專利名稱：一種超高強度鋼板沖壓前的熱處理拼接工藝及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高強度鋼、先進高強度鋼、超高強度鋼等高強度沖壓板料在沖壓前的
熱處理工藝及裝置，屬于熱處理和板料成形技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著鋼材強度的提高，材料的延伸率和成形性能也大大降低，成形過程中容易產(chǎn) 生破裂、起皺、尺寸難以控制和形狀不良等問題，傳統(tǒng)的冷沖壓成形工藝已不能滿足技術(shù)和 生產(chǎn)發(fā)展的需要。為此，各國學(xué)者和各大汽車公司在優(yōu)化汽車框架和結(jié)構(gòu)的同時，把工作 重點轉(zhuǎn)向新材料新工藝的應(yīng)用。目前，對于超高強度鋼板的成形工藝有兩種，一是熱沖壓 及模內(nèi)淬火技術(shù)，該技術(shù)是將可淬火硼鋼板料在加熱爐中被加熱到奧氏體化溫度(900 950°C )，并在奧氏體區(qū)保持5分鐘，然后將板料轉(zhuǎn)移到壓力機，在沖壓模具中同時進行沖壓 成形和淬火，使成形零件獲得100%馬氏體組織，該工藝可使板料發(fā)揮其最佳的性能，為汽 車提供高質(zhì)量的零部件；另一種是激光拼焊板技術(shù)，該技術(shù)是為了滿足高強度板的成形及 使用要求，根據(jù)成形件的特點，從不同強度和厚度的鋼板上切割下坯料，然后利用激光焊接 技術(shù)，將這些坯料焊接在一起，再用冷沖壓模具進行成形，該工藝使制造商能夠在提高碰撞 性能和疲勞強度的同時降低汽車結(jié)構(gòu)件的重量。 對于熱沖壓及模內(nèi)淬火技術(shù)，需要許多專用設(shè)備(l)能夠夾持成形零件(溫度 20(TC左右)的高速機械手和夾持器；(2)具備合模沖壓并保壓功能的壓力機，壓力機必須 兼顧傳通液壓機和機械壓力機的優(yōu)點；(3)成形零件的切邊和切孔工藝，由于零件強度非 常高，目前主要采用一條線配備多臺激光切割機的方法。該工藝投入資金很大，另外，熱沖 壓零件只具有高強度，但不具有汽車安全部件要求的吸能性。 對于激光拼焊板技術(shù)也有其無法克服的缺陷。 一是拼焊板存在焊縫，焊縫會影響 材料的性能及沖壓成形過程中零件的成形性能；二是拼接板材料性能過渡劇烈，由于是將 不同強度或不同厚度的材料拼焊在一起，導(dǎo)致材料性能在拼接處發(fā)生突變；三是需要專用 的焊接激光器和與其配套的光學(xué)裝置，拼焊設(shè)備價格昂貴。 也有從材料本身的組分上改變超高強度的彎曲加工及耐候性的，如CN1297681C 公開的《彎曲加工性優(yōu)良的耐候性高強度鋼板及其制造方法》，提供確保屈服強度為700MPa 或以上的超高強度、同時能耐噴丸后等的彎曲加工且具備耐候性的鋼板及其制造方法，該 鋼板以質(zhì)量％計含有C :0. 05 0. 15%、 Si :0. 5%或以下、Mn :0. 5 2. 0%、 P :0. 02或以 下、S :0. 005%或以下、Ni :0. 2 2. 0%、 Cu :0. 2 0. 5%、 Cr :0. 2 1. 0%、且含有Ti : 0. 03 0. 2%、Nb :0. 01 0. 07%、V :0. 01 0. 07%、B :0. 0005 0. 0050%之中的1種、 2種或以上、余量為Fe以及不可避免的雜質(zhì)。但這又增加了材料本身的制造難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有超高強度鋼板的成形工藝存在的不足(熱沖壓及模內(nèi)淬火工藝 存在的專用設(shè)備貴重、投資大、成形零件只有高強度沒有吸能性等缺陷，以及激光拼焊技術(shù)
3存在的拼焊板的焊縫影響材料的性能及成形性能、拼接板材料性能過渡劇烈、需要專用的 焊接激光器和與其配套的光學(xué)裝置、拼焊設(shè)備價格昂貴等缺陷)，提供一種既能保證材料的 高強度和吸能性、材料性能又不會過渡劇烈的超高強度鋼板沖壓前的熱處理拼接工藝，該 工藝能夠使同一個成形板料的不同區(qū)域具有不同的機械性能，得到各處性能存在差異的熱 處理拼合板料。本發(fā)明同時提供一種實現(xiàn)該工藝的裝置。
