CN111434443B - 一种汽车结构件的制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车结构件的制备方法及装置。所述方法包括：将裸钢板落料成多个料片，将多个料片激光拼焊形成结构件坯料；对结构件坯料进行表面处理，使结构件坯料的表面形成涂层；将具有涂层的结构件坯料放入无氧加热炉中进行加热，使结构件坯料表面的涂层进行合金化；无氧加热炉内继续对涂层合金化后的结构件坯料进行加热，使结构件坯料发生奥氏体化；奥氏体化后的结构件坯料放入模具中进行热冲压，形成热冲压件。采用本发明所述的方法制备的汽车结构件，具有焊缝质量高，涂层特性得到保障等优点。

Description

一种汽车结构件的制备方法及装置

技术领域

本发明涉及了热成型领域，具体的是一种汽车结构件的制备方法及装置。

背景技术

传统的汽车结构件的制备工艺中，通常是将裸钢板(也称无涂层板、无镀层板)或铝硅涂层板通过热成型的方式制备出各分料片，再采用点焊方式将各分料片点焊成结构件(例如，门环)。点焊工艺中通常需要将两个焊接的料片均具有一定的边料作为点焊区域，因此，采用传统的方式无法满足目前汽车的车身轻量化、节能减排的要求。

中国专利公开号为CN108941876A的发明专利申请公开了一种去除钢板表面涂层的方法及焊接冲压方法，该方法包括先对带有铝硅涂层的两块钢板进行高能电子束烧蚀，从而在两块钢板上分别形成第一剥离区域和第二剥离区域，再通过所述第一剥离区域和所述第二剥离区域对两块钢板进行激光拼焊。与传统的点焊法制备结构件相比，该方法可以省去两个钢板的重叠区域，减轻门环的重量。但是，该方法中存在去除涂层形成剥离区域的步骤，这使得工序复杂，成本较高，且剥离出来的涂层不易去除干净，残留的铝在焊缝处会形成脆性的铝铁合金，影响焊缝质量。

此外，在现有技术中，镀锌涂层在热成形奥氏体化加热过程中，如果经过长时间合金化处理锌层转化为alph铁锌，冲压时为固体不会产生LME，但铁锌固溶体电位较高，不能提供很好的牺牲阳极保护功能。同时镀层表层会形成氧化锌层需要抛丸处理，抛丸常常会造成产品变形。如果合金化处理时间短锌层转化为gamma锌铁，虽然电位较负具有牺牲阳极保护功能，但表层的锌层含铁量少容易形成冲压时还有液态锌从而容易出现LME，还会出现液态锌粘辊粘模现象。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种汽车结构件的制备方法及装置，其用于解决上述问题中的至少一个。

本申请实施例公开了：一种汽车结构件的制备方法，包括以下步骤：

将裸钢板落料成多个料片，将多个料片激光拼焊形成结构件坯料；

对结构件坯料进行表面处理，使结构件坯料的表面形成涂层；

将具有涂层的结构件坯料放入无氧加热炉中进行加热，使结构件坯料表面的涂层进行合金化；

在无氧加热炉内继续对涂层合金化后的结构件坯料进行加热，使结构件坯料发生奥氏体化；

将奥氏体化后的结构件坯料放入模具中进行热冲压，形成热冲压件。

具体的，所述表面处理包括电镀或化镀或喷涂或真空蒸镀。

具体的，所述涂层为锌层或铝层或铜层。

具体的，

所述涂层的厚度在10nm～10μm之间，该涂层在合金化后与结构件坯料的基体完全反应。

具体的，所述涂层的厚度在10nm～3μm之间。

具体的，所述无氧加热炉包括用于使涂层进行合金化的合金化加热区和用于使结构件坯料进行奥氏体化的奥氏体化加热区。

具体的，在步骤“将具有涂层的结构件坯料放入无氧加热炉中进行加热，使结构件坯料表面的涂层进行合金化”中，具有涂层的结构件坯料在所述合金化加热区中被加热至400～550℃之间。

具体的，在步骤“在无氧加热炉内继续对涂层合金化后的结构件坯料进行加热，使结构件坯料发生奥氏体化”中，涂层合金化后的结构件坯料在奥氏体化加热区中被加热至880～930℃之间。

具体的，在步骤“将具有涂层的结构件坯料放入无氧加热炉中进行加热，使结构件坯料表面的涂层进行合金化”之前，还包括：对所述无氧加热炉进行抽真空，并向抽真空后的无氧加热炉注入氮气。

