加强结构部件的制作方法

背景技术：
：在例如汽车工业中对减轻重量的需求已经导致对轻质材料、制造工艺和工具的开发和实施。日益增长的对乘员安全的关注也已经导致采用在碰撞期间改善车辆的整体性同时还改善能量吸收的材料。从这个意义上说，为了满足轻质构造的标准，常常采用由高强度以及超高强度钢(uhss)制成的车辆零件。需要满足重量目标和安全要求的典型的车辆部件包括结构元件和/或安全元件，诸如门横梁、保险杆横梁、横向/侧向构件、a/b柱加强件和腰梁加强件。例如，被称为热成型模具淬火(hotformingdiequenching，hfdq)的工艺使用硼钢片来创建具有uhss性能的冲压部件，该uhss具有至少1000mpa、优选地大约1500mpa或高达2000mpa或更大的拉伸强度。强度的增大允许使用更薄规格的材料，与常规冷冲压低碳钢部件相比节省了重量。在典型的车辆部件的设计阶段期间所执行的仿真可以识别成型部件的需要加强的点或区(zone)(因为使用更轻且更薄的金属片和坯料)，以增加强度和/或刚度。替代地，可以进行重新设计以操纵变形。从这个意义上说，存在若干个步骤，通过所述若干个步骤能够加强或软化一个部件的一些区域，以通过减小部件的厚度来使应力重新分布并且节省重量。这些已知的用于加强部件的步骤例如是在任何变形工艺之前添加焊接加强件的步骤。这样的加强件可以是“拼缝件”，其中可以使用若干个坯料的局部或完全重叠，或可以是可以被“边缘到边缘”焊接的不同厚度的坯料或板，即，拼焊坯料(tailorweldedblank，twb)或轧制坯料(tailorrolledblank，trb)。因此，理论上可以用最少的材料和最小的厚度(重量)来实现结构要求和机械要求。然而，在这些方法中，涉及另一些制造工艺。附加地，当超高强度钢(例如usibor1500p)被热成型时，由于通常被用来防止遭受腐蚀和氧化损害的铝-硅(alsi)涂层，因此可能出现一些可焊性问题。为了克服这些问题，已知的是，通过激光烧蚀来移除靠近焊接间隙的区域中的涂层的一部分。然而，这代表车辆部件的制造工艺中的一个附加步骤。此外，当焊接加强件(拼缝件)被添加到坯料时，发生坯料的局部或完全重叠。根据被成型的部件，可能存在使用焊接加强件是不可能的或至少是难处理的区域，例如，具有高度改变的区域或拐角。通常使用点焊(spotwelding)来焊接拼缝件，点焊需要最小的空间来分布点。此外，拼缝件需要最小的尺寸以便被容易地焊接。这可能涉及额外的重量，因为加强件需要具有最小的尺寸以便被焊接而不是具有加强所要求的区域所需的正确尺寸(最小的)。上文提及的问题和/或挑战不是汽车工业或在该工业中使用的材料和工艺独有的。代替地，在以减轻重量为目标的任何工业中都可能遭遇这些挑战。当减轻重量是一个目标时，部件不断地变薄，因此这可能导致对加强件的需要增加。本公开内容的目的是提供改进的制造加强结构部件的方法。技术实现要素：提供了一种用于制造具有局部加强件的结构钢部件的方法。该方法包括选择该部件的至少一个待被加强的区、提供钢坯料以及在压制工具中使该坯料变形以形成产品，其中该坯料和/或该产品包括在该待被加强的区中的一个凹槽，该凹槽包括一个内表面和一个外表面。该方法还包括在凹槽的该内表面上沉积加强材料并且局部加热该加强材料以及该钢坯料或产品的该凹槽，以使得熔化的加强材料与该钢坯料或产品的熔化部分混合。如本文所使用的“产品”可以指中间产品(半成品部件)或最终产品(成品部件)。在一些实施例中，在热成型和淬火之前，可以在坯料中执行在凹槽中沉积加强材料并且局部加热该加强材料。在其他实施例中，在热成型和淬火之后，可以在成型部件(即产品)中执行在凹槽中沉积加强材料并且局部加热该加强材料。形成凹槽准许精确的材料沉积工艺，这是因为待被加强的区已经被预定义。该凹槽的形成允许沉积不同类型的材料，例如粉末、糊状物或填料丝。凹槽的使用实现两种不同的加强类型的组合。