鋼板的局部熱處理工藝及產(chǎn)品的制作方法
【專利摘要】一種對鋼板部件進行局部硬化的工藝，其包括使激光束沿掃描方向掃描跨過鋼板部件的預定部分。激光束選擇性地將鋼板部件的預定部分內(nèi)的材料加熱至奧氏體化轉(zhuǎn)變的溫度。在激光束掃描跨過預定部分的過程中，外部冷卻源應用于預定部分內(nèi)、并且沿激光束的掃描方向緊隨在激光束后面的材料。外部冷卻源被選擇為以足夠快的速度冷卻材料，從而形成基本上限定在預定部分內(nèi)的局部硬化區(qū)。在應用外部冷卻源之后，允許鋼板部件的預定部分內(nèi)的材料冷卻至環(huán)境溫度。
【專利說明】鋼板的局部熱處理工藝及產(chǎn)品
[0001]本申請要求2011年7月25日提交的美國臨時專利申請N0.61/511，283的優(yōu)先權(quán)，該申請的全部內(nèi)容通過參引的方式并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明總體上涉及具有定制的回火性能的金屬板材部件，并且更具體地涉及一種用于基于激光束熱處理而局部增強金屬板材部件強度的工藝、一種用于實施該工藝的系統(tǒng)、以及用該系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0003]在車輛構(gòu)造的領(lǐng)域中，使用越來越多的由高強度鋼和超高強度鋼制成的車輛零件以滿足關(guān)于輕質(zhì)構(gòu)造的標準。這應用于車體構(gòu)造，其中，為了滿足重量目標和安全要求，例如結(jié)構(gòu)性元件和/或安全元件(例如門防撞梁、A柱和B柱、保險杠、縱梁以及橫梁)越來越多地由拉伸強度大于1000Mpa的熱成型和壓模淬火鋼以及UHSS (超高強度鋼)來生產(chǎn)。
[0004]在機動車輛工程的不同應用中，成形零件在某些區(qū)域應具有高強度同時它們在其它區(qū)域應相對于上述區(qū)域具有較高延展性。以此方式“定制”成形零件的性能有利于后續(xù)的成形操作，例如對零件進行修整或者穿孔，并且產(chǎn)生能夠通過變皺而將撞擊能量轉(zhuǎn)化成變形的區(qū)域。一個常規(guī)方法包括將金屬板材坯件例如在爐中加熱到其奧氏體化溫度以上，然后將受加熱的坯件迅速轉(zhuǎn)移至冷軋機并且將坯件成形為所需形狀。使用位于沖壓機的成形表面內(nèi)的加熱嵌件 或者隔熱嵌件以用于在成形和冷卻步驟中控制金屬板材坯件的選定部分的冷卻速度，使得選定部分獲得較低的拉伸強度和/或較低的硬度。此方法適合于在本來會具有高拉伸強度和/或高硬度的部件內(nèi)形成拉伸強度減小和/或硬度減小的局部區(qū)域。不幸的是，此方法具有與將整個零件加熱至其奧氏體化溫度相關(guān)的高能量成本，并且對成形工具產(chǎn)生嚴重磨損。此方法不是非常適合于生產(chǎn)高強度和/或硬度的區(qū)域相對較小的零件。另外，由于需要對零件之間的成形工具進行冷卻，因此最大生產(chǎn)速度受到限制。
[0005]Jahn 等人(Physics Procedial2 (2011) 431-441)描述了一種用于車體結(jié)構(gòu)中的負載適應部件設(shè)計的鋼板的局部強化的工藝。為了強化鋼板，Jahn等人使用激光再熔化、隨后自身自淬火從而產(chǎn)生選擇性的材料強化作用的工藝。此再熔化區(qū)域是窄的焊縫并且周圍材料能夠作為大塊材料從而從焊縫吸收熱量。再熔化之后的再凝固產(chǎn)生具有良好微觀結(jié)構(gòu)的材料，其相對于原始材料具有較高強度。現(xiàn)有技術(shù)中已知大塊材料的其它激光硬化工藝，其也依賴于自淬火來實現(xiàn)所需相變。自淬火作用通過所加熱的材料附近的大塊材料來提供，如參照Jahn等人的教導所述。不幸的是，這些方法需要足量的大塊材料來產(chǎn)生自淬火作用，并且因此往往不適合于在用薄鋼板制成的部件上使用。
[0006]因此，提供以下工藝和系統(tǒng)是有利的，它們能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的上述限制和劣勢中的至少一部分。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方式的方面，提供了一種用于由可硬化鐵合金形成的鋼板部件的局部熱處理的工藝，包括:提供鋼板部件；將激光束投射到鋼板部件上；提供激光束與鋼板部件之間的相對運動從而使激光束沿掃描方向掃描跨過鋼板部件的預定部分，激光束具有以下功率:所述功率選擇成將預定部分內(nèi)的材料加熱至奧氏體化轉(zhuǎn)變的溫度；在使激光束掃描跨過預定部分的過程中，向位于預定部分內(nèi)、并且沿激光束的掃描方向緊隨在激光束后面的材料應用外部冷卻源，外部冷卻源被選擇為以足夠快的速度冷卻材料，從而形成基本上限定在預定部分內(nèi)的局部硬化區(qū)域；并且在應用外部冷卻源之后，允許鋼板部件的預定部分內(nèi)的材料冷卻至環(huán)境溫度。