高度應變部件的恢復熱處理的制作方法

本公開總體涉及金屬成形領域，并且更具體地涉及一種用于工件的恢復熱處理的方法，該方法用于在工件的彎曲、預成形、液壓成形、二次成形、拉拔、再拉拔、再沖制、沖壓、折邊等加工方法中提供增強的可成形性并且減少缺陷相關或應變相關的裂縫。

背景技術：

液壓成形是用于金屬成形的術語，其中金屬通過內部流體壓力抵靠模具成形。這通過向管施加軸向載荷或者在金屬板的情況下利用單側模具通過內部流體壓力來完成，利用單側模具的金屬板的情況下，金屬板通過囊/隔膜成形。管件液壓成形通常使用具有高沖壓力的常規單一動作液壓機。

在一個示例中，液壓成形的鋁封閉或“箱形”梁可以用于形成車輛結構的車架縱梁、a柱車頂梁等。這種類型的部件可以由結構(通道口)或無縫擠壓管制成。結構管具有更好的壁和直徑尺寸公差，并且擠壓更高效，但對于彎曲、預成形和液壓成形加工而言，具有較低的成形性。因此，在液壓成形加工中結構管通常只能用于形成較不復雜的部件形狀。無縫管可以具有顯著更高的成形性，這使得無縫管成為用于液壓成形具有復雜橫截面幾何形狀的部件(例如a柱車頂梁和車架縱梁)的優選材料。然而，無縫管與結構管相比是相對昂貴的。這是因為無縫管相對于結構管擠壓效率低，這歸因于低輸出一次擠壓加工方法和無縫壓機周期時間限制。無縫管還具有至少是結構管的兩倍的壁和直徑尺寸公差。

當使用多級方法進行液壓成形時，可在部件的最終液壓成形之前出現各種彎曲/預成形步驟。在這些初始變形階段期間，大量的材料可成形性被耗盡，為液壓成型加工方法本身留下很小的塑性應變能力。例如，在用于制造如車輛箱形車架縱梁工件的液壓成型加工方法期間，在工件的高應變區域中會出現裂縫。這種裂縫潛在地與其它惡化因素相關聯，一個非限制性示例是在彎曲和/或預成形加工期間發生的拉毛，并且產生不可用或不適當的工件以及在制造新工件時的材料和勞動的伴隨成本。雖然在某種程度上是可控的，但是這種缺陷相關的裂縫難以完全消除。

減輕這些局部缺陷的影響以及改善成形性的一種方法是在液壓成形加工方法的各階段之間應用恢復熱處理。然而，如感應退火的傳統的恢復熱處理加工方法雖然有效，但由于其尺寸和復雜的幾何形狀限制了對某些車輛部件(例如箱形車架縱梁)的適用性。因此，為了解決這個以及其它問題，本公開旨在用于減輕如在工件彎曲、預成形和/或液壓成形加工期間遇到的缺陷相關的裂紋以及改善工件的整體可成形性的恢復熱處理加工方法。有利地，所述加工方法容許使用較便宜的結構管擠壓件來制造如車架縱梁、車頂梁、a立柱梁等的工件。

技術實現要素：

根據本文所述的目的和有益之處，在一方面提供了一種恢復熱處理或退火方法，該方法包括使工件的至少一部分與流體接觸，該流體被加熱至足以使工件的該至少一部分在預定時間段內加熱到預定溫度范圍的溫度。該工件可以包括金屬或合金，例如鋁合金，如6xxx或5xxx的鋁合金。這樣的鋁合金包括但不限于aa6082鋁合金、aa6061鋁合金、aa6063鋁合金、aa6111鋁合金、aa6022鋁合金、aa6016鋁合金、aa5754鋁合金或aa5182鋁合金。工件可以是彎曲的和/或預成形的車輛箱形車架縱梁、前梁或車頂梁。可選地，工件可以是預成形的金屬板車身內板或外板或結構部件。

在實施例中，該方法包括使工件的至少一部分與流體接觸的步驟，該流體被加熱到足以在預定時間段內使工件的該至少一部分加熱到預定退火溫度范圍的溫度。在實施例中，該方法可以包括使工件的僅彎曲部分與流體接觸。在實施例中，流體可以是液體，并且工件可以完全或部分地浸沒在流體中。

