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冷轧钢板局部激光热处理实现汽车轻量化设计新方法

作者:   时间:2019-03-13 09:21

德国亚琛工业大学金属成形研究所(IBF)和弗劳恩霍夫激光技术研究所(ILT)将钢板冷轧与局部激光热处理工艺相结合,成功生产出具有定制成形性和碰撞性能的板材,同时为汽车轻量化设计提供潜在可能。

钢材的局部加热

目前的轻量化设计概念促进了高强度钢的开发,这通常涉及高强钢有限的可成形性。为了从钢材的高强度优势中受益,定制热处理坯料(THTB,TailorHeat TreatedBlanks)的方法是在实际成型过程之前局部恢复钢材的成形性。片材中的关键区域经受热处理,而其余区域保持其高强度。随后的成形操作在室温下进行。除了提高半成品的可成形性外,定制性能分布的调整可用于改善成品的功能并可能实现重量优势,因为与全部热处理相比,半成品金属板仅部分加热。因此相应的组件可以吸收更高的机械载荷。

虽然迄今为止THTB的方法主要应用于高强度的多相和马氏体钢以及淬硬钢,但亚琛工业大学金属成形研究所(IBF)和弗劳恩霍夫激光技术研究所(ILT)在一项联合研究项目中研究了成熟且具有成本效益的铁素体钢,如微合金钢。经过冷加工硬化工艺将这些钢材提升到超高强度钢的强度水平。然后可以借助局部热处理使得到的应变硬化部分溶解。在这个项目中,在控制性、精度和灵活性方面具有优势的激光处理用于局部的软化。

量身定制的性能

本项目研究的目的是通过冷轧和局部激光热处理相结合,在后续成型工艺或最终零件上使用的成型性和碰撞行为方面实现钢坯的定制性能,见图1。在可成形性和功能性的两个方面分别进行了研究。通过相应的模型实验-交叉模具的深拉伸和空心型材的碰撞试验-展示了轻量化设计和碰撞安全性的潜力。首先,确定用于局部热处理的合适的软化温度。通过拉伸测试和微结构分析来评估不同温度的影响。此外,以这种方式确定的材料数据用作各个模型实验的有限元(FE)模拟的输入变量。通过使用模拟,根据应用案例开发了潜在的软化策略,然后在实际实验中进行了验证。最后,证明了工艺优化和将局部激光热处理集成到现有生产链中的可能性。

热处理温度的确定

在冷轧过程中,微合金钢S550MC通过厚度减少60%减小到1.6mm,之后进行加工硬化。为了确定发生软化机制的合适温度范围,使用膨胀仪对加工硬化钢的样品进行类似于激光软化的短期热处理。室温下在膨胀仪的拉伸测试单元中评估所得的机械性能。复原,重结晶和相转变被认为是铁素体钢的软化机机理。另外,在微合金钢可能发生强化碳化物和氮化物化合物的溶解。如图2(左)所示,由于微合金化元素,在800℃短期热处理后发生明显的软化。随着温度升高,不连续屈服强度降低,并且成形性以牺牲强度为代价而增加。然而,在1150℃的温度下,观察到极限伸长率的降低,这可以归因于从球状结构到刺血针状结构的微观结构的变化,图2(右)。这表明与强度增加相关的贝氏体或马氏体形成。

改善成形性

交叉成形模具用来验证几何形状拉延性能的模拟证实,最大的薄板薄壁发生在壁面积和冲头半径上。进一步的模拟表明,这些潜在的破坏区域应保持在加工硬化状态,并且坯料的周围区域(后来形成凸缘和冲头底部)应进行热处理。引入的软化导致屈服应力的降低并且允许材料流入潜在的破坏区域,该缺陷区域由于应变硬化而在较高的应力下变形。已经优化以最小化薄板变薄的热处理布局1a和1b示意图见图3(左)。除了薄片化之外,软化区域的尺寸也对该方法的经济效率起决定性作用。因此,在热处理布局2中尝试减少软化区域而不牺牲相同程度的可成形性。

在实际实验中,验证了热处理布局对成形性的数值预测影响。为了评估可实现的拉伸深度,将局部热处理的坯料与完全应变硬化的坯料和在炉中退火的坯料进行比较。对于给定的坯料几何形状,应变硬化的试样不能在没有裂缝的情况下进行拉延。在所有其他测试系列中,可以确定最大拉深深度。正如预期的那样,可实现的拉深深度随着热处理区域的尺寸而增加,如图3(左)所示。值得注意的是,热处理布局2具有32%的热处理面积,可以实现完全热处理的试样的拉伸深度的一半。此外,在局部热处理的试样的情况下,可以从形成的交叉模具和光学应变测量中清楚地看到热处理区域的材料流动的期望效果,图3(右)。