本發(fā)明的超高強度鋼板沖壓前的熱處理拼接工藝是 根據(jù)超高強度鋼板所要成形的零件的形狀和成形特點，將板料劃分為變形和不變 形區(qū)域，將要成形的超高強度鋼板加熱到鋼材的奧氏體化溫度(75(T95(TC )，并在奧氏體 化溫度下保溫至鋼板中的組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，然后根據(jù)零件的不同區(qū)域的成形性能要 求，對超高強度鋼板性能要求不同的區(qū)域利用不同的冷卻方式進行熱處理，對于需要變形 的區(qū)域，采用較慢冷卻速度進行熱處理，而對于要求強度高、不變形的區(qū)域，采用較快冷卻 速度進行熱處理，使同一個成形板料的不同區(qū)域具有不同的機械性能。然后再將板料利用 冷沖壓模具進行零件成形。 實現(xiàn)上述超高強度鋼板沖壓前的熱處理拼接工藝的裝置采用以下技術(shù)方案
該裝置包括上下組成結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的兩部分，每一部分至少包括水霧冷卻模塊、冷 卻水銅模塊、冷卻水鋼模塊、銅模塊、鋼模塊、氣冷模塊、空冷模塊和保溫退火模塊中的一種 模塊，各模塊緊密排列在一起。 水霧冷卻模塊包括鋼模板和噴頭，在鋼模板上設(shè)有冷卻水通道，通道上安裝有冷
卻水進口接頭，在鋼模板上安裝有水霧噴頭，各個噴頭均與通道連通。水霧冷卻模塊中設(shè)置
一個進水口和多個水霧噴頭，進水口接頭連接供水設(shè)備，水霧噴頭向可淬火超高強度鋼板
(如硼鋼板)噴水霧從而對板料進行快速冷卻，達到局部熱處理的目的。 氣冷模塊與水霧冷卻模塊的結(jié)構(gòu)一樣，包括鋼模板和噴頭，在鋼模板上設(shè)有高壓
氣體的通道，通道上安裝有高壓氣體進口接頭，在鋼模板上安裝有高壓氣體噴頭，各個噴頭
均與通道連通。用于冷卻的氣體可以是高壓空氣或氮氣、氬氣、氦氣等高壓惰性氣體，進氣
口接頭與高壓氣源連接在一起，通過高壓氣體噴頭將高壓氣體噴向可淬火超高強度沖壓板
料(如硼鋼板)表面從而對可淬火板料進行冷卻，達到局部熱處理的目的。 冷卻水鋼模塊包括鋼模板，鋼模板內(nèi)設(shè)有冷卻水道，冷卻水道上設(shè)有進水口和出水口。 冷卻水銅模塊與冷卻水鋼模塊的結(jié)構(gòu)一樣，包括銅模板，銅模板內(nèi)設(shè)有冷卻水道， 冷卻水道上設(shè)有進水口和出水口 。 保溫退火模塊是在框架上設(shè)置有保溫材料。通過該模塊使超高強度沖壓板料的局 部達到保溫下緩慢退火的熱處理目的。 銅模塊就是一個長方體銅塊，根據(jù)要處理的區(qū)域的大小選擇合適尺寸。 鋼模塊就是一個長方體鋼塊，根據(jù)要處理的區(qū)域的大小選擇合適尺寸。 空冷模塊就是使板材局部進行空冷，根據(jù)所處理區(qū)域的大小和位置設(shè)置，是一個
虛的模塊。如果空冷模塊位于其他兩個實體模塊之間，通過連接件將兩個實體模塊連接一
起，連接件與需要處理的板料之間保持30mnT50mm的適當(dāng)間距。 上述各模塊對加熱到適當(dāng)溫度并保溫后的板材的冷卻速度由快到慢依次為水霧 冷卻模塊、冷卻水銅模塊、冷卻水鋼模塊、銅模塊、鋼模塊、空冷模塊和保溫退火模塊，氣冷模塊隨著所通氣源種類、壓力、溫度的不同，所得到的材料性能也不相同，所通氣源的壓力 越大、溫度越低，所得到的材料的強度和硬度越高，通過這些模塊控制板材不同區(qū)域的冷卻 速度，達到板材不同區(qū)域具有不同機械性能的目的。 對于不同的超高強度鋼板材料，通過上述不同的模塊進行冷卻熱處理，得到的板 料抗拉強度、硬度等性能可以通過實驗得出，以得出的實驗數(shù)據(jù)作為模塊組合的依據(jù)，得到 超高強度鋼板沖壓前所需的各處性能。 本發(fā)明使同一個成形板料的不同區(qū)域具有不同的機械性能，得到各處性能存在差 異的拼合板料，然后再利用冷沖壓模具進行零件成形，克服了熱沖壓零件只有高強度沒有 吸能性的缺點，板料不存在焊縫，材料的性能過渡均勻，而且設(shè)備簡單、投資少。不僅可以降 低了部件廢品率，而且可以減少了外圍加強件數(shù)量，簡化了裝配步驟及工藝，沖壓成型率提 高；同時由于成形零件具有高強度和吸能性，可使應(yīng)用的車輛碰撞能力增強。


