用于形成车辆部件的不同强度区域的方法与流程

本公开涉及用于形成车辆部件的不同强度区域的方法和工艺。

背景技术：

汽车制造商致力于设计具有提高的碰撞性能和降低的燃料消耗的轻量化车辆。对于车辆部件，制造商已经从使用低碳钢(mildsteel)转向使用先进的高强度钢和超高强度钢以及铝。车辆部件的热冲压工艺允许形成完全马氏体结构。然而，在热冲压工艺期间车辆部件的统一热处理可能产生具有不期望的质量的车辆部件。

例如，热冲压工艺可能导致车辆部件具有与钢合金和铝的接合问题，以及车辆部件需要高强度切割机进行冲裁操作。本公开涉及解决上述问题和以下总结的其他问题。

技术实现要素：

一种用于形成车辆部件的不同强度区域的方法包括：基于所选择的设计要求而选择毛坯材料并且确定用于至少三个毛坯区域的热处理计划，所选择的设计要求指定用于几何过渡区域、预定变形区域和接合区域中的一者的毛坯位置。该方法还包括：基于所述设计要求将毛坯布置在炉子内，使得预定加热区域与毛坯区域对准，以形成预定微观组织。该方法还包括：执行热处理计划以形成毛坯区域的预定微观组织，并在模具中将毛坯形成为车辆部件。选择毛坯材料可以包括从20mnb5、22mnb5、8mncrb3、27mncrb5、37mnb4、安普朗不锈钢热成形等级、ductibor、hf340/480、usibor1500、hf1050/1500、usibor1900、hf1200/1900和美国钢10b20中的一者选择可加压硬化钢等级。该方法还可以包括：在执行热处理计划之前检测毛坯是否包括涂层。当检测到涂层时，可以将第一热处理计划应用于毛坯，并且当未检测到涂层时，可以将第二热处理计划应用于毛坯。第一热处理计划可以进一步限定为下述热处理计划：其中，炉子热输出是基于锌、铝-硅和锌-镍中的一者的材料特性和形成毛坯微观组织所必需的预定温度的，毛坯微观组织包括软强度区域特性、中等强度区域特性和硬强度区域特性中的一者。该方法还可以包括：将毛坯布置在炉子内，使得所述至少三个毛坯区域中的一者伸出到炉子的外部以接收最少的热或不接收热。所述预定加热区域中的一者的温度可以为900摄氏度或者高于所述材料的ac3温度以形成硬强度区域。所述预定加热区域中的一者的温度可以在所选择的毛坯材料的ac1温度和ac3温度之间，以形成被定位成邻近于毛坯的硬强度区域的毛坯的中等强度区域。中等强度区域可以按照所选择的设计要求进行限定，以实现在毛坯的收货状态与可加压硬化钢材料的完全硬化状态之间的强度水平。

一种车辆部件强度区域形成方法包括通过炉子入口处的传感器确定毛坯的状况。该方法还包括：通过控制器基于用于所确定的毛坯的状况的预定热处理计划输出炉子命令信号，以加热第一毛坯部分而形成完全马氏体微观组织，并且加热第二毛坯部分以形成具有铁素体、珠光体和奥氏体中的一个或更多个的微观组织。该方法还可包括：基于与控制器通信的炉子传感器检测到的炉子温度变化来输出所述炉子命令信号。该方法还可包括：基于所检测的毛坯化学成分、所检测的毛坯涂层的类型、所检测的毛坯厚度和所检测的毛坯材料类型中的一个或更多个来输出所述炉子命令信号。所述炉子命令信号可以基于对毛坯的检测，所述毛坯是安普朗不锈钢热成形等级、ductibor、hf340/480、usibor1500、hf1050/1500、usibor1900、hf1200/1900和美国钢10b20中的一者。该方法还可以包括：在执行热处理计划之前检测毛坯是否包括涂层。当检测到涂层时，可以将第一热处理计划应用于毛坯，并且当未检测到涂层时，可以将第二热处理计划应用于毛坯。第一热处理计划可以进一步限定为下述热处理计划：其中，炉子热输出是基于锌、铝-硅和锌-镍中的一者的材料特性和形成毛坯微观组织所必需的预定温度的，毛坯微观组织包括软强度区域特性、中等强度区域特性和硬强度区域特性中的一者。该方法还可以包括：基于预定设计要求来选择车辆部件上的第一毛坯部分的位置，该位置具有几何过渡区域、预定变形区域和接合区域中的一者。

