擇軋製成形工序中成形模式(上升或下降)，可以顯著地影響部件中的應力狀態，特別是因為成形模式相應地對正在主要變形區域的區域中緩慢地變形的金屬板施加壓 力，並且此壓力補償了相應出現的拉伸應力。如圖5所示，作為備選或附加，最終的部件中的應力狀態可以在軋製成形工序中 通過中間輥來影響。在此情況下，中間輥10被安置在軋鋼機架11和最後的軋鋼機架12之 間，例如，朝軋製成形工序的末端距離最後的軋鋼機架12為100至300mm，造成彎曲區域13 的過彎曲或過度拉伸，所述過彎曲或過度拉伸然後通過在最後的軋鋼機架12中進行回彎 (bending-back)而被再次消除。此回彎補償存在於材料中的拉伸應力，因此在此情況下脆 化也被抑制。在將要焊接有縱向焊縫的管材14的情況下(圖8)，可以採用相同的機理以形成具 有低的應力或沒有任何應力的焊縫區域。因此，可以機械地消除縱向邊緣17、18的應力區 域或適當地頂鍛所述縱向邊緣17、18。使用關於邊緣的上側和下側彼此相反放置(圖7)並且相應地作用於邊緣的兩側 的輥15、16，可以進行這種類型的板2或管材14的應力區域的這種頂鍛或機械消除。關於 這一點，圖7中顯示的配置並不限於對焊縫邊緣的衝壓，而是毫無疑問地還可以用於加工 其它的異型邊緣。圖9再次顯示在此示例的各個變形步驟的情況下管材14的上升和下降變形機理。此外，在管材14的縱向焊接過程中，可以有利地影響氫的可能引入。例如，根據圖 10，可以相對於輸送方向25在實際(actual)焊接設備20比如雷射器20的上遊內部用惰 性氣體衝洗(flush)將要焊接有焊縫21的管材14，以便確保不含氫的保護氣體氣氛。為了 這個目的，可以將氣體衝洗探頭23伸入管材14中邊緣17、18之間，並通過噴嘴24放出衝 洗氣體22。為了消除來自於在前加工步驟的任何的殘留水或潤滑劑而不留下任何的殘留物， 還可以將刮器26安置在管材內部區域，防止焊接區域受到含有水蒸汽的氣氛的影響，並用 擦拭裝置27擦拭管材14內部。此外，可以加熱所述惰性氣體。如圖11所示，還可以相對於輸送方向25在實際焊接設備20上遊使用空氣流28 或相似的氣流，特別是熱氣流，適當地清潔和/或乾燥帶材邊緣17、18。(實施例1)對軋製成形的帽形槽鋼(hatchannel)的研究(實施例1-1)通過衝壓端部施加壓縮應力的實驗帽形槽鋼是通過下列方法製造的將具有1300MPa的抗拉強度的超高強度鋼帶輸 送到軋製成形線以使鋼帶通過軋鋼機架，使得成形輥作用於鋼帶上，從而進行軋製成形而 形成帽形槽鋼。檢查在軋製成形過程中用輥衝壓凸緣端以向凸緣端施加壓縮殘餘應力是否可以 補償凸緣部分的拉伸殘餘應力。衝壓角度被設置為相對於端面45度。作為結果，如圖2所示，已確認的是衝壓凸緣端在縱向上產生壓縮殘餘應力。將所獲得的帽形槽鋼在5%鹽酸中浸漬至多24小時的預定時間，以加速延遲斷裂 (5%鹽酸浸漬試驗)。浸漬後用眼睛評價帽形槽鋼中是否發生延遲斷裂。作為結果，甚至在 浸漬24小時後，也沒有發現延遲斷裂。
(實施例1-2)在軋製成形過程中通過中間輥控制鋼變形的實驗通過以與實施例1-1相似的方式將具有IOOOMPa的抗拉強度的超高強度鋼帶軋制 成形而製造帽形槽鋼，不同之處在於以下過程。換言之，代替實施例1-1中的衝壓，檢查在軋製成形中用安置在軋鋼機架之間的 導輥來控制凸緣部分的過彎曲和回彎是否可以減小凸緣部分的拉伸殘餘應力。所述過彎曲 的彎曲角比部件的彎曲角大20度。作為結果，在5%鹽酸浸漬試驗中，甚至在浸漬24小時以後，也沒有發現延遲斷 m農。(實施例1-3)通過下向成形(downhill-forming)控制鋼變形的實驗通過以與實施例1-1相似的方式將具有1300MPa的抗拉強度的超高強度鋼帶軋制 成形而製造帽形槽鋼，不同之處在於以下過程。換言之，代替實施例1-1中的衝壓，檢查在軋製成形過程中通過將鋼帶自平坦面 向下彎曲的成形方式控制凸緣部分的拉伸變形是否可以向帽形凸緣施加壓縮殘餘應力。在 向下方式中，從平坦面向下傾斜的尺寸設置為帽形材(hat)高度的30%。