一方面，通过在该坯料中创建不连续性(即形成凹槽)获得的纯粹几何加强改善了抗屈曲力。另一方面，加强材料的使用改善了加强件的性能。凹槽还允许去除多余的加强材料。局部沉积加强材料可以减少对例如拼缝坯料或拼焊坯料的需要，且在恰好需要加强件的地方提供加强件。使用凹槽的另一方面是混合焊接技术(组合激光焊接和电弧焊接焊炬)可被用作更快速地沉积加强材料的方式。与焊接和激光加热有关的一个影响是通常存在相对大的热影响区(haz)。如果在焊接之后执行热成型(以及冷却或淬火)，则与haz有关的负面影响大部分或完全消失。与其形式(粉末或以其他方式)无关，加强材料可以是不锈钢aisi316l，如从商业上可得的。该粉末可以具有以下按重量百分比计的组分：0-0.03％的碳、2.0％-3.0％的钼、10％-14％的镍、1.0％-2.0％的锰、16％-18％的铬、0.0％-1.0％的硅，其余为铁和杂质。替代地，可以使用431lhc，如从例如商业上可得的。该粉末具有以下按重量百分比计的组分：70％-80％的铁、10％-20％的铬、1.0％-9.99％的镍、1％-10％的硅、1％-10％的锰并且其余为杂质。也可以组合这些加强材料。例如，包括按重量计的35％的aisi316l和按重量计的65％的431lhc的加强材料表现出良好的延展性和强度。又一些实施例可以使用3533-10，如从例如进一步商业上可得的。该粉末具有以下按重量百分比计的组分：2.1％的碳、1.2％的硅、28％的铬、11.5％的镍、5.5％的钼、1％的锰，其余为铁和杂质。发现在这些组分中存在镍导致耐腐蚀性良好并促进奥氏体形成。铬和硅的添加有助于耐腐蚀性，而钼有助于增加硬度。在替代实施例中，也可以使用其他钢，甚至uhss，诸如22mnb5。在加强材料是粉末的一些实施例中，该粉末可以纳入任何根据情况提供不同(例如更高)机械特性的组分。通过激光束，上述加强材料可以容易熔化、稀释和与钢基材的一部分混合。根据实施例，该方法还包括直接或间接加热凹槽。加热凹槽使得加强材料能够渗透到坯料内。因此，在任何后续工艺之前，加强材料可以是坯料的一部分。根据一个实施例，提供的坯料可以由22mnb5制成，22mnb5是汽车工业中使用的硼钢的一个实例。下文按重量百分比计概述了22mnb5的组分(其余为铁(fe)和杂质)：csimnps0.20-0.250.15-0.351.10-1.35＜0.025＜0.008crtibn|0.15-0.300.02-0.050.002-0.004＜0.009若干种22mnb5钢是商业上可得的，具有类似的化学组分。然而，22mnb5钢的每个组分的确切量可能对于不同制造商稍有变化。usibor1500p是由arcelor制造的商业上可得的22mnb5钢的一个实例。下文按重量百分比计概述了usibor的组分(其余为铁(fe)和杂质)：csimnpscrtibn0.240.271.140.0150.0010.170.0360.0030.004在其他实施例中，22mnb5可以含有大约0.23％的c、0.22％的si和0.16％的cr。该材料还可以按不同的比例包括mn、al、ti、b、n、ni。也可以在汽车工业中使用uhss的各种其他钢组分。特别地，在ep2735620a1中描述的钢组分可以被认为是合适的。可以具体参考ep2735620的表1和段落0016-0021，以及具体参考段落0067-0079的考虑。在一些实施例中，uhss可以含有大约0.22％的c、1.2％的si和2.2％的mn。这些钢可以是空气硬化的，即它们不需要在例如压制工具中淬火以获得马氏体微结构。这些组分中的任何一种的钢(22mnb5钢(诸如例如usibor)和之前提及或提到的其它组分)都可以被提供有涂层，以防止腐蚀和氧化损害。此涂层可以是例如铝-硅(alsi)涂层或主要包括锌或锌合金的涂层。在又一方面，提供了通过本文所描述的方法中的任何一种获得或可获得的部件。