技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及用于制造加強(qiáng)結(jié)構(gòu)部件的方法以及通過這些方法獲得的結(jié)構(gòu)部件。

背景技術(shù)：

在例如汽車工業(yè)中對重量減輕的需求已經(jīng)導(dǎo)致輕質(zhì)材料、制造過程和工具的開發(fā)和實(shí)施。對乘客安全的日益增長的關(guān)注還導(dǎo)致采用在碰撞期間提高車輛的完整性同時(shí)還改善能量吸收的材料。在這個(gè)意義上，通常使用由高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼(UHSS)制成的車輛部件，以便滿足輕質(zhì)構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)。

需要滿足重量目標(biāo)和安全要求的典型車輛部件包括結(jié)構(gòu)和/或安全元件，例如車門橫梁、保險(xiǎn)杠橫梁、橫向構(gòu)件/側(cè)部構(gòu)件、A/B柱加強(qiáng)部和腰梁加強(qiáng)部。

例如，稱為熱成形模具淬火(HFDQ)的過程使用硼鋼板來產(chǎn)生具有超高強(qiáng)度鋼(UHSS)性能的沖壓部件，其拉伸強(qiáng)度高達(dá)1,500MPa。強(qiáng)度的增加允許使用更薄規(guī)格的材料，與常規(guī)冷沖壓的低碳鋼部件相比這導(dǎo)致了重量節(jié)約。

在典型車輛部件的設(shè)計(jì)階段期間執(zhí)行的仿真可以識別需要加強(qiáng)的成形部件的點(diǎn)或區(qū)域(因?yàn)槭褂昧烁p和更薄的金屬板和坯件)，以便增加強(qiáng)度和/或剛度。另選地，可以進(jìn)行重新設(shè)計(jì)以便操縱變形。

在這個(gè)意義上，存在若干程序，使用這些程序，可以加強(qiáng)或軟化預(yù)先形成的部件的一些區(qū)域，以便通過減小部件的厚度來重新分配應(yīng)力并節(jié)約重量。這些已知的用于加強(qiáng)部件的程序?yàn)槔缭谌魏纬尚芜^程之前添加焊接加強(qiáng)部的程序。此類加強(qiáng)部可以是“拼接件”，其中可以使用多個(gè)坯件的部分或完全重疊，或者使用可以“邊緣到邊緣”焊接的不同厚度的坯件或板，即縫焊坯件(TWB)。因此，理論上可以以最少的材料和最小的厚度(重量)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)機(jī)械要求。

然而，在這些方法的一些中，涉及進(jìn)一步的制造方法。例如，當(dāng)超高強(qiáng)度鋼正在被熱成形時(shí)，由于通常用于保護(hù)免受腐蝕和氧化損傷的鋁-硅(AlSi)涂層，可出現(xiàn)一些可焊性問題。為了克服這些問題，已知的是通過激光燒蝕在靠近焊接間隙的區(qū)域中移除涂層的一部分。然而，這表示車輛部件的制造過程中的附加步驟。

此外，當(dāng)將焊接的加強(qiáng)部(拼接件)添加到坯件時(shí)，出現(xiàn)坯件的部分或完全重疊。這些區(qū)域是潛在的腐蝕起點(diǎn)，因?yàn)橹丿B區(qū)域保持在下面并且不接收例如腐蝕涂層。

此外，根據(jù)所形成的部件，可存在不能使用焊接加強(qiáng)部或者使用焊接加強(qiáng)部至少是麻煩的區(qū)域，例如，角落或具有高度變化的區(qū)域。拼接件通常使用點(diǎn)焊焊接，點(diǎn)焊接需要最小的空間來分布點(diǎn)。另外，拼接件需要最小尺寸以便容易焊接。這可涉及額外的重量，因?yàn)榧訌?qiáng)部需要具有最小尺寸以便被焊接，而不是具有加強(qiáng)所需區(qū)域所需的正確尺寸(最小)。