在另一方面，描述了一種工件的恢復熱處理或退火方法，該方法包括在預定時間段內將工件的至少一部分加熱到第一中間溫度范圍的第一步驟。在下一步驟中，將工件的該至少一部分在預定時間段內加熱到第二退火溫度范圍。使工件的該至少一部分加熱到第一中間溫度范圍的步驟可以利用合適的熱源實現。在實施例中，可以通過大體上如上文所概述的加熱流體將工件的至少一部分加熱到中間溫度。在其它實施例中，熱源可以是一個或多個加熱元件。在實施例中，將工件的該至少一部分加熱到最終目標溫度的步驟可以通過感應或其它合適的退火工藝來實現。

根據本發明的一方面，提供一種工件恢復熱處理的方法，包含：

在預定時間段中將工件的至少一部分加熱到第一中間溫度范圍；以及

在預定時間段中將工件的該至少一部分加熱到第二退火溫度范圍。

根據本發明的一個實施例，其中工件包含鋁合金。

根據本發明的一個實施例，其中鋁合金選自由下列構成的組：aa6082鋁合金、aa6061鋁合金、aa6063鋁合金、aa6111鋁合金、aa6022鋁合金、aa6016鋁合金、aa5754鋁合金或aa5182鋁合金。

根據本發明的一個實施例，其中工件是彎曲和/或預成形車輛車架縱梁或成形金屬板工件。

根據本發明的一個實施例，包括使工件的該至少一部分與流體接觸，該流體被加熱到足以使工件的該至少一部分加熱到第一中間溫度范圍的溫度。

根據本發明的一個實施例，包括使工件的僅成形部分與流體接觸。

根據本發明的一個實施例，其中流體是液體。

根據本發明的一個實施例，其中流體包含細碎的顆粒固體。

根據本發明的一個實施例，其中液體選自由下列構成的組：油、潤滑油、淬火油、加熱油、合成油、半合成油、礦物油、水、水-油乳液、高分子水(polymerwater)、油基溶液和乳液、熔融鹽、堿金屬鹽及其組合。

根據本發明的一個實施例，該方法包括通過一個或多個加熱元件將工件的該至少一部分加熱到第一中間溫度范圍。

根據本發明的一個實施例，其中一個或多個加熱元件是紅外加熱元件。

根據本發明的一個實施例，該方法包括通過感應退火加工將工件的該至少一部分加熱到第二退火溫度范圍。

在下文的描述中，示出并描述了所公開的恢復熱處理加工方法的實施例。應當認識到的是，在不脫離如下列權利要求中所闡述和描述的裝置和方法的情況下，這些加工方法能夠具有其它不同的實施例，并且它們的若干細節能夠在各種明顯的方面進行修改。相應地，附圖和描述應當被認為本質上是說明性的而不是限制性的。

附圖說明

包含在本文中并且形成說明書一部分的附圖示出了當前所述方法的若干方面，并與說明書一起用于解釋本文的某些原理。在附圖中：

圖1示出了用于現有技術的感應退火加工方法而接收在通道線圈中的工件；

圖2a描述了形成根據本發明的代表性方法的流程圖，該方法用于液壓成形梁工件，該方法包括恢復熱處理加工；

圖2b描述了形成根據本發明的代表性方法的流程圖，該方法用于成形平面工件，該方法包括恢復熱處理加工；

圖3描述了圖2的恢復熱處理加工；

圖4描述了形成根據本發明的代表性方法的流程圖，該方法用于液壓成形梁工件，該方法包括兩階段恢復熱處理加工方法；

圖5描述了適于實現圖4的兩階段恢復熱處理加工方法的加熱元件裝置；

現在詳細參考所公開的方法的實施例，其示例在附圖中示出。

具體實施方式

初步地，下列說明主要在預應變金屬梁工件的液壓成形加工的上下文中描述了恢復熱處理加工方法。然而，容易理解的是，所描述的恢復熱處理加工方法同樣適用于預應變的平面工件，例如金屬板。相應地，所描述的恢復熱處理加工方法同樣適用于其它金屬成形加工方法，沒有任何限制的意思地包括金屬彎曲、預成形、二次成形、拉拔、再拉拔、再沖制、沖壓、折邊以及其它加工方法。

用于預應變金屬工件的恢復熱處理的一種已知加工方法是感應退火，該加工方法使用流過感應線圈的交流電流來產生電磁交變場，該交變場相應地感應渦電流以加熱工件。該加工方法需要遵循工件(次級變壓器)形狀的水冷銅線圈(初級變壓器)，并且適應加工方法(頻率、電壓和其它)、線圈和工件的變量。在圖1中示出了該加工方法，其描繪了用于熱處理管狀工件102的水冷感應線圈100。電壓水平取決于初級變壓器中的電匝數。工件的加熱通過引起焦耳加熱效果的感應電流(箭頭i)來實現。通過相對于工件102設計/形狀的線圈設計和輪廓來實現加熱效率和均勻性。總的來說，感應退火是用于退火工件102的不連續部分的高效且有作用的加工方法。