本实施例还公开了一种汽车结构件的制备装置，包括落料机构、激光拼焊机构、表面处理机构、加热机构以及成型机构，其中：

所述落料机构用于对裸钢板进行落料，形成多个料片；

所述激光拼焊机构用于对多个料片进行拼焊，以获得结构件坯料；

所述表面处理机构用于对结构件坯料进行表面处理，使结构件坯料的表面形成涂层；

所述加热机构用于对具有涂层的所述结构件坯料进行加热，使所述结构件坯料的涂层合金化以及使结构件坯料奥氏体化；

所述成型机构用于对奥氏体化后的结构件坯料进行成型，使之形成热冲压件。

本发明的有益效果如下：

1.与现有技术中的采用铝硅涂层板进行激光拼焊相比，本实施所制备的汽车结构件，其坯料先经过激光拼焊再进行涂层处理，因此，焊缝质量得到很大提高。

2.结构件坯料表面的涂层厚度很薄，在加热至400～550℃之间并保温一段时间后，涂层能与坯料的铁基体充分发生合金化反应而形成合金涂层，合金涂层的熔点较高，可以避免在后续的坯料被加热至奥氏体化温度时涂层熔化或液化，锌涂层与坯料中的铁基体完全合金化后不会再产生LMIE，能保持合金涂层的优良特性。

3.采用无氧加热炉对结构件坯料进行加热，避免结构件坯料的铁基体和表面的涂层被氧化，可省却后续的抛丸工序，避免零件变形；由于锌涂层不会被氧化成氧化锌，因此，避免了氧化锌导致结构件后续的焊接不良和电泳涂装不良等现象。

4.尽管无氧加热炉可以避免无涂层料片在奥氏体化加热过程中发生氧化，但是高温料片出炉以后到进入压机模具压制期间，其暴露在大气中的几秒中依然会产生氧化皮，这层氧化皮虽然很薄，依然需要处理。而采用本实施例所述的方法制备的坯料，其表面具有薄镀锌层，可完全避免了料片出炉以后的氧化皮的产生。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中所述汽车结构件的制备方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例所述的的汽车结构件的制备方法，包括以下步骤：

首先，将裸钢板落料成多个料片，多个料片具体包括A柱板料、B柱板料、门槛板料和H柱板料，再将多个料片依顺序配合，并采用激光拼焊方式将多个料片拼焊形成结构件坯料。其中，落料的方式可以为冷冲压落料或激光切割落料等，以便适应不同材质、厚度的钢板。

接着，对结构件坯料进行表面处理，使结构件坯料的表面形成涂层。具体来说，在本实施例中，可采用电镀或热喷涂的方式对结构件坯料的表面进行处理，使其表面形成锌层或铝层或铜层等能防止坯料的基体被氧化或腐蚀的保护层。所述涂层的厚度在1～10μm之间，较佳的，所述涂层的厚度在1～4μm之间，也就是说，所述结构件坯料的表面形成很薄的涂层。

接着，将具有涂层的坯料放入无氧加热炉中进行加热，使结构件坯料表面的涂层进行合金化。其中，所述无氧加热炉包括真空加热炉和惰性气氛加热炉。采用无氧加热炉对具有涂层的结构件坯料进行加热，可以避免结构件坯料及其表面的涂层在高温环境下发生氧化。具体来说，具有涂层的结构件坯料在无氧加热炉内被加热至400～550℃之间，并在该温度下保温，其中，加热和保温的总时长介于30～180s之间。在这一加热和保温过程中，由于结构件坯料表面的涂层很薄，因此，涂层中的锌或铝能与结构件坯料的基体中的铁快速、完全地进行合金化，铝涂层能与铁基体结合形成铝铁合金，而锌涂层能与铁基体结合形成α相的锌铁合金涂层，这两种涂层的熔点较高，涂层基本上不会发生液化，可避免LMIE(液态金属裂纹断裂)的产生。另外，锌涂层与铁基体结合形成的α相锌铁合金具有较低的高温摩擦系数，有利于后续的热冲压成型。

接着，在无氧加热炉内继续对涂层合金化后的结构件坯料进行加热，使结构件坯料发生奥氏体化。具体来说，具有涂层的结构件坯料在无氧加热炉内被加热至其表面涂层合金化后，继续被加热至880～950℃之间，并在此温度下保温，其中，加热和保温的总时长介于180～300s之间。在此温度下，结构件坯料的基体中的钢铁会发生奥氏体化。