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方式的方面，提供了一種用于實施由可硬化鐵合金形成的鋼板部件的局部熱處理的系統(tǒng)，包括:支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)用于在鋼板部件的局部熱處理過程中保持鋼板部件；用于產(chǎn)生激光束的激光源，激光源能夠相對于支撐結(jié)構(gòu)移動從而使所產(chǎn)生的激光束掃描跨過鋼板部件的預定部分，激光源具有以下輸出功率:所述輸出功率足以形成能夠?qū)㈩A定部分內(nèi)的材料加熱至奧氏體化轉(zhuǎn)變的溫度的加熱斑；以及外部冷卻源，外部冷卻源與激光源相鄰地布置并且能夠與激光源一起相對于底座移動，使得在使用中外部冷卻源布置成冷卻位于預定部分內(nèi)、并且沿激光束的掃描方向緊隨在由激光束產(chǎn)生的加熱斑后面的材料。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的至少一個實施方式的方面，提供了一種用于實施由可硬化鐵合金形成的鋼板部件的局部熱處理的系統(tǒng)，其包括:支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)用于在鋼板部件的局部熱處理的過程中保持鋼板部件；用于產(chǎn)生激光束的激光源，激光源能夠相對于支撐結(jié)構(gòu)移動從而使所產(chǎn)生的激光束掃描跨過鋼板部件的預定部分，激光源具有以下輸出功率:所述輸出功率足以形成能夠?qū)㈩A定部分內(nèi)的材料加熱至奧氏體化轉(zhuǎn)變的溫度的加熱斑；以及外部冷卻源，外部冷卻源布置成在使用中冷卻位于預定部分內(nèi)、并且沿激光束的掃描方向緊隨在由激光束產(chǎn)生的加熱斑后面的材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]現(xiàn)將參照附圖僅以示例方式對本發(fā)明進行描述，其中在全部多個附圖中，類似附圖標記代表類似元件，并且在圖中:
[0011]圖1為示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的鋼板部件的、具有激光束熱處理材料的條帶的部分的簡化立體圖。
[0012]圖2為示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的、用于實施鋼板部件的局部熱處理的系統(tǒng)的簡化立體圖。
[0013]圖3為示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的、用于實施鋼板部件的局部熱處理的另一系統(tǒng)的簡化立體圖。
[0014]圖4為示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的、用于實施鋼板部件的局部熱處理的又一系統(tǒng)的簡化立體圖。
[0015]圖5為示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的、用于實施鋼板部件的局部熱處理的又一系統(tǒng)的簡化立體圖。
[0016]圖6示出了對于不同冷卻機構(gòu)，在鋼板部件的局部熱處理過程中，在激光束掃描路徑內(nèi)的固定位置處用高溫計測量的溫度的圖示。[0017]圖7示出了在局部熱處理之后鋼板部件中的強度增強的圖示。
[0018]圖8示出了示出具有用于增強零件強度的激光束熱處理條帶的零件的示意圖。
[0019]圖9示出了渦流管的示意圖，該渦流管使用壓縮空氣來產(chǎn)生冷空氣流以進行激光束斑冷卻。
[0020]圖10示出了包括具有局部熱處理的部件的汽車框架的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]提出下列說明是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)并使用本發(fā)明，并且下列說明在具體應用和其要求的背景下提供。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，公開的實施方式的多種變形是顯而易見的，并且文中限定的基本原理可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下應用于其它實施方式和應用。因此，本發(fā)明無意于局限于所公開的實施方式，而是應給予與文中公開的原理和特征相符的最寬的范圍。
[0022]圖1為示出了具有激光束熱處理材料102條帶的鋼板部件100的一部分的簡化立體圖，激光束熱處理材料102條帶形成在所述鋼板部件100的預定部分104內(nèi)。例如，鋼板部件100由可硬化鋼(例如Usibor ? 1500P、Usibor ? 1500)或者其它適當?shù)匿摰匿摪?06沖壓而成。作為具體的、非限制性的示例，部件100是汽車的結(jié)構(gòu)性元件或者安全元件，例如門防撞梁、A柱、B柱、保險杠、縱梁或者橫梁等中的一者。
[0023]現(xiàn)參照圖2，示出了描繪根據(jù)本發(fā)明實施方式的、用于實施鋼板部件100局部熱處理的系統(tǒng)200的多個部件的簡化立體圖。為了清楚，實現(xiàn)本發(fā)明的理解所不必需的系統(tǒng)200的部件已經(jīng)從描述中省略。因此，圖2中未示出諸如激光束生成單元、激光傳輸光學裝置、驅(qū)動機構(gòu)以及用于冷卻流體的流動控制系統(tǒng)等部件。另外，為了清楚，鋼板部件100示出為平的矩形板106。可以理解，在實踐中鋼板部件100可以具有復雜的三維形狀。例如，鋼板部件100可以是汽車的B柱等。
