本公开涉及用于车辆框架的结构部件，该结构部件至少部分地配置用于支撑压缩载荷。
背景技术：
1、诸如汽车之类的车辆包含设计成承受车辆在其使用寿命期间可能承受的载荷的结构骨架。结构骨架进一步设计成在例如与其他汽车或道路结构碰撞的情况下承受和吸收冲击。
2、汽车行业对减轻重量的需求导致了轻质材料或部件以及相关制造工艺和工具的开发和实施。减轻重量的需求尤其受到减少co2排放的目标的驱动。对乘员安全的日益关注也导致采用在碰撞期间改善车辆完整性同时还改善能量吸收的材料。
3、一种称为热成型模具淬火(hot forming die quenching,hfdq)的工艺典型地使用硼钢薄片来制造具有超高强度钢(ultra high strength steel,uhss)性能的冲压部件，其抗拉强度为例如1500mpa或2000mpa甚至更高。强度的增加允许使用较薄规格的材料，这导致与常规冷冲压低碳钢部件相比重量减轻。贯穿本公开，可以认为uhss是在压制硬化工艺之后具有1000mpa或更高的极限抗拉强度的钢。
4、在hfdq工艺中，可以将待热成型的坯件加热到预定温度，例如奥氏体化温度或更高(并且特别是在ac3至例如坯件的涂层的蒸发温度之间)。高温炉系统可以用于此目的。根据具体需要，高温炉系统可以补充有附加加热器，例如感应加热器或红外加热器。通过加热坯件，坯件的强度降低并且形变性增大，即便于热冲压工艺。
5、存在若干种已知的用于热冲压和硬化的超高强度钢(uhss)。坯件可以由例如涂覆或未涂覆的硼钢制成，例如可从arcelormittal商购获得的(22mnb5)。
6、热成型模具淬火也可以称为“压制硬化”或“热冲压”。这些术语将在整个本公开中互换使用。
7、可以使用hfdq工艺制造的典型车辆部件包括：门梁、保险杠梁、横梁/侧梁、a/b柱加强件、前后纵梁、座椅横梁和车顶纵梁。
8、硼钢的热成型由于其优异的强度和可成型性而在汽车工业中变得越来越流行。因此，传统上由低碳钢冷成型的许多结构部件被热成型的等同物所取代，这些热成型的等同物的强度显著增加。这允许减小材料厚度(并因此减小重量)，同时保持相同的强度。然而，热成型部件在如此成型的条件下提供非常低水平的延展性和能量吸收。
9、为了改善部件特定区域的延展性和能量吸收，已知在同一部件内引入较软区域。这局部地改善了延展性，同时总体上保持了所需的高强度。通过局部定制某些结构部件的微结构和机械性能，使得它们包括具有非常高强度(非常硬)的区域，即高极限抗拉强度和高屈服强度，以及具有增加的延展性(较软)的区域，即较低的极限抗拉强度和较低的屈服强度以及增加的断裂前伸长率，可以改善这些结构部件的整体能量吸收并在碰撞情况期间保持它们的结构完整性，并且还降低它们的整体重量。这样的软区还可以在部件在冲击下塌陷的情况下有利地改变运动学行为。
10、在车辆的结构部件中产生具有增加的延展性的区域(“软区(softzone或softzone)”)的已知方法包括提供包括一对互补的上下模具单元的工具，这些单元中的每个单元具有单独的模具元件(钢块)。通过例如高温炉系统预先将待热成型的坯件加热到预定温度，例如奥氏体化温度或更高，以便降低强度，即便于热冲压工艺。
11、模具元件可以设计成在不同的温度工作，以便在淬火工艺期间形成的零件的不同区域具有不同的冷却速率，并且由此导致最终产品中不同的材料性能，例如通常具有较低的极限抗拉强度和较低的屈服强度但允许有更大的断裂前伸长率的软区。例如，可以冷却一个模具元件，以便以高冷却速率对正在制造的部件的相应区域进行淬火，并由此快速降低部件的温度并获得硬质马氏体微结构。可以加热另一个相邻的模具元件，以便确保所制造的部件的相应部分以较低的冷却速率冷却，以便获得较软的微结构，包括例如贝氏体、铁素体和/或珠光体。当部件离开模具时，部件的这样的区域可以保持在比部件的其余部分更高的温度下。
12、用于获得具有不同机械性能区域的热冲压部件的其他方法包括例如在冲压之前进行定制加热或差异化加热，以及在冲压工艺之后进行局部热处理以改变局部微结构并获得不同的机械性能。更进一步的可能方法包括使用拼缝坯件(patchwork blank)和在坯件中组合不同厚度和/或材料的拼焊坯件(tailor welded blank,twb)。