一种用于形成车辆部件的不同强度区域的方法包括：基于车辆部件的预定强度要求和防腐蚀要求，选择用于形成为车辆部件的毛坯的材料类型。该方法还包括：基于材料类型选择热处理计划，并在炉子内执行热处理计划，以处理毛坯而沿着车辆部件形成不同强度区域。该方法还包括：对毛坯的不同部分执行定制的冷却过程，以在几何过渡区域、预定变形区域和接合区域中的一者处形成彼此相邻的至少两个不同强度区域的微观组织。可以从第一计划和第二计划中的一者选择热处理计划，在第一计划中，毛坯被完全插入到炉子中，在第二计划中，毛坯的一部分伸出到炉子的外部。炉子可以包括一个以上的加热区域以在不同温度下加热。可以基于预定的设计要求将毛坯定位在炉子中，使得毛坯区域与所述一个以上的加热区域对准，以形成毛坯区域的微观组织。其中一个加热区域的温度可以在ac1与ac3之间，为约700至900摄氏度，以形成被定位成邻近于毛坯的硬强度区域的毛坯的中等强度区域。中等强度区域可被布置为变形并吸收从车辆部件的介于5000磅和15000磅之间的轴向负载接收的能量的一部分。该方法可以进一步包括：经由传感器检测炉子热状况，并且经由控制器输出炉子命令以基于所检测的热状况调节炉子的温度。

附图说明

图1是示出用于形成车辆部件的多强度区域的方法的示例的流程图。

图2是彼此布置用于目标热处理的加热装置和毛坯的示例的截面示意图。

图3是车底组件的前梁(frontrail)的示例的侧视图。

图4是保险杠梁组件的示例的透视图。

图5是车底组件的后梁(rearrail)的示例的侧视图。

图6是燃料箱保护组件的透视图。

图7是示出热冲压工艺的示例的示意图。

具体实施方式

在此描述本公开的实施例。然而，将理解的是，公开的实施例仅为示例，其他实施例可采用各种可替代的形式。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本公开的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，可将参照任一附图示出并描述的各种特征与在一个或更多个其他附图中示出的特征相结合以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被用于特定应用或实施方式。

图1是示出用于形成具有不同强度区域的车辆部件的方法(称为方法100)的示例的流程图。在操作104中，确定车辆部件设计要求。例如，在操作104中可以确定车辆部件的类型以及结构刚度要求。车辆部件的类型的非限制性示例包括车底组件后梁、车底组件前梁、保险杠梁以及燃料箱保护组件的横向构件。在另一示例中，设计要求可以是车辆部件的强度要求或防腐蚀要求。

结构刚度要求可以包括车辆部件受到碰撞时的变形特性。这些变形特性可以基于归因于车辆部件的与强度区域相对应的各个部分的微观组织的碰撞性能。例如，在车辆部件的具有诸如弯曲部的几何过渡的区域中可能期望较硬的强度区域。在车辆部件的期望在碰撞下变形的区域中可能期望较软的强度区域。这种变形可能有助于吸收碰撞能量，并可能在目标位置处形成活动铰链。或者，在车辆部件的区域中可能期望较软的强度区域，以便于接合或固定到另一车辆部件。设计要求的其他示例包括材料可成形特性、材料可涂覆特性、材料腐蚀特性和车辆部件接合要求。

可选地，方法100可以利用自适应系统来操作，以基于所检测的毛坯或车辆部件状况来调整毛坯的热处理。例如，在操作105中，一个或更多个传感器可以与炉子和控制器一起操作，以帮助确定与毛坯材料类型和毛坯状况有关的信息。传感器可以将所述信息提供给控制器，并且控制器可以基于与所述信息相关联的预定热处理计划来输出炉子控制命令。在一个示例中，一个或更多个传感器可以检测具有第一厚度和涂层类型的毛坯。根据第一厚度和涂层类型，控制器可基于预定的热处理计划来输出命令以控制热输出的量和炉子对各个炉子加热区域的热输出时间。

一个或更多个传感器可以包括炉子传感器。炉子传感器可以监测炉子的热工况并将监测到的信息提供给控制器，使得控制器可以响应于该信息来调节炉子的热输出。例如，炉子传感器可以检测炉子内的温度小于初始温度命令。在这个示例中，控制器可以调节炉子的温度以补偿测得的炉子温度和初始温度命令之间的差值。

在操作106中，选择毛坯材料的类型。不同类型的毛坯材料具有不同的特性，这对于特定的热处理应用可能是期望的或者可能不是期望的。毛坯材料的示例包括安普朗不锈钢热成形等级(aperamhotforminggrade)、ductibor(hf340/480)、usibor1500(hf1050/1500)、usibor1900(hf1200/1900)、美国钢10b20(ussteel10b20)、硼(boron)、20mnb5、22mnb5、8mncrb3、27mncrb5和37mnb4。