[0024]仍參照圖2，系統(tǒng)200包括支撐結(jié)構(gòu)202，支撐結(jié)構(gòu)202用于在鋼板部件100的局部熱處理過程中保持鋼板部件100。激光束成形光學裝置204表現(xiàn)為激光束源，用于提供激光束206并用于將激光束206投射到鋼板部件100的預定部分104上，從而產(chǎn)生加熱斑208。在圖2中示出的具體示例中，激光束206在截面上是圓形的并且產(chǎn)生圓形加熱斑208。支撐結(jié)構(gòu)202能夠相對于激光束源204移動從而使激光束206掃描跨過鋼板部件100的預定部分104。具體地，激光束206沿圖2中用實心箭頭示出的掃描方向進行掃描，使得加熱斑208加熱鋼板部件100的預定部分104內(nèi)的材料?？蛇x地，激光束206是靜止的并且支撐結(jié)構(gòu)202沿與掃描方向相反的方向移動，或者支撐結(jié)構(gòu)202是靜止的并且激光束206沿掃描方向移動。可替代地，激光束206和支撐結(jié)構(gòu)202兩者都移動。在實施方式中，激光束206能夠沿X方向和y方向中的一者移動，并且支撐結(jié)構(gòu)202能夠沿x方向和y方向中的另一者移動，從而支持形成激光束熱處理材料的彎曲條帶或者其它形狀?？商娲兀す馐?06或者支撐結(jié)構(gòu)能夠沿X方向和y方向移動。
[0025]在操作過程中，加熱斑208將預定部分104內(nèi)的材料加熱至奧氏體化轉(zhuǎn)變的溫度。例如，預定部分104內(nèi)的材料被加熱至約800°C與約950°C之間。在預定部分104內(nèi)和預定部分104附近的鋼板部件100的材料都不足夠厚，以至于不支持受激光束加熱的材料的自淬火。換言之，在加熱斑208加熱之后，材料的冷卻速度不足夠快，以至于不能將材料的主要為奧氏體微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成主要為貝氏體和/或馬氏體微觀結(jié)構(gòu)。因此，系統(tǒng)200包括外部冷卻源210。在圖2中示出的示例中，外部冷卻源210包括管道，其用于將冷卻流體流212引向預定部分104內(nèi)、并且沿著激光束206的掃描方向緊隨在激光束206后面的材料。外部冷卻源210在激光束206掃描跨過預定部分102的過程中提供冷卻流體流212。換言之，將冷卻流體引向追隨加熱斑208的點。
[0026]外部冷卻源210被選擇和調(diào)整成以足夠快的速度冷卻材料從而形成基本上在預定部分104內(nèi)的局部硬化和/或強化區(qū)域。具體地，外部冷卻源210被選擇成以足夠快的速度冷卻材料從而將材料的主要為奧氏體微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成主要為貝氏體和/或馬氏體微觀結(jié)構(gòu)。以此方式冷卻材料實現(xiàn)了預定的機械性能，例如高強度和強硬的微觀結(jié)構(gòu)?？梢杂脕碚{(diào)整外部冷卻源210的選項例如包括改變加熱斑208與外部冷卻源210之間的距離。所述距離可以確定為用于實現(xiàn)最佳冷卻性能?？商娲?，冷卻流體本身被選擇以針對特定應用實現(xiàn)最佳冷卻性能。根據(jù)實施方式，冷卻流體是冷空氣?？蛇x地，使用其它氣態(tài)或者液態(tài)冷卻介質(zhì)作為冷卻流體。例如，干冰(CO2)和水霧是兩種替代性的冷卻流體。另外，通過使用外部冷卻源210而實現(xiàn)的冷卻速度取決于冷卻流體的流動速度和/或流量、冷卻流體與受加熱材料的相互作用時間、以及冷卻流體的溫度。如下文中一些示例中所述，可以通過使用多個管道提供冷卻流體、和通過適當?shù)夭贾迷诠艿乐g的間隔來增加冷卻流體的相互作用時間。
[0027]仍參照圖2，示出為外部冷卻源210與激光束源204沿鋼板部件100的同一側(cè)布置，即沿鋼板部件100的加熱側(cè)布置?？商娲?，外部冷卻源210布置成將冷卻流體流引向沿著鋼板部件100的與加熱側(cè)相反一側(cè)的材料。另外可替代地，將單獨的冷卻流體流引向鋼板部件100的加熱側(cè)和引向鋼板部件100的相反側(cè)。
[0028]可選地，在單個鋼板零件上、在零件的子組件上、或者在零件的完整組件上實施激光束熱處理工藝。有利地，能夠?qū)⒓す馐?06引向零件或者子組件的任何預定位置以產(chǎn)生局部增強，即使在其它情況下難以`接近的位置處也是如此。
[0029]雖然圖2中示出的示例示出了平鋼板部件100，但是可以理解，該工藝可同樣地應用于管狀結(jié)構(gòu)或者其它封閉輪廓結(jié)構(gòu)，特別是液壓成形管狀零件。與前述類似，激光束206用于向管狀零件內(nèi)需改進機械性能的預定區(qū)域提供局部加熱，之后對受加熱區(qū)域進行快速冷卻/淬火以產(chǎn)生從主要為奧氏體微觀結(jié)構(gòu)向主要為馬氏體和/或貝氏體微觀結(jié)構(gòu)的相變。
[0030]現(xiàn)參照圖3，示出了描繪根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于實施鋼板部件100的局部熱處理的另一系統(tǒng)300的簡化立體圖。為了清楚，實現(xiàn)本發(fā)明的理解所不必需的系統(tǒng)300的部件已經(jīng)從描述中省略。因此，圖3中未示出例如激光束生成單元、激光傳輸光學裝置、驅(qū)動機構(gòu)以及用于冷卻流體的流動控制系統(tǒng)等部件。另外，為了清楚，鋼板部件100示出為平的矩形板106。可以理解，在實踐中鋼板部件100可以具有復雜的三維形狀。例如，鋼板部件100可以是汽車的B柱等。