提高碰撞性能

六角形剖面的碰撞试验模拟用于开发软化策略,首先考虑压碎的应变硬化碰撞盒的应变分布。图4(左)显示了投影到初始碰撞盒几何体上的应变分布。在这里可以看出,最大的应变沿着碰撞盒的弯曲边缘发生。为了增加能量吸收,低应变区域因此应保持在加工硬化状态,而高应变区域应进行热处理以避免不希望的失效模式。作为一种简单的热处理模式,弯曲边缘配有一个直线柔软区域,如图4(中间)所示。由于沿弯曲边缘的大部分应变超过20%,因此在此选择在1100℃下热处理的材料的流动曲线。这确保了该区域的必要成形性,如图2(左)所示。作为第二热处理图案,沿弯曲边缘的软化区域更精确地适应于波浪状应变分布。弯曲边缘的应变大于10%的所有区域定义为软化区域。选择该极限是因为应变硬化的试样在拉伸试验中失败,极限伸长率约为10%,如图2(左)所示。由于实施的软区域,折叠行为以及由此带来的应变分布与初始状态相比发生变化。因此,软化区域必须迭代地适应应变分布,最终的热处理模式如图4(右)所示。

在动态跌落塔测试中,将两个数值开发的热处理模式与完全退火的碰撞盒进行比较,以得出可能增加的能量吸收能力的结论。六角形碰撞盒每个都由两个弯曲的半壳组成,它们通过激光焊接连接,如图5所示。为了引起折叠的均匀弯曲,上排折叠是使用触发器预定义的,见图5(b)。碰撞试验在ForschungsgesellschaftKraftfahrwesen Aachen(fka)的试验台上进行。理论冲击速度约为36km/h,冲击能量约为12kJ。

为了评估三种碰撞盒变型,将吸收冲击能量所需的变形路径相互比较。较高的能量吸收能力来自相对较短的变形路径。正如预期的那样,与烤箱退火的碰撞盒相比,应变硬化和局部热处理的碰撞盒的变形路径可以减少,见图6.带有线条图案的热处理碰撞盒表现最佳,能够在比烘箱退火的碰撞盒短28%的变形路径上吸收相同的能量。因此,线图案具有比波图案更高的能量吸收能力。这是由于软化区域相对于加工硬化区域的比例较低,因此在高变形区域中具有较高的能量吸收。

即使波浪式局部热处理在直接比较中没有显示出比简单线条式加热有任何优势,这种应变适应特性提供了潜力。一方面,它可用于防止材料发生失效模式,另一方面,它提供了影响折叠形成位置的可能性。另外,碰撞盒的加工硬化的增加是有限的,因为这通常伴随着初始冲击力的增加。这可能会对发生碰撞时位于后面的结构部件产生负面影响。模拟结果表明,通过在较低温度下软化可以进一步提高能量吸收能力,并且通过引入轴向强度梯度也可以将初始冲击力保持在较低水平。

流程链整合

将激光热处理集成到现有工艺链中基本上有两种选择:在冷轧机的盘管上或在坯料上作为部件生产的一部分。这两种选择都有不同的优点和缺点。在钢圈上进行激光热处理的情况下,这可以在冷轧之后进行,而不是钢圈的整体退火。需要考虑的其他工艺步骤包括在激光辐射和辊子清洗之前和之后清洁板材表面以使变形最小化。为了使激光软化成为经济上有吸引力的热处理介质,必须实现具有最大灵活性的短循环时间。因此,除了用于模型实验的光学器件之外,还应该能够实现在高进给速率下达到均匀的激光软化。

对于模型几何形状的局部激光热处理,使用变焦光学器件,只能在给定的边界条件下以250mm/min的相对慢的进给速率实现在板厚度上的均匀软化。与变焦光学元件相比,通过使用扫描仪光学元件,进给速率可以加倍。扫描仪光学系统的优势在于通过扫描策略灵活设计热量输入。通过调整激光光斑在扫描仪区域内的停留时间,可以特别影响耦合的激光功率。考虑的另一个概念是具有特别适应的强度分布的光学系统,以改善热耦合。强度分布类似于扶手椅的强度分布,图7(左)。“扶手椅靠背”在进给方向上形成前部,使得高能量输入直接发生在冷材料中。“扶手”旨在稳定侧边缘处的热量输入,从而防止透镜状软化轮廓太平,因为热量也会消散到边缘处的冷材料中。通过使用这种光学元件,进给速率可以显着提高。在1500mm/min下,实现了板材厚度为1.6mm的微合金钢的均匀软化,图7(右)。

结论

冷轧和局部热处理工艺组合的应用使微合金钢成为具有广泛生产路线的高合金钢的经济替代品。此外,定制的属性分布的调整开辟了新的应用可能性:一方面,组件可以由加工硬化和局部热处理的半成品金属板以相应减小的板厚生产。另一方面,局部热处理可用于以限定的方式调整组件的碰撞行为。

汽车轻量化在线团队编译,作者:LAURACONRADS, M.SC., PROF. DR.-ING. GERHARD HIRT REBAR HAMA-SALEH,M.SC.,etal.

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