用于由高强度钢和超高强度钢制造成形部件的方法

专利名称：用于由高强度钢和超高强度钢制造成形部件的方法
用于由高强度钢和超高强度钢制造成形部件的方法本发明涉及一种用于由抗拉强度> 780MPa的高强度钢和超高强度钢制造部件 (例如，用于汽车窗框板(sillboard)、保险杠、侧面防撞杆、安全零部件、支柱、顶轨、横 梁、侧梁、加强件(stiffners)、悬挂构件等)的方法，并且涉及通过所述方法制造的部件。已知将高强度钢和超高强度钢成形或变形以便由这些钢制造部件。这些成形方法 可以包括例如深拉、冲压(stamping)或轧制成形方法。这种类型的钢材料的机械成形导致脆化现象的发生增加，这导致在刚成形时或者 一段时间后在材料中形成裂纹。这些裂纹形成被解释为来自于环境中的氢在材料中的冶金夹杂物。这些夹杂物很大程度上受材料中的局部应力影响。所述氢夹杂物很大程度上出现 在经受拉伸应力的区域内。没有或较少的夹杂物被发现在经受压缩应力的区域内。当材料 的抗拉强度增加时，此影响被极大地放大。所述影响由于各种氢来源进一步地加剧，这可能阻碍表面涂层的使用或者还可能 产生品质低劣的部件。在用于制造这种类型的部件的标准方法中，特别在汽车工业中，例如，在压制、冲 压和深拉过程中，材料的制造中涉及非常高的拉伸负荷。然而，这种类型的脆化和裂纹不仅发生在非常强烈变形的区域，而且还发生在边 缘区域中，即，在其中已经进行了切割或分割的区域。这种影响也可以归因于切割区域中的 应力状态和微细裂纹。然而，在焊接这种类型的高强度钢和超高强度钢时，也发生这种不利的氢脆。在焊 缝区域中，热的影响和相应环境因素或气氛的影响导致可归因于氢脆的裂纹。尽管有这些 缺点，在汽车工业中还没有这些高强度钢和超高强度钢的替代品，这是由于减重是当今汽 车工业的基本要求。然而，这种类型的重量减少只能够通过使用显著更高强度的钢来实现。 然而，一个缺点是上述这些钢的氢脆和性能意味着只可能达到一定的变形度，而这低于实 际需要的变形度。作为结果，所述成形受到相当多的限制并只能通过大的半径和短的深拉 距离来实现。本发明的目的是提供一种用于由高强度钢和超高强度钢制造部件的方法，所述方 法可以用于达到高的变形度并避免脆化和裂纹。该目的通过具有权利要求1的特征的方法实现。有利的改进在从属权利要求中提供。本发明的另一个目的是提供由高强度钢和超高强度钢制成的部件，所述部件具有 高的变形度，而在其中没有氢脆发生。该目标通过具有权利要求17的特征的部件达到。有利的改进在从属权利要求中进行描述。根据本发明，所述成形操作可以被用于通过在具有合适的工具设计的被称为轧制 成形设备的装置中，将由高强度钢和超高强度钢制成的部件变形来影响所述部件的应力状 态，而没有必要受到形状和部件几何结构方面的主要限制。
在这种情况下，在工件的所有区域中，S卩，在弯曲半径区域中和边缘区域中，以及 在焊缝处，都可以有利地避免已经描述过的缺点。为了影响带材边缘中的应力状态并且为了避免这里的氢脆，根据本发明，将所述 带材边缘顶锻(upset-forged)或冲压。根据本发明，此带材边缘冲压或顶锻或变形以例如 相对于垂线15°至60°的角度进行。在轧制成形设备中，在实际变形区域的带材入口上游、在变形区域中或在带材出 口的变形区域下游，在纵向定尺切割过程中轧制异型(roll-profiling)之前，通过异型辊 或斜置辊(obliquely disposed rollers)可以实现这种类型的变形、冲压或顶锻。根据本发明对于加工带材边缘(相对于带材表面45°至90° )的另一种可能 性，为相应塑性变形区域不是提供通过压缩应力来抵消，而是为相应部件在边缘区域设置 过大尺寸，然后将所述过大尺寸通过铣削、磨削、刨削、刮削或其它加工工序去除。加工站 (machining stations)对应用于冲压操作的加工站，其中可以使用直的或斜置加工辊或工 具。所去除的材料的量典型地在0.1至0.5mm之间。由此获得的另一个优点为表面是平 滑的，因而避免了缺口。为了避免在部件的变形区域中的裂纹和氢脆，在轧制成形设备中的变形可以以上 升或下降的方式进行。术语上升或下降表示在轧制成形过程中，部件底部(base)相对于平 板的入口平面降低或上升。