因此，感應退火被認為是用于減輕工件預成形、彎曲、液壓成形等期間出現的裂縫的恢復熱處理的潛在方法。然而，由于某些工件的尺寸和/或構造和/或待退火的目標區域的位置，已經發現感應退火不適合于這些工件。例如，對于用于形成車輛箱形車架縱梁和其它這樣的部件的預成形和/或彎曲制管而言，已經發現循環時間和溫度要求使得感應退火不便于并且不適于包含在制造過程中。

更具體地，在考慮用于制造車輛箱形車架縱梁和其它這樣的部件的鋁或其它金屬或合金制管的管液壓成形/退火加工方法時，已經發現沒有由感應線圈引起的合適水平的能量/熱通量可以在所需的21秒周期時間內實現140±10℃的所需平均目標溫度。較高水平的通量能夠在21秒的循環時間內實現該平均目標溫度，但產生超過300℃的不可接受的溫度梯度。另一方面，使用較低水平的通量實現所需的140±10℃的平均目標溫度需要至少90秒的循環時間，這明顯超過所需的21秒生產循環時間目標。

因此，考慮可選的恢復熱處理方法。在高水平，本公開描述了一種用于將工件或工件的部分升高到所需的目標退火溫度的恢復熱處理方法。所述恢復熱處理方法還可以設置為多步驟退火加工方法中的第一步驟，其中使用當前描述的恢復熱處理加工方法將工件加熱至所需中間溫度，然后在隨后的第二步驟中使用第二加熱處理加工方法將工件加熱到最終目標溫度。在實施例中，第二加熱步驟可包括在2015年11月5日公開的、由harrison等人申請的、美國專利公開號為2015/0315666、名稱為“作為擴展液壓成形管成形性的方法的感應退火”的專利申請中描述的感應退火加工方法，在此通過引用包含其全部內容。然而，可以想到將其它已知的退火加工方法用于第二加熱步驟。

當前描述的加工方法可以被包含為液壓成形工件102的加工方法的一部分，例如在美國專利公開號為2015/0315666的申請中所公開的液壓成形加工方法，其包括以不同順序執行的彎曲、退火、預成形、液壓成形、修整和時效處理工件的各種步驟。用于梁的這種代表性的液壓成形加工方法200在圖2a中示出。圖2a所示的加工方法包括將工件(未示出)彎曲成第一初步形狀(參見步驟202)的步驟。這之后是應用到工件的恢復熱處理的加工方法(參見步驟204)。恢復熱處理加工方法204局部加熱工件，從而減輕工件內的過度應變硬化，由此容許在液壓成形方法的后期階段期間增加可成形性。

之后是將工件預成形為第二初步形狀(步驟206)。接下來，將工件液壓成形為所需的最終形狀(見步驟208)。在液壓成形之后，可以可選地將工件修整到所需的長度(步驟210)。接下來，工件可以經受熱處理，從而使工件具有所需的強度特性(見步驟212)。在一個示例性實施例中，熱處理可以是在180℃下進行6小時的t6處理，從而引起或使工件具有典型的290mpa的平均屈服強度。在可選實施例中，熱處理可以在160-200℃之間的溫度持續4～10小時來完成。仍在其它可選方案中，可以實施沒有熱處理的自然時效處理，以容許工件硬化到所需的平均屈服強度。

當然，可以想到可選的步驟順序，如在美國專利公開號為2015/0315666的專利申請中所描述的。例如，彎曲和預成形的步驟可以在恢復熱處理的步驟之前。可選地，彎曲和預成形的每個步驟之后可以是恢復熱處理的單獨步驟。可以在本文中想到所有這些可選步驟順序。

在圖2b中示出了用于成形如金屬板的平面工件的類似加工方法214，其示出了沖切(步驟216)、初步成形(步驟218)、根據本公開的恢復熱處理(步驟204)、二次成形(步驟220)和可選的修整(步驟222)的步驟。再次地，可以想到可選的步驟順序。

為了說明的目的，本文描述了恢復熱處理/退火車輛箱形前車架縱梁的加工方法204，該梁由彎曲和/或預成形的擠壓鋁合金制成。在所描述的實施例中，鋁合金是6xxx鋁合金或5xxx鋁合金，其沒有任何限制的意思地包括aa6082鋁合金、aa6061鋁合金、aa6063鋁合金、aa6111鋁合金、aa6022鋁合金、aa6016鋁合金、aa5754鋁合金或aa5182鋁合金。然而，本領域技術人員可以理解的是，所描述的加工方法同樣適用于其它工件和其它工件組成，例如金屬板、鋼和其它合金等，并且因此該描述不應被視為限制。

