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
技術領域：
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領域。
背景技術：
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 生破裂、起皺、尺寸難以控制和形狀不良等問題，傳統的冷沖壓成形工藝已不能滿足技術和 生產發(fā)展的需要。為此，各國學者和各大汽車公司在優(yōu)化汽車框架和結構的同時，把工作 重點轉向新材料新工藝的應用。目前，對于超高強度鋼板的成形工藝有兩種，一是熱沖壓 及模內淬火技術，該技術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 車提供高質量的零部件；另一種是激光拼焊板技術，該技術是為了滿足高強度板的成形及 使用要求，根據成形件的特點，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，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構件的重量。 對于熱沖壓及模內淬火技術，需要許多專用設備(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裝置，拼焊設備價格昂貴。 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。但這又增加了材料本身的制造難度。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有超高強度鋼板的成形工藝存在的不足(熱沖壓及模內淬火工藝 存在的專用設備貴重、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
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裝置、拼焊設備價格昂貴等缺陷)，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變?yōu)閵W氏體，然后根據零件的不同區(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方案
該裝置包括上下組成結構相對應的兩部分，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。水霧冷卻模塊中設置
一個進水口和多個水霧噴頭，進水口接頭連接供水設備，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構一樣，包括鋼模板和噴頭，在鋼模板上設有高壓
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，鋼模板內設有冷卻水道，冷卻水道上設有進水口和出水口。 冷卻水銅模塊與冷卻水鋼模塊的結構一樣，包括銅模板，銅模板內設有冷卻水道， 冷卻水道上設有進水口和出水口 。 保溫退火模塊是在框架上設置有保溫材料。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，根據所處理區(qū)域的大小和位置設置，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的適當間距。 上述各模塊對加熱到適當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，以得出的實驗數據作為模塊組合的依據，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構示意圖。
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構示意圖。
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構示意圖。
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構如圖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 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構如圖3和圖4所示，包括銅模板 或鋼模板8內設有冷卻水道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，在每個模塊中設置多個進水口和多個出水口，進水口與供水設備連接在一起，出水口與冷卻水回收 設備連接在一起。 本發(fā)明中的保溫退火模塊的結構如圖5所示，是在框架12上設置有保溫材料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，根據所處理 區(qū)域的大小和位置設置，是一個虛的模塊。將在進行空冷區(qū)域兩側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，可依據得到的數據進行模塊組合。 對于圖7所示的U形彎曲件，根據其成形特點，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，上下兩部分結構組成是相同的，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構是相同的，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變?yōu)閵W氏體，然后根據零件的不同區(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. —種實現權利要求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構相對應的兩部分，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. 根據權利要求2所述的實現權利要求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. 根據權利要求2所述的實現權利要求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. 根據權利要求2所述的實現權利要求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，鋼模板內設有冷卻水道，冷卻水道上設 有進水口和出水口。
6. 根據權利要求2所述的實現權利要求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，銅模板內設有冷卻水道，冷卻水道上設 有進水口和出水口。
7. 根據權利要求2所述的實現權利要求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置有保溫材料。
8. 根據權利要求2所述的實現權利要求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. 根據權利要求2所述的實現權利要求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變?yōu)閵W氏體，然后根據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構相對應的兩部分，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)先權日2009年12月14日
發(fā)明者李輝平, 賀連芳 申請人:山東大學