通过在轧制成形工序中适当地选择成形方式(上升或下降)，根 据本发明，可以对部件中的应力状态产生显著的影响。在此情况下，成形方式可以为以部件 高度的0. 1至0. 6倍上升或者下降。另一个避免部件变形区域中的裂纹的方式是通过轧制成形设备中的中间辊进行 另外的变形，在这样的情况下，这些中间辊在将要变形的区域中将部件拉伸至比获得最终 的形状基本上必需的程度更大的程度。随后的异型(profiling)再次部分地降低这种拉 伸，因此可以通过随后再引入的压缩应力补偿最初存在的拉伸应力。具体地，中间辊可以 被用于减少轧钢机架(roller stand)间的回弹，在这样的情况下，在相反方向上的过弯曲 (over-bending)，即拉伸应力的过度引入是可能的。这种类型的中间辊可以被安置在轧制 成形设备的整个变形区域上，即，在所有轧钢机架之间。然而，具体地，这种类型的中间辊应 该存在于相应的成形阶段(forming stage)的末端区域中或者存在于轧制成形设备的末端 区域中。在此情况下，距轧钢机架的距离在100至300mm之间，并且优选使用圆柱辊。还可 以使用具有45°至90°锥角的锥形辊。还可以使用多个辊，在这样的情况下，应该可以通过在水平和垂直方向上的调整 来优化过弯曲。根据本发明，为了避免在焊缝区域中的裂纹和氢脆，将带材边缘预加工以便特意 影响应力状态。将拉伸应力转变为压缩应力或消除。此外，在焊接操作过程之中和之后，可以不接近潜在的氢源。所述加工可以包括切削成形加工，比如铣削、磨削、刨削或刮削，在这样的情况下， 如在其它工艺中，压缩应力也可以由相应的辊施加。可以借助于直的或斜(15°至60° )置辊或工具来实现切削成形加工(相 对于带材边缘45°至90° )和压缩应力的施加，在这样的情况下，相应的影响措施可以发生在成形区域本身中、在成形区域的带材入口上游、轧制成形设备中定尺切割 (cutting-to-length)设备中轧制异型的上游，或者在焊接之前在设备的带材出口中成形 区域下游。如果进行去除毛刺(chip-removing)或去除其它材料的加工操作，这同样地在距 自由纵向边缘0. 1至0. 5mm的距离处进行。此外，在热处理过程中，可以进行边缘区域中的热引起的应力下降，以及上述的潜 在氢源和/或杂质的消除。本发明通过参考附图以举例的方式进行说明，在附图中

图1 显示通过变形或冲压对带材边缘中应力状态的影响；图2 示出根据本发明已进行冲压或变形的带材边缘；图3 显示根据本发明去除带材边缘中具有拉伸应力的区域；图4 显示轧制成形设备中的上升或下降变形；图5 显示根据本发明借助于轧制成形设备中的中间辊的变形；图6 显示中间辊在带材上的操作；图7 以高度示意性的形式显示另一种用于通过冲压或去除辊来加工带材边缘的 布置；图8 具有在壁中的纵向开口和所述开口的焊接边缘的管状部分；图9 显示在轧制成形设备中在过度冲压(over-stamping)的情况下的上升或下 降变形；图10 ；以高度示意性的形式显示在管的内部区域使用分离介质，以及在轧制成形 部和焊接部之间的润滑介质隔开以防止氢接近；图11 以高度示意性的形式显示在即将进行焊接工序之前带边缘(edged)的带材 的清洁和干燥；根据本发明对带材2的带材边缘1进行冲压以便减小带材边缘1的区域中的拉伸 应力，可以例如使用具有楔形或V形接触面4(图1)的辊3进行，在这样的情况下，这种类 型的辊3给边缘1提供两个顶锻斜面(chamfer)。以这样的方式，在敏感区域中出现的拉伸 应力由压缩应力补偿。这种类型的冲压结果可以在图2中看到，其中所述冲压可以进行到 这样的程度在纵向边缘的自由端面5中材料被均勻地压缩在一起，以使压力在自由端面5 的整个区域全部均勻形成直至金属板的中立斜面(neutralchamfer)。通过使用辊6 (图3)去除板2或带材2的自由纵向边缘7的拉伸应力区域，也可 以消除自由纵向边缘区域中的相应拉伸应力。在这样的情况下，使用适当设计的具有磨削 面8的加工辊(tooling roller) 6或合适的工具，通过切削成形或磨削加工，进行所述去除 直至0. 1至0. 5mm的厚度。与上述方法中不同，这不导致纵向边缘的任何变形，而当使板2 或带材2和部件形成所需的尺寸时，将要去除的区域必须被考虑在内，S卩，需要形成相应的 过大尺寸。