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德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)金屬成形研究所（IBF）和弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（ILT）將鋼板冷軋與局部激光熱處理工藝相結(jié)合，成功生產(chǎn)出具有定制成形性和碰撞性能的板材，同時(shí)為汽車輕量化設(shè)計(jì)提供潛在可能。

鋼材的局部加熱

目前的輕量化設(shè)計(jì)概念促進(jìn)了高強(qiáng)度鋼的開(kāi)發(fā)，這通常涉及高強(qiáng)鋼有限的可成形性。為了從鋼材的高強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)中受益，定制熱處理坯料（THTB，TailorHeat TreatedBlanks）的方法是在實(shí)際成型過(guò)程之前局部恢復(fù)鋼材的成形性。片材中的關(guān)鍵區(qū)域經(jīng)受熱處理，而其余區(qū)域保持其高強(qiáng)度。隨后的成形操作在室溫下進(jìn)行。除了提高半成品的可成形性外，定制性能分布的調(diào)整可用于改善成品的功能并可能實(shí)現(xiàn)重量?jī)?yōu)勢(shì)，因?yàn)榕c全部熱處理相比，半成品金屬板僅部分加熱。因此相應(yīng)的組件可以吸收更高的機(jī)械載荷。

雖然迄今為止THTB的方法主要應(yīng)用于高強(qiáng)度的多相和馬氏體鋼以及淬硬鋼，但亞琛工業(yè)大學(xué)金屬成形研究所（IBF）和弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（ILT）在一項(xiàng)聯(lián)合研究項(xiàng)目中研究了成熟且具有成本效益的鐵素體鋼，如微合金鋼。經(jīng)過(guò)冷加工硬化工藝將這些鋼材提升到超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度水平。然后可以借助局部熱處理使得到的應(yīng)變硬化部分溶解。在這個(gè)項(xiàng)目中，在控制性、精度和靈活性方面具有優(yōu)勢(shì)的激光處理用于局部的軟化。

量身定制的性能

本項(xiàng)目研究的目的是通過(guò)冷軋和局部激光熱處理相結(jié)合，在后續(xù)成型工藝或最終零件上使用的成型性和碰撞行為方面實(shí)現(xiàn)鋼坯的定制性能，見(jiàn)圖1。在可成形性和功能性的兩個(gè)方面分別進(jìn)行了研究。通過(guò)相應(yīng)的模型實(shí)驗(yàn)-交叉模具的深拉伸和空心型材的碰撞試驗(yàn)-展示了輕量化設(shè)計(jì)和碰撞安全性的潛力。首先，確定用于局部熱處理的合適的軟化溫度。通過(guò)拉伸測(cè)試和微結(jié)構(gòu)分析來(lái)評(píng)估不同溫度的影響。此外，以這種方式確定的材料數(shù)據(jù)用作各個(gè)模型實(shí)驗(yàn)的有限元（FE）模擬的輸入變量。通過(guò)使用模擬，根據(jù)應(yīng)用案例開(kāi)發(fā)了潛在的軟化策略，然后在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。最后，證明了工藝優(yōu)化和將局部激光熱處理集成到現(xiàn)有生產(chǎn)鏈中的可能性。

熱處理溫度的確定

在冷軋過(guò)程中，微合金鋼S550MC通過(guò)厚度減少60％減小到1.6mm，之后進(jìn)行加工硬化。為了確定發(fā)生軟化機(jī)制的合適溫度范圍，使用膨脹儀對(duì)加工硬化鋼的樣品進(jìn)行類似于激光軟化的短期熱處理。室溫下在膨脹儀的拉伸測(cè)試單元中評(píng)估所得的機(jī)械性能。復(fù)原，重結(jié)晶和相轉(zhuǎn)變被認(rèn)為是鐵素體鋼的軟化機(jī)機(jī)理。另外，在微合金鋼可能發(fā)生強(qiáng)化碳化物和氮化物化合物的溶解。如圖2（左）所示，由于微合金化元素，在800℃短期熱處理后發(fā)生明顯的軟化。隨著溫度升高，不連續(xù)屈服強(qiáng)度降低，并且成形性以犧牲強(qiáng)度為代價(jià)而增加。然而，在1150℃的溫度下，觀察到極限伸長(zhǎng)率的降低，這可以歸因于從球狀結(jié)構(gòu)到刺血針狀結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)的變化，圖2（右）。這表明與強(qiáng)度增加相關(guān)的貝氏體或馬氏體形成。

