加强结构部件的制作方法

技术领域

本公开涉及用于制造加强结构部件的方法以及通过这些方法获得的结构部件。

背景技术：

在例如汽车工业中对重量减轻的需求已经导致轻质材料、制造过程和工具的开发和实施。对乘客安全的日益增长的关注还导致采用在碰撞期间提高车辆的完整性同时还改善能量吸收的材料。在这个意义上，通常使用由高强度和超高强度钢(UHSS)制成的车辆部件，以便满足轻质构造的标准。

需要满足重量目标和安全要求的典型车辆部件包括结构和/或安全元件，例如车门横梁、保险杠横梁、横向构件/侧部构件、A/B柱加强部和腰梁加强部。

例如，称为热成形模具淬火(HFDQ)的过程使用硼钢板来产生具有超高强度钢(UHSS)性能的冲压部件，其拉伸强度高达1,500MPa。强度的增加允许使用更薄规格的材料，与常规冷冲压的低碳钢部件相比这导致了重量节约。

在典型车辆部件的设计阶段期间执行的仿真可以识别需要加强的成形部件的点或区域(因为使用了更轻和更薄的金属板和坯件)，以便增加强度和/或刚度。另选地，可以进行重新设计以便操纵变形。

在这个意义上，存在若干程序，使用这些程序，可以加强或软化预先形成的部件的一些区域，以便通过减小部件的厚度来重新分配应力并节约重量。这些已知的用于加强部件的程序为例如在任何成形过程之前添加焊接加强部的程序。此类加强部可以是“拼接件”，其中可以使用多个坯件的部分或完全重叠，或者使用可以“边缘到边缘”焊接的不同厚度的坯件或板，即缝焊坯件(TWB)。因此，理论上可以以最少的材料和最小的厚度(重量)实现结构机械要求。

然而，在这些方法的一些中，涉及进一步的制造方法。例如，当超高强度钢正在被热成形时，由于通常用于保护免受腐蚀和氧化损伤的铝-硅(AlSi)涂层，可出现一些可焊性问题。为了克服这些问题，已知的是通过激光烧蚀在靠近焊接间隙的区域中移除涂层的一部分。然而，这表示车辆部件的制造过程中的附加步骤。

此外，当将焊接的加强部(拼接件)添加到坯件时，出现坯件的部分或完全重叠。这些区域是潜在的腐蚀起点，因为重叠区域保持在下面并且不接收例如腐蚀涂层。

此外，根据所形成的部件，可存在不能使用焊接加强部或者使用焊接加强部至少是麻烦的区域，例如，角落或具有高度变化的区域。拼接件通常使用点焊焊接，点焊接需要最小的空间来分布点。另外，拼接件需要最小尺寸以便容易焊接。这可涉及额外的重量，因为加强部需要具有最小尺寸以便被焊接，而不是具有加强所需区域所需的正确尺寸(最小)。

上述问题和/或挑战不是汽车工业或在该工业中使用的材料和过程所独有的。相反，在重量减轻为目标的任何工业中均可遇到这些挑战。当重量减轻为目标时，部件变得越来越薄，这可因此导致对加强部的需求的增加。

本公开的目的是提供制造加强结构部件的改进方法。

技术实现要素：

在第一方面，提供了一种用于制造加强结构部件的方法。该方法包括提供厚度为0.7mm至5mm的预先形成的钢结构部件。该方法进一步包括，在部件的加强区域中，在所述结构部件上局部地沉积材料以产生具有0.2mm的最小厚度的局部加强部，其中在所述结构部件上局部沉积材料包括向加强区域供应金属粉末，并且基本上同时施加激光热以熔化金属粉末，并通过使用金属粉末和激光加热在结构部件上绘制特定几何形状来产生加强部。

根据该方面，在预先形成的钢部件中执行一种焊接覆层过程以在部件上产生例如肋状部或加强部。肋状部或加强部可以在部件的特定区域(需要加强的点或区域)中提供刚度。钢部件基本上是薄的，即，厚度在0.7mm至5mm之间，并且局部加强部具有0.2mm的最小厚度。这样，当使用0.7mm的部件时，加强部表示部件的局部厚度的大约30％。在一些情况下，在相对简单的变形过程中，薄坯件可以例如在压机中进行热冲压或热形成、在辊轧成形中形成等。使用本文所述的方法，即，在基本上同时地施加激光热时供应金属粉末，结构部件的厚度可保持为薄的，但其在特定区域中的强度或结构性能增强。因此，最终部件的重量可以最小化。因此，需要加强的区域可以被强化并且/或者变形可以被重定向。通过使用局部焊接覆层，最终钢部件的体积和厚度被优化，从而使其重量减轻。广泛变化的加强部可以被“书写”或“绘制”到已经形成的坯件上。