接着，将奥氏体化后的结构件坯料放入模具中进行热冲压，形成热冲压件。

具体的，所述无氧加热炉包括用于使涂层进行合金化的合金化加热区和用于使结构件坯料发生奥氏体化的奥氏体化加热区，所述合金化加热区和所述奥氏体化加热区相互连通。其中，具有涂层的结构件坯料在所述合金化加热区内被加热至400～550℃之间后，再被转移至奥氏体化加热区内继续加热，使得结构件坯料的温度达到880～930℃之间，以使坯料基体进行充分的奥氏体化。采用上述方案，可以确保结构件坯料表面的涂层在无氧加热炉内能具有充分合金化的温度和时间，避免涂层和基体合金化不充分，会造成后续坯料被加热到奥氏体化温度时，涂层发生液化。

具体的，在将具有涂层的结构件坯料放入无氧加热炉中进行加热之前，先对无氧加热炉进行抽真空，待抽完真空后，再向无氧加热炉内注入氮气和放入坯料。采用上述方案，对无氧加热炉内进行抽真空，可以确保加热炉内没有氧气，避免坯料和涂层在加热升温过程中不会产生氧化物，而向加热炉内充入氮气，可以防止涂层挥发。

在一个可选的实施方式中，所述涂层可以为锌层或铝层或锰层或锌锰合金层或铜层。

例如，涂层可以包括厚度为3-15微米之间的微米锌，优选地，所述微米锌的厚度在5-8微米之间。

在一个优选的实施方式中，所述涂层包括锌层和设置在锌层上的铁层，所述锌层的厚度为3-15微米之间，所述铁层的厚度在1-5微米之间，优选的，所述铁层的厚度在1-3微米之间。先镀锌再镀铁，一方面表层的固体铁了阻止了奥氏体加热过程中熔化的锌粘辊粘模，一方面表层铁与基体铁同时与中间层锌合金化，锌层较厚时不需要长时间合金化来避免LME出现。同时表层较硬的铁减少了冲压时较软的锌层与模具之间的摩擦力。

在一个优选的实施方式中，所述涂层包括锌层和设置在锌层上的锰层或锌锰合金层。在上述实施方式中，先镀薄锌再镀锰，一方面锰在奥氏体化温度区间是固体，不会有LME，另一方面锰的电位比锌还负，牺牲阳极保护功能更好。锰还具备表面一层致密氧化膜，耐腐蚀性更强。如果锰直接镀在铁表面，奥氏体化加热过程锰层附着力不如镀在中间层锌上。因为锌层较薄。奥氏体化加热过程中锌层全部转化为alpha铁锌和锰锌，不会产生LME。

以上这次镀层在奥氏体化加热时只有在无氧加热环境下才能发挥原有功能，否则高温氧化会使表层的锌，锰，铁产生氧化层。这种氧化层影响了后工序的焊接和电泳。另外，此发明申请所提供的工艺方法不限于门环，也适用其他产品如B柱、中央通道，纵梁，门槛等任何有耐腐蚀要求的热冲压产品。对于没有拼焊的产品，也可以在落料之前进行镀层的涂镀。涂镀包括热浸镀，电镀，化镀，蒸镀和喷涂。

借由上述方案，本实施所述的汽车结构件的制备方法具有以下优点：

1.与现有技术中的采用铝硅涂层板进行激光拼焊相比，本实施所制备的汽车结构件，其坯料先经过激光拼焊再进行涂层处理，因此，焊缝质量得到很大提高。

2.结构件坯料表面的涂层厚度很薄，在加热至400～550℃之间并保温一段时间后，涂层能与坯料的铁基体充分发生合金化反应而形成合金涂层，合金涂层的熔点较高，可以避免在后续的坯料被加热至奥氏体化温度时涂层熔化或液化，涂层(诸如锌涂层)与坯料中的铁基体完全合金化后不会再产生LMIE，能保持合金涂层的优良特性。

3.采用无氧加热炉对结构件坯料进行加热，避免结构件坯料的铁基体和表面的涂层被氧化，可省却后续的抛丸工序，避免零件变形；由于锌涂层不会被氧化成氧化锌，因此，避免了氧化锌导致门环后续的焊接不良和电泳涂装不良等现象。

4.尽管无氧加热炉可以避免无涂层料片在奥氏体化加热过程中发生氧化，但是高温料片出炉以后到进入压机模具压制期间，其暴露在大气中的几秒中依然会产生氧化皮，这层氧化皮虽然很薄，依然需要处理。而采用本实施例所述的方法制备的坯料，其表面具有薄镀锌层，可完全避免了料片出炉以后的氧化皮的产生。