同样为了确保金属板部件的弯曲区域中的相应压缩应力，根据本发明，在轧制成 形设备中提供成形模式，即从水平面(即板2的入口平面)向轧制成形设备中偏离。在此 情况下，偏离水平面可以为上升或者下降；图4显示了下降成形模式。根据本发明，已发现， 通过适当选择轧制成形工序中成形模式(上升或下降)，可以显著地影响部件中的应力状态，特别是因为成形模式相应地对正在主要变形区域的区域中缓慢地变形的金属板施加压 力，并且此压力补偿了相应出现的拉伸应力。如图5所示，作为备选或附加，最终的部件中的应力状态可以在轧制成形工序中 通过中间辊来影响。在此情况下，中间辊10被安置在轧钢机架11和最后的轧钢机架12之 间，例如，朝轧制成形工序的末端距离最后的轧钢机架12为100至300mm，造成弯曲区域13 的过弯曲或过度拉伸，所述过弯曲或过度拉伸然后通过在最后的轧钢机架12中进行回弯 (bending-back)而被再次消除。此回弯补偿存在于材料中的拉伸应力，因此在此情况下脆 化也被抑制。在将要焊接有纵向焊缝的管材14的情况下(图8)，可以采用相同的机理以形成具 有低的应力或没有任何应力的焊缝区域。因此，可以机械地消除纵向边缘17、18的应力区 域或适当地顶锻所述纵向边缘17、18。使用关于边缘的上侧和下侧彼此相反放置(图7)并且相应地作用于边缘的两侧 的辊15、16，可以进行这种类型的板2或管材14的应力区域的这种顶锻或机械消除。关于 这一点，图7中显示的配置并不限于对焊缝边缘的冲压，而是毫无疑问地还可以用于加工 其它的异型边缘。图9再次显示在此示例的各个变形步骤的情况下管材14的上升和下降变形机理。此外，在管材14的纵向焊接过程中，可以有利地影响氢的可能引入。例如，根据图 10，可以相对于输送方向25在实际(actual)焊接设备20比如激光器20的上游内部用惰 性气体冲洗(flush)将要焊接有焊缝21的管材14，以便确保不含氢的保护气体气氛。为了 这个目的，可以将气体冲洗探头23伸入管材14中边缘17、18之间，并通过喷嘴24放出冲 洗气体22。为了消除来自于在前加工步骤的任何的残留水或润滑剂而不留下任何的残留物， 还可以将刮器26安置在管材内部区域，防止焊接区域受到含有水蒸汽的气氛的影响，并用 擦拭装置27擦拭管材14内部。此外，可以加热所述惰性气体。如图11所示，还可以相对于输送方向25在实际焊接设备20上游使用空气流28 或相似的气流，特别是热气流，适当地清洁和/或干燥带材边缘17、18。(实施例1)对轧制成形的帽形槽钢(hatchannel)的研究(实施例1-1)通过冲压端部施加压缩应力的实验帽形槽钢是通过下列方法制造的将具有1300MPa的抗拉强度的超高强度钢带输 送到轧制成形线以使钢带通过轧钢机架，使得成形辊作用于钢带上，从而进行轧制成形而 形成帽形槽钢。检查在轧制成形过程中用辊冲压凸缘端以向凸缘端施加压缩残余应力是否可以 补偿凸缘部分的拉伸残余应力。冲压角度被设置为相对于端面45度。作为结果，如图2所示，已确认的是冲压凸缘端在纵向上产生压缩残余应力。将所获得的帽形槽钢在5%盐酸中浸渍至多24小时的预定时间，以加速延迟断裂 (5%盐酸浸渍试验)。浸渍后用眼睛评价帽形槽钢中是否发生延迟断裂。作为结果，甚至在 浸渍24小时后，也没有发现延迟断裂。
(实施例1-2)在轧制成形过程中通过中间辊控制钢变形的实验通过以与实施例1-1相似的方式将具有IOOOMPa的抗拉强度的超高强度钢带轧制 成形而制造帽形槽钢，不同之处在于以下过程。换言之，代替实施例1-1中的冲压，检查在轧制成形中用安置在轧钢机架之间的 导辊来控制凸缘部分的过弯曲和回弯是否可以减小凸缘部分的拉伸残余应力。所述过弯曲 的弯曲角比部件的弯曲角大20度。作为结果，在5%盐酸浸渍试验中，甚至在浸渍24小时以后，也没有发现延迟断 m农。(实施例1-3)通过下向成形(downhill-forming)控制钢变形的实验通过以与实施例1-1相似的方式将具有1300MPa的抗拉强度的超高强度钢带轧制 成形而制造帽形槽钢，不同之处在于以下过程。换言之，代替实施例1-1中的冲压，检查在轧制成形过程中通过将钢带自平坦面 向下弯曲的成形方式控制凸缘部分的拉伸变形是否可以向帽形凸缘施加压缩残余应力。