所选择的毛坯材料可以是被涂覆的或未被涂覆的。可以在操作105中检测对毛坯是否包括涂层以及涂层的类型的确定。涂层可以有助于最小化或防止毛坯的表面在某些热状况(诸如250摄氏度或更高温度的热处理)下的氧化。涂层还可以为稍后可能遭受环境状况的车辆部件提供耐腐蚀的益处。用于涂层的物质的示例包括锌、铝-硅和锌-镍。未被涂覆的毛坯可用于降低生产成本或用于不需要为防止表面腐蚀而设计的车辆部件。

在操作108中，基于先前限定的设计要求和毛坯材料选择，确定热处理计划以对毛坯的目标区域进行热处理，从而形成车辆部件的预定微观组织。热处理计划可以包括其中将毛坯完全插入到炉子中的加热过程或其中毛坯的一部分伸出到炉子之外的热处理计划。

例如，毛坯的伸出到炉子之外的部分可以接收最少的热或不接收热，来保持软强度区域特性。软强度区域可以进行热处理以用于亚临界退火或不加热。软强度区域可以包括具有铁素体和珠光体中的一者或两者的微观组织。软强度区域可以具有400mpa至600mpa的拉伸强度。毛坯的完全插入到炉子中的其他部分可以被热处理以形成中等强度区域或硬强度区域。中等强度区域可以在ac1和ac3之间进行热处理以用于临界区退火。中等强度区域可以包括具有铁素体、珠光体、马氏体和贝氏体中的一种或更多种的微观组织。中等强度区域可以具有600mpa至1000mpa的拉伸强度。硬强度区域可以在ac3以上进行热处理以用于超临界退火。硬强度区域可以包括完全马氏体微观组织。硬强度区域可以具有1000mpa至1900mpa的拉伸强度。

如果选择涂覆材料用于毛坯，则用于形成软强度区域的热处理计划可包括在用于形成涂层的温度下利用对流加热将毛坯加热到ac1以下以防止下游工艺出现问题(诸如可成形性)。ac1是材料开始形成奥氏体的温度。与ac1相关联的温度将根据材料的类型以及材料被涂覆还是未被涂覆而变化。或者，毛坯的期望获得软强度区域的部分可以布置成接收最少的热或不接受热以保持毛坯在交货时的微观组织。

对于被涂覆的毛坯，用于形成中等强度区域或硬强度区域的热处理计划可以包括在870摄氏度或更高的温度下以及以避免涂层汽化的速率加热毛坯。例如，对于usibor，在12摄氏度/秒下发生涂层汽化。

如果选择未被涂覆的材料用于毛坯，则用于形成软强度区域的热处理计划可以包括将毛坯布置于加热装置，使得毛坯的目标软区域接收最少的热或不接收热以保持铁素体和/或珠光体微观组织。

如果选择未被涂覆的材料用于毛坯，则用于形成中等强度区域的热处理计划可包括将目标中等强度区域加热到ac1至ac3以形成具有铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体中的一种或更多种的微观组织。ac3是铁素体完全转变成奥氏体的转变温度。与ac1和ac3相关联的温度将根据未被涂覆的材料的类型而变化。

如果选择未被涂覆的材料用于毛坯，则用于形成硬强度区域的热处理计划可包括将目标硬强度区域加热到ac3以上以使毛坯完全奥氏体化并形成完全马氏体微观组织。

在操作112中，将毛坯布置在炉子内，从而基于所确定的热处理计划将炉子的加热区域与毛坯的目标区域对准以相应地加热每个加热区域。

在操作114中，根据热处理计划对毛坯进行热处理，包括基于毛坯的材料类型和毛坯区域的期望微观组织使毛坯受热。例如，被涂覆的毛坯中的期望获得硬强度区域的部分与炉子加热区域布置为在900摄氏度或以上的温度下接收热。毛坯中的期望获得中等强度区域的部分可以与炉子加热区域布置为在700和900摄氏度之间的温度下接收热。毛坯中的期望获得软强度区域的部分可以与炉子布置为接收最少的热或不接收热以保持软强度区域的微观组织。通常，针对未被涂覆的毛坯，温度较低且加热时间较短。

可选地，热处理计划可以包括定制的冷却过程或统一的冷却过程以帮助形成期望的微观组织。通过定制的冷却，不同强度区域中的每个可以以不同的速率进行冷却。以超过临界冷却速率的速率冷却形成硬强度区域。以低于临界冷却速率的速率冷却形成中等强度区域。