与预先已知的用于例如防腐蚀的焊接覆层过程相反，材料仅局部地沉积并且达到基本上影响部件的刚度和/或强度的程度。

另外，使用具有粉末供应源的激光热允许形成非常特定和精确的几何形状，即，加强部可以是定制的，从而具有各种形状或设计，诸如围绕孔的圆形、彼此相交以形成网格的直线、间断的线或虚线，以及大的或小的数字等。因此，所产生的加强部的机械性能可取决于使用粉末和激光加热过程(焊接覆层)所绘制的几何形状。

因此，该方法是相当通用的，并且可以基本上实现任何期望的几何形状。也可以加强复杂的几何形状，诸如角落或具有高度变化的区域。因此得以实现局部强度加强，即，加强部具有特定和精确的几何形状，这优化(减轻)了最终加强部件的重量。发明人已经发现，使用在所形成的部件中产生局部加强部的焊接覆层导致具有大约0.7mm至大约5mm厚度的所形成部件的特别良好的结果。

在一些示例中，局部加强部可具有0.2mm至10mm的厚度。局部加强部厚度确保在加强区域中提供部件的增加的机械强度。在另外的示例中，加强部的厚度(即，相对于部件的厚度的增加)可以为0.2mm至6mm，并且具体为从0.2mm至2mm。在这些示例中，局部加强部和所形成的部件之间的厚度比(局部加强部的厚度/钢结构部件的厚度)可以在至少从大约4％至大约1400％的范围内。发明人已经发现，使用大约20％至大约300％的加强部和最终部件之间的厚度比引起特别改善的结构性能，而不会过多增加重量。具体地，大约50％至大约300％的厚度比引起具有充分低重量增加的特别高的强度和刚度部件。

在一些示例中，部件的加强区域和/或特定几何形状可以从部件的碰撞仿真中预先定义。这样，根据碰撞中所涉及的变形能量产生特定的几何形状。在一些示例中，加强区域的厚度或特定几何形状可进一步取决于用于形成部件的坯件的厚度。在另外的示例中，加强区域可以被限定为补偿由例如螺钉所需的孔而引起的强度损失。在这些情况下，加强区域可以围绕设置在部件中的孔。在更多示例中，加强区域可以限定在其中设置铰链或钩(例如，保险杠的拖钩)的那些区域处。

在一些示例中，整个结构部件可以具有基本上相同的厚度。在另外的示例中，结构部件可以由缝焊坯件或拼接坯件制成，即，其可以沿其经线具有不同的厚度。

在一些示例中，金属粉末可以为基于不锈钢的粉末，例如不锈钢AlSi 316L或对应于超高强度钢的组合物，诸如例如在一些示例中，可以使用具有与要在其上提供加强部的坯件或部件的材料相似的组合物的粉末。这样，所使用的粉末具有与钢结构部件的性能基本上相似的性能，从而产生(即熔化时)基本上均匀的最终加强产品。

在另外的方面，本发明提供由基本上如上文所述的方法中的任何一种获得或可获得的加强部件。

本公开的示例可以用于已经以各种方式包括例如热冲压、辊轧成形和液压成形所形成的部件。本公开的示例可以用于具有不同材料并且具体为不同钢的部件。

附图说明

下面将参照附图描述本公开的非限制性示例，其中：

图1a和图1b示意性地示出应用粉末和激光焊接的示例；

图2a-2d示出可通过基本上如上所述的方法获得的不同的特定加强部几何形状的示例；

图3a和图3b示出用于制造加强结构部件的可替换的方法；以及

图4a和图4b示出通过基本上如上所述的任何方法制造的加强部件的每个示例。

具体实施方式

图1a示出在成形部件7例如热成形部件的表面处应用加强部6的示例。在可替换示例中，也可以预见形成部件的其他方式，诸如冷成形、液压成形或辊轧成形。

在该示例中，示意性地示出了激光焊机1。激光焊机1可具有激光头部3，激光束从激光头部3射出。还示意性地示出了用带箭头的间断线指示的气体粉末流2。气体粉末流2可以相对于激光束以同轴方式朝向要在其上形成加强部6的区域进给。因此，当应用激光束时，气体粉末流2可被进给到要在其上形成加强部6的区域。

在这些示例中，气体粉末头可相对于激光头部3同轴布置，并且两个头部可以布置成使得气体粉末流和激光束可基本上垂直于要在其上形成加强部6的部件的表面。

在另选示例中，气体粉末流可相对于部件成一定角度地进给。在这些示例中的一些示例中，气体粉末流也可相对于激光束成一定角度地进给，或者其可以如在前面的示例中那样相对于激光束同轴地布置。

在另外的图中，相同的附图标记已经用于表示匹配元件。

图1b示出一个示例，其中可以相对于激光头部3成一定角度地设置具有喷嘴21的粉末供应源20。在这些情况下，粉末流2可以相对于从激光焊机1的头部3射出的激光束成一定角度地进给。

在一些示例中，根据特定的实施方式，可以将氩用作输送气体。还可以预见输送气体的其他示例，例如氮或氦。

在一些示例中(参见图1a和图1b)，还可以设置保护气体通道4。在这些情况下，保护气体通道4可以相对于激光束同轴设置，以在将要在其上形成加强部6的区域周围提供保护气流5。在一些示例中，可以将氦或基于氦的气体用作保护气体。可替换地，可以使用基于氩的气体。保护气体的流速可以例如从1升/分钟变化到15升/分钟。在另外的示例中，可以不需要保护气体。