如上文所概述的，在一個實施例中，根據本公開的工件的恢復熱處理的步驟204包含使工件的至少一部分與流體接觸，該流體被加熱到足以在預定時間段內將工件的至少一部分加熱到預定溫度范圍的溫度，其在有利于常規制造工藝的時間范圍中提供所需的退火效果。如本領域技術人員所理解的，術語“流體”描述在應用剪切應力下持續變形(流動)的物質，并且包括物質的各種相，各種相包括液體、氣體、等離子體和一定程度的塑性固體。在可選實施例中，工件的恢復熱處理步驟204包括使工件的至少一部分與包括固體的流體接觸，所有流體被加熱到足以使工件的至少一部分在預定時間段內被加熱到預定退火溫度范圍的溫度。

該步驟204包括使工件的至少一部分與加熱到合適的退火溫度范圍——即加熱到足以使工件的至少一部分加熱到合適的退火溫度的溫度——的退火物質接觸。如所理解的，特定的退火溫度范圍會根據工件、退火物質的物理、機械和化學性質以及對于特定生產設置的目標退火循環時間而變化。例如，退火特定鋁合金所需的特定退火溫度會根據合金性質而變化。如所理解的，本領域技術人員能夠容易地確定特定金屬和金屬合金的特定退火溫度范圍。僅用于示例的目的，退火溫度和合金的特定組合在2008年5月8日公開、由golovashchenko等人發明的、美國專利公開號為2008/0105023的申請中進行了闡述，通過引用將其結合于此。

在一個實施例中，該步驟204包括使工件與被加熱到一定溫度的流體接觸，該溫度足以使工件的至少一部分在20到30秒中被加熱到約130℃至約150℃的溫度。工件的一些或全部可以與流體接觸。例如，如圖3所示，只有工件的彎曲部分可以與流體接觸，工件的彎曲部分是具有大量累積的塑性變形并且因此最易受到缺陷相關裂紋影響的部分。

在實施例中，流體可以是液體或氣體。在包括使工件與液體接觸的實施例中，液體可以選自由下列構成的組：油、潤滑油、淬火油、加熱油、合成油、半合成油、礦物油、水、水-油乳液、高分子水、油基溶液和乳液、熔融鹽(如鈉和鉀的硝酸鹽、亞硝酸鹽和氯鹽)、堿金屬鹽和其組合。

在其它實施例中，可以通過使工件的至少一部分例如在包括流體的流化床裝置中與固體接觸來實現退火步驟，流體包含干燥的細碎固體顆粒。這種裝置在本領域中是已知的，其中流體/固體混合物被保持在使混合物表現為流體的條件下。

應當理解的是，可以根據工件的物理、化學、機械和其它性質以及所實施的目標退火溫度和/或循環時間來選擇特定的恢復熱處理物質(流體、液體、氣體、液體/固體混合物)。具體地，將物質選擇為由此達到的目標退火溫度高于物質熔化溫度但低于物質閃點溫度。相應地，應該考慮在目標退火溫度的蒸發速率以及與下游處理設備/工藝的兼容性。通常，水基物質適合于較低的目標退火溫度范圍，油基物質適合于中間目標退火溫度范圍，并且熔融鹽基物質適合于較高的目標退火溫度范圍，但這些范圍可以重疊。特定退火物質的選擇完全在本領域技術人員的能力范圍內。

如圖3所示，工件102的一些或全部可以與液體300接觸，例如通過將工件的至少一部分浸入容納液體的容器302中。在所示的實施例中，提供了“雙側”暴露，即加熱的液體300與經受恢復熱處理的工件部分的內表面和外表面兩者接觸。然而，應當理解的是，也可以想到部分浸沒(即“單側”暴露)，其引起工件的彎曲部分304的外表面或內表面中的僅一個與液體300接觸。

有利地，圖3所示的加工方法容許特別大和/或限定復雜外部幾何形狀的部件以比使用其它退火加工方法可行的更高的加熱速率/更短的周期時間進行退火或恢復熱處理。例如，當前描述的加工方法容許提供比通過感應退火可行的大得多的尺寸和更復雜的幾何形狀的工件102的均勻加熱，這是由于受感應線圈裝置100(參見圖1)的構造的限制。相應地，所示加工方法的簡單性引起恢復熱處理和隨后的液壓成形加工期間明顯的成本節省。