上述問題和/或挑戰(zhàn)不是汽車工業(yè)或在該工業(yè)中使用的材料和過程所獨(dú)有的。相反，在重量減輕為目標(biāo)的任何工業(yè)中均可遇到這些挑戰(zhàn)。當(dāng)重量減輕為目標(biāo)時(shí)，部件變得越來越薄，這可因此導(dǎo)致對加強(qiáng)部的需求的增加。

本公開的目的是提供制造加強(qiáng)結(jié)構(gòu)部件的改進(jìn)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在第一方面，提供了一種用于制造加強(qiáng)結(jié)構(gòu)部件的方法。該方法包括提供厚度為0.7mm至5mm的預(yù)先形成的鋼結(jié)構(gòu)部件。該方法進(jìn)一步包括，在部件的加強(qiáng)區(qū)域中，在所述結(jié)構(gòu)部件上局部地沉積材料以產(chǎn)生具有0.2mm的最小厚度的局部加強(qiáng)部，其中在所述結(jié)構(gòu)部件上局部沉積材料包括向加強(qiáng)區(qū)域供應(yīng)金屬粉末，并且基本上同時(shí)施加激光熱以熔化金屬粉末，并通過使用金屬粉末和激光加熱在結(jié)構(gòu)部件上繪制特定幾何形狀來產(chǎn)生加強(qiáng)部。

根據(jù)該方面，在預(yù)先形成的鋼部件中執(zhí)行一種焊接覆層過程以在部件上產(chǎn)生例如肋狀部或加強(qiáng)部。肋狀部或加強(qiáng)部可以在部件的特定區(qū)域(需要加強(qiáng)的點(diǎn)或區(qū)域)中提供剛度。鋼部件基本上是薄的，即，厚度在0.7mm至5mm之間，并且局部加強(qiáng)部具有0.2mm的最小厚度。這樣，當(dāng)使用0.7mm的部件時(shí)，加強(qiáng)部表示部件的局部厚度的大約30％。在一些情況下，在相對簡單的變形過程中，薄坯件可以例如在壓機(jī)中進(jìn)行熱沖壓或熱形成、在輥軋成形中形成等。使用本文所述的方法，即，在基本上同時(shí)地施加激光熱時(shí)供應(yīng)金屬粉末，結(jié)構(gòu)部件的厚度可保持為薄的，但其在特定區(qū)域中的強(qiáng)度或結(jié)構(gòu)性能增強(qiáng)。因此，最終部件的重量可以最小化。因此，需要加強(qiáng)的區(qū)域可以被強(qiáng)化并且/或者變形可以被重定向。通過使用局部焊接覆層，最終鋼部件的體積和厚度被優(yōu)化，從而使其重量減輕。廣泛變化的加強(qiáng)部可以被“書寫”或“繪制”到已經(jīng)形成的坯件上。

與預(yù)先已知的用于例如防腐蝕的焊接覆層過程相反，材料僅局部地沉積并且達(dá)到基本上影響部件的剛度和/或強(qiáng)度的程度。

另外，使用具有粉末供應(yīng)源的激光熱允許形成非常特定和精確的幾何形狀，即，加強(qiáng)部可以是定制的，從而具有各種形狀或設(shè)計(jì)，諸如圍繞孔的圓形、彼此相交以形成網(wǎng)格的直線、間斷的線或虛線，以及大的或小的數(shù)字等。因此，所產(chǎn)生的加強(qiáng)部的機(jī)械性能可取決于使用粉末和激光加熱過程(焊接覆層)所繪制的幾何形狀。

因此，該方法是相當(dāng)通用的，并且可以基本上實(shí)現(xiàn)任何期望的幾何形狀。也可以加強(qiáng)復(fù)雜的幾何形狀，諸如角落或具有高度變化的區(qū)域。因此得以實(shí)現(xiàn)局部強(qiáng)度加強(qiáng)，即，加強(qiáng)部具有特定和精確的幾何形狀，這優(yōu)化(減輕)了最終加強(qiáng)部件的重量。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用在所形成的部件中產(chǎn)生局部加強(qiáng)部的焊接覆層導(dǎo)致具有大約0.7mm至大約5mm厚度的所形成部件的特別良好的結(jié)果。