以下采用6个具体案例对本实施例进行详细的说明

案例1

首先，采用激光切割的落料方式，分别对厚度为1.4mm和1.6mm的22MnB5裸钢板进行落料，得到厚度为1.4mm的A柱板料和门槛板料，厚度为1.6mm的B柱板料和H柱板料。

接着，依次序对A柱板料、门槛板料、B柱板料和H柱板料进行激光拼焊，得到结构件坯料。

接着，采用电镀方式对结构件坯料进行表面处理，使结构件坯料的表面形成厚度为3μm的锌层。

接着，先对对无氧加热炉进行抽真空，然后向无氧加热炉内注入氮气，并将具有镀锌层的结构件坯料放入无氧加热炉的合金化加热区中进行加热至400℃，在该区域中加热40s使镀锌层与坯料的铁基体完全合金化，再将坯料转移至奥氏体化加热区中继续加热至880℃。

最后，将奥氏体化后的结构件坯料放入模具中进行热冲压，形成门环热冲压件。

案例2

首先，采用激光切割的落料方式，分别对厚度为1.4mm和1.6mm的22MnB5裸钢板进行落料，得到厚度为1.4mm的A柱板料和门槛板料，厚度为1.6mm的B柱板料和H柱板料。

接着，依次序对A柱板料、门槛板料、B柱板料和H柱板料进行激光拼焊，得到结构件坯料。

接着，采用蒸镀方式对结构件坯料进行表面处理，使结构件坯料的表面形成厚度为10nm-1000nm的铝层。

接着，先对对无氧加热炉进行抽真空，然后向无氧加热炉内注入氮气，并将具有镀铝层的结构件坯料放入无氧加热炉的合金化加热区中进行加热至450℃，在该区域中加热30s使镀铝层与坯料的铁基体完全合金化，再将坯料转移至奥氏体化加热区中继续加热至890℃。

最后，将奥氏体化后的结构件坯料放入模具中进行热冲压，形成门环热冲压件。

案例3

首先，采用激光切割的落料方式，分别对厚度为1.4mm和1.6mm的22MnB5裸钢板进行落料，得到厚度为1.4mm的A柱板料和门槛板料，厚度为1.6mm的B柱板料和H柱板料。

接着，依次序对A柱板料、门槛板料、B柱板料和H柱板料进行激光拼焊，得到结构件坯料。

接着，在结构件坯料表面电镀1-3um的锌锰合金。在另一个可选实施例中，锌锰合金的厚度可以为5-10微米之间。锌锰合金耐腐蚀性能较锌层好，且熔点高，不易产生LMIE。

接着，先对对无氧加热炉进行抽真空，然后向无氧加热炉内注入氮气，并将具有镀锌锰合金层的结构件坯料放入无氧加热炉内加热至890℃。

最后，将奥氏体化后的结构件坯料放入模具中进行热冲压，形成门环热冲压件。

案例4

首先，采用激光切割的落料方式，分别对厚度为1.4mm和1.6mm的22MnB5裸钢板进行落料，得到厚度为1.4mm的A柱板料和门槛板料，厚度为1.6mm的B柱板料和H柱板料。

接着，依次序对A柱板料、门槛板料、B柱板料和H柱板料进行激光拼焊，得到结构件坯料。

接着，在结构件坯料表面电镀1-3um的锰。锰的电极电位在-1.1V左右，具有良好的牺牲阳极保护效果，且锰的熔点在1200℃左右，在快速加热过程中无LMIE现象产生。

接着，先对对无氧加热炉进行抽真空，然后向无氧加热炉内注入氮气，并将具有镀锰层的结构件坯料放入无氧加热炉内快速加热至930℃，保温1-3min，进行奥氏体化。

最后，将奥氏体化后的结构件坯料放入模具中进行热冲压，形成门环热冲压件。

案例5

首先，采用激光切割的落料方式，分别对厚度为1.4mm和1.6mm的22MnB5裸钢板进行落料，得到厚度为1.4mm的A柱板料和门槛板料，厚度为1.6mm的B柱板料和H柱板料。