在另一實施例中，考慮了以下情況，其中退火工件102或工件部分所需的期望目標溫度范圍可以超過所需液體300的沸點，或者出于安全原因時的情形需要最大液體300溫度上限，該溫度上限低于退火工件102的所需目標溫度范圍。在這種情況下，可以想到兩階段退火加工方法。

參考圖4，用于梁工件的兩階段恢復熱處理加工被示出為液壓成形加工方法400的一部分。雖然沒有具體描述，但容易理解的是，所描述的兩階段恢復熱處理加工方法容易結合到用于成形如圖2b所示的金屬板的平面工件的加工方法中。大體上如圖2所示，加工方法400包括彎曲(步驟402)、恢復熱處理(步驟404)、預成形(步驟406)、液壓成形(步驟408)、可選地修整(步驟410)以及可選地時效處理(步驟412)。再次地，可以想到可選的步驟順序。例如，彎曲和預成形的步驟可以在恢復熱處理的步驟之前。可選地，彎曲和預成形的每個步驟之后可以是恢復熱處理的單獨步驟。在本文中可以想到所有這些可選步驟順序。

兩階段恢復熱處理加工方法包括第一步驟404a，其通過將工件102的一些或全部浸入適當加熱的流體或固體中而將工件(未示出)的至少一部分加熱至第一中間溫度，大體上如上文所述并如圖3所示。具體的中間溫度范圍和時間段可以是固定的，或者可以根據如上文所述的工件102的物理、化學和機械性質而變化。

可選地，可以使用可選的熱源來預熱工件102以使工件達到所需的中間溫度范圍。在一個實施例中，熱源是合適的加熱元件。如圖5所示，在一個可行的實施例中，輸送機500使一個或多個工件102通過一個或多個加熱元件502。工件102可以設置為使工件的特定部分(彎曲部504)最接近加熱元件502，在所示的實施例中加熱元件502大體上安裝在工件將通過的位置上方，并且因此接收最多的加熱。

在所述的實施例中，加熱元件502是紅外加熱器(也稱為加熱燈)，紅外加熱器已知是通過輻射傳輸熱(發射紅外波長的能量)。然而，可以想到可選的加熱元件類型，沒有任何限制的意思地包括加熱槍、用于在工件102的表面或外露部上方將將加熱的氣體輸送到低溫對流或輻射爐的加壓鼓風機。這可以通過將工件102放置在所述爐中或者可選地通過使如圖5所示的輸送機通過這樣的爐而產生。

在工件或工件的所需部分已經被加熱到第一中間溫度范圍之后，那么工件可以被加熱到第二退火溫度范圍(步驟404b)以完成兩階段恢復熱處理加工404。在一個實施例中，可以通過感應退火加工將工件加熱到第二退火溫度范圍，該感應退火加工方法大體如上文所述(參見圖1)并且更充分地在美國專利公開號為2015/0315666的專利申請中進行描述。然而，也可以想到其它合適的退火加工方法。

相應地，本領域技術人員可以明白的是，根據所使用的加熱流體/加熱元件和工件的已知物理性質容易計算具體的溫度，該溫度是根據上文所闡述的加工方法在預定時間范圍內將工件的全部或一部分加熱到預定的退火溫度或溫度范圍(圖2a、2b、3)或加熱到預定的中間溫度(圖4)所需的。在一個實施例中，用于加熱工件或工件部分的流體或固體被加熱到預定的退火溫度或溫度范圍或預定的中間溫度或溫度范圍。

總之，從如本文所公開的工件102的恢復熱處理204、404的所述方法中產生了許多益處。該方法支持大批量汽車制造。任何可以想到的金屬成形工藝都受益于該方法，這包括成形結構和無縫管。實際上，現在結構管可以容易地用于難以成形的箱形車架縱梁、a立柱車頂梁以及其它的生產中。因此，該方法容許使用液壓成形車頂梁的更高公差和更高制造效率的材料。

有利地，所描述的方法是簡單、有效和經濟的，并且可以以限制于在工件102中將要被退火的特定關注區域的方式實施，例如在箱形車架縱梁中的彎曲部，其中塑性應變能力已經在生產加工期間通過彎曲和/或預成形步驟或階段而降低。工件102的加熱可以容易地局部化到將要被退火的區域，并且因此在未加熱區域中不需要用于工件的材料處理的專用設備。

為了說明和描述的目的呈現出上述內容。其并非旨在窮舉或將實施例限制為所公開的精確形式。根據上述教導，顯而易見的修改和變化是可行的。當根據其公平、合法和等效享有的寬度來解釋時，所有這些修改和變化都在所附權利要求的范圍內。