附图说明下面将参考附图来描述本公开内容的非限制性实施例，在附图中：图1示意性地例示了具有填充有加强材料的凹槽的坯料的一个实施例；图2示意性地例示了在坯料或部件中的凹槽中施加加强材料的另一个实施例；图3a-图3d示意性地例示了压制工具的实施例以及制造具有局部加强件的结构部件的实施例；图4示意性地例示了包括多个凹槽的坯料的一个实施例；图5示意性地例示了包括两个邻近的凹槽的坯料的一个实施例；以及图6示出了用于制造加强结构部件的方法的一个实施例。具体实施方式图1描绘了坯料1的一个区，其中已经形成了凹槽110，例如在从钢卷切割坯料之前、同时或之后通过冷变形工艺形成的。凹槽110可以被设置在该坯料的一个区域中，该区域对应于要求加强的结构部件的区域。粉末或气体流122可以以预定速率离开喷嘴121。因此，加强材料140(在图1的实施例中是金属粉末)可以被沉积在凹槽110中。喷嘴121可以能够至少沿着该凹槽(即垂直于图1中的xy平面的方向)移动。根据一个实施例，可以沿着该凹槽在若干次经过中沉积加强材料(例如金属粉末)，即通过施加连续的加强材料140层，直到凹槽110被完全填充。可以使用任何替代的合适方法沉积加强材料。凹槽110可以具有u形横截面，该u形横截面包括两个侧壁和一个底壁，该底壁固定该凹槽的深度和宽度。凹槽110的尺度可以被设计，以例如控制沉积的加强材料140的量和/或以控制待形成的加强件的尺寸。由于形成了凹槽110，因此如果沉积了多余的粉末，则可以通过使用例如撇去片平整表面或通过压制和压缩沉积的加强材料容易地移除多余物。在一些实施例中，凹槽110可以具有大约8mm的宽度和大约1.5mm-2mm的深度。激光加热系统130可以被用来在后续工艺之前熔化沉积的加强材料140，例如金属粉末。激光加热系统130可以包括激光头132，激光束131从激光头132离开。在一些实施例中，激光束的光斑可以加热并且熔化加强材料和该凹槽的内表面，因此使熔化的加强材料与该凹槽的内表面的熔化层混合。在其他实施例中，也可以使用第二激光束，以使得第一激光束熔化加强材料，且第二激光束可以熔化凹槽内表面的至少一层，因此，熔化的加强材料可以渗透到坯料内。因此，加强材料140和基础材料1(即坯料)可以在整个将在其上形成加强件的区中被完全连结。在任何后续工艺之前，熔化的加强材料可以被充分凝固。在一些实施例中，激光束可以熔化加强材料而不直接加热凹槽内表面的任何层。在一些实施例中，凹槽的内表面可以通过加强材料的热量熔化。在一些实施例中，可以在沉积粉末的同时施加激光加热。在其他实施例中，可以在已经沉积了粉末之后施加激光加热。在一些实施例中，激光束131可以具有在2kw和16kw之间、可选地在2kw和10kw之间的功率。通过增加激光束131的功率，可以提高工艺的总体速度。根据一个实施例(参见图4)，可以使激光加热系统130和材料沉积器120沿着坯料和/或凹槽110一起移位，以同时熔化和沉积加强材料，例如金属粉末或填料丝。在另一个实施例(未示出)中，可以使用组合激光加热和电弧焊接焊炬的混合焊接技术。电弧焊接焊炬可以包括被熔化并且从而可以被沉积在凹槽中的填料丝电极。激光加热系统130还可以包括保护气体通道(未示出)，该保护气体通道可以相对于激光头132同轴地设置，以将保护气体流供应到将在其上形成加强件的区，即供应到凹槽。在一些实施例中，氦气或氦气基气体可以被用作保护气体。替代地，可以使用氩基气体。保护气体的流动速率可以例如从1升/分钟到15升/分钟变化。在又一些实施例中，可能不要求保护气体。图2示出了一个替代实施例，其中填料丝240被用作加强材料。根据描绘的实施例，填料丝240可以被同时熔化和沉积在凹槽210中。熔化的填料丝240的滴241可以被沉积在凹槽210中。激光束可以拥有足够的功率以充分加热(并且熔化)凹槽表面的一部分。因此，熔化的材料(即熔化的填料丝)可以足够地渗透到坯料1内以连结基础材料，但不足以改变其固有性能，例如拉伸强度。