[0031]仍參照圖3，系統(tǒng)300包括支撐結(jié)構(gòu)302，支撐結(jié)構(gòu)302用于在鋼板部件100的局部熱處理過程中保持鋼板部件100。激光束成形光學裝置304用于代表激光束源，其用于提供激光束306并用于將激光束306投射到鋼板部件100的預定部分104上，從而產(chǎn)生加熱斑308。在圖3中示出的具體示例中，激光束306在截面上是方形的并且產(chǎn)生方形加熱斑308。支撐結(jié)構(gòu)302能夠相對于激光束源304移動從而使激光束306掃描跨過鋼板部件100的預定部分104。具體地，激光束306沿圖3中用實心箭頭示出的掃描方向進行掃描，使得加熱斑308加熱鋼板部件100的預定部分104內(nèi)的材料?？蛇x地，激光束306是靜止的并且支撐結(jié)構(gòu)302沿與掃描方向相反的方向移動，或者支撐結(jié)構(gòu)302是靜止的并且激光束306沿掃描方向移動?？商娲兀す馐?06和支撐結(jié)構(gòu)302兩者都移動。在實施方式中，激光束306能夠沿X方向和y方向中的一者移動，并且支撐結(jié)構(gòu)302能夠沿x方向和y方向中的另一者移動，從而支持形成激光束熱處理材料的彎曲條帶或其它形狀?？商娲?，激光束306或者支撐結(jié)構(gòu)302能夠沿X方向和y方向移動。
[0032]在操作過程中，加熱斑308將預定部分104內(nèi)的材料加熱至奧氏體化轉(zhuǎn)變的溫度。例如，預定部分104內(nèi)的材料被加熱至約800°C與約950°C之間。在預定部分104內(nèi)和預定部分104附近的鋼板部件100的材料都不足夠厚，以至于不支持受激光束加熱的材料的自淬火。換言之，在加熱斑308加熱之后，材料的冷卻速度不足夠快，以至于不能將材料的主要為奧氏體微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成主要為貝氏體和/或馬氏體微觀結(jié)構(gòu)。因此，系統(tǒng)300包括外部冷卻源310。在圖3中示出的示例中，外部冷卻源310是管道，其用于將冷卻流體流312引向位于預定部分104內(nèi)、并且沿著激光束306的掃描方向緊隨在激光束306后面的材料。外部冷卻源310在激光束306掃描跨過預定部分102的過程中提供冷卻流體流312。換言之，將冷卻流體引向追隨加熱斑308的點。
[0033]外部冷卻源310被選擇和調(diào)整成以足夠快的速度冷卻材料從而形成基本上在預定部分104內(nèi)的局部硬化區(qū)域。具體地，外部冷卻源310被選擇成以足夠快的速度冷卻材料從而將材料的主要為奧氏體微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成主要為貝氏體和/或馬氏體微觀結(jié)構(gòu)。以此方式冷卻材料實現(xiàn)了預定的機械性能，例如高強度和強硬的微觀結(jié)構(gòu)。對外部冷卻源310進行的調(diào)整包括例如改變加熱斑308與冷卻流體所導向的區(qū)域之間的距離。所述距離可以確定為用于實現(xiàn)最佳冷卻性能。可替代地，冷卻流體本身被選擇以針對特定應用實現(xiàn)最佳冷卻性能。根據(jù)實施方式 冷卻流體是冷空氣?？蛇x地，使用其它氣態(tài)或者液態(tài)冷卻介質(zhì)作為冷卻流體。例如，干冰(CO2)和水霧是兩種替代性的冷卻流體。另外，通過外部冷卻源310而實現(xiàn)的冷卻速度取決于冷卻流體的流動速度和/或流量、冷卻流體與受加熱材料的相互作用時間、以及冷卻流體的溫度。如下文中一些示例所述，可以通過使用多個管道提供冷卻流體、并且適當?shù)夭贾霉艿乐g的間隔來增加冷卻流體的相互作用時間。
[0034]圖3示出了外部冷卻源310與激光束源304沿鋼板部件100的同一側(cè)布置，即沿金屬板材部件的加熱側(cè)布置?？商娲兀獠坷鋮s源310布置成將冷卻流體流引向沿著金屬板材部件100的與加熱側(cè)相反一側(cè)的材料。另外可替代地，將單獨的冷卻流體流引向金屬板材部件100的加熱側(cè)和相反側(cè)兩者。
[0035]可選地，在單個金屬板材零件上、在零件的子組件上、或者在零件的完整組件上實施激光束熱處理工藝。有利地，能夠?qū)⒓す馐?06引向零件或者子組件的任何預定位置以產(chǎn)生局部增強，即使在其它情況下難以接近的位置也是如此。
[0036]雖然圖3中示出的示例示出了平金屬板材部件100，但是可以理解，該工藝可同樣地應用于管狀結(jié)構(gòu)或者其它封閉輪廓結(jié)構(gòu)，特別是液壓成形管狀零件。與前述類似，激光束306用于向管狀零件內(nèi)需要改善機械性能處的預定區(qū)域提供局部加熱，之后對受加熱區(qū)域進行快速冷卻/淬火以產(chǎn)生從主要為奧氏體微觀結(jié)構(gòu)向主要為馬氏體和/或貝氏的體微觀結(jié)構(gòu)的相變。