接着，依次序对A柱板料、门槛板料、B柱板料和H柱板料进行激光拼焊，得到结构件坯料。

接着，在结构件坯料表面电镀1-3um的锌，然后在锌层表面电镀3-5um的锰。

接着，先对对无氧加热炉进行抽真空，然后向无氧加热炉内注入氮气，并将具有镀锌层的结构件坯料放入无氧加热炉的合金化加热区中进行加热至450℃，在该区域中加热30s使镀锌层与坯料的铁基体完全合金化，再将坯料转移至奥氏体化加热区中继续加热至890℃。

最后，将奥氏体化后的结构件坯料放入模具中进行热冲压，形成门环热冲压件。当然的，在其他可选的实施例中，不必对所有的锌层表面镀锰，而只需要对重点部位(例如，门槛板处)镀上锰。

案例6

首先，采用激光切割的落料方式，分别对厚度为1.4mm和1.6mm的22MnB5裸钢板进行落料，得到厚度为1.4mm的A柱板料和门槛板料，厚度为1.6mm的B柱板料和H柱板料。

接着，依次序对A柱板料、门槛板料、B柱板料和H柱板料进行激光拼焊，得到结构件坯料。

接着，在结构件坯料表面化镀100nm-1000nm的铜。

接着，先对无氧加热炉进行抽真空，然后向无氧加热炉内注入氮气，并将具有镀铜层的结构件坯料放入无氧加热炉加热至奥氏体化加热区中继续加热至890℃。

最后，将奥氏体化后的结构件坯料放入模具中进行热冲压，形成门环热冲压件。

本实施例所述的汽车结构件的制备装置，包括落料机构、激光拼焊机构、表面处理机构、加热机构以及成型机构，其中：

所述落料机构用于对裸钢板进行落料，形成多个料片；

所述激光拼焊机构用于对多个料片进行拼焊，以获得结构件坯料；

所述表面处理机构用于对结构件坯料进行表面处理，使结构件坯料的表面形成涂层；

所述加热机构用于对具有涂层的所述结构件坯料进行加热，使所述结构件坯料的涂层合金化以及使结构件坯料奥氏体化；

所述成型机构用于对奥氏体化后的结构件坯料进行成型，使之形成热冲压件。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种汽车结构件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将裸钢板落料成多个料片，将多个料片激光拼焊形成结构件坯料；

对结构件坯料进行表面处理，使结构件坯料的表面形成涂层，

所述涂层包括锌层和设置在所述锌层上的铁层，所述锌层的厚度在3-15um之间，所述铁层的厚度在1-5um之间，

或，所述涂层包括锌层和设置在所述锌层上的锰层，所述锌层的厚度为1-3um，所述锰层的厚度为3-5um；

对无氧加热炉进行抽真空，并向抽真空后的无氧加热炉注入氮气，将具有涂层的结构件坯料放入无氧加热炉中加热至400～550℃之间，并在该温度下保温，其中，加热和保温的总时长介于30～180s之间，使结构件坯料表面的涂层进行合金化；

在无氧加热炉内继续对涂层合金化后的结构件坯料进行加热，使结构件坯料发生奥氏体化，其中，在奥氏体化后，涂层完全合金化而形成高熔点镀层；

将奥氏体化后的结构件坯料放入模具中进行热冲压，形成热冲压件。

2.根据权利要求1所述的汽车结构件的制备方法，其特征在于，所述汽车结构件为门环，所述表面处理包括电镀或化镀或喷涂或真空蒸镀。

3.根据权利要求1所述的汽车结构件的制备方法，其特征在于，所述无氧加热炉包括用于使涂层进行合金化的合金化加热区和用于使结构件坯料进行奥氏体化的奥氏体化加热区。

4.根据权利要求3所述的汽车结构件的制备方法，其特征在于，在步骤“在无氧加热炉内继续对涂层合金化后的结构件坯料进行加热，使结构件坯料发生奥氏体化”中，涂层合金化后的结构件坯料在奥氏体化加热区中被加热至880～930℃之间。

5.采用如权利要求1所述的汽车结构件的制备方法的一种汽车结构件的制备装置，其特征在于，包括落料机构、激光拼焊机构、表面处理机构、加热机构以及成型机构，其中：

所述落料机构用于对裸钢板进行落料，形成多个料片；

所述激光拼焊机构用于对多个料片进行拼焊，以获得结构件坯料；

所述表面处理机构用于对结构件坯料进行表面处理，使结构件坯料的表面形成涂层；

所述加热机构用于对具有涂层的所述结构件坯料进行加热，使所述结构件坯料的涂层合金化以及使结构件坯料奥氏体化；

所述成型机构用于对奥氏体化后的结构件坯料进行成型，使之形成热冲压件。

Images