13、已知在冲压之前进行差异化加热的若干种方法。在示例中，一喷嘴或一组喷嘴可以例如在坯件仍在加热炉中时朝向坯件的待冷却的一部分排放流体流，例如压缩冷却空气。坯件的其他部分可以保持在较高的温度。这使得可以获得沿着其长度和/或宽度具有定制的温度分布的坯件。在一些示例中，坯件可以在经受冲压工艺之前在加热炉中经历进一步加热。
14、在其他示例中，可以使用红外加热器阵列，可以对其进行独立控制以控制沿着坯件的温度。
15、汽车的结构骨架的一些元件(例如，前后纵梁、座椅横梁以及车顶纵梁)可以专门设计用于支撑压缩载荷。也就是说，这些部件布置为使得在标准碰撞场景的情况下它们会受到压缩载荷。这些结构部件和其他结构部件可以具有一个或多个区域，这些区域具有大致u形(也称为“帽”形)横截面。这些结构部件可以以各种方式制造且可以由各种材料制成。在碰撞期间改善能量吸收同时还保持车辆的完整性的轻质材料是期望的。
16、贯穿本公开，u形横截面可以理解为涉及这样的结构构件，其在横截面中(通常在大致垂直于结构构件的纵向轴线的横切平面中)具有底壁和两个侧壁。众所周知，u形横截面具有良好的惯性矩与重量的比。两个侧壁可以与底壁形成钝角，例如在90°与135°之间。两个侧壁可以包括向外延伸的侧凸缘。底壁和侧壁可以大致是直的，但是它们也可以包括过渡部、弯曲部、凹部或突出部。
17、除了前面提到的超高强度钢之外，在需要吸收能量的结构骨架的部分中可使用更具延展性的延性钢。延性钢的示例包括500、1000和crl-340la。
18、uhss可以表现出高达1500mpa，甚至2000mpa或更高的抗拉强度，特别是在压制硬化操作之后。一旦硬化，uhss可以具有马氏体微结构。这种微结构能够增加每单位重量的最大抗拉强度和屈服强度。
19、一些延性钢也可以被加热和压制(即用于热冲压工艺中)，但在该工艺之后不具有马氏体微结构。因此，它们将具有比uhss低的抗拉强度和屈服强度，但是它们具有更高的断裂伸长率。
20、尽管延性钢使得结构部件能够吸收能量，但是控制和预测结构部件在车辆碰撞期间可能如何表现可能并不容易。而且，在保持结构部件的一定结构完整性的同时增强能量吸收可能并不简单。
21、本公开的目的在于提供当承受载荷，特别是压缩载荷时对用于车辆框架的结构部件的变形和能量吸收的控制的改进。
技术实现思路
1、在第一方面，提供了一种用于车辆框架的结构部件。该结构部件至少部分地配置用于支撑压缩载荷。该结构部件包括主构件，主构件沿着主构件的纵向方向从载荷接收端延伸到相对端。主构件包括主软区，主软区具有比主构件的其他区更低的机械性能。进一步地，主软区包括具有大致恒定的第一机械性能的第一部分和具有大致恒定的第二机械性能的第二部分，其中第一机械性能低于第二机械性能。
2、引入包括第一部分和第二部分的主软区，第一部分和第二部分具有各自的第一机械性能和第二机械性能，使得主构件在碰撞期间能够有效吸收能量，同时控制变形的运动学。当结构部件受到压缩载荷时，具有比第二部分更低的机械性能的第一部分可以在第二部分之前以及在主构件的其余部分之前首先变形。主构件可以实现在压缩期间以高度的变形可预测性吸收更多的能量。另一方面，具有较高机械性能的其余主构件可以提供对变形的限制，例如保留车辆的内部空间。因此，可以增强车辆乘客的安全性。
3、压缩载荷可以理解为以试图缩短部件的方式大致平行于结构部件的长度进行作用的载荷或载荷的分量。在不同碰撞或冲击情况下可能特别承受压缩载荷的汽车框架中的部件或区域包括：前纵梁、后纵梁、能量吸收器、车顶纵梁以及座椅横梁。因此，当在这种类型的部件中使用时，本文公开的示例可以是特别有益的。
4、贯穿本公开，“至少部分地配置用于支撑压缩载荷”可以理解为意指预计部件的一部分或整个部件在冲击或碰撞的情况下主要吸收压缩载荷。即，即使也可能发生其他载荷，但预计压缩载荷会更高。
5、此外，贯穿本公开，对“一部分的机械性能”的提及可以理解为形成所述部分的材料的机械性能。因此，除非另有说明，部分、部件等机械性能的比较涉及材料，而不是其几何形状或其他特性。