改善成形性

交叉成形模具用來(lái)驗(yàn)證幾何形狀拉延性能的模擬證實(shí)，最大的薄板薄壁發(fā)生在壁面積和沖頭半徑上。進(jìn)一步的模擬表明，這些潛在的破壞區(qū)域應(yīng)保持在加工硬化狀態(tài)，并且坯料的周圍區(qū)域（后來(lái)形成凸緣和沖頭底部）應(yīng)進(jìn)行熱處理。引入的軟化導(dǎo)致屈服應(yīng)力的降低并且允許材料流入潛在的破壞區(qū)域，該缺陷區(qū)域由于應(yīng)變硬化而在較高的應(yīng)力下變形。已經(jīng)優(yōu)化以最小化薄板變薄的熱處理布局1a和1b示意圖見(jiàn)圖3（左）。除了薄片化之外，軟化區(qū)域的尺寸也對(duì)該方法的經(jīng)濟(jì)效率起決定性作用。因此，在熱處理布局2中嘗試減少軟化區(qū)域而不犧牲相同程度的可成形性。

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證了熱處理布局對(duì)成形性的數(shù)值預(yù)測(cè)影響。為了評(píng)估可實(shí)現(xiàn)的拉伸深度，將局部熱處理的坯料與完全應(yīng)變硬化的坯料和在爐中退火的坯料進(jìn)行比較。對(duì)于給定的坯料幾何形狀，應(yīng)變硬化的試樣不能在沒(méi)有裂縫的情況下進(jìn)行拉延。在所有其他測(cè)試系列中，可以確定最大拉深深度。正如預(yù)期的那樣，可實(shí)現(xiàn)的拉深深度隨著熱處理區(qū)域的尺寸而增加，如圖3（左）所示。值得注意的是，熱處理布局2具有32％的熱處理面積，可以實(shí)現(xiàn)完全熱處理的試樣的拉伸深度的一半。此外，在局部熱處理的試樣的情況下，可以從形成的交叉模具和光學(xué)應(yīng)變測(cè)量中清楚地看到熱處理區(qū)域的材料流動(dòng)的期望效果，圖3（右）。

提高碰撞性能

六角形剖面的碰撞試驗(yàn)?zāi)M用于開(kāi)發(fā)軟化策略，首先考慮壓碎的應(yīng)變硬化碰撞盒的應(yīng)變分布。圖4（左）顯示了投影到初始碰撞盒幾何體上的應(yīng)變分布。在這里可以看出，最大的應(yīng)變沿著碰撞盒的彎曲邊緣發(fā)生。為了增加能量吸收，低應(yīng)變區(qū)域因此應(yīng)保持在加工硬化狀態(tài)，而高應(yīng)變區(qū)域應(yīng)進(jìn)行熱處理以避免不希望的失效模式。作為一種簡(jiǎn)單的熱處理模式，彎曲邊緣配有一個(gè)直線柔軟區(qū)域，如圖4（中間）所示。由于沿彎曲邊緣的大部分應(yīng)變超過(guò)20％，因此在此選擇在1100℃下熱處理的材料的流動(dòng)曲線。這確保了該區(qū)域的必要成形性，如圖2（左）所示。作為第二熱處理圖案，沿彎曲邊緣的軟化區(qū)域更精確地適應(yīng)于波浪狀應(yīng)變分布。彎曲邊緣的應(yīng)變大于10％的所有區(qū)域定義為軟化區(qū)域。選擇該極限是因?yàn)閼?yīng)變硬化的試樣在拉伸試驗(yàn)中失敗，極限伸長(zhǎng)率約為10％，如圖2（左）所示。由于實(shí)施的軟區(qū)域，折疊行為以及由此帶來(lái)的應(yīng)變分布與初始狀態(tài)相比發(fā)生變化。因此，軟化區(qū)域必須迭代地適應(yīng)應(yīng)變分布，最終的熱處理模式如圖4（右）所示。

在動(dòng)態(tài)跌落塔測(cè)試中，將兩個(gè)數(shù)值開(kāi)發(fā)的熱處理模式與完全退火的碰撞盒進(jìn)行比較，以得出可能增加的能量吸收能力的結(jié)論。六角形碰撞盒每個(gè)都由兩個(gè)彎曲的半殼組成，它們通過(guò)激光焊接連接，如圖5所示。為了引起折疊的均勻彎曲，上排折疊是使用觸發(fā)器預(yù)定義的，見(jiàn)圖5（b）。碰撞試驗(yàn)在ForschungsgesellschaftKraftfahrwesen Aachen（fka）的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。理論沖擊速度約為36km/h，沖擊能量約為12kJ。

