一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法 |
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| 申请号 | CN202211329053.9 | 申请日 | 2022-10-27 | 公开(公告)号 | CN117943447A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 宝山钢铁股份有限公司; | 发明人 | 徐晨阳; 韩非; 张骥超; 陈自凯; | ||||
| 摘要 | 一种基于激光 热处理 的局部改善超高强 钢 成形性的方法，包括如下步骤：S1：针对高强钢及以上的钢材料，基于 软件 仿真的 冲压 成形确定出冲压开裂 风 险区及周边相邻区；S2：将基于软件仿真出的成形板材的三维空间 位置 一一映射到待冲压的二维平面板材上；S3：根据冲压开裂的成因，对待冲压的板材进行冲压之前相应区域的激光 软化 ；S4：将经激光局部软化后的待冲 压板 材进行冷冲压。本 发明 的一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，针对高强及超高强钢采用激光局部软化工艺，有效实现定向选区软化，提高局部材料塑性及延伸率，改善局部材料在冲压过程中的流动性，降低复杂构型高强钢、超高强钢零件制造难度，具有轻量化与低成本等技术优势。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，其特征在于，具体包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法技术领域[0001] 本发明属于板材处理成形领域，具体涉及一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法。 背景技术[0002] 随着汽车工业进一步发展，节能与安全成为未来发展的重点方向。研究表明，汽车质量每下降10％，其燃油经济性将提高6‑8％，排放下降4％。轻量化是实现汽车节能减排最直接有效的手段之一。近年来，随着第一代、第二代、第三代高强钢的开发成功，因其具有高屈服强度和高抗拉强度等优势，高强钢在汽车车身尤其是白车身中使用比例不断提高，逐渐替换原有的普通冷轧汽车板，成功实现了在保证成本不变甚至略有下降的情况下，达到高强减薄轻量化的效果。但随着材料强度不断增加，材料成形性不断下降，尤其对于复杂构型零件，材料越来越难以加工成形，因此急需一种局部热处理软化技术提高材料局部成形性。 [0003] 与传统热处理比如感应线圈局部软化、整体退火等相比，激光能量密度高、准备时间短、加热速度快，加工时间通常小一个数量级；激光方向性好且激光轨迹和功率通过编程可实现精确实时负反馈控制，自动化程度高，可稳定实现定向选区软化，保证对材料特定局部进行灵活方便的热处理，避免了额外的加热装置设计和加工制作费用。激光热处理解决了传统金属热处理不能解决或不容易解决的技术难题，具有不可替代的优势，在国内外受到了高度重视，近二十年来得到了迅速的发展。 [0004] 申请号为：CN200810203706.2的发明申请，公开了“一种提高430铁素体不锈带钢成形性能的方法”，其包括如下步骤：a.热轧，终轧温度900‑1000℃，轧出热卷按750850℃卷取温度卷取后，直接在线水槽冷却钢卷：b.将冷却钢卷不退火直接酸洗，进行第一轧程冷轧，累计压下率30‑50％；C.将轧硬态钢卷进行罩式炉中间退火，退火温度800‑900℃，保温时间515h；d.中间退火卷酸洗后，进行第二轧程冷轧，累计压下率60‑67％；e.最终成品连续退火酸洗处理，退火温度800‑900℃，保温时间续退火酸洗处理，退火温度800900℃，保温时间2t‑10t min；t为退火时冷轧带钢的厚度，单位mm。 [0005] 申请号为：CN 201180073901.8的发明申请，公开了“一种使用激光热处理制备具有不同强度钢产品的方法及其中所用的热淬火的钢”，所述制备钢部分的方法包括下列步骤：(a)制备包含0.1‑0.5重量％的C、0.1‑0.5重量％的Si、0.5‑3.0重量％的Mn、0.1重量％或更少的P、0.05重量％或更少的S、0.01‑1.0重量％的Cr、0.1重量％或更少的Al、0.2重量％或更少的Ti、0.0005‑0.08重量％的B且余量为Fe和不可避免的杂质的材料；(b)通过将所述材料形成预定形状来生产成形体；和(c)通过对所述成形产品中需要高强度的部分进行激光热处理将所述高强度部分局部强化。 [0006] 申请号为：CN 201710882183.8的发明申请，公开了“一种激光局部热处理提高铝合金板成形性的方法”，利用激光局部热处理对铝合金板材局部改性，通过激光的短时局部热处理工艺，大大提高局部改性后的铝合金板材的成形性，从而为形变量大、几何形状复杂的铝合金板材类零件的室温成形提供一种新方案。该方法的核心思想是通过激光局部热处理提高铝合金板的成形性，基于激光热处理对铝合金板材局部改性最终提高铝合金板成形性能，主要包括T6态铝合金的局部软化和T4态铝合金的局部硬化两种方式，通过合理制定铝合金板的激光处理路径及激光工艺参数可显著提高铝合金板室温下的成形极限。 发明内容[0007] 为解决以上问题，本发明提供了一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，其技术方案具体如下： [0008] 一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，其特征在于，具体包括如下步骤： [0010] S2：将基于软件仿真出的成形板材的三维空间位置一一映射到待冲压的二维平面板材上； [0011] S3：根据冲压开裂的成因，对待冲压的板材进行冲压之前相应区域的激光软化处理； [0012] S4：将经激光局部软化处理后的待冲压板材进行冷冲压处理。 [0013] 根据本发明的一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，其特征在于： [0014] 步骤S1中的冲压开裂风险区包括：因板料塑性不足导致的开裂风险及因板料厚度减薄过度导致的开裂风险两种情形； [0015] 据此的步骤S3具体为： [0016] 针对因板料塑性不足导致的开裂，对待冲压的板材进行冲压之前的开裂风险区的激光软化处理； [0017] 针对因板料厚度减薄过度导致的开裂，对待冲压的板材进行冲压之前的开裂风险区的周边相邻区的激光软化处理。 [0018] 根据本发明的一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，其特征在于： [0019] 针对因板料塑性不足导致的开裂，通过实时计算板料各网格单元的等效塑性应变、等效塑性应变梯度及减薄率，区分出开裂风险区及周边相邻区。 [0020] 根据本发明的一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，其特征在于： [0021] 针对因板料厚度减薄过度导致的开裂，通过实时计算板料各网格单元的厚度减薄率及减薄率梯度、同时结合主应变方向，区分出开裂风险区及周边相邻区。 [0022] 根据本发明的一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，其特征在于： [0023] 当计算出有集中区域的等效塑性应变大于0.4时，对其周边相邻区进行等效塑性应变梯度的计算； [0024] 当有集中区域的等效塑性应变大于0.4且其周边相邻区的等效塑性应变梯度的绝对值大于0.3/mm、同时周边相邻区的减薄率的绝对值小于5e‑3时，则判定等效塑性应变大于0.4的区域为冲压开裂风险区，同时将等效塑性应变梯度的绝对值大于0.3/mm且减薄率的绝对值小于5e‑3的周边区域确定为冲压开裂风险区的周边相邻区。 [0025] 根据本发明的一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，其特征在于： [0026] 当计算出有集中区域的厚度减薄率的绝对值大于0.4时，对其周边相邻区进行减薄率梯度的计算； [0027] 当有集中区域的厚度减薄率的绝对值大于0.4且其周边相邻区的减薄率梯度的绝对值大于0.2/mm，同时周边相邻区的主应变方向指向厚度减薄率的绝对值大于0.4的集中区域时，则判定厚度减薄率的绝对值大于0.4的集中区域为冲压开裂风险区，将减薄率梯度的绝对值大于0.2/mm的周边区域确定为冲压开裂风险区的周边相邻区。 [0028] 根据本发明的一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，其特征在于： [0030] 根据本发明的一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，其特征在于： [0031] 对激光各参数的控制根据钢种及板材厚度进行设定；包括对功率的控制、对光斑直径的控制及对扫描速度的控制。 [0032] 根据本发明的一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，其特征在于： [0033] 对于厚度为1.4mm的DP1180钢，以控制升温至640‑700℃、软化度为27‑33％的目标进行激光软化； [0034] 对于厚度为1.0mm的DP980钢，以控制升温至645‑705℃、软化度为24‑28％的目标进行激光软化； [0035] 对于厚度为1.5mm的DP780钢，以控制升温至650‑720℃、软化度为20‑23％的目标进行激光软化； [0036] 对于厚度为1.0mm的QP1180钢，以控制升温至580‑640℃、软化度为22‑25％的目标进行激光软化； [0037] 对于厚度为1.4mm的QP980钢，以控制升温至580‑640℃、软化度为18‑21％的目标进行激光软化； [0038] 对于厚度为1.5mm的QP780钢，以控制升温至588‑650℃、软化度为16‑19％的目标进行激光软化； [0039] 对于厚度为1.2mm的MS1180钢，以控制升温至630‑690℃、软化度为30‑35％的目标进行激光软化。 [0040] 根据本发明的一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，其特征在于： [0041] 对于厚度为1.4mm的DP1180钢，以控制激光功率为2100W、控制光斑直径为12mm、控制扫描速度为10mm/s进行激光软化； [0042] 对于厚度为1.0mm的DP980钢，以控制激光功率为2000W、控制光斑直径为12mm、控制扫描速度为15mm/s进行激光软化； [0043] 对于厚度为1.5mm的DP780钢，以控制控制激光功率为3200W、控制光斑直径为12mm、控制扫描速度为18mm/s进行激光软化； [0044] 对于厚度为1.0mm的QP1180钢，以控制控制激光功率为1900W、控制光斑直径为9mm、控制扫描速度为18mm/s进行激光软化； [0045] 对于厚度为1.4mm的QP980钢，以控制控制激光功率为2000W、控制光斑直径为6mm、控制扫描速度为16mm/s进行激光软化； [0046] 对于厚度为1.5mm的QP780钢，以控制控制激光功率为1800W、控制光斑直径为6mm、控制扫描速度为15mm/s进行激光软化； [0047] 对于厚度为1.2mm的MS1180钢，以控制控制激光功率为2000W、控制光斑直径为15mm、控制扫描速度为10mm/s进行激光软化。 [0048] 根据本发明的一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，其特征在于： [0049] 基于Autoform软件建立软件仿真。 [0050] 本发明的一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，提出了一种针对于高强钢、超高强钢的激光局部软化工艺，有效实现定向选区软化，提高局部材料塑性及延伸率，改善局部材料在冲压过程中的流动性，明显降低复杂构型高强钢、超高强钢零件制造难度，具有轻量化与低成本等技术优势。