用於熱成形的高強度板材雷射加熱處理方法
2023-05-16 15:04:31 1
用於熱成形的高強度板材雷射加熱處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於熱成形的高強度板材雷射加熱處理方法。該方法是將預處理高強度板材放置於成形模具中支撐杆上，雷射源輸出雷射束掃描板材表面實施加熱，通過在線紅外測溫和三維坐標測量實時調整雷射源的技術參數以控制板材整體溫度及表面緻密產物層均勻分布。本發明方法具有操作工藝簡單、效率高、縮短熱成形工藝流程的特點，經實際測試證明，加熱效率高、氧化防護效果好。
【專利說明】用於熱成形的高強度板材雷射加熱處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及高強度板材熱成形【技術領域】，具體涉及一種用於熱成形的高強度板材雷射加熱處理方法。
【背景技術】
[0002]熱成形是一項專門用於製造高強度板材零件的技術，通過這種方法製得的零件，具有超高強度，良好的尺寸精度，可以提高零部件的碰撞安全性能，減輕整體部件重量，節能減排，近年來廣泛應用於汽車製造、航空航天等領域。
[0003]在熱成形工藝中，高強度板材需要被加熱到合適的溫度，比如鋼材需要加熱到奧氏體化溫度，然後在衝壓模具中同時進行快速衝壓成形和淬火，使成形零件獲得均勻分布的高性能微觀組織，或鈦合金板材需要加熱使屈服應力降低，滿足壓力機噸位要求。高強度板材熱成形工藝的關鍵問題之一是板材快速加熱到合適的溫度，現有技術大多都是採用加熱爐加熱後轉移到衝壓模具中，加熱速率低，操作繁瑣，生產線設備龐大；關鍵問題之二是板材的高溫氧化防護，高溫下的板材與空氣接觸，表面嚴重氧化，生成疏鬆氧化皮，即使在具有保護性氛圍的加熱爐中加熱，板材轉移到模具的過程中，也難以避免氧化，氧化皮在衝壓過程中容易脫落附著模具表面，可能損傷模具表面且清除麻煩，影響連續生產，還會影響零件的表面質量和尺寸精度，後續處理增加了生產成本。
[0004]目前，針對高強度板材在熱成形工藝中的快速加熱和高溫氧化問題，尚沒有行之有效的解決方法，僅涉及單一問題的解決技術。快速加熱主要採用加熱爐，要求加熱爐的升溫速率達到4°C /s，爐內需要通保護氣體避免板材在加熱過程中被氧化，且需要配置入口和出口輥道進行上下料、機械手運送加熱後的板材到模具，導致加熱爐設備體積龐大，造成熱衝壓工藝流程繁瑣。高溫氧化防護主要是在板材表面塗覆保護層，通過塗層消耗空氣中的氧氣或者阻隔板材與空氣接觸的方式，比如在鋼材表面鍍鋁、鋅或者鋁矽、鋁鋅塗層，或者採用高溫防氧化塗料。現有高溫氧化防護技術不僅增加了對板材進行防氧化處理的費用，而且成形之後為保證零件表面質量，需將塗層除去再處理，使得熱成形工藝更加複雜。
【發明內容】
[0005]本發明針對現有高強度板材熱成形技術存在的快速加熱和高溫氧化問題，提供一種用於熱成形的高強度板材雷射加熱處理方法，即快速加熱與表面處理的一體化方法，具有操作工藝簡單、效率高、縮短熱成形工藝流程的特點。
[0006]本發明的用於熱成形的高強度板材雷射加熱處理方法，將預處理高強度板材放置於成形模具中支撐杆上，雷射源輸出雷射束掃描板材表面實施加熱，通過在線紅外測溫和形狀測量實時調整雷射源的技術參數以控制板材整體溫度及表面緻密產物層均勻分布。
[0007]本發明中所述的雷射源可以是連續或脈衝，可以採用單一或多個協同。
[0008]本發明中所述的雷射束可以是均勻型或高斯分布型等模式，可以是圓形、矩形或環形等光斑形狀。[0009]本發明中所述的雷射束掃描板材表面可以是一道次或多道次重複，掃描過程可以是連續或間斷進行。
[0010]本發明中所述的高強度板材可以是純金屬、合金或金屬基複合材料。可以是塑性好的材料，也可以是脆性、難變形的材料。
[0011]本發明中所述的預處理高強度板材可以是板材表面塗刷一層黑色吸光材料，如黑漆、炭黑等，增加對雷射束的熱吸收係數，也可以是板材表面鋪置一層金屬或非金屬的一種或多種混合粉末，雷射加熱作用下鋪胃粉末與板材表面基體材料形成一層結合力強的均勻
