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冷軋鋼板局部激光熱處理實現汽車輕量化設計新方法
發表時間:2019-02-26     閱讀次數:     字體:【
核心提示:德國亞琛工業大學金屬成形研究所(IBF)和弗勞恩霍夫激光技術研究所(ILT)將鋼板冷軋與局部激光熱處理工藝相結合,成功生產出具有定制成形性和碰撞性能的板材,同時為汽車輕量化設計提供潛在可能。

德國亞琛工業大學金屬成形研究所(IBF)和弗勞恩霍夫激光技術研究所(ILT)將鋼板冷軋與局部激光熱處理工藝相結合,成功生產出具有定制成形性和碰撞性能的板材,同時為汽車輕量化設計提供潛在可能。

鋼材的局部加熱

目前的輕量化設計概念促進了高強度鋼的開發,這通常涉及高強鋼有限的可成形性。為了從鋼材的高強度優勢中受益,定制熱處理坯料(THTB,TailorHeat TreatedBlanks)的方法是在實際成型過程之前局部恢復鋼材的成形性。片材中的關鍵區域經受熱處理,而其余區域保持其高強度。隨后的成形操作在室溫下進行。除了提高半成品的可成形性外,定制性能分布的調整可用于改善成品的功能并可能實現重量優勢,因為與全部熱處理相比,半成品金屬板僅部分加熱。因此相應的組件可以吸收更高的機械載荷。

雖然迄今為止THTB的方法主要應用于高強度的多相和馬氏體鋼以及淬硬鋼,但亞琛工業大學金屬成形研究所(IBF)和弗勞恩霍夫激光技術研究所(ILT)在一項聯合研究項目中研究了成熟且具有成本效益的鐵素體鋼,如微合金鋼。經過冷加工硬化工藝將這些鋼材提升到超高強度鋼的強度水平。然后可以借助局部熱處理使得到的應變硬化部分溶解。在這個項目中,在控制性、精度和靈活性方面具有優勢的激光處理用于局部的軟化。

量身定制的性能

本項目研究的目的是通過冷軋和局部激光熱處理相結合,在后續成型工藝或最終零件上使用的成型性和碰撞行為方面實現鋼坯的定制性能,見圖1。在可成形性和功能性的兩個方面分別進行了研究。通過相應的模型實驗-交叉模具的深拉伸和空心型材的碰撞試驗-展示了輕量化設計和碰撞安全性的潛力。首先,確定用于局部熱處理的合適的軟化溫度。通過拉伸測試和微結構分析來評估不同溫度的影響。此外,以這種方式確定的材料數據用作各個模型實驗的有限元(FE)模擬的輸入變量。通過使用模擬,根據應用案例開發了潛在的軟化策略,然后在實際實驗中進行了驗證。最后,證明了工藝優化和將局部激光熱處理集成到現有生產鏈中的可能性。

熱處理溫度的確定

在冷軋過程中,微合金鋼S550MC通過厚度減少60%減小到1.6mm,之后進行加工硬化。為了確定發生軟化機制的合適溫度范圍,使用膨脹儀對加工硬化鋼的樣品進行類似于激光軟化的短期熱處理。室溫下在膨脹儀的拉伸測試單元中評估所得的機械性能。復原,重結晶和相轉變被認為是鐵素體鋼的軟化機機理。另外,在微合金鋼可能發生強化碳化物和氮化物化合物的溶解。如圖2(左)所示,由于微合金化元素,在800℃短期熱處理后發生明顯的軟化。隨著溫度升高,不連續屈服強度降低,并且成形性以犧牲強度為代價而增加。然而,在1150℃的溫度下,觀察到極限伸長率的降低,這可以歸因于從球狀結構到刺血針狀結構的微觀結構的變化,圖2(右)。這表明與強度增加相關的貝氏體或馬氏體形成。

改善成形性

交叉成形模具用來驗證幾何形狀拉延性能的模擬證實,最大的薄板薄壁發生在壁面積和沖頭半徑上。進一步的模擬表明,這些潛在的破壞區域應保持在加工硬化狀態,并且坯料的周圍區域(后來形成凸緣和沖頭底部)應進行熱處理。引入的軟化導致屈服應力的降低并且允許材料流入潛在的破壞區域,該缺陷區域由于應變硬化而在較高的應力下變形。已經優化以最小化薄板變薄的熱處理布局1a和1b示意圖見圖3(左)。除了薄片化之外,軟化區域的尺寸也對該方法的經濟效率起決定性作用。因此,在熱處理布局2中嘗試減少軟化區域而不犧牲相同程度的可成形性。

在實際實驗中,驗證了熱處理布局對成形性的數值預測影響。為了評估可實現的拉伸深度,將局部熱處理的坯料與完全應變硬化的坯料和在爐中退火的坯料進行比較。對于給定的坯料幾何形狀,應變硬化的試樣不能在沒有裂縫的情況下進行拉延。在所有其他測試系列中,可以確定最大拉深深度。正如預期的那樣,可實現的拉深深度隨著熱處理區域的尺寸而增加,如圖3(左)所示。值得注意的是,熱處理布局2具有32%的熱處理面積,可以實現完全熱處理的試樣的拉伸深度的一半。此外,在局部熱處理的試樣的情況下,可以從形成的交叉模具和光學應變測量中清楚地看到熱處理區域的材料流動的期望效果,圖3(右)。