在 向下方式中，从平坦面向下倾斜的尺寸设置为帽形材(hat)高度的30%。作为结果，在5%盐酸浸渍试验中，甚至在浸渍24小时以后，也没有发现延迟断 m农。(实施例1-4)通过磨削端部去除塑性变形区域的实验通过以与实施例1-1相似的方式将具有1500MPa的抗拉强度的超高强度钢带轧制 成形而制造帽形槽钢，不同之处在于以下过程。换言之，取代实施例1-1中的冲压，检查在轧制成形操作中通过磨削凸缘端面和 向下成形来去除和平滑化加工硬化层的组合是否可以减少凸缘端部夹杂的氢的量，其中在 所述下向成形中，自平坦面向下倾斜的尺寸被设置为帽形材高度的10%。磨削的宽度被设 置为 0. Imm 禾口 0. 3mm。作为5%盐酸浸渍试验的结果，甚至在浸渍24小时后，在两种情况中也都没有发 现延迟断裂。(比较例1)在比较实验中使用通过以下方法制造的帽形槽钢将具有1300Mpa的抗拉强度的 超高强度钢带常规地轧制成形，而没有特别地向塑性变形区域施加压缩应力，并且没有通 过磨削端部去除塑性变形区域。作为结果，在5%盐酸浸渍试验中，在已经浸渍24小时后，发现帽形槽钢的凸缘部 分中出现延迟断裂。(实施例2)对在轧制成形的方管中焊接的研究。(实施例2-1)通过惰性气体保护管内部的实验将具有1300MPa的抗拉强度的超高强度钢带输送到轧制成形线，以使钢带通过轧 钢机架，使得成形辊作用于钢带上，从而进行轧制成形而形成管材，所述管材的纵向末端彼 此面对并且限定在纵向上延伸的开口。在轧制成形过程中，用安置在轧钢机架之间的中间 辊进行凸缘部分的过弯曲，所述过弯曲的弯曲角度比部件的弯曲角度大15度。接着，通过 激光焊焊接开口，由此制造方管。检查在用He气保护管内部的同时焊接管是否可以防止激光焊接后的脆化。
以预先确定的焊接速度进行激光焊接后，评价方管的焊缝中是否存在脆化。作为 结果，焊缝中没有出现脆化。(实施例2-2)从焊接部分去除水分和润滑剂的实验以与实施例2-1相似的方式，通过将具有1500MPa的抗拉强度的超高强度钢带轧 制成形并使用激光焊而制造方管。然而，检查通过在焊接前注入高压空气以去除存在于焊接部分中的水分和润滑 剂，其后通过以与实施例2-1相似的方式在用He气保护管内部的同时焊接该管，是否可以 防止激光焊接后的脆化。作为结果，在焊缝中没有出现脆化。(比较例2)通过使用标准的激光焊焊接开口，将具有开口端的管材形成为方管，所述管材是 通过使用具有1300MPa的抗拉强度的超高强度钢带轧制成形的。此管被用于比较实验中。作为结果，确认焊缝中出现脆化。作为结果，根据本发明的方法实现了在刚焊接后以及在压缩试样上都没有裂纹的 非常好的焊接结果。本发明的优点在于在焊接边缘区域中以及在部件弯曲边缘区域中避免了氢脆和 相关的裂纹形成；所述轧制成形方法能够特别有效地将这种类型的工艺步骤在线结合。
权利要求
一种用于由高强度钢和超高强度钢制造成形部件的方法，所述高强度钢和超高强度钢的抗拉强度大于780MPa，其中，将钢板金属带材(2)进料到轧制成形设备中，并且在所述轧制成形设备中，使所述钢板金属带材(2)经过轧钢机架(11、12)，并且通过作用在所述钢板上的变形辊变形，并且其中，为了避免在已变形的钢板金属带材的塑性变形区域中的氢脆，通过冲压和/或顶锻和/或弯曲和/或过弯曲和回弯而引入压缩应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中引入压缩应力的区域为弯曲边缘和/ 或弯曲区域和/或自由纵向边缘。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过切削成形或磨削加工去除所述纵 向边缘的所述塑性变形区域。
4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，在所述轧钢机架(11、12)之 间存在另外的用于所述过弯曲和回弯的辊(10)。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过铣削、磨削、刮削或刨削去除所述纵 向边缘的所述塑性变形区域。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，从所述纵向边缘去除0.1至0. 5mm的材料。