因此，熔化的加强材料244将是坯料1的一部分。根据图2的实施例，填料丝240可以通过激光加热系统130来熔化，激光加热系统130可以大体上定位在凹槽210上方。在一个替代实施例中，填料丝240可以首先被沉积在凹槽210中并且随后通过激光加热系统130来熔化。图3a和图3b示出了一种压制工具，该压制工具被配置为通过例如热变形工艺或冷变形工艺由坯料1成型加强结构部件。图3a示出了变形工艺之前的坯料1，而图3b示出了已经变形的坯料1’。图3a中示出的坯料1包括填充有加强材料340的凹槽310，该加强材料340可能在进入炉之前已经通过例如激光加热系统而被熔化。在替代实施例中，可以将坯料1沉积在炉系统中之后的加热工艺期间熔化加强材料。因此，加强材料和凹槽的内表面的至少一层将被混合。该压制工具可以包括上部配套模具320和下部配套模具330以及一个机构(未示出)，该机构被配置为提供上部模具320相对于下部模具330的向上和向下压制前进(参见箭头)。该压制前进机构可以被机械地、液压地或私服机械地驱动。上部模具320可以包括上部工作表面321，下部模具330可以包括下部工作表面331，上部工作表面321和下部工作表面331在使用中面向待被冷却变形或热变形的加强坯料1。下部工作表面331可以包括凹口332，该凹口332限定坯料的待被加强的一个区域(即其中已形成了凹槽310)的相反几何形状。这样的凹口332还可以被用来通过将凹槽310放置在凹口332中来将坯料1正确地放置在该压制工具的中心。图3b示出了在通过上部模具320和下部模具330压制之后的成型坯料1’(即产品)的一个实施例。该实施例的成型坯料1’已经被淬火到压制工具中并且因此填充有加强材料的凹槽已经被转变为加强件350。图3c示出了一个实施例，其中熔化的沉积加强材料370可能已经是坯料1的一部分，且因此，坯料1可以面向下放置在该压制工具中。在图3c的实施例中，上部配套模具380和下部配套模具390(它们在此实施例中依次对应于图3a和图3b的下部配套模具330和上部配套模具320)可以适于与凹口的当前位置对应。如图3c中示出的，上部工作表面381可以被设置有一个凹口382(或多个凹口)，坯料1的凹槽332(或多个凹槽)可以被定位在所述凹口382处，即该坯料可以被不显著地放置在压制工具中(面向上或面向下)，如图3a-图3d中示出的。图3d示出了在被压制并且被淬火到压制工具内之后的成型坯料1’的另一个实施例。因此，填充有图3c的加强材料的凹槽已经被转化为加强件375。在图3a-图3d的其他实施例中，上部工作表面321、381和下部工作表面331、391都可以被设置有一个凹口或设置有多个凹口。在图3a-图3d的又一些实施例中，上部配套模具320、380和下部配套模具330、390可以包括冷却系统，例如具有冷却流体的通道，以实现模具内淬火。流入所述通道的冷流体可以是例如水和/或冷空气。在水通道中，水在所述通道处的循环速度可以很高，因此可以避免水蒸发。具有冷流体的通道允许以一速率冷却将成为加强坯料的坯料的区域，使得最终的加强导致形成马氏体微结构。还可以设置控制系统，因此可以控制模具的温度。在又一些实施例中，还可以预见使模具适于在较低温度或较高温度下操作的其他方式，例如，可以设置加热系统以控制冷却速率和/或以形成具有铁素体-珠光体微结构的区域，即软区，所述软区是部件中与部件的其他部分相比机械强度减小的区。还可以设置温度传感器和控制系统以控制模具的温度。在一些实施例中，凹槽可以被成型在坯料中。然后，加强材料可以被沉积在凹槽中，且可以通过局部施加热量(例如用激光器)而被连结到坯料。然后，坯料可以被冷成型。在冷成型之后，可以在炉中将坯料加热到奥氏体化温度以上，之后坯料可以被冷却并且可选地在压制工具中被(热)变形。通过适当的冷却或淬火(取决于钢组分)，可以在整个坯料中或在坯料的特定区域中获得马氏体微结构。