[0037]現(xiàn)參照圖4，示出了描繪根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于實施鋼板部件100的局部熱處理的另一系統(tǒng)400的簡化立體圖。為了清楚，實現(xiàn)本發(fā)明的理解所不必需的系統(tǒng)400的部件已經(jīng)從描述中省略。因此，圖4中未示出諸如激光束生成單元、激光傳輸光學裝置、驅(qū)動機構(gòu)以及用于冷卻流體的流動控制系統(tǒng)等部件。另外，為了清楚，鋼板部件100示出為平的矩形板106?？梢岳斫猓趯嵺`中鋼板部件100可以具有復雜的三維形狀。例如，鋼板部件100可以是汽車的B柱等。
[0038]另參照圖4，系統(tǒng)400包括支撐結(jié)構(gòu)202，支撐結(jié)構(gòu)202用于在鋼板部件100的局部熱處理過程中保持鋼板部件100。激光束成形光學裝置304用于代表激光束源，其用于提供激光束306并用于將激光束306投射到鋼板部件100的預定部分104上，從而產(chǎn)生加熱斑308。在圖4中示出的具體示例中，激光束306在截面上是方形的并且產(chǎn)生方形加熱斑308。支撐結(jié)構(gòu)202能夠相對于激光束源304移動從而使激光束306掃描跨過鋼板部件100的預定部分104。具體地，激光束306沿圖4中用實心箭頭示出的掃描方向進行掃描，使得加熱斑308加熱鋼板部件100的預定部分104內(nèi)的材料?？蛇x地，激光束306是靜止的并且支撐結(jié)構(gòu)202沿與掃描方向相反的方向移動，或者支撐結(jié)構(gòu)202是靜止的并且激光束306沿掃描方向移動?？商娲?，激光束306和支撐結(jié)構(gòu)202兩者都移動。在實施方式中，激光束306能夠沿X方向和y方向中的一者移動，并且支撐結(jié)構(gòu)202能夠沿x方向和y方向中的另一者移動，從而支持形成激光束熱處理材料的彎曲條帶或者其它形狀?？商娲兀す馐?06或者支撐結(jié)構(gòu)能夠沿X方向和在y方向移動。
[0039]在操作過程中，加熱斑308將預定部分104內(nèi)的材料加熱至奧氏體化轉(zhuǎn)變的溫度。例如，預定部分104內(nèi)的材料被加熱至約800°C與約950°C之間。在預定部分104內(nèi)和預定部分104附近的鋼板部件100的材料都不足夠厚，以至于不支持受激光束加熱的材料的自淬火。換言之，在加熱斑308加熱之后，材料的冷卻速度不足夠快，以至于不能將材料的主要為奧氏體微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成主要`為貝氏體和/或馬氏體微觀結(jié)構(gòu)。因此，系統(tǒng)400包括外部冷卻源402。在圖4中示出的示例中，外部冷卻源402是多個管道，其用于將冷卻流體流404引向位于預定部分104內(nèi)、并且沿著激光束306的掃描方向緊隨在激光束306后面的材料。外部冷卻源402在激光束306掃描跨過預定部分102的過程中提供冷卻流體流404。換言之，將冷卻流體引向追隨加熱斑308的點。
[0040]外部冷卻源402被選擇和調(diào)整成以足夠快的速度冷卻材料從而形成基本上在預定部分104內(nèi)的局部硬化區(qū)域。具體地，外部冷卻源402被選擇成以足夠快的速度冷卻材料從而將材料的主要為奧氏體微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成主要為貝氏體和/或馬氏體微觀結(jié)構(gòu)。以此方式冷卻材料實現(xiàn)了預定的機械性能，例如高強度和強硬的微觀結(jié)構(gòu)。對外部冷卻源402進行的調(diào)整包括例如改變加熱斑308與外部冷卻源402之間的距離。所述距離可以確定為用于實現(xiàn)最佳冷卻性能?？商娲?，冷卻流體本身被選擇以針對特定應用實現(xiàn)最佳冷卻性能。根據(jù)實施方式，冷卻流體是冷空氣?？蛇x地，使用其它氣態(tài)或者液態(tài)冷卻介質(zhì)作為冷卻流體。例如，干冰(CO2)和水霧是兩種替代性的冷卻流體。通過外部冷卻源402而實現(xiàn)的冷卻速度取決于冷卻流體的流動速度和/或流量、冷卻流體與受加熱材料的相互作用時間、以及冷卻流體的溫度。在本示例中，通過使用多個管道提供冷卻流體、并且適當?shù)夭贾霉艿乐g的間隔，相對于系統(tǒng)200和300而言增加了冷卻流體的相互作用時間。圖4中示出了兩個單獨的管道，但是可以理解，可以使用超過兩個單獨的管道。
[0041]圖4示出了外部冷卻源402與激光束源304沿金屬板材部件100的同一側(cè)布置，即沿金屬板材部件的加熱側(cè)布置?？商娲?，外部冷卻源302布置成將冷卻流體流引向沿金屬板材部件100的與加熱側(cè)相反一側(cè)的材料。另外可替代地，將單獨的冷卻流體流引向金屬板材部件100的加熱側(cè)和相反側(cè)兩者。
[0042]可選地，在單個金屬板材零件上、在零件的子組件上、或者在零件的完整組件上實施激光束熱處理工藝。有利地，能夠?qū)⒓す馐?06引向零件或者子組件的任何預定位置以產(chǎn)生局部增強，即使在其它情況下難以接近的位置也是如此。
[0043]雖然圖4中示出的示例示出了平金屬板材部件100，但是可以理解，該工藝可同樣地應用于管狀結(jié)構(gòu)或者其它封閉輪廓結(jié)構(gòu)，特別是液壓成形管狀零件。與前述類似，激光束306用于向管狀零件內(nèi)需改進機械性能處的預定區(qū)域提供局部加熱，之后對受加熱區(qū)域進行快速冷卻/淬火以產(chǎn)生從主要為奧氏體微觀結(jié)構(gòu)到主要為馬氏體和/或貝氏體微觀結(jié)構(gòu)的相變。