作為結果，在5%鹽酸浸漬試驗中，甚至在浸漬24小時以後，也沒有發現延遲斷 m農。(實施例1-4)通過磨削端部去除塑性變形區域的實驗通過以與實施例1-1相似的方式將具有1500MPa的抗拉強度的超高強度鋼帶軋制 成形而製造帽形槽鋼，不同之處在於以下過程。換言之，取代實施例1-1中的衝壓，檢查在軋製成形操作中通過磨削凸緣端面和 向下成形來去除和平滑化加工硬化層的組合是否可以減少凸緣端部夾雜的氫的量，其中在 所述下向成形中，自平坦面向下傾斜的尺寸被設置為帽形材高度的10%。磨削的寬度被設 置為 0. Imm 禾口 0. 3mm。作為5%鹽酸浸漬試驗的結果，甚至在浸漬24小時後，在兩種情況中也都沒有發 現延遲斷裂。(比較例1)在比較實驗中使用通過以下方法製造的帽形槽鋼將具有1300Mpa的抗拉強度的 超高強度鋼帶常規地軋製成形，而沒有特別地向塑性變形區域施加壓縮應力，並且沒有通 過磨削端部去除塑性變形區域。作為結果，在5%鹽酸浸漬試驗中，在已經浸漬24小時後，發現帽形槽鋼的凸緣部 分中出現延遲斷裂。(實施例2)對在軋製成形的方管中焊接的研究。(實施例2-1)通過惰性氣體保護管內部的實驗將具有1300MPa的抗拉強度的超高強度鋼帶輸送到軋製成形線，以使鋼帶通過軋 鋼機架，使得成形輥作用於鋼帶上，從而進行軋製成形而形成管材，所述管材的縱向末端彼 此面對並且限定在縱向上延伸的開口。在軋製成形過程中，用安置在軋鋼機架之間的中間 輥進行凸緣部分的過彎曲，所述過彎曲的彎曲角度比部件的彎曲角度大15度。接著，通過 雷射焊焊接開口，由此製造方管。檢查在用He氣保護管內部的同時焊接管是否可以防止雷射焊接後的脆化。
以預先確定的焊接速度進行雷射焊接後，評價方管的焊縫中是否存在脆化。作為 結果，焊縫中沒有出現脆化。(實施例2-2)從焊接部分去除水分和潤滑劑的實驗以與實施例2-1相似的方式，通過將具有1500MPa的抗拉強度的超高強度鋼帶軋 製成形並使用雷射焊而製造方管。然而，檢查通過在焊接前注入高壓空氣以去除存在於焊接部分中的水分和潤滑 劑，其後通過以與實施例2-1相似的方式在用He氣保護管內部的同時焊接該管，是否可以 防止雷射焊接後的脆化。作為結果，在焊縫中沒有出現脆化。(比較例2)通過使用標準的雷射焊焊接開口，將具有開口端的管材形成為方管，所述管材是 通過使用具有1300MPa的抗拉強度的超高強度鋼帶軋製成形的。此管被用於比較實驗中。作為結果，確認焊縫中出現脆化。作為結果，根據本發明的方法實現了在剛焊接後以及在壓縮試樣上都沒有裂紋的 非常好的焊接結果。本發明的優點在於在焊接邊緣區域中以及在部件彎曲邊緣區域中避免了氫脆和 相關的裂紋形成；所述軋製成形方法能夠特別有效地將這種類型的工藝步驟在線結合。
權利要求
一種用於由高強度鋼和超高強度鋼製造成形部件的方法，所述高強度鋼和超高強度鋼的抗拉強度大於780MPa，其中，將鋼板金屬帶材(2)進料到軋製成形設備中，並且在所述軋製成形設備中，使所述鋼板金屬帶材(2)經過軋鋼機架(11、12)，並且通過作用在所述鋼板上的變形輥變形，並且其中，為了避免在已變形的鋼板金屬帶材的塑性變形區域中的氫脆，通過衝壓和/或頂鍛和/或彎曲和/或過彎曲和回彎而引入壓縮應力。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，其中引入壓縮應力的區域為彎曲邊緣和/ 或彎曲區域和/或自由縱向邊緣。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，通過切削成形或磨削加工去除所述縱 向邊緣的所述塑性變形區域。
4.根據前述權利要求中的一項所述的方法，其特徵在於，在所述軋鋼機架(11、12)之 間存在另外的用於所述過彎曲和回彎的輥(10)。
5.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，通過銑削、磨削、刮削或刨削去除所述縱 向邊緣的所述塑性變形區域。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，從所述縱向邊緣去除0.1至0. 5mm的材料。