圖1是本發(fā)明中的水霧冷卻模塊或氣冷模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1的俯視圖。 圖3是本發(fā)明中的冷卻水銅模塊和冷卻水鋼模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是圖3的左視圖。 圖5是本發(fā)明中的保溫退火模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明中的空冷模塊的示意圖。
圖7是一種U形彎曲件的示意圖。 圖8是對圖7所示U形彎曲件成形板料進行局部熱處理裝置的示意圖。
圖9是一種帽形彎曲件的示意圖。 圖10是對圖9所示帽形彎曲件成形板料進行局部熱處理裝置的示意圖。
其中1、鋼模板，2、通道，3、絲堵，4、噴頭，5、接頭，6、進水口，7、出水口，8、銅模板 或鋼模板，9、冷卻水道，10、連接水管，11、保溫材料，12、框架，13、板材，14、連接塊，15、直壁 區(qū)域，16、圓角區(qū)域，17、底部，18、冷卻水銅模塊，19、保溫退火模塊，20、凸緣，21、氣冷模塊。
具體實施例方式
本發(fā)明中的水霧冷卻模塊或氣冷模塊的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，包括鋼模板1和 噴頭4，在鋼模板1上設(shè)有冷卻水或高壓氣體的通道2，通道2的兩端通過絲堵3封堵住。在 鋼模板1上安裝有若干水霧或高壓氣體的噴頭4，各個噴頭4均與通道2連通，噴頭4上設(shè) 置有許多噴孔。通過冷卻水進口或高壓氣體進口的接頭5向冷卻水道或高壓氣體的通道2 內(nèi)通入冷卻水或高壓氣體，再通過水霧噴頭或高壓氣體噴頭4噴向超高強度沖壓板料。
氣冷模塊設(shè)置中所用冷卻氣體可以是高壓空氣或氮氣、氬氣、氦氣等高壓惰性氣 體，進氣口與高壓氣源連接在一起，通過高壓氣體噴頭將高壓氣體噴向可淬火硼鋼板表面 從而對可淬火硼鋼板進行冷卻。 本發(fā)明中的冷卻水銅模塊和冷卻水鋼模塊的結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示，包括銅模板 或鋼模板8內(nèi)設(shè)有冷卻水道9，冷卻水道9通過連接水管10連接。冷卻水由進水口 6進入 冷卻水道9，由出水口 7排出冷卻水道9。為了保證模塊表面的溫度盡可能均勻，在每個模塊中設(shè)置多個進水口和多個出水口，進水口與供水設(shè)備連接在一起，出水口與冷卻水回收 設(shè)備連接在一起。 本發(fā)明中的保溫退火模塊的結(jié)構(gòu)如圖5所示，是在框架12上設(shè)置有保溫材料11。
銅模塊或鋼模塊就是一個長方體銅塊或鋼塊，根據(jù)要處理的區(qū)域的大小選擇合適 尺寸。 圖6給出了空冷模塊的示意圖?？绽淠K就是使板材局部進行空冷，根據(jù)所處理 區(qū)域的大小和位置設(shè)置，是一個虛的模塊。將在進行空冷區(qū)域兩側(cè)的水霧冷卻模塊與保溫 退火模塊通過連接塊14連接在一起，水霧冷卻模塊與保溫退火模塊之間的空擋即為空冷 模塊。連接塊14與板材13之間保持30mnT50mm的適當(dāng)間距，以達到對板材進行空冷的目 的。 上述水霧冷卻模塊、氣冷模塊、冷卻水銅模塊、冷卻水鋼模塊、保溫退火模塊、銅模 塊、鋼模塊和空冷模塊可以根據(jù)具體工藝通過連接塊任意組合連接在一起，成為熱處理裝置。 將可淬火硼鋼板加熱到900°C ，并保溫至完全奧氏體化后，利用上述不同的 模塊進行冷卻熱處理，得到的板料性能如下用水霧冷卻模塊進行熱處理后材料的抗 拉強度1550 1750MPa，洛氏硬度43 48HRC ;用冷卻水銅模塊進行熱處理后材料的抗 拉強度1400 1500MPa，洛氏硬度4廣45HRC ;用冷卻水鋼模塊進行熱處理后材料的抗 拉強度135(Tl400MPa，洛氏硬度39 41HRC ;用銅模塊進行熱處理后材料的抗拉強度 1200 1350MPa，洛氏硬度33 38HRC ;用鋼模塊進行熱處理后材料的抗拉強度900 1250MPa， 洛氏硬度30 35HRC ;用氣冷模塊進行熱處理后材料的抗拉強度600 1350MPa，洛氏硬度 25 40HRC ;用空冷模塊進行熱處理后材料的抗拉強度40(T600MPa ;用保溫退火模塊進行熱 處理后材料的抗拉強度25(T400MPa。 對于其它材料的超高強度鋼板，通過不同的模塊進行冷卻熱處理后得到的板料抗