[0044]現(xiàn)參照圖5，示出了描繪根據(jù)本發(fā)明實施方式的用于實施鋼板部件100的局部熱處理的另一系統(tǒng)500的簡化側(cè)視圖。為了清楚，實現(xiàn)本發(fā)明的理解所不必需的系統(tǒng)500的部件已從描述中省略。因此，圖5中未示出諸如激光電源、激光光學裝置、驅(qū)動機構(gòu)以及散熱冷卻結(jié)構(gòu)等部件。另外，為了清楚，鋼板部件100示出為平的矩形板106?？梢岳斫猓趯嵺`中鋼板部件100可以具有復雜的三維形狀。例如，鋼板部件100可以是汽車的B柱等。
[0045]仍參照圖5，系統(tǒng)500包括支撐結(jié)構(gòu)202，支撐結(jié)構(gòu)202用于在鋼板部件100的局部熱處理過程中保持鋼板部件100。設(shè)置有激光束源204，用于產(chǎn)生激光束206并用于將激光束206投射到鋼板部件100的預定部分(用虛線示出)，從而產(chǎn)生加熱斑208。在圖5中示出的具體示例中，激光束206在截面上是圓形的并且產(chǎn)生圓形加熱斑208。支撐結(jié)構(gòu)202能夠相對于激光束206移動，從而使激光束206掃描跨過鋼板100的預定部分104。具體地，激光束206沿圖5中用實心箭頭所示的掃描方向進行掃描，使得加熱斑208加熱鋼板部件100的預定部分104內(nèi)的材料?？蛇x地，激光束源204是靜止的并且支撐結(jié)構(gòu)202沿與掃描方向相反的方向移動，或者支撐結(jié)構(gòu)202是靜止的并且激光束源204沿掃描方向移動?？商娲兀す馐?04和支撐結(jié)構(gòu)202兩者都移動。在實施方式中，激光束源204沿X方向(圖5中的左右方向)和y方向(圖5中紙面的內(nèi)外方向)中的一者移動，并且支撐結(jié)構(gòu)202沿X方向和I方向中的另一者移動，由此支持形成激光束熱處理材料的彎曲條帶或者其它形狀。可替代地，激光束源204或者支撐結(jié)構(gòu)202能夠沿X方向和y方向移動。
[0046]在操作過程中，加熱斑208將預定部分104內(nèi)的材料加熱至奧氏體化轉(zhuǎn)變的溫度。例如，預定部分104內(nèi)的材料被加熱至約800°C與約950°C之間。在預定部分104內(nèi)和預定部分104附近的鋼板部件100的材料都不足夠厚，以至于不支持受激光束加熱的材料的自淬火。換言之，在加熱斑208加熱之后，材料的冷卻速度不足夠快，以至于不能將材料的主要為奧氏體微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成主要為貝氏體和/或馬氏體微觀結(jié)構(gòu)。因此，系統(tǒng)500包括外部冷卻源。在圖5中示出的示例中，外部冷卻源是散熱構(gòu)件502，散熱構(gòu)件502設(shè)置成沿鋼板部件100的與由激光束206加熱的一側(cè)相反的一側(cè)與鋼板部件100熱連通。散熱構(gòu)件502還與預定部分104對準，并且其寬度選擇成與基于熱處理工藝而期望受到熱影響的區(qū)域成比例。通過具體示例，散熱構(gòu)件502是由鋼和/或銅或者另一適當材料制成的匹配的接觸金屬散熱器。例如，散熱構(gòu)件502利用超傳導性的(ultra-conductive)銅合金制成,超傳導性的銅合金是軟的、柔性的并且能夠易于彎曲從而遵循受激光熱處理的預定部分104的形狀?？蛇x地，支撐結(jié)構(gòu)202和/或另一固定裝置與散熱構(gòu)件502相鄰地設(shè)置?？蛇x地，設(shè)置有使用外部冷卻源210、310或者420中的一者進行的補充冷卻。
[0047]散熱構(gòu)件502以足夠快的速度冷卻預定部分104內(nèi)的受加熱材料，從而將材料主要為奧氏體微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成主要為貝氏體和/或馬氏體微觀結(jié)構(gòu)。以此方式冷卻材料實現(xiàn)了預定的機械性能，例如高強度和強硬的微觀結(jié)構(gòu)?？蛇x地，在單個鋼板零件上、在零件的子組件上、或者在零件的完整組件上實施激光束熱處理工藝。有利地，能夠?qū)⒓す馐?06引向零件或者子組件的任何預定位置以產(chǎn)生局部增強，即使在其它情況下難以接近的位置也是如此。
[0048]圖6示出了在采用不同冷卻機構(gòu)對鋼板部件進行局部熱處理的過程中，由高溫計在激光束掃描路徑內(nèi)的固定位置處測量到的溫度的圖示。高溫計僅能夠測量270°C至960°C的范圍中的溫度。通常，認為約50°C每秒的冷卻速度在鋼合金中產(chǎn)生足夠量的貝氏體和馬氏體量，這產(chǎn)生可接受的激光熱處理材料的硬化和/或強化。圖6中示出的圖示示出了在使用冷卻氣體噴射的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)約50°C每秒的冷卻速度。另外，圖6中清楚地示出了，當不使用外部冷卻源時，冷卻速度不足夠快以至于不能實現(xiàn)期望的貝氏體和馬氏體的形成。
[0049]圖7示出了在局部熱處理之后的鋼板部件中觀測到的強度增強的圖示。4130合金的拉伸強度從熱處理前的約500N/mm2增大到熱處理后的超過1500N/mm2。類似地，1050合金的拉伸強度從熱處理前的約500N/mm2增大到熱處理后的超過2000N/mm2。