替代地，可以使具有凹槽的坯料和连结到该坯料的加强材料在炉中经受热处理，之后坯料可以被(热)变形和冷却。再次，可以在整个坯料中或在坯料的特定区域中获得马氏体微结构。在又一个替代工艺中，坯料(不具有凹槽)可以被热变形并被冷却/淬火。热变形可以包括形成凹槽。在形成凹槽之后，加强材料可以被沉积在凹槽中并且被局部加热。当加强材料正被加热时，凹槽也可以被直接加热(例如通过在凹槽表面上直接施加热源)或被间接加热(例如通过已经沉积在该凹槽中并且被加热的加强材料的加热)。因此，可在凹槽中形成haz。根据使用的温度、加热方法和/或时间，(在与正被加热的侧相对的部位上)为凹槽局部提供冷却以限制haz可能是有利的。在又一个替代工艺中，坯料(不具有任何凹槽)可以被冷变形，且在此变形工艺中，成型一个或多个凹槽。然后，可以沉积加强材料并且也可以局部加热加强材料。之后，可以在炉中将坯料加热到奥氏体化温度以上，之后，可以在另外的压制工具中冷却坯料，在该另外的压制工具中可以进行另外的(热)变形工艺。通过适当的冷却或淬火(取决于钢组分)，可以在整个坯料中或在坯料的特定区域中获得马氏体微结构。在又一个替代工艺中，具有凹槽的坯料可以被热变形和被冷却/淬火。在形成产品之后，加强材料可以被沉积在该凹槽中并且被局部加热。当加强材料正被加热时，凹槽也可以被直接加热(例如通过在凹槽表面上直接施加热源)或被间接加热(通过已经被沉积在凹槽中并且被加热的加强材料的加热)。如先前所提及的，可形成haz，然而，冷却凹槽可以限制haz。在其他实施例中，可以从钢卷切割坯料，通过例如切割工具，且可以在坯料形成的同时(即当正从钢卷切割坯料时)成型凹槽，例如可以例如被联接到该切割工具的压制工具。在又一些实施例中，可以在切割坯料之前(即当将成为坯料的部分正被展开时)创建该凹槽，例如通过压制工具。在又一些实施例中，坯料1可以被设置有一个或多个具有预定长度的局部凹槽，以便获得一个或多个局部加强件(参见图4)。因此，可以沿着压制工具的至少一个工作表面设置多个匹配凹口以匹配所述凹槽。图4示出了坯料1的俯视图，其中已经形成了多个凹槽401。图4还描绘了可移位系统420，该可移位系统420可以包括材料沉积器421和激光加热系统422。可移位系统420可以能够在xz平面内移动，以便沿着每个凹槽401沉积和熔化加强材料。图5示出了坯料1的另一个实施例，其中已经形成了两个邻近的槽501，以便当(主动)冷却被施加到凹槽的底侧时提高凹槽区域的冷却速率。提高冷却速度可以减小haz的程度。通过例如冷变形或热变形，可以在压制工具中同时成型凹槽501。在两个凹槽501之间，可以设置中间区502以区分创建的凹槽。在图6中，示出了用于制造加强部件的方法的一个实施例。首先，可以提供610未变形的坯料，在该坯料中可以选择至少一个待被加强的区。然后，可以在所选择的待被加强的区域中形成620一个u形横截面凹槽，例如沿着该坯料的整个长度的中心部分。这样的凹槽可以通过例如冷冲压来形成。在替代实施例中，可以形成多个凹槽。接下来，可以通过材料沉积器将加强材料(例如粉末或填料丝)沉积630在该凹槽中。可选地，在任何后续工艺之前，可以平整该坯料的表面，即可以去除任何加强材料突出物，例如通过使撇去片在该坯料之上滑动。然后可以加热640该坯料，例如在炉中在例如奥氏体化温度下。随后，可以在压制工具中使加热的坯料热变形650，以大体上获得最终产品形状。最终可以将变形的坯料淬火660。在一个实施例中，该压制工具可以包括冷却元件(例如冷水供应器)，以同时变形和淬火该坯料。也可以执行在该压制工具外的附加淬火步骤。在实施例中，沉积的加强材料可以在沉积之后或在沉积期间被局部加热。尽管本文仅公开了数个实施例，这些实施例的其他替代、修改、用途和/或等同物也是可能的。此外，所描述的实施例的所有可能的组合也被涵盖。因此，本公开内容的范围不应由具体实施例限制，而应仅通过对所附权利要求的合理解读来确定。当前第1页12