提高碰撞性能

六角形剖面的碰撞試驗模擬用于開發軟化策略,首先考慮壓碎的應變硬化碰撞盒的應變分布。圖4(左)顯示了投影到初始碰撞盒幾何體上的應變分布。在這里可以看出,最大的應變沿著碰撞盒的彎曲邊緣發生。為了增加能量吸收,低應變區域因此應保持在加工硬化狀態,而高應變區域應進行熱處理以避免不希望的失效模式。作為一種簡單的熱處理模式,彎曲邊緣配有一個直線柔軟區域,如圖4(中間)所示。由于沿彎曲邊緣的大部分應變超過20%,因此在此選擇在1100℃下熱處理的材料的流動曲線。這確保了該區域的必要成形性,如圖2(左)所示。作為第二熱處理圖案,沿彎曲邊緣的軟化區域更精確地適應于波浪狀應變分布。彎曲邊緣的應變大于10%的所有區域定義為軟化區域。選擇該極限是因為應變硬化的試樣在拉伸試驗中失敗,極限伸長率約為10%,如圖2(左)所示。由于實施的軟區域,折疊行為以及由此帶來的應變分布與初始狀態相比發生變化。因此,軟化區域必須迭代地適應應變分布,最終的熱處理模式如圖4(右)所示。

在動態跌落塔測試中,將兩個數值開發的熱處理模式與完全退火的碰撞盒進行比較,以得出可能增加的能量吸收能力的結論。六角形碰撞盒每個都由兩個彎曲的半殼組成,它們通過激光焊接連接,如圖5所示。為了引起折疊的均勻彎曲,上排折疊是使用觸發器預定義的,見圖5(b)。碰撞試驗在ForschungsgesellschaftKraftfahrwesen Aachen(fka)的試驗臺上進行。理論沖擊速度約為36km/h,沖擊能量約為12kJ。

為了評估三種碰撞盒變型,將吸收沖擊能量所需的變形路徑相互比較。較高的能量吸收能力來自相對較短的變形路徑。正如預期的那樣,與烤箱退火的碰撞盒相比,應變硬化和局部熱處理的碰撞盒的變形路徑可以減少,見圖6.帶有線條圖案的熱處理碰撞盒表現最佳,能夠在比烘箱退火的碰撞盒短28%的變形路徑上吸收相同的能量。因此,線圖案具有比波圖案更高的能量吸收能力。這是由于軟化區域相對于加工硬化區域的比例較低,因此在高變形區域中具有較高的能量吸收。

即使波浪式局部熱處理在直接比較中沒有顯示出比簡單線條式加熱有任何優勢,這種應變適應特性提供了潛力。一方面,它可用于防止材料發生失效模式,另一方面,它提供了影響折疊形成位置的可能性。另外,碰撞盒的加工硬化的增加是有限的,因為這通常伴隨著初始沖擊力的增加。這可能會對發生碰撞時位于后面的結構部件產生負面影響。模擬結果表明,通過在較低溫度下軟化可以進一步提高能量吸收能力,并且通過引入軸向強度梯度也可以將初始沖擊力保持在較低水平。

流程鏈整合

將激光熱處理集成到現有工藝鏈中基本上有兩種選擇:在冷軋機的盤管上或在坯料上作為部件生產的一部分。這兩種選擇都有不同的優點和缺點。在鋼圈上進行激光熱處理的情況下,這可以在冷軋之后進行,而不是鋼圈的整體退火。需要考慮的其他工藝步驟包括在激光輻射和輥子清洗之前和之后清潔板材表面以使變形最小化。為了使激光軟化成為經濟上有吸引力的熱處理介質,必須實現具有最大靈活性的短循環時間。因此,除了用于模型實驗的光學器件之外,還應該能夠實現在高進給速率下達到均勻的激光軟化。

對于模型幾何形狀的局部激光熱處理,使用變焦光學器件,只能在給定的邊界條件下以250mm/min的相對慢的進給速率實現在板厚度上的均勻軟化。與變焦光學元件相比,通過使用掃描儀光學元件,進給速率可以加倍。掃描儀光學系統的優勢在于通過掃描策略靈活設計熱量輸入。通過調整激光光斑在掃描儀區域內的停留時間,可以特別影響耦合的激光功率?紤]的另一個概念是具有特別適應的強度分布的光學系統,以改善熱耦合。強度分布類似于扶手椅的強度分布,圖7(左)!胺鍪忠慰勘场痹谶M給方向上形成前部,使得高能量輸入直接發生在冷材料中!胺鍪帧敝荚诜定側邊緣處的熱量輸入,從而防止透鏡狀軟化輪廓太平,因為熱量也會消散到邊緣處的冷材料中。通過使用這種光學元件,進給速率可以顯著提高。在1500mm/min下,實現了板材厚度為1.6mm的微合金鋼的均勻軟化,圖7(右)。

結論

冷軋和局部熱處理工藝組合的應用使微合金鋼成為具有廣泛生產路線的高合金鋼的經濟替代品。此外,定制的屬性分布的調整開辟了新的應用可能性:一方面,組件可以由加工硬化和局部熱處理的半成品金屬板以相應減小的板厚生產。另一方面,局部熱處理可用于以限定的方式調整組件的碰撞行為。

汽車輕量化在線團隊編譯,作者:LAURACONRADS, M.SC., PROF. DR.-ING. GERHARD HIRT REBAR HAMA-SALEH,M.SC.,etal.

(轉自:中國汽車材料網)

 
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