用于熱成形的高強(qiáng)度板材激光加熱處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于熱成形的高強(qiáng)度板材激光加熱處理方法。該方法是將預(yù)處理高強(qiáng)度板材放置于成形模具中支撐桿上，激光源輸出激光束掃描板材表面實(shí)施加熱，通過在線紅外測溫和三維坐標(biāo)測量實(shí)時(shí)調(diào)整激光源的技術(shù)參數(shù)以控制板材整體溫度及表面致密產(chǎn)物層均勻分布。本發(fā)明方法具有操作工藝簡單、效率高、縮短熱成形工藝流程的特點(diǎn)，經(jīng)實(shí)際測試證明，加熱效率高、氧化防護(hù)效果好。
【專利說明】用于熱成形的高強(qiáng)度板材激光加熱處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高強(qiáng)度板材熱成形【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于熱成形的高強(qiáng)度板材激光加熱處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱成形是一項(xiàng)專門用于制造高強(qiáng)度板材零件的技術(shù)，通過這種方法制得的零件，具有超高強(qiáng)度，良好的尺寸精度，可以提高零部件的碰撞安全性能，減輕整體部件重量，節(jié)能減排，近年來廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天等領(lǐng)域。
[0003]在熱成形工藝中，高強(qiáng)度板材需要被加熱到合適的溫度，比如鋼材需要加熱到奧氏體化溫度，然后在沖壓模具中同時(shí)進(jìn)行快速沖壓成形和淬火，使成形零件獲得均勻分布的高性能微觀組織，或鈦合金板材需要加熱使屈服應(yīng)力降低，滿足壓力機(jī)噸位要求。高強(qiáng)度板材熱成形工藝的關(guān)鍵問題之一是板材快速加熱到合適的溫度，現(xiàn)有技術(shù)大多都是采用加熱爐加熱后轉(zhuǎn)移到?jīng)_壓模具中，加熱速率低，操作繁瑣，生產(chǎn)線設(shè)備龐大；關(guān)鍵問題之二是板材的高溫氧化防護(hù)，高溫下的板材與空氣接觸，表面嚴(yán)重氧化，生成疏松氧化皮，即使在具有保護(hù)性氛圍的加熱爐中加熱，板材轉(zhuǎn)移到模具的過程中，也難以避免氧化，氧化皮在沖壓過程中容易脫落附著模具表面，可能損傷模具表面且清除麻煩，影響連續(xù)生產(chǎn)，還會影響零件的表面質(zhì)量和尺寸精度，后續(xù)處理增加了生產(chǎn)成本。
[0004]目前，針對高強(qiáng)度板材在熱成形工藝中的快速加熱和高溫氧化問題，尚沒有行之有效的解決方法，僅涉及單一問題的解決技術(shù)?？焖偌訜嶂饕捎眉訜釥t，要求加熱爐的升溫速率達(dá)到4°C /s，爐內(nèi)需要通保護(hù)氣體避免板材在加熱過程中被氧化，且需要配置入口和出口輥道進(jìn)行上下料、機(jī)械手運(yùn)送加熱后的板材到模具，導(dǎo)致加熱爐設(shè)備體積龐大，造成熱沖壓工藝流程繁瑣。高溫氧化防護(hù)主要是在板材表面涂覆保護(hù)層，通過涂層消耗空氣中的氧氣或者阻隔板材與空氣接觸的方式，比如在鋼材表面鍍鋁、鋅或者鋁硅、鋁鋅涂層，或者采用高溫防氧化涂料?，F(xiàn)有高溫氧化防護(hù)技術(shù)不僅增加了對板材進(jìn)行防氧化處理的費(fèi)用，而且成形之后為保證零件表面質(zhì)量，需將涂層除去再處理，使得熱成形工藝更加復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有高強(qiáng)度板材熱成形技術(shù)存在的快速加熱和高溫氧化問題，提供一種用于熱成形的高強(qiáng)度板材激光加熱處理方法，即快速加熱與表面處理的一體化方法，具有操作工藝簡單、效率高、縮短熱成形工藝流程的特點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的用于熱成形的高強(qiáng)度板材激光加熱處理方法，將預(yù)處理高強(qiáng)度板材放置于成形模具中支撐桿上，激光源輸出激光束掃描板材表面實(shí)施加熱，通過在線紅外測溫和形狀測量實(shí)時(shí)調(diào)整激光源的技術(shù)參數(shù)以控制板材整體溫度及表面致密產(chǎn)物層均勻分布。