7.根據前述權利要求中的一項所述的方法，其特徵在於，將具有V形楔(4)的輥(3)或 以相應的方式作用於所述邊緣上的兩根輥(15、16)用於所述縱向邊緣(1)的所述衝壓或頂 鍛，以將斜面衝壓成所述自由縱向邊緣(1)的上側面和下側面。
8.根據前述權利要求中的一項所述的方法，其特徵在於，將被安置在所述變形軋鋼機 架(11、12)之間的直輥或錐形輥(10)用於異型段的所述過彎曲，特別是凸緣區域的過彎 曲，其中過彎曲輥(10)用於進行比成形所需的彎曲更大的彎曲，然後後面的軋鋼機架(12) 將所述過彎曲回彎成所需的部件幾何結構。
9.根據權利要6所述的方法，其特徵在於，以45°至90°的角度去除所述縱向邊緣的 材料。
10.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，將所述斜面以相對於垂直軸為15°至 60°的角度衝壓成所述邊緣。
11.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，以距所述後面的軋鋼機架(12)100至 300mm的距離安置所述過彎曲輥(10)。
12.根據權利要求8或11所述的方法，其特徵在於，與所需的部件幾何結構相比，以大 5°至30°的角度進行所述過彎曲。
13.用於由高強度鋼和超高強度鋼製造成形部件的方法，所述高強度鋼和超高強度鋼 的抗拉強度大於780MPa，其中將鋼板金屬帶材(2)進料到軋製成形設備中，並且在所述軋 製成形設備中，使所述鋼板金屬帶材(2)經過軋鋼機架(11、12)，並且通過作用在所述鋼板 上的變形輥變形，使所述板變形為具有縱向開口的開口管材，其中，所述管材的所述開口由 在焊接設備(20)中焊接有縱向焊縫(21)的兩個管材邊緣(17、18)限定，並且其中為了避 免已變形的鋼管的拉伸應力區域中的氫脆，實行根據前述權利要求中的一項或多項所述的 方法，和/或在實際焊接設備(20)的上遊內部採用惰性氣體(22)衝洗將配置有所述縱向 焊縫(21)的管材(14)，以確保不含氫的保護氣體氣氛。
14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，為了保護在所述焊接設備(20)附近的所述管材的內部區域至所述焊接設備(20)上遊的管材區域，將刮器(26)安置在所述管材 內部區域中，從而防止焊接區域受到含有水蒸汽的氣氛的影響，並用擦拭裝置(27)擦拭管 材(14)內部。
15.根據權利要求13或14所述的方法，其特徵在於，相對於輸送方向(25)，在所述焊 接設備(20)的上遊使用空氣流(28)或類似的氣流清潔並乾燥所述管材的所述邊緣(17、 18)。
16.根據權利要求15所述的方法，其特徵在於，用於清潔和/或乾燥所述邊緣(17、18) 的所述氣流為熱氣流。
17.通過根據前述權利要求中的一項所述的方法製造的部件，特別是異型部件，其特徵 在於，為了補償拉伸應力並且為了避免氫脆，所述部件具有衝壓的自由縱向邊緣，或磨削、 銑削、刨削或刮削的自由縱向邊緣和/或衝壓和/或頂鍛的彎曲區域。
全文摘要
本發明屬於一種用於由高強度鋼和超高強度鋼製造成形部件的方法，所述高強度鋼和超高強度鋼的抗拉強度大於780MPa，其中將鋼板金屬帶材(2)進料到軋製成形設備中，並且在所述軋製成形設備中，使所述鋼板金屬帶材(2)經過軋鋼機架(11、12)，並且通過作用在所述鋼板上的變形輥變形，並且其中為了避免在已變形的鋼板金屬帶材的塑性變形區域中的氫脆，通過衝壓和/或頂鍛和/或彎曲和/或過彎曲和回彎或者通過加工帶材邊緣而引入壓縮應力。
文檔編號B21D19/04GK101952066SQ200880127110
公開日2011年1月19日 申請日期2008年12月4日 優先權日2007年12月20日
發明者中山浩樹, 克里斯多福·多克納, 克里斯多福·鮑恩伯格, 奧村昌好, 弗朗茨·韋茨, 林田康宏, 格哈德·倫高爾, 渡邊憲一, 羅伯特·武爾策 申請人:株式會社神戶制鋼所