附图说明 [0051] 图1为本发明的方法步骤示意图； [0052] 图2为本发明工作过程及原理中的激光局部软化方法流程示意图； [0053] 图3为本发明工作过程及原理中的成型工况中的小角度折弯等效塑性应变分布情况示意图； [0054] 图4为本发明工作过程及原理中的拉延工况中的凸包胀形减薄率和主应变方向分布情况示意图； [0055] 图5为对图3的软化区域识别与二维平面转化关系示意图； [0056] 图6为对图4的软化区域识别与二维平面转化关系示意图； [0057] 图7为本发明实施例1中的激光局部软化前后纵深冲压仿真结果示意图； [0058] 图8为根据图7识别出的结果进行激光局部软化示意图； [0059] 图9为本发明实施例1的激光局部软化前后材料力学性能对比示意图； [0060] 图10为本发明实施例1中的激光局部软化后纵梁冲压仿真结果示意图； [0061] 图11为本发明实施例2中的冷冲压门槛内板后端示意图； [0062] 图12为对图11的冲压仿真与识别示意图； [0063] 图13为本发明实施例2中的激光局部软化后门槛内板后段冲压仿真结果示意图。 具体实施方式[0065] 一种基于激光热处理的局部改善超高强钢成形性的方法，具体包括如下步骤，参见图1： [0066] S1：针对高强钢及以上的钢材料，基于软件仿真的冲压成形确定出冲压开裂风险区及周边相邻区； [0067] S2：将基于软件仿真出的成形板材的三维空间位置一一映射到待冲压的二维平面板材上； [0068] S3：根据冲压开裂的成因，对待冲压的板材进行冲压之前相应区域的激光软化处理； [0069] S4：将经激光局部软化处理后的待冲压板材进行冷冲压处理。 [0070] 其中， [0071] 步骤S1中的冲压开裂风险区包括：因板料塑性不足导致的开裂风险及因板料厚度减薄过度导致的开裂风险两种情形； [0072] 据此的步骤S3具体为： [0073] 针对因板料塑性不足导致的开裂，对待冲压的板材进行冲压之前的开裂风险区的激光软化处理； [0074] 针对因板料厚度减薄过度导致的开裂，对待冲压的板材进行冲压之前的开裂风险区的周边相邻区的激光软化处理。 [0075] 其中， [0076] 针对因板料塑性不足导致的开裂，通过实时计算板料各网格单元的等效塑性应变、等效塑性应变梯度及减薄率，区分出开裂风险区及周边相邻区。 [0077] 其中， [0078] 针对因板料厚度减薄过度导致的开裂，通过实时计算板料各网格单元的厚度减薄率及减薄率梯度、同时结合主应变方向，区分出开裂风险区及周边相邻区。 [0079] 其中， [0080] 当计算出有集中区域的等效塑性应变大于0.4时，对其周边相邻区进行等效塑性应变梯度的计算； [0081] 当有集中区域的等效塑性应变大于0.4且其周边相邻区的等效塑性应变梯度的绝对值大于0.3/mm、同时周边相邻区的减薄率的绝对值小于5e‑3时，则判定等效塑性应变大于0.4的区域为冲压开裂风险区，同时将等效塑性应变梯度的绝对值大于0.3/mm且减薄率的绝对值小于5e‑3的周边区域确定为冲压开裂风险区的周边相邻区。 [0082] 其中， [0083] 当计算出有集中区域的厚度减薄率的绝对值大于0.4时，对其周边相邻区进行减薄率梯度的计算； [0084] 当有集中区域的厚度减薄率的绝对值大于0.4且其周边相邻区的减薄率梯度的绝对值大于0.2/mm，同时周边相邻区的主应变方向指向厚度减薄率的绝对值大于0.4的集中区域时，则判定厚度减薄率的绝对值大于0.4的集中区域为冲压开裂风险区，将减薄率梯度的绝对值大于0.2/mm的周边区域确定为冲压开裂风险区的周边相邻区。 [0085] 其中， [0086] 以激光软化后生成回火马氏体及韧性相铁素体为目标进行激光各参数的控制。 [0087] 其中， [0088] 对激光各参数的控制根据钢种及板材厚度进行设定；包括对功率的控制、对光斑直径的控制及对扫描速度的控制。 [0089] 其中， [0090] 对于厚度为1.4mm的DP1180钢，以控制升温至640‑700℃、软化度为27‑33％的目标进行激光软化； [0091] 对于厚度为1.0mm的DP980钢，以控制升温至645‑705℃、软化度为24‑28％的目标进行激光软化； [0092] 对于厚度为1.5mm的DP780钢，以控制升温至650‑720℃、软化度为20‑23％的目标进行激光软化； [0093] 对于厚度为1.0mm的QP1180钢，以控制升温至580‑640℃、软化度为22‑25％的目标进行激光软化； [0094] 对于厚度为1.4mm的QP980钢，以控制升温至580‑640℃、软化度为18‑21％的目标进行激光软化； [0095] 对于厚度为1.5mm的QP780钢，以控制升温至588‑650℃、软化度为16‑19％的目标进行激光软化； [0096] 对于厚度为1.2mm的MS1180钢，以控制升温至630‑690℃、软化度为30‑35％的目标进行激光软化。 [0097] 其中， [0098] 对于厚度为1.4mm的DP1180钢，以控制激光功率为2100W、控制光斑直径为12mm、控制扫描速度为10mm/s进行激光软化； [0099] 对于厚度为1.0mm的DP980钢，以控制激光功率为2000W、控制光斑直径为12mm、控制扫描速度为15mm/s进行激光软化； [0100] 对于厚度为1.5mm的DP780钢，以控制控制激光功率为3200W、控制光斑直径为12mm、控制扫描速度为18mm/s进行激光软化； [0101] 对于厚度为1.0mm的QP1180钢，以控制控制激光功率为1900W、控制光斑直径为9mm、控制扫描速度为18mm/s进行激光软化； [0102] 对于厚度为1.4mm的QP980钢，以控制控制激光功率为2000W、控制光斑直径为6mm、控制扫描速度为16mm/s进行激光软化； [0103] 对于厚度为1.5mm的QP780钢，以控制控制激光功率为1800W、控制光斑直径为6mm、控制扫描速度为15mm/s进行激光软化； [0104] 对于厚度为1.2mm的MS1180钢，以控制控制激光功率为2000W、控制光斑直径为15mm、控制扫描速度为10mm/s进行激光软化。 [0105] 其中， [0106] 基于Autoform软件建立软件仿真。 [0107] 工作原理及过程 [0108] 为方便理解与实施本技术方案，对其原理及过程进行阐述如下： [0110] 2)如图2所示，利用冲压仿真软件Autoform等进行冲压仿真分析，1)对于一些成型(Forming)工况，因塑性不足导致冲压开裂，其特征为大变形(即等效塑性应变>0.4)集中在特定局部区域(即开裂风险区域)，而附近区域几乎不参与变形(表现为等效塑性应变梯度很大，绝对值大于0.3/mm，同时减薄率较小，绝对值小于5e‑3)，比如小角度折弯(如图3所示)等，该工况对局部区域成形性要求很高，需要在该局部进行激光软化提高材料塑性和成形极限，以保证该特征成形要求；2)对于一些拉延(Drawing)工况，因板料厚度减薄过度导致冲压开裂，其特征为冲压过程通常涉及到压边圈对材料流动行为的控制，可以观察到对于厚度减薄率比较明显(绝对值一般大于0.4)的区域(即开裂风险区域)，其附近区域材料有明显流入过程(表现为减薄率梯度梯度很大，绝对值大于0.2/mm，主应变方向指向风险区域，且数值较大)，比如凸包胀形(如图4所示)等，该工况对附近材料流动性要求很高，需要对附近区域材料进行激光软化提高材料塑性和流动性，以保证附近区域材料流入该局部进行材料补充，避免风险区域过度减薄，从而保证特征成形要求。 [0111] 3)如图5、6所示，通过仿真模拟软件识别出结构上待软化区域在原始板料上对应位置，并对其赋予激光软化后材料属性，再次利用冲压仿真软件Autoform等进行冲压仿真观察改善效果。 [0112] 4)如图7所示，根据材料厚度、有无镀层、组成成分及预期软化后力学特性，选择合适的工艺参数包括激光器功率(1‑3kw)、光斑直径(5‑30mm)、扫描速度(动态，10‑100mm/s)等，通过激光局部热处理，使步骤2中被识别部位温度升高到550℃‑750℃之间，然后在空气中自然冷却。具体的控制参数根据钢种确定，具体关系如下表。 [0113] [0114] 表1激光局部热处理具体参数和软化效果 [0116] 6)经过激光热处理以后，材料局部塑性明显增强，延伸率和流动性明显提高，屈服强度和抗拉强度有所下降，在同一块钢板上的不同局部获得了不同的力学特性，实现了力学特性的可编辑、定制化分布，达到整体性能最优，为实现柔性智能制造提供材料基础。 [0117] 7)将处理后的板料放入模具进行冷冲压制造相应零部件。 [0118] 与现有技术相比，本发明具有如下优点： [0119] 1)首先对原始板料进行激光软化局部热处理，显著提高材料局部塑性、延伸率以及流动性等，有效改善高强钢超高强钢的成形性，然后进行冷冲压制造，大大降低复杂零件成形难度；(区别于已有专利的先成形后激光软化) [0120] 2)采用Autoform等冲压仿真软件进行仿真分析将成形问题分为两类情况(1、成型过程中，局部塑性不足导致开裂，2、拉延过程中，局部减薄过度，附近流动性不足材料无法流入补充导致开裂)有针对性地进行处理，精确识别需要热处理的区域，大大减少不必要的热处理和热输入；(已有专利中均未申明引入冲压软件仿真分析，且未出现两种情况的针对性分类处理) [0121] 3)激光局部热处理技术灵活、方便，可以根据待软化区域形状，设计加热轨迹和范围，减少对基体材料性能的影响，进而获得可编辑的、定制化的材料力学性能分布，达到整体性能最优，最终服务柔性制造； [0122] 4)激光局部热处理技术适合于多种材料和成形工艺，具有良好的普适性。 [0123] 实施例1 [0124] 以冷冲压后纵梁为例，选取1.4mm DP1180双相钢薄板进行冲压制造，DP1180屈服强度为820MPa，抗拉强度为1180MPa。后纵梁是汽车车身重要结构件，采用DP1180高强钢冷冲压成形，可以实现高强减薄轻量化效果，但由于DP1180延伸率只有8％，塑性很低，容易发生开裂等，对结构设计和冲压工艺提出了非常高的要求，对此可采用激光局部软化技术进行解决。具体步骤如下： [0125] 首先采用Autoform冲压仿真软件对后纵梁进行冲压仿真模拟，识别出由于材料塑性不足导致开裂的部位，如图7中所示部位。进一步识别出该部位对应初始板料部位，如图8所示。 [0126] 然后，采用YAG型激光器，调整激光功率为2100w，光斑直径为12mm，扫描速度为10mm/s，对目标区域进行激光局部热处理并在空气中自然冷却。此过程中激光作用区域最高温度可达到670℃左右，如图9所示，实验结果表明材料发生明显软化现象，材料显微硬度由初始母材硬度450HV降低至300HV左右，且均匀伸长率由原先的8％上升到18％，抗拉强度由1180MPa降低到700MPa，屈服由820MPa降低到550MPa，大大提高材料成形性。 [0127] 通过显微观察可知，DP1180双相钢主要由铁素体和马氏体构成，其中马氏体含量约为75％左右。在激光局部软化过程中，大部分过饱和的碳以高度弥散的渗碳体和碳化物形式从马氏体内部析出，马氏体转变为回火马氏体，其硬度较低，因而造成DP1180双相钢硬度下降。 [0128] 如图10所示，利用激光热处理技术对板料特定局部进行适当软化处理后，有效避免了后纵梁冷冲压成形过程中局部发生开裂的风险，结果表明该方法可显著改善高强钢、超高强钢材料成形性。 [0129] 实施例2 [0130] 以冷冲压门槛内板后段为例，如图11所示，同样选取1.4mm DP1180双相钢薄板进行冲压制造，可以实现高强减薄轻量化效果。如图12所示，冲压过程中圆角附近过度减薄导致存在开裂风险，对结构设计和冲压工艺提出了非常高的要求，对此可采用激光局部软化技术进行解决。具体步骤如下： [0131] 首先采用Autoform冲压仿真软件对门槛内板后段进行冲压仿真模拟，识别出由于材料过度减薄导致发生开裂的部位即圆角区域，然后在该部位附近寻找减薄率分布不均匀或梯度较大的位置，如图12中圆圈所示部位。进一步识别出该部位对应于初始板料位置。 [0132] 然后，采用YAG型激光器，调整激光功率为2100w，光斑直径为12mm，扫描速度为10mm/s，对目标区域进行激光局部热处理。实验结果表明材料发生明显软化现象，材料抗拉强度由1180MPa降低到700MPa，屈服由820MPa降低到550MPa，大大提高了材料在成形过程中的流动性，帮助开裂区域附近材料向该区域流动，避免过度减薄发生开裂。 [0133] 如图13所示，利用激光热处理技术对板料特定局部进行适当软化处理后，有效避免了门槛内板后段冷冲压成形过程中局部发生开裂的风险，结果表明该方法可显著改善超高强钢材料成形性。 |
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