拉強度、硬度等性能可以通過實驗得出，可依據(jù)得到的數(shù)據(jù)進行模塊組合。 對于圖7所示的U形彎曲件，根據(jù)其成形特點，可將板材坯料劃分為五個區(qū)域兩
個直壁區(qū)域15、底部17和兩個圓角區(qū)域16，由于零件在成形過程中，只是圓角部分發(fā)生塑
性變形，而其它部分沒有產(chǎn)生塑性變形，為了保證零件的高強度和成形性，在通過局部熱處
理工藝拼合其成形坯料時，對兩個直壁區(qū)域15和底部17使用冷卻水銅模塊進行冷卻，對于
兩個圓角區(qū)域16，采用保溫退火模塊。 對圖7所示U形彎曲件成形板料進行局部熱處理的裝置如圖8所示。該裝置有上 下兩部分組成，上下兩部分結(jié)構(gòu)組成是相同的，上下兩部分均有三塊冷卻水銅模塊18和兩 塊保溫退火模塊19組成，將加熱并完全奧氏體化后的超高強度鋼板材13夾在圖8所示局 部熱處理裝置的上、下兩部分。用圖8所示的裝置對鋼板進行局部熱處理后，兩個直壁區(qū)域 15和底部17的板材坯料部分強度高、塑性差，這些區(qū)域的材料在成形時不產(chǎn)生變形。兩個 圓角區(qū)域16處材料的強度低、塑性好，可以非常容易地利用U形彎曲件彎曲成形模具進行 成形。通過局部熱處理拼合工藝處理的U形彎曲件成形坯料具有成形容易，對模具和成形 設(shè)備沒有特殊要求等優(yōu)點，而且成形后的U形彎曲件強度極高，直壁和底部的抗拉強度可 達1400 1600MPa。 對于圖9所示的帽形彎曲件，根據(jù)其成形特點，可將坯料劃分為九個區(qū)域兩個直壁區(qū)域15、底部17、四個圓角區(qū)域16和兩個凸緣20，由于零件在成形過程中，只是四個圓角 區(qū)域16發(fā)生塑性變形，而其它部分沒有產(chǎn)生塑性變形，為了保證零件的高強度、成形性和 碰撞吸能性，在通過本發(fā)明的局部熱處理工藝拼合其成形板材坯料時，對兩個凸緣20和底 部17使用冷卻水銅模塊進行冷卻，對于四個圓角區(qū)域16采用保溫退火模塊，對于兩個直壁 區(qū)域15采用以3 4MPa室溫壓縮空氣為冷卻介質(zhì)的氣冷模塊。 圖10給出了圖9所示的帽形彎曲件成形坯料的局部熱處理的裝置。該裝置有上 下兩部分組成，上下兩部分的組成結(jié)構(gòu)是相同的，上下兩部分均有三塊冷卻水銅模塊18、四 塊保溫退火模塊19和兩塊空冷模塊21組成，板材坯料加熱并完全奧氏體化后的超高強度 鋼板13夾在上下兩部分之間。用圖10所示的裝置對鋼板進行局部熱處理拼合后，兩個凸 緣20和底部17的坯料強度高、塑性差，這些區(qū)域的材料在成形時不產(chǎn)生變形。四個圓角區(qū) 域16處材料的強度低、塑性好，可以非常容易地利用帽形件彎曲成形模具進行成形。兩個 直壁區(qū)域15具有適中的強度，較好塑性，遇到較大力時可以發(fā)生變形，產(chǎn)生吸能效果。通過 局部熱處理拼合工藝處理的帽形件成形坯料具有成形容易，對模具和成形設(shè)備沒有特殊要 求等優(yōu)點，而且成形后強度極高、吸能性好，凸緣和底部的抗拉強度可達1400 1500MPa，直 壁的抗拉強度可達600 700MPa，屈服強度可達500 550MPa。
權(quán)利要求
一種超高強度鋼板沖壓前的熱處理拼接工藝，其特征是根據(jù)超高強度鋼板所要成形的零件的形狀和成形特點，將板料劃分為變形和不變形區(qū)域，將要成形的超高強度鋼板加熱到鋼材的奧氏體化溫度，并在奧氏體化溫度下保溫至鋼板中的組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，然后根據(jù)零件的不同區(qū)域的成形性能要求，對超高強度鋼板性能要求不同的區(qū)域利用不同的冷卻方式進行熱處理，對于需要變形的區(qū)域，采用較慢冷卻速度進行熱處理，而對于要求強度高、不變形的區(qū)域，采用較快冷卻速度進行熱處理，使同一個成形板料的不同區(qū)域具有不同的機械性能。