6、较高的机械性能在本文中可以理解为较高的极限抗拉强度和/或较高的屈服强度，而较低的机械性能可以理解为较低的极限抗拉强度和/或较低的屈服强度。极限抗拉强度和屈服强度在本文中被认为是在制造工艺之后材料的材料性质。极限抗拉强度和屈服强度可以在标准化抗拉强度测试中确定，在准静态载荷测试中使用例如a30、a50或a80试样。
7、较低机械性能与较高机械性能之间的比较应使用相同的测试条件和试样尺寸进行。为了比较不同部分的屈服强度，可以制备用与结构部件的部分(例如，软区的部分)相同的材料形成的试样，并将试样在通用测试机(universal testing machine,utm)中进行测试。
8、贯穿本公开，“具有大致恒定的机械性能的部分”可以认为是由已经受相同热处理的相同材料制成的部分。所得到的机械性能可以大致相同，具有通常的生产公差。在示例中，每个部分可以具有机械性能(诸如硬度、屈服强度或极限抗拉强度)的平均大小，以及相对于平均大小的±15％偏差内的局部大小。
9、在示例中，结构部件的主软区通过对主软区进行与主构件的其他区不同的温度处理而形成。
10、在一些示例中，结构部件的主软区可以进一步包括具有大致恒定的第三机械性能的第三部分。第三机械性能可以高于第二机械性能。另外，主软区可以包括彼此相邻布置的三个以上的部分。
11、在示例中，主软区的部分可以基于它们的机械性能沿着纵向方向布置，即具有较低机械性能的部分可以定位成最靠近载荷接收端，并且具有较高机械性能的部分可以定位成更远离载荷接收端。这可以产生这样的结构部件，其在碰撞期间可以有效地吸收能量，同时控制变形的运动学并保留车辆的内部空间。当结构部件受到压缩载荷时，具有比第二部分更低的机械性能的第一部分可以在第二部分之前且在主构件的其余部分之前首先变形。
12、在其他示例中，主软区的部分可以沿着纵向方向布置，其中具有较高机械性能的部分位于最靠近载荷接收端的位置，并且具有较低机械性能的部分位于更远离载荷接收端的位置。进一步地，主软区的部分可以基于其他参数或考虑因素沿着纵向方向布置。
13、在示例中，主软区可以配置为遍及结构构件的主构件的整个宽度(或整个横截面)。在其他示例中，主软区可以不覆盖主构件的整个宽度。例如，在u形横截面的情况下，主软区可以从一个侧凸缘延伸到相对的侧凸缘，或者可以仅覆盖侧壁和底部，或者仅覆盖u形的侧壁和底部的一部分。
14、在示例中，结构部件可以包括沿着纵向方向与主软区间隔开的副软区。副软区可以不同于主软区。例如，副软区可以包括比主软区更多或更少的具有不同机械性能的部分，并且该副软区内的部分的布置可以基于其他参数或考虑因素。
15、在一些示例中，在软区之外的结构部件的主构件具有主要为1000mpa或更多，具体地为1200mpa或更多，并且更具体地为1500mpa或更多的极限抗拉强度。
16、在示例中，主构件限定大致u形横截面，大致u形横截面包括底壁、第一侧壁以及第二侧壁。另外，主构件可以包括从侧壁向外延伸的凸缘。
17、在一些示例中，在软区的部分之间，即在主软区的第一部分与第二部分之间或在主构件与软区之间的过渡区的宽度可以小于30mm，具体地在20mm至5mm之间。过渡区的宽度可以取决于制造参数，诸如相邻部分之间的温度差，或者取决于制造流程。
18、进一步地，在示例中，两个相邻部分的平均屈服强度之差可以大于10％，具体地大于15％，并且可能地大于20％。
19、在一些示例中，主构件可以包括由硬化的，特别是压制硬化钢制成的区域。主构件可以包括由具有1000mpa，特别是1500mpa或更大的极限抗拉强度的超高强度钢(uhss)制成的区域。
20、此外，沿着主构件的长度的能量吸收量可以以不同的方式来定制。例如，当主构件的横截面的面积增加时，可以吸收更多的能量。因此，能量吸收可以从主构件的更靠近可接收冲击的位置的第一横截面到更远的横截面增加。
21、在一些示例中，主构件可以包括一个或多个肋。肋可以延伸遍及底壁，或者第一侧壁和第二侧壁中的一个。