在操作116中，毛坯在模具内被形成为车辆部件。如下面进一步描述的，车辆部件的示例包括车底组件后梁、车底组件前梁、保险杠梁和车辆部件保护组件的横向构件。在操作120中，车辆部件可以在模具内通过冷却过程而被加压硬化。

图2是如方法100所述的用于目标热处理的毛坯和加热装置之间的示例性关系的截面示意图。毛坯140包括第一部分142、第二部分144、第三部分146和第四部分148。可以在操作加热装置152之前确定毛坯140的每个部分的预定微观组织。加热装置152(诸如炉子)包括第一加热区域154、第二加热区域156和第三加热区域158。加热装置152可以操作以在预定温度下加热每个加热区域，以形成毛坯140的各个部分的预定微观组织。例如，位于加热装置152外部的第一部分142可以接收最少的热或不接收热来保持铁素体和/或珠光体微观组织，第一加热区域154可以被加热到一定温度以形成第二部分144的具有铁素体、珠光体、马氏体和贝氏体中的一种或更多种的微观组织，第二加热区域156可被加热到一定温度以形成第三部分146的完全马氏体微观组织，并且第三加热区域158可被加热到一定温度以形成第四部分148的具有铁素体、珠光体、马氏体和贝氏体中的一种或更多种的微观组织。

图3至图6示出了可以用上述方法100产生的车辆部件的示例。图3示出了用于车辆车底组件的前梁170的示例，其可以被热处理以适应与几何过渡有关的设计要求。前梁170可以由方法100产生以形成各种强度区域。例如，前梁170可以包括第一区域172、第二区域174、第三区域176和第四区域178。第三区域176在第二区域174和第四区域178之间延伸。第三区域176可以位于前梁170的一部分处，该部分包括在前梁170的前部与支撑结构180的上端之间的过渡处的弯曲部。

图4示出了用于车辆的保险杠组件184的示例，其可以被热处理以适应与目标变形特性有关的设计要求。保险杠组件184的部件可以由方法100产生以形成各种强度区域。例如，保险杠组件184包括保险杠梁186，保险杠梁186具有第一端188、第二端190以及在第一端188和第二端190之间延伸的中间部分192。第一端188在一对挤压罐196中的一个的内部和外部延伸。第二端190在一对挤压罐196中的另一个的内部和外部延伸。

保险杠梁的现有技术示例可以具有一致的马氏体结构，其可以在受到碰撞时防止期望的变形。沿着保险杠梁186选择性定位的和不同的强度区域可以有助于实现由碰撞导致的期望变形。例如，第一端188和第二端190可以被热处理以限定具有小于1000mpa的拉伸强度的中等强度区域。中间部分192可以被热处理以限定拉伸强度在1000mpa和1900mpa之间的硬强度区域。区域标识符可以由如上所述由于热处理而在车辆部件上产生的微观组织来限定。将第一端188和第二端190热处理为中等强度区域将允许保险杠梁186在受到碰撞时选择性地变形并且在相应的挤压罐196前方提供额外的挤压距离以吸收碰撞能量。如果保险杠梁186未被热处理为具有不同的强度区域，则保险杠梁186可能在受到碰撞时不会适当地变形以耗散能量。在没有不同强度区域的保险杠梁的示例中，保险杠梁可能侵入到支撑挤压罐中，从而导致挤压罐吸收更大的力和能量。

图5示出了用于车辆车底组件的后梁200的示例，其可以被热处理以适应与几何过渡有关的设计要求。后梁200可以由方法100产生以形成各种强度区域。后梁200包括后部202、第一中间部分204、第二中间部分206和前部208。挤压罐210从后部202延伸。后部202限定第一中心轴线214。第二中间部分206的一部分和前部208限定第二中心轴线216。第一中心轴线214可以在第一平面中并且第二中心轴线216可以在第二平面中。第二中间部分206在过渡区域220处从第一中心轴线214延伸到第二中心轴线216。在一个示例中，第二中间部分206可以向下和向外延伸到前部208。

第一中间部分204可以被热处理以形成中等强度区域，并且第二中间部分206可以被热处理以限定硬强度区域。每个后梁200可被热处理，使得后部202和前部208不接收热或接收最少的热以保持软强度区域。中等强度区域形成为包括铁素体、珠光体、马氏体和贝氏体中的一种或更多种的微观组织，并具有600mpa至1000mpa的拉伸强度。硬强度区域形成为包括完全马氏体微观组织，并具有1000mpa至1900mpa的拉伸强度。软强度区域包括铁素体和/或珠光体的微观组织，并具有400mpa至600mpa的拉伸强度。第一中间部分204可以以700摄氏度和900摄氏度之间的温度加热以形成中等强度区域。第二中间部分206可以以900摄氏度或以上的温度加热以形成硬强度区域。