2. —種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述超高強度鋼板沖壓前的熱處理拼接工藝的裝置，其特征是該裝置包括上下組成結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的兩部分，每一部分至少包括水霧冷卻模塊、冷卻水 銅模塊、冷卻水鋼模塊、銅模塊、鋼模塊、氣冷模塊、空冷模塊和保溫退火模塊中的一種模 塊，各模塊緊密排列在一起。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的實現(xiàn)權(quán)利要求1所述超高強度鋼板沖壓前的熱處理拼接工藝 的裝置，其特征是所述水霧冷卻模塊包括鋼模板和噴頭，在鋼模板上設(shè)有冷卻水通道，通 道上安裝有冷卻水進口接頭，在鋼模板上安裝有水霧噴頭，各個噴頭均與通道連通。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的實現(xiàn)權(quán)利要求1所述超高強度鋼板沖壓前的熱處理拼接工藝 的裝置，其特征是所述氣冷模塊包括鋼模板和噴頭，在鋼模板上設(shè)有高壓氣體的通道，通 道上安裝有高壓氣體進口接頭，在鋼模板上安裝有高壓氣體噴頭，各個噴頭均與通道連通。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的實現(xiàn)權(quán)利要求1所述超高強度鋼板沖壓前的熱處理拼接工藝 的裝置，其特征是所述冷卻水鋼模塊包括鋼模板，鋼模板內(nèi)設(shè)有冷卻水道，冷卻水道上設(shè) 有進水口和出水口。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的實現(xiàn)權(quán)利要求1所述超高強度鋼板沖壓前的熱處理拼接工藝的裝置，其特征是所述冷卻水銅模塊包括銅模板，銅模板內(nèi)設(shè)有冷卻水道，冷卻水道上設(shè) 有進水口和出水口。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的實現(xiàn)權(quán)利要求1所述超高強度鋼板沖壓前的熱處理拼接工藝的裝置，其特征是所述保溫退火模塊是在框架上設(shè)置有保溫材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的實現(xiàn)權(quán)利要求1所述超高強度鋼板沖壓前的熱處理拼接工藝的裝置，其特征是所述銅模塊是一個長方體銅塊。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的實現(xiàn)權(quán)利要求1所述超高強度鋼板沖壓前的熱處理拼接工藝的裝置，其特征是所述鋼模塊是一個長方體鋼塊。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超高強度鋼板沖壓前的熱處理拼接工藝和裝置。該工藝是將要成形的超高強度鋼板加熱到鋼材的奧氏體化溫度，并在奧氏體化溫度下保溫至鋼板中的組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，然后根據(jù)所要成形的零件的性能要求，對超高強度鋼板不同要求區(qū)域利用不同的冷卻方式進行熱處理。該裝置包括上下組成結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的兩部分，每一部分至少包括水霧冷卻模塊、冷卻水銅模塊、冷卻水鋼模塊、銅模塊、鋼模塊、氣冷模塊、空冷模塊和保溫退火模塊中的一種模塊，各模塊緊密排列在一起。本發(fā)明可以使同一個成形板料的不同區(qū)域具有不同的機械性能，得到各處性能存在差異的拼合板料。
文檔編號C21D9/46GK101717850SQ200910258698
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月14日
發(fā)明者李輝平, 賀連芳 申請人:山東大學(xué)