熔覆層。
[0012]本發明中所述的調整雷射源的技術參數主要是雷射束的功率、移動速率、光斑直徑和掃描路徑。
[0013]本發明方法的技術優勢具體體現在:
[0014](I)操作工藝簡單，採用雷射輻射加熱方式，加熱過程易於控制，能夠根據工藝需要規劃加熱區域。
[0015](2)雷射束快速移動，掃描及熱影響區域板材表面迅速升溫並生成緻密氧化層或熔覆層，非掃描及熱影響區域僅通過熱傳導升溫，通過路徑規劃在達到氧化溫度前雷射束完成掃描並生成緻密氧化層或熔覆層，有效防止板材高溫氧化。
[0016](3)可以代替現有熱成形工藝中的加熱爐，並去掉加熱爐和壓機之間的運料機械手，大幅減少生產線裝備體積，縮短熱衝壓成形工藝流程。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是高強度板材雷射加熱處理工藝示意圖。其中:1.上模；2.塗覆層；3.板材；
4.支撐杆；5.下模；6.雷射束；7.XYZ三坐標工作檯；8.雷射發生器；9.控制系統；10.紅外測溫儀；11.形狀測量儀。
[0018]圖2是【具體實施方式】一中雷射束掃描路徑示意圖。圖中箭頭方向為雷射束移動方向，a為第一雷射束，b為第二雷射束。
[0019]圖3是【具體實施方式】二中雷射束掃描路徑示意圖。圖中箭頭方向為雷射束移動方向，a為第一雷射束，b為第二雷射束。
[0020]圖4是【具體實施方式】三中雷射束掃描路徑示意圖。圖中箭頭方向為雷射束移動方向，a為第一雷射束，b為第二雷射束，c為第三雷射束，d為第四雷射束。
[0021]圖5是【具體實施方式】四中雷射束掃描路徑示意圖。圖中箭頭方向為雷射束移動方向，a為第 雷射束，b為第二雷射束。
[0022]圖6是【具體實施方式】五中雷射束掃描路徑示意圖。圖中箭頭方向為雷射束移動方向，al為第一雷射束掃描第一道次，a2為第一雷射束掃描第二道次，a3為第一雷射束掃描第三道次，bl為第二雷射束掃描第一道次，b2為第二雷射束掃描第二道次，b3為第二雷射束掃描第三道次。
[0023]圖7是【具體實施方式】六中雷射束掃描路徑示意圖。圖中箭頭方向為雷射束移動方向，a為第一雷射束，b為第二雷射束。
[0024]圖8是【具體實施方式】七中雷射束掃描路徑示意圖。圖中箭頭方向為雷射束移動方向，a為第一雷射束，b為第二雷射束。【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖詳細說明本發明提出的技術方案的細節和工作情況。
[0026]圖1為本發明進行高強度板材雷射加熱處理工藝示意圖。模具包括上模(I)、下模
(5)、支撐杆(4)。板材(3)放置於支撐杆⑷上。控制系統(9)包括對XYZ三坐標工作檯
(7)、雷射發生器(8)、紅外測溫儀(10)、形狀測量儀(11)的信息輸入輸出，控制XYZ三坐標工作檯(7)移動、雷射發生器⑶發射雷射束(6)照射板材(3)、紅外測溫儀(10)測試板材(3)溫度分布、形狀測量儀(11)測試板材(3)表面塗覆層(2)厚度變化，整個過程的信息變化反饋回控制系統(9)，完成實時調控加熱處理。
[0027]【具體實施方式】一:本實施方式中採用TC4鈦合金方形板，尺寸為500mmX 500mmX 1.5_，表面清潔後塗覆炭黑，圖2是本實施方式雷射束掃描路徑示意圖，圖中箭頭方向為雷射束移動方向，a為第一雷射束，b為第二雷射束。第一和第二雷射束的功率為1000W，光斑直徑為1mm，移動速率20mm/s，加熱處理13.1s。上表面溫度範圍為960°C至1000°C，氧化層分布均勻，厚度約0.25 μ m，下表面溫度範圍為880°C至920°C，氧化層分布均勻，厚度約0.12 μ mo
[0028]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是採用圖3所示的雷射束掃描路徑,加熱處理9.4s。其它與【具體實施方式】一相同。