在一些示例中，局部加強(qiáng)部可具有0.2mm至10mm的厚度。局部加強(qiáng)部厚度確保在加強(qiáng)區(qū)域中提供部件的增加的機(jī)械強(qiáng)度。在另外的示例中，加強(qiáng)部的厚度(即，相對于部件的厚度的增加)可以為0.2mm至6mm，并且具體為從0.2mm至2mm。在這些示例中，局部加強(qiáng)部和所形成的部件之間的厚度比(局部加強(qiáng)部的厚度/鋼結(jié)構(gòu)部件的厚度)可以在至少從大約4％至大約1400％的范圍內(nèi)。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用大約20％至大約300％的加強(qiáng)部和最終部件之間的厚度比引起特別改善的結(jié)構(gòu)性能，而不會過多增加重量。具體地，大約50％至大約300％的厚度比引起具有充分低重量增加的特別高的強(qiáng)度和剛度部件。

在一些示例中，部件的加強(qiáng)區(qū)域和/或特定幾何形狀可以從部件的碰撞仿真中預(yù)先定義。這樣，根據(jù)碰撞中所涉及的變形能量產(chǎn)生特定的幾何形狀。在一些示例中，加強(qiáng)區(qū)域的厚度或特定幾何形狀可進(jìn)一步取決于用于形成部件的坯件的厚度。在另外的示例中，加強(qiáng)區(qū)域可以被限定為補(bǔ)償由例如螺釘所需的孔而引起的強(qiáng)度損失。在這些情況下，加強(qiáng)區(qū)域可以圍繞設(shè)置在部件中的孔。在更多示例中，加強(qiáng)區(qū)域可以限定在其中設(shè)置鉸鏈或鉤(例如，保險(xiǎn)杠的拖鉤)的那些區(qū)域處。

在一些示例中，整個(gè)結(jié)構(gòu)部件可以具有基本上相同的厚度。在另外的示例中，結(jié)構(gòu)部件可以由縫焊坯件或拼接坯件制成，即，其可以沿其經(jīng)線具有不同的厚度。

在一些示例中，金屬粉末可以為基于不銹鋼的粉末，例如不銹鋼AlSi 316L或?qū)?yīng)于超高強(qiáng)度鋼的組合物，諸如例如在一些示例中，可以使用具有與要在其上提供加強(qiáng)部的坯件或部件的材料相似的組合物的粉末。這樣，所使用的粉末具有與鋼結(jié)構(gòu)部件的性能基本上相似的性能，從而產(chǎn)生(即熔化時(shí))基本上均勻的最終加強(qiáng)產(chǎn)品。

在另外的方面，本發(fā)明提供由基本上如上文所述的方法中的任何一種獲得或可獲得的加強(qiáng)部件。

本公開的示例可以用于已經(jīng)以各種方式包括例如熱沖壓、輥軋成形和液壓成形所形成的部件。本公開的示例可以用于具有不同材料并且具體為不同鋼的部件。

附圖說明

下面將參照附圖描述本公開的非限制性示例，其中：

圖1a和圖1b示意性地示出應(yīng)用粉末和激光焊接的示例；

圖2a-2d示出可通過基本上如上所述的方法獲得的不同的特定加強(qiáng)部幾何形狀的示例；

圖3a和圖3b示出用于制造加強(qiáng)結(jié)構(gòu)部件的可替換的方法；以及

圖4a和圖4b示出通過基本上如上所述的任何方法制造的加強(qiáng)部件的每個(gè)示例。

具體實(shí)施方式

圖1a示出在成形部件7例如熱成形部件的表面處應(yīng)用加強(qiáng)部6的示例。在可替換示例中，也可以預(yù)見形成部件的其他方式，諸如冷成形、液壓成形或輥軋成形。