7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，将具有V形楔(4)的辊(3)或 以相应的方式作用于所述边缘上的两根辊(15、16)用于所述纵向边缘(1)的所述冲压或顶 锻，以将斜面冲压成所述自由纵向边缘(1)的上侧面和下侧面。
8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，将被安置在所述变形轧钢机 架(11、12)之间的直辊或锥形辊(10)用于异型段的所述过弯曲，特别是凸缘区域的过弯 曲，其中过弯曲辊(10)用于进行比成形所需的弯曲更大的弯曲，然后后面的轧钢机架(12) 将所述过弯曲回弯成所需的部件几何结构。
9.根据权利要6所述的方法，其特征在于，以45°至90°的角度去除所述纵向边缘的 材料。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述斜面以相对于垂直轴为15°至 60°的角度冲压成所述边缘。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，以距所述后面的轧钢机架(12)100至 300mm的距离安置所述过弯曲辊(10)。
12.根据权利要求8或11所述的方法，其特征在于，与所需的部件几何结构相比，以大 5°至30°的角度进行所述过弯曲。
13.用于由高强度钢和超高强度钢制造成形部件的方法，所述高强度钢和超高强度钢 的抗拉强度大于780MPa，其中将钢板金属带材(2)进料到轧制成形设备中，并且在所述轧 制成形设备中，使所述钢板金属带材(2)经过轧钢机架(11、12)，并且通过作用在所述钢板 上的变形辊变形，使所述板变形为具有纵向开口的开口管材，其中，所述管材的所述开口由 在焊接设备(20)中焊接有纵向焊缝(21)的两个管材边缘(17、18)限定，并且其中为了避 免已变形的钢管的拉伸应力区域中的氢脆，实行根据前述权利要求中的一项或多项所述的 方法，和/或在实际焊接设备(20)的上游内部采用惰性气体(22)冲洗将配置有所述纵向 焊缝(21)的管材(14)，以确保不含氢的保护气体气氛。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，为了保护在所述焊接设备(20)附近的所述管材的内部区域至所述焊接设备(20)上游的管材区域，将刮器(26)安置在所述管材 内部区域中，从而防止焊接区域受到含有水蒸汽的气氛的影响，并用擦拭装置(27)擦拭管 材(14)内部。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，相对于输送方向(25)，在所述焊 接设备(20)的上游使用空气流(28)或类似的气流清洁并干燥所述管材的所述边缘(17、 18)。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，用于清洁和/或干燥所述边缘(17、18) 的所述气流为热气流。
17.通过根据前述权利要求中的一项所述的方法制造的部件，特别是异型部件，其特征 在于，为了补偿拉伸应力并且为了避免氢脆，所述部件具有冲压的自由纵向边缘，或磨削、 铣削、刨削或刮削的自由纵向边缘和/或冲压和/或顶锻的弯曲区域。
全文摘要
本发明属于一种用于由高强度钢和超高强度钢制造成形部件的方法，所述高强度钢和超高强度钢的抗拉强度大于780MPa，其中将钢板金属带材(2)进料到轧制成形设备中，并且在所述轧制成形设备中，使所述钢板金属带材(2)经过轧钢机架(11、12)，并且通过作用在所述钢板上的变形辊变形，并且其中为了避免在已变形的钢板金属带材的塑性变形区域中的氢脆，通过冲压和/或顶锻和/或弯曲和/或过弯曲和回弯或者通过加工带材边缘而引入压缩应力。
文档编号B21D19/04GK101952066SQ200880127110
公开日2011年1月19日 申请日期2008年12月4日 优先权日2007年12月20日
发明者中山浩树, 克里斯托弗·多克纳, 克里斯托弗·鲍恩伯格, 奥村昌好, 弗朗茨·韦茨, 林田康宏, 格哈德·伦高尔, 渡边宪一, 罗伯特·武尔策 申请人:株式会社神户制钢所