[0050]現(xiàn)參照圖8，示出了描繪零件800的示例性的圖示，零件800具有用于增大零件強度的激光熱處理條帶802。在圖8中示出的示例中，零件800是用于汽車的B柱并且激光束熱處理條帶802基本上沿B柱的至少一部分長度延伸。如圖8中所示，激光束熱處理條帶802彎曲并且遵循零件的形狀。
[0051]圖9示出了渦流管的示意圖，該渦流管使用壓縮空氣來產(chǎn)生用于激光束斑冷卻的冷空氣流。具體地，渦流管900可以用作以上分別參照圖2、圖3以及圖4所述的外部冷卻源210、310以及402。例如，渦流管900用作使用壓縮空氣作為動力源的管道，而不需要位于裝置內(nèi)部的任何移動零件。提供至渦流管900的壓縮空氣902在管內(nèi)分成兩股空氣流。由于角動量守恒原理，通過兩股空氣流之間的能量交換，一股空氣流變成引向鋼板部件100的預定部分104的冷空氣流904。另一股空氣流906從鋼板部件排出。渦流管900能夠使氣體溫度下降多達46°C或者更多，并且這非常適合于在預定部分104內(nèi)的材料被激光束的加熱斑加熱之后對該材料進行冷卻。
[0052]圖10示出了汽車框架1000的示意圖，汽車框架1000包括已經(jīng)經(jīng)受如上所述的局部激光束熱處理工藝的部件。具體地，圖10示出了如何將局部激光熱處理的區(qū)域(白線1002)應用于汽車部件的主體結(jié)構(gòu)，從而提供對汽車部件的預定區(qū)域中的機械性能的局部強化。當然，局部激光熱處理還可以應用于其它汽車部件，以及其它非汽車部件。
[0053]在參照圖1至4描述的示例中，激光束熱處理材料102直線地延伸并且限定窄的條帶?？商娲?，可以使用不同定尺寸的激光束斑尺寸以用于產(chǎn)生具有不同寬度的激光束熱處理材料的條帶。例如，已經(jīng)通過使用可得到的16mmX 16mm方形激光束斑生成寬度為12mm的條帶。特別地，在12mm寬條帶中的激光束熱處理材料的整個厚度上實現(xiàn)相變，并且實驗測定顯示此條帶的強度在局部激光熱處理之后大幅增加。
[0054]如上所述的本發(fā)明的實施方式提供了一種用于金屬板材部件的局部增強的工藝和系統(tǒng)，其通過使用激光束進行局部加熱、然后使用外部冷卻源進行快速冷卻而實現(xiàn)。在金屬板材部件的情況下，激光束的熱效應基本上延伸貫穿金屬板材部件的整個厚度并且由此金屬板材部件不承受大塊金屬部件的情形下那樣的自淬火。通過使用外部冷卻源實施的有效冷卻步驟提供具有局部硬化區(qū)域的產(chǎn)品，與形成在大塊金屬部件中的僅硬化頂層相反，該局部硬化區(qū)域基本上延伸貫穿金屬板材部件的整個厚度。[0055]盡管以上描述構(gòu)成了本發(fā)明的多個實施方式，但是可以理解，本發(fā)明易于在不脫離隨附權(quán)利要求的真正含義的情況下進行進一步改進和改變。
【權(quán)利要求】
1.一種由可硬化鐵合金形成的鋼板部件的局部熱處理的工藝，包括: 提供鋼板部件； 將激光束投射到所述鋼板部件上； 提供所述激光束與所述鋼板部件之間的相對運動從而使所述激光束沿掃描方向掃描跨過所述鋼板部件的預定部分，所述激光束具有以下功率:所述功率被選擇成將所述預定部分內(nèi)的材料加熱至奧氏體化轉(zhuǎn)變的溫度； 在使所述激光束掃描跨過所述預定部分的過程中，向位于所述預定部分內(nèi)、并且沿所述激光束的所述掃描方向緊隨在所述激光束后面的材料應用外部冷卻源，所述外部冷卻源被選擇為以足夠快的速度冷卻所述材料，從而形成基本上限定在所述預定部分內(nèi)的局部硬化區(qū)域；并且 在應用所述外部冷卻源之后，允許所述鋼板部件的所述預定部分內(nèi)的材料冷卻至環(huán)境溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其中，所述鋼板部件的所述預定部分內(nèi)的材料具有厚度，并且其中，所述材料的所述厚度不足以支持所述預定部分內(nèi)的受加熱材料的自淬火。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工藝，其中，冷卻的速度足夠快從而將所述材料的主要為奧氏體微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成主要為貝氏體微觀結(jié)構(gòu)和馬氏體微觀結(jié)構(gòu)中的至少一者。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的工藝，其中，所述溫度介于800°C與950°C之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的工藝，其中，所述激光束的掃描不在所述鋼板部件與另一鋼板部件之間形成焊縫。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的工藝，其中，所述激光束跨過所述鋼板部件的所述預定部分的掃描使得貫穿所述材料的整個厚度進行加熱。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的工藝，其中，應用所述外部冷卻源包括將冷卻流體引向位于所述預定部分內(nèi)、并且沿所述激光束的所述掃描方向緊隨在所述激光束后面的材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的工藝，其中，所述激光束轟擊在沿所述鋼板部件的第一側(cè)的表面上，并且其中，應用所述外部冷卻源包括提供散熱材料，所述散熱材料與沿所述鋼板部件的第二側(cè)的表面熱連通，其中所述第二側(cè)與所述第一側(cè)相反。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的工藝，其中，在所述材料冷卻到鐵合金的貝氏體起始溫度或馬氏體起始溫度以下之前，所述外部冷卻源應用于所述預定部分內(nèi)的材料。