[0029]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是採用圖4所示的雷射束掃描路徑，圖中a為第一雷射束，b為第二雷射束，c為第三雷射束，d為第四雷射束，加熱處理5.7s。其它與【具體實施方式】一相同。
[0030]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是圓形板尺寸為Φ 500mmX 2mm,採用圖5所示的雷射束掃描路徑，加熱處理175.2s。其它與【具體實施方式】一相同。
[0031]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】四不同的是採用圖6所示的雷射束掃描路徑，圖中al為第一雷射束掃描第一道次，a2為第一雷射束掃描第二道次，a3為第一雷射束掃描第三道次，bl為第二雷射束掃描第一道次，b2為第二雷射束掃描第二道次，b3為第二雷射束掃描第三道次，第一雷射束的移動速率為20mm/s，第二雷射束的移動速率為13mm/s,加熱處理94.3s。其它與【具體實施方式】四相同。
[0032]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是工字型板採用圖7所示的雷射束掃描路徑，加熱處理81.7s。其它與【具體實施方式】一相同。
[0033]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】六不同的是採用圖8所示的雷射束掃描路徑，加熱處理84.8s。其它與【具體實施方式】六相同。
[0034]依據上述實施方式，本
【發明內容】
所述範圍均能實施，本發明不僅僅局限於上述實施方式。
[0035]本發明提供一種用於熱成形的高強度板材雷射加熱處理方法，經實際測試證明，加熱效率高、氧化防護效果好。
【權利要求】
1.用於熱衝壓成形的高強度板材雷射加熱處理方法，其特徵在於按以下步驟進行:將預處理高強度板材放置於衝壓模具上方支撐杆上，雷射源輸出雷射束掃描板材表面實施加熱，通過在線紅外測溫和三維坐標測量實時調整雷射源的技術參數以控制板材整體溫度及表面緻密產物層均勻分布。
2.根據權利要求1所述的用於熱衝壓成形的高強度板材雷射加熱處理方法，其特徵在於，所述雷射源可以是連續或脈衝，可以採用單一或多個協同。
3.根據權利要求1所述的用於熱衝壓成形的高強度板材雷射加熱處理方法，其特徵在於，所述雷射束可以是均勻型或高斯分布型等模式，可以是圓形、矩形或環形等光斑形狀。
4.根據權利要求1所述的用於熱衝壓成形的高強度板材雷射加熱處理方法，其特徵在於，所述雷射束掃描板材表面可以是一道次或多道次重複，掃描過程可以是連續或間斷進行。
5.根據權利要求1所述的用於熱衝壓成形的高強度板材雷射加熱處理方法，其特徵在於，所述高強度板材可以是純金屬、合金或金屬基複合材料。可以是塑性好的材料，也可以是脆性、難變形的材料。
6.根據權利要求1所述的用於熱衝壓成形的高強度板材雷射加熱處理方法，其特徵在於，所述預處理高強度板材可以是板材表面塗刷一層黑色吸光材料，如黑漆、炭黑等，增加對雷射束的熱吸收係數，也可以是板材表面鋪胃一層金屬或非金屬的種或多種混合粉末，雷射加熱作用下鋪置粉末與板材表面基體材料形成一層結合力強的均勻熔覆層。
7.根據權利要求1所述的用於熱衝壓成形的高強度板材雷射加熱處理方法，其特徵在於，所述調整雷射源的技術參數主要是雷射束的功率、移動速率、光斑直徑和掃描路徑。
【文檔編號】B21D37/16GK103551438SQ201310474309
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年9月28日 優先權日:2013年9月28日
【發明者】張鵬, 陳剛, 欒冬 申請人:哈爾濱工業大學（威海）