图6示出了用于车辆车底的保护组件的示例，其中的部件可以被热处理以适应与目标变形特性相关的设计要求。保护组件包括第一横向构件230、第二横向构件232、第一纵向构件236、第二纵向构件238和一对侧梁(siderail)242。第一横向构件230和第二横向构件232中的每个在一对侧梁242之间延伸。一对侧梁242中的每个安装到一对下边梁(rocker)246中的一个。第一纵向构件236和第二纵向构件238中的每个在横向构件之间延伸。当受到侧部碰撞和后部碰撞时，保护组件提供结构加强。例如，燃料箱可以与保护组件布置为防止或限制由于车辆碰撞而导致的其他车辆部件与燃料箱接触。保护组件的部件的目标热处理有助于防止或限制所述接触。

例如，第一横向构件230可以被热处理，以在中央区域250处形成硬强度区域，并在第一端252和第二端254处在中央区域250的任一侧上形成软强度区域。第二横向构件232可以被热处理，以在中央区域260处形成硬强度区域，并在第一端262和第二端264处在中央区域260的任一侧上形成软强度区域。

对第一横向构件230和第二横向构件232的端部进行热处理以形成拉伸强度比相应的中央区域更低的强度区域可以产生较低强度材料区域，以形成“活动铰链”或铰链式接合部而吸收能量并使进入燃料箱区域的变形最小化。第一横向构件230和第二横向构件232的端部的软强度区域提供额外的碰撞距离或变形距离，以最小化或防止侧部被碰撞的车辆部件进入燃料箱区域。软强度区域定位在挤压接触区域处有助于促进第一横向构件230和第二横向构件232的局部塌陷，而在碰撞载荷到达相应的中央区域的硬强度区域之前提供额外的能量吸收。

如上所述，方法100可以利用自适应系统来操作以控制对炉子的温度输出命令。图7是可以使用自适应控制系统的热冲压线的示例的示意图。自适应控制系统可以包括炉子201、机器人传送系统203和模具205。自适应系统内可以包括一个或更多个传感器以监测其各种状况。例如，传感器209可以定位在炉子201上，以在毛坯211进入炉子之前确定毛坯211的特性和状况。传感器209可以检测毛坯211的材料特性以及是否存在任何涂层。可选地，炉子201可以包括炉子传感器(未示出)以监测炉子201内的热状况。

控制器215可以与炉子201、机器人传送系统203、模具205以及一个或更多个传感器通信以指导其操作。控制器215可以被配置用于各种操作，诸如本文描述的热处理过程。例如，控制器215可以被配置为基于从一个或更多个传感器接收的信息来指导自适应控制系统的操作。当传感器209检测到毛坯211的特定类型的材料和车辆部件输入时，可开始热处理计划和冲压计划。在另一示例中，基于如上所述从炉子传感器测量的炉子201的热状况，温度命令可以被发送到炉子201。

在操作的一个示例中，毛坯211可以定位在炉子201中并且被加热到形成奥氏体的相变温度以上。相变温度是铁素体完全转变成奥氏体的转变温度。例如，毛坯211可以在炉子201中在900至950摄氏度的温度下加热预定时间。烘烤时间和炉子温度可以根据毛坯211的材料和成品零件的期望性能而变化。在加热之后，机器人传送系统203可以将现在已被奥氏体化的毛坯211传送到模具205。当毛坯211仍然是热的时，模具205将毛坯211冲压成期望形状的车辆部件221。

如上所述，车辆部件221可以通过统一的或定制的冷却过程来进行冷却。例如，当模具205仍然闭合时，可以使用水或其他冷却剂对车辆部件221进行淬火。可以在行程(stroke)的末尾以30至150摄氏度/秒的冷却速度提供淬火持续预定持续时间。在淬火之后，当车辆部件221仍然是热的(例如，约150摄氏度)时，将车辆部件221从模具205移除。车辆部件221然后可以在机架上被冷却。

虽然上文描述了各种实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利要求包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制，并且应理解在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种改变。尽管各个实施例可能已经被描述为提供优点或者就一个或更多个期望特性来说优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，根据具体应用和实施方式，为了达到期望的整体系统属性，可以对一个或更多个特征或特性进行折衷。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、易组装性等。因此，被描述为在一个或更多个特性上不如其它实施例或现有技术实施方式合意的实施例并不在本公开的范围之外，并且可以期望用于特定的应用。