10.一種用于實施由可硬化鐵合金形成的鋼板部件的局部熱處理的系統(tǒng)，包括: 支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)用于在所述鋼板部件的局部熱處理的過程中保持所述鋼板部件； 用于產(chǎn)生激光束的激光源，所述激光源能夠相對于所述支撐結(jié)構(gòu)移動從而使所產(chǎn)生的激光束掃描跨過所述鋼板部件的預定部分，所述激光源具有以下輸出功率:所述輸出功率足以形成能夠?qū)⑺鲱A定部分內(nèi)的材料加熱至奧氏體化轉(zhuǎn)變的溫度的加熱斑；以及 外部冷卻源，所述外部冷卻源與所述激光源相鄰地布置并且能夠與所述激光源一起相對于底座移動，使得在使用中所述外部冷卻源布置成冷卻位于所述預定部分內(nèi)、并且沿所述激光束的掃描方向緊隨在由所述激光束產(chǎn)生的所述加熱斑后面的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)， 其中，所述外部冷卻源包括至少一個管道，所述至少一個管道布置成將冷卻流體流引向位于所述預定部分內(nèi)、并且緊隨在所述加熱斑后面的材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述外部冷卻源包括至少一個管道，所述至少一個管道布置成將冷卻流體流引向與位于所述預定部分內(nèi)、并且緊隨在所述加熱斑后面的材料緊鄰的材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的系統(tǒng)，其中，所述冷卻流體是氣體。
14.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的系統(tǒng)，其中，所述冷卻流體是液體。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個管道是多個管道，并且其中，所述多個管道中的每一個布置成將所述冷卻流體流的一部分引向位于所述預定部分內(nèi)、并且緊隨在所述加熱斑后面的材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個管道是多個管道，并且其中，所述多個管道配合以將所述冷卻流體流的一部分引向與位于所述預定部分內(nèi)、并且緊隨在所述加熱斑后面的材料的相反的邊緣緊鄰的材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述外部冷卻源包括渦流管。
18.一種用于實施由可硬化鐵合金形成的鋼板部件的局部熱處理的系統(tǒng)，包括: 支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)用于在鋼板部件的局部熱處理的過程中保持所述鋼板部件； 用于產(chǎn)生激光束的激光源，所述激光源能夠相對于所述支撐結(jié)構(gòu)移動從而使所產(chǎn)生的激光束掃描跨過所述鋼板部件的預定部分，所述激光源具有以下輸出功率:所述輸出功率足以形成能夠?qū)⑺鲱A定部分內(nèi)的材料加熱至奧氏體化轉(zhuǎn)變的溫度的加熱斑；以及 外部冷卻源，所述外部冷卻源布置成在使用中冷卻所述預定部分內(nèi)、并且沿所述激光束的掃描方向緊隨在由所述激光束產(chǎn)生的所述加熱斑后面的材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述外部冷卻源與所述激光源相鄰地布置并且能夠與所述激光源一起相對于所述支撐結(jié)構(gòu)移動，并且所述外部冷卻源包括至少一個管道，所述至少一個管道布置成將冷卻流體流引向位于所述預定部分內(nèi)、并且緊隨在所述加熱斑后面的材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述外部冷卻源包括渦流管。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述支撐結(jié)構(gòu)保持所述鋼板部件，使得所述激光束轟擊在沿所述鋼板部件的第一側(cè)的表面上，并且其中，所述外部冷卻源包括散熱材料，所述散熱材料與沿所述鋼板部件的第二側(cè)的表面熱連通，其中所述第二側(cè)與所述第一側(cè)相反。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，所述散熱材料是超傳導性的銅合金。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述散熱材料的寬度與基于所述局部熱處理的期望熱影響區(qū)成比例。
【文檔編號】C21D9/46GK103703152SQ201280037001
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月25日
【發(fā)明者】馬克西米利安·阿姆特曼, 博里斯·舒利金, 阿爾多·萬格爾德, 辜紅平 申請人:麥格納國際公司