為了評(píng)估三種碰撞盒變型，將吸收沖擊能量所需的變形路徑相互比較。較高的能量吸收能力來(lái)自相對(duì)較短的變形路徑。正如預(yù)期的那樣，與烤箱退火的碰撞盒相比，應(yīng)變硬化和局部熱處理的碰撞盒的變形路徑可以減少，見(jiàn)圖6.帶有線條圖案的熱處理碰撞盒表現(xiàn)最佳，能夠在比烘箱退火的碰撞盒短28％的變形路徑上吸收相同的能量。因此，線圖案具有比波圖案更高的能量吸收能力。這是由于軟化區(qū)域相對(duì)于加工硬化區(qū)域的比例較低，因此在高變形區(qū)域中具有較高的能量吸收。

即使波浪式局部熱處理在直接比較中沒(méi)有顯示出比簡(jiǎn)單線條式加熱有任何優(yōu)勢(shì)，這種應(yīng)變適應(yīng)特性提供了潛力。一方面，它可用于防止材料發(fā)生失效模式，另一方面，它提供了影響折疊形成位置的可能性。另外，碰撞盒的加工硬化的增加是有限的，因?yàn)檫@通常伴隨著初始沖擊力的增加。這可能會(huì)對(duì)發(fā)生碰撞時(shí)位于后面的結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生負(fù)面影響。模擬結(jié)果表明，通過(guò)在較低溫度下軟化可以進(jìn)一步提高能量吸收能力，并且通過(guò)引入軸向強(qiáng)度梯度也可以將初始沖擊力保持在較低水平。

流程鏈整合

將激光熱處理集成到現(xiàn)有工藝鏈中基本上有兩種選擇：在冷軋機(jī)的盤管上或在坯料上作為部件生產(chǎn)的一部分。這兩種選擇都有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在鋼圈上進(jìn)行激光熱處理的情況下，這可以在冷軋之后進(jìn)行，而不是鋼圈的整體退火。需要考慮的其他工藝步驟包括在激光輻射和輥?zhàn)忧逑粗昂椭笄鍧嵃宀谋砻嬉允棺冃巫钚』榱耸辜す廛浕蔀榻?jīng)濟(jì)上有吸引力的熱處理介質(zhì)，必須實(shí)現(xiàn)具有最大靈活性的短循環(huán)時(shí)間。因此，除了用于模型實(shí)驗(yàn)的光學(xué)器件之外，還應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)在高進(jìn)給速率下達(dá)到均勻的激光軟化。

對(duì)于模型幾何形狀的局部激光熱處理，使用變焦光學(xué)器件，只能在給定的邊界條件下以250mm/min的相對(duì)慢的進(jìn)給速率實(shí)現(xiàn)在板厚度上的均勻軟化。與變焦光學(xué)元件相比，通過(guò)使用掃描儀光學(xué)元件，進(jìn)給速率可以加倍。掃描儀光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)掃描策略靈活設(shè)計(jì)熱量輸入。通過(guò)調(diào)整激光光斑在掃描儀區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)間，可以特別影響耦合的激光功率。考慮的另一個(gè)概念是具有特別適應(yīng)的強(qiáng)度分布的光學(xué)系統(tǒng)，以改善熱耦合。強(qiáng)度分布類似于扶手椅的強(qiáng)度分布，圖7（左）。“扶手椅靠背”在進(jìn)給方向上形成前部，使得高能量輸入直接發(fā)生在冷材料中。“扶手”旨在穩(wěn)定側(cè)邊緣處的熱量輸入，從而防止透鏡狀軟化輪廓太平，因?yàn)闊崃恳矔?huì)消散到邊緣處的冷材料中。通過(guò)使用這種光學(xué)元件，進(jìn)給速率可以顯著提高。在1500mm/min下，實(shí)現(xiàn)了板材厚度為1.6mm的微合金鋼的均勻軟化，圖7（右）。

結(jié)論

冷軋和局部熱處理工藝組合的應(yīng)用使微合金鋼成為具有廣泛生產(chǎn)路線的高合金鋼的經(jīng)濟(jì)替代品。此外，定制的屬性分布的調(diào)整開(kāi)辟了新的應(yīng)用可能性：一方面，組件可以由加工硬化和局部熱處理的半成品金屬板以相應(yīng)減小的板厚生產(chǎn)。另一方面，局部熱處理可用于以限定的方式調(diào)整組件的碰撞行為。

汽車輕量化在線團(tuán)隊(duì)編譯，作者：LAURACONRADS, M.SC., PROF. DR.-ING. GERHARD HIRT REBAR HAMA-SALEH,M.SC.,etal.

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