在該示例中，示意性地示出了激光焊機(jī)1。激光焊機(jī)1可具有激光頭部3，激光束從激光頭部3射出。還示意性地示出了用帶箭頭的間斷線指示的氣體粉末流2。氣體粉末流2可以相對于激光束以同軸方式朝向要在其上形成加強(qiáng)部6的區(qū)域進(jìn)給。因此，當(dāng)應(yīng)用激光束時(shí)，氣體粉末流2可被進(jìn)給到要在其上形成加強(qiáng)部6的區(qū)域。

在這些示例中，氣體粉末頭可相對于激光頭部3同軸布置，并且兩個(gè)頭部可以布置成使得氣體粉末流和激光束可基本上垂直于要在其上形成加強(qiáng)部6的部件的表面。

在另選示例中，氣體粉末流可相對于部件成一定角度地進(jìn)給。在這些示例中的一些示例中，氣體粉末流也可相對于激光束成一定角度地進(jìn)給，或者其可以如在前面的示例中那樣相對于激光束同軸地布置。

在另外的圖中，相同的附圖標(biāo)記已經(jīng)用于表示匹配元件。

圖1b示出一個(gè)示例，其中可以相對于激光頭部3成一定角度地設(shè)置具有噴嘴21的粉末供應(yīng)源20。在這些情況下，粉末流2可以相對于從激光焊機(jī)1的頭部3射出的激光束成一定角度地進(jìn)給。

在一些示例中，根據(jù)特定的實(shí)施方式，可以將氬用作輸送氣體。還可以預(yù)見輸送氣體的其他示例，例如氮或氦。

在一些示例中(參見圖1a和圖1b)，還可以設(shè)置保護(hù)氣體通道4。在這些情況下，保護(hù)氣體通道4可以相對于激光束同軸設(shè)置，以在將要在其上形成加強(qiáng)部6的區(qū)域周圍提供保護(hù)氣流5。在一些示例中，可以將氦或基于氦的氣體用作保護(hù)氣體。可替換地，可以使用基于氬的氣體。保護(hù)氣體的流速可以例如從1升/分鐘變化到15升/分鐘。在另外的示例中，可以不需要保護(hù)氣體。

激光器可以具有足以熔化部件的至少外表面(或僅外表面)的功率，并且在要在其上形成加強(qiáng)部6的整個(gè)區(qū)域中完全混合/接合粉末。

在一些示例中，焊接可以包括使用功率在2kW和16kW之間，任選地在2kW和10kW之間的激光器的焊接。激光的功率應(yīng)足以至少熔化具有典型厚度(即，在0.7mm至5mm的范圍內(nèi))的成形部件的外表面。通過增加焊機(jī)的功率，可以增大焊接速度。

任選地，可以使用Nd-YAG(釹摻雜的釔鋁石榴石)激光器。這些激光器是可商購獲得的，并且構(gòu)成了成熟的技術(shù)。這種類型的激光器還可以具有足夠的功率以熔化所形成的部件的外表面，并且允許改變激光器的焦點(diǎn)的寬度，并且因此改變加強(qiáng)區(qū)域的寬度。減小“點(diǎn)(spot)”的尺寸增大了能量密度，而增大點(diǎn)的尺寸使得能夠加速焊接過程。焊點(diǎn)可以得到非常有效的控制，并且利用這種類型的激光器可以進(jìn)行各種類型的焊接。

在另選示例中，可以使用具有足夠功率的CO₂激光器。在另外的示例中，還可以使用雙點(diǎn)焊接。

進(jìn)給到加強(qiáng)區(qū)域的粉末可以是不銹鋼Alsi 316L，如可從商購獲得的。該粉末具有以下重量百分比的組合物：0％至0.03％的碳、2.0％至3.0％的鉬、10％至14％的鎳、1.0％至2.0％的錳、16％至18％的鉻、0.0％至1.0％硅，其余為鐵和不可避免的雜質(zhì)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在該組合物中存在的鎳導(dǎo)致良好耐腐蝕性。添加鉻和硅有助于耐腐蝕性，并且鉬有助于提高硬度。在另選實(shí)施例中，也可以使用其他不銹鋼，甚至UHSS。在一些示例中，粉末可以根據(jù)情況包含提供更高或更低機(jī)械特性的任何組分。