22、贯穿本公开，肋可以理解为用于局部加强的主构件的细长的、大致直的部分。肋可以在冲压工艺期间制造。在一些示例中，肋可以通过使用拼缝坯件来形成，即在冲压工艺之前，将拼缝坯件焊接(例如，点焊)到主坯件。在其他示例中，肋可以作为同一主坯件的变形而形成。
23、在主构件中存在一个或多个肋可以有助于调整结构部件的变形行为。与主构件相比延展性较小且更具抵抗力的肋可以有助于在结构部件中产生特定的弯折位置。因此，可以优化结构部件的变形。特别地，当结构部件配置为支撑压缩载荷时，可以增加能量吸收。
24、可以根据结构部件在变形方面(例如，特别是在由(模拟)冲击或碰撞引起的主构件的压缩载荷下)的期望行为来选择与主构件的其余部分具有不同机械性能的部分的数量、位置和延伸，以及肋在结构部件中的数量、位置和延伸。
25、在示例中，结构部件可以包括附接到主构件的附加件。附加件可以例如是附接在主构件的凸缘处的板或盖。附加件也可以具有与主构件类似的尺寸和形状，即，结构部件由两个类似件形成。在示例中，主构件和附加件可以都具有带有向外延伸的凸缘的u形横截面或帽形横截面。在示例中，凸缘也可以配置为具有较低的机械性能。软区的第一部分和后续部分可以延伸到凸缘中，或者凸缘可以形成软区的又一不同部分，即凸缘可以经受与u形横截面的侧壁和底部不同的热处理。凸缘可以例如具有比邻接的主软区更低的强度和更大的延展性。
26、在一些示例中，包括前述第一部分和第二(以及任选地另外的)部分的软区也可以形成在附加件中。
27、在另一方面，提供了一种用于制造结构部件(结构部件至少部分地配置用于支撑压缩载荷)的方法，以便获得如本公开中所描述的用于车辆框架的结构部件。
28、该方法包括提供主坯件。该方法进一步包括将主坯件至少部分地加热到高于奥氏体化温度，其中，相邻的第一部分和第二部分以与主坯件的其他部分不同的方式加热，以及将加热的主坯件压制硬化，形成结构部件的主构件。形成的主构件包括主软区，主软区具有比主构件的其他区更低的机械性能。进一步地，主软区包括具有大致恒定的第一机械性能的第一部分和具有大致恒定的第二机械性能的第二部分。此外，第一机械性能低于第二机械性能。
29、这种方法可以改善配置用于支撑压缩载荷的结构部件的变形行为，并可以使得能够调整结构部件在例如汽车碰撞期间如何变形。因此，可以增强结构部件的能量吸收。
30、主坯件在本文中应理解为坯件，例如将形成主构件的薄金属片或平金属板。主坯件可以由可硬化钢，特别是硼钢制成。主坯件的厚度典型地可以在1mm至2.5mm之间。
31、在该方法的示例中，第一部分可以布置为比第二部分更靠近载荷接收端。
32、在该方法的一些示例中，加热步骤包括将主坯件大致均匀地加热到高于奥氏体化温度，并随后冷却主坯件的部分，特别是冷却到低于奥氏体化温度。
33、在该方法的一些示例中，冷却可以包括通过喷嘴对着主坯件的待冷却的部分吹送空气。待冷却的部分可以沿着主坯件的大致横切方向和/或沿着主坯件的大致纵向方向延伸。
34、这种冷却主坯件的特定部分的途径可以沿着和/或跨主坯件产生精确限定的温度区域和温度梯度。因此，可以使冷却效果局部化，并且可以精确地控制不同部分的机械性能。这允许实现每个部分内的可预测的且大致恒定的机械性能以及它们之间的相对小的过渡区。
35、在一些另外的示例中，冷却可以包括将冷却部分的温度相对于主构件的其他部分降低100度，并更具体地相对于主构件的其他部分降低200度。
36、在一些示例中，可以使用喷嘴阵列或喷嘴矩阵来执行冷却。因此，喷嘴可以精确地限定主构件的待冷却的部分。
37、在示例中，喷嘴可以以至少2巴，具体地3巴并且更具体地4巴的过压来推进压缩空气。过压应理解为正常条件下大气压力与压缩空气总压力(即静态压力加动态压力)之间的压力差。
38、在一些示例中，喷嘴可以包括至少一个切向喷嘴。切向喷嘴可以以大致平行于处理平面(即部件的表面)的方向分量来推进压缩空气。因此，这个切向喷嘴可以产生流动密封，这可以防止来自其他喷嘴的空气到达主坯件的一部分。因此，切向喷嘴可以用于控制沿着和/或跨主坯件的温度梯度。
39、在示例中，喷嘴可以包括配置为在加热设施内部的期望位置处产生负压区域的喷嘴。负压区域可以适合用于分隔具有不同空气温度的区域。