激光器可以具有足以熔化部件的至少外表面(或仅外表面)的功率，并且在要在其上形成加强部6的整个区域中完全混合/接合粉末。

在一些示例中，焊接可以包括使用功率在2kW和16kW之间，任选地在2kW和10kW之间的激光器的焊接。激光的功率应足以至少熔化具有典型厚度(即，在0.7mm至5mm的范围内)的成形部件的外表面。通过增加焊机的功率，可以增大焊接速度。

任选地，可以使用Nd-YAG(钕掺杂的钇铝石榴石)激光器。这些激光器是可商购获得的，并且构成了成熟的技术。这种类型的激光器还可以具有足够的功率以熔化所形成的部件的外表面，并且允许改变激光器的焦点的宽度，并且因此改变加强区域的宽度。减小“点(spot)”的尺寸增大了能量密度，而增大点的尺寸使得能够加速焊接过程。焊点可以得到非常有效的控制，并且利用这种类型的激光器可以进行各种类型的焊接。

在另选示例中，可以使用具有足够功率的CO₂激光器。在另外的示例中，还可以使用双点焊接。

进给到加强区域的粉末可以是不锈钢Alsi 316L，如可从商购获得的。该粉末具有以下重量百分比的组合物：0％至0.03％的碳、2.0％至3.0％的钼、10％至14％的镍、1.0％至2.0％的锰、16％至18％的铬、0.0％至1.0％硅，其余为铁和不可避免的杂质。已经发现在该组合物中存在的镍导致良好耐腐蚀性。添加铬和硅有助于耐腐蚀性，并且钼有助于提高硬度。在另选实施例中，也可以使用其他不锈钢，甚至UHSS。在一些示例中，粉末可以根据情况包含提供更高或更低机械特性的任何组分。

图2a-2d示出可以使用基本上如上所述的方法获得的特定加强部几何形状的不同示例。如上所述，使用粉末供应源的激光焊接可允许形成几乎任何所需的具有例如不同曲率、不同尺寸(长度、宽度和高度)或甚至限定网格的交叉线的几何形状。这些方法是相当通用的。在不需要加强的区域中不提供额外的材料，并且因此可以优化部件的最终重量。

例如，图2a和图2c示出不同的离散的已知形状，诸如矩形、正方形、环形环、半环和十字形等。图2b示出了限定每个基本上正弦形状的曲线，并且图2d示出了彼此交叉以限定网格的直线。

发明人已经发现，具有0.2mm的最小厚度的局部加强部引起良好的结果，同时优化了最终的加强钢部件的重量。最小厚度可以仅使用一次粉末沉积获得。此外，每次激光曝光和粉末沉积可涉及大约1mm的最大厚度。在一些示例中，局部加强部可具有在大约0.2mm和大约6mm之间的厚度。这可以通过粉末的重复沉积来实现。

并且在更多示例中，局部加强部可具有在大约0.2mm和大约2mm之间的厚度。在所有这些示例中，对于每次粉末沉积和激光曝光，局部加强部的宽度通常可以在大约1mm至大约10mm之间。

图3a和图3b示出在一些示例中，该方法可进一步包括在结构部件的加强区域中重复地局部沉积材料。通过这样做，可以增加加强部的厚度和/或宽度。在这些示例中，用于每次沉积的粉末可以相同，或者根据情况，其可以不同。图3a的示例示出其中已经使用金属粉末应用61和62执行两种不同的激光曝光的示例的侧视图。图3b的示例示出了其中已经使用金属粉末沉积物61′、62′和63′执行三种不同激光曝光的示例的俯视图。

图4a和图4b示出通过基本上如上所述的任何方法获得的不同的加强部件。在图4a的示例中，示意性地示出了B柱8。在图4b的示例中，示意性地示出了杆9，例如横向/侧部构件。例如，部件8和9两者均可以通过HFDQ过程形成。在可替换示例中，也可以预见形成部件的其他方式，诸如冷成形、液压成形或辊轧成形。加强部64和65可以通过焊接覆层添加，即，通过在应用激光焊接的同时供应金属粉末。加强部64和65被设计成例如引导张力并增加部件的刚度(刚性)。例如，可以应用加强部64以便在诸如角落、端部的区域中的冲击的情况下提高强度，并且可以应用加强部65，以便由于例如在制造期间形成的孔而为部件添加强度，使得部件的整体强度不受孔的存在的影响。通常，在部件中，在需要承受大部分负荷的那些区域中可需要加强部，例如，在B柱中，这些区域为角落。

尽管本文仅公开了多个示例，但是其他另选的替代方案、修改、使用和/或其等价物也是可能的。此外，还覆盖所描述的示例的所有可能的组合。因此，本公开的范围不应受具体示例限制，而应仅通过公正地阅读所附权利要求来确定。