圖2a-2d示出可以使用基本上如上所述的方法獲得的特定加強(qiáng)部幾何形狀的不同示例。如上所述，使用粉末供應(yīng)源的激光焊接可允許形成幾乎任何所需的具有例如不同曲率、不同尺寸(長度、寬度和高度)或甚至限定網(wǎng)格的交叉線的幾何形狀。這些方法是相當(dāng)通用的。在不需要加強(qiáng)的區(qū)域中不提供額外的材料，并且因此可以優(yōu)化部件的最終重量。

例如，圖2a和圖2c示出不同的離散的已知形狀，諸如矩形、正方形、環(huán)形環(huán)、半環(huán)和十字形等。圖2b示出了限定每個(gè)基本上正弦形狀的曲線，并且圖2d示出了彼此交叉以限定網(wǎng)格的直線。

發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有0.2mm的最小厚度的局部加強(qiáng)部引起良好的結(jié)果，同時(shí)優(yōu)化了最終的加強(qiáng)鋼部件的重量。最小厚度可以僅使用一次粉末沉積獲得。此外，每次激光曝光和粉末沉積可涉及大約1mm的最大厚度。在一些示例中，局部加強(qiáng)部可具有在大約0.2mm和大約6mm之間的厚度。這可以通過粉末的重復(fù)沉積來實(shí)現(xiàn)。

并且在更多示例中，局部加強(qiáng)部可具有在大約0.2mm和大約2mm之間的厚度。在所有這些示例中，對于每次粉末沉積和激光曝光，局部加強(qiáng)部的寬度通?？梢栽诖蠹s1mm至大約10mm之間。

圖3a和圖3b示出在一些示例中，該方法可進(jìn)一步包括在結(jié)構(gòu)部件的加強(qiáng)區(qū)域中重復(fù)地局部沉積材料。通過這樣做，可以增加加強(qiáng)部的厚度和/或?qū)挾取Ｔ谶@些示例中，用于每次沉積的粉末可以相同，或者根據(jù)情況，其可以不同。圖3a的示例示出其中已經(jīng)使用金屬粉末應(yīng)用61和62執(zhí)行兩種不同的激光曝光的示例的側(cè)視圖。圖3b的示例示出了其中已經(jīng)使用金屬粉末沉積物61′、62′和63′執(zhí)行三種不同激光曝光的示例的俯視圖。

圖4a和圖4b示出通過基本上如上所述的任何方法獲得的不同的加強(qiáng)部件。在圖4a的示例中，示意性地示出了B柱8。在圖4b的示例中，示意性地示出了桿9，例如橫向/側(cè)部構(gòu)件。例如，部件8和9兩者均可以通過HFDQ過程形成。在可替換示例中，也可以預(yù)見形成部件的其他方式，諸如冷成形、液壓成形或輥軋成形。加強(qiáng)部64和65可以通過焊接覆層添加，即，通過在應(yīng)用激光焊接的同時(shí)供應(yīng)金屬粉末。加強(qiáng)部64和65被設(shè)計(jì)成例如引導(dǎo)張力并增加部件的剛度(剛性)。例如，可以應(yīng)用加強(qiáng)部64以便在諸如角落、端部的區(qū)域中的沖擊的情況下提高強(qiáng)度，并且可以應(yīng)用加強(qiáng)部65，以便由于例如在制造期間形成的孔而為部件添加強(qiáng)度，使得部件的整體強(qiáng)度不受孔的存在的影響。通常，在部件中，在需要承受大部分負(fù)荷的那些區(qū)域中可需要加強(qiáng)部，例如，在B柱中，這些區(qū)域?yàn)榻锹洹?/p>

盡管本文僅公開了多個(gè)示例，但是其他另選的替代方案、修改、使用和/或其等價(jià)物也是可能的。此外，還覆蓋所描述的示例的所有可能的組合。因此，本公開的范圍不應(yīng)受具體示例限制，而應(yīng)僅通過公正地閱讀所附權(quán)利要求來確定。