[0007]本發(fā)明中所述的激光源可以是連續(xù)或脈沖，可以采用單一或多個協(xié)同。
[0008]本發(fā)明中所述的激光束可以是均勻型或高斯分布型等模式，可以是圓形、矩形或環(huán)形等光斑形狀。[0009]本發(fā)明中所述的激光束掃描板材表面可以是一道次或多道次重復(fù)，掃描過程可以是連續(xù)或間斷進(jìn)行。
[0010]本發(fā)明中所述的高強(qiáng)度板材可以是純金屬、合金或金屬基復(fù)合材料?？梢允撬苄院玫牟牧希部梢允谴嘈?、難變形的材料。
[0011]本發(fā)明中所述的預(yù)處理高強(qiáng)度板材可以是板材表面涂刷一層黑色吸光材料，如黑漆、炭黑等，增加對激光束的熱吸收系數(shù)，也可以是板材表面鋪置一層金屬或非金屬的一種或多種混合粉末，激光加熱作用下鋪胃粉末與板材表面基體材料形成一層結(jié)合力強(qiáng)的均勻
熔覆層。
[0012]本發(fā)明中所述的調(diào)整激光源的技術(shù)參數(shù)主要是激光束的功率、移動速率、光斑直徑和掃描路徑。
[0013]本發(fā)明方法的技術(shù)優(yōu)勢具體體現(xiàn)在:
[0014](I)操作工藝簡單，采用激光輻射加熱方式，加熱過程易于控制，能夠根據(jù)工藝需要規(guī)劃加熱區(qū)域。
[0015](2)激光束快速移動，掃描及熱影響區(qū)域板材表面迅速升溫并生成致密氧化層或熔覆層，非掃描及熱影響區(qū)域僅通過熱傳導(dǎo)升溫，通過路徑規(guī)劃在達(dá)到氧化溫度前激光束完成掃描并生成致密氧化層或熔覆層，有效防止板材高溫氧化。
[0016](3)可以代替現(xiàn)有熱成形工藝中的加熱爐，并去掉加熱爐和壓機(jī)之間的運(yùn)料機(jī)械手，大幅減少生產(chǎn)線裝備體積，縮短熱沖壓成形工藝流程。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是高強(qiáng)度板材激光加熱處理工藝示意圖。其中:1.上模；2.涂覆層；3.板材；
4.支撐桿；5.下模；6.激光束；7.XYZ三坐標(biāo)工作臺；8.激光發(fā)生器；9.控制系統(tǒng)；10.紅外測溫儀；11.形狀測量儀。
[0018]圖2是【具體實(shí)施方式】一中激光束掃描路徑示意圖。圖中箭頭方向?yàn)榧す馐苿臃较?，a為第一激光束，b為第二激光束。
[0019]圖3是【具體實(shí)施方式】二中激光束掃描路徑示意圖。圖中箭頭方向?yàn)榧す馐苿臃较颍琣為第一激光束，b為第二激光束。
[0020]圖4是【具體實(shí)施方式】三中激光束掃描路徑示意圖。圖中箭頭方向?yàn)榧す馐苿臃较?，a為第一激光束，b為第二激光束，c為第三激光束，d為第四激光束。
[0021]圖5是【具體實(shí)施方式】四中激光束掃描路徑示意圖。圖中箭頭方向?yàn)榧す馐苿臃较?，a為第 激光束，b為第二激光束。
[0022]圖6是【具體實(shí)施方式】五中激光束掃描路徑示意圖。圖中箭頭方向?yàn)榧す馐苿臃较?，al為第一激光束掃描第一道次，a2為第一激光束掃描第二道次，a3為第一激光束掃描第三道次，bl為第二激光束掃描第一道次，b2為第二激光束掃描第二道次，b3為第二激光束掃描第三道次。
[0023]圖7是【具體實(shí)施方式】六中激光束掃描路徑示意圖。圖中箭頭方向?yàn)榧す馐苿臃较颍琣為第一激光束，b為第二激光束。
[0024]圖8是【具體實(shí)施方式】七中激光束掃描路徑示意圖。圖中箭頭方向?yàn)榧す馐苿臃较颍琣為第一激光束，b為第二激光束?！揪唧w實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明提出的技術(shù)方案的細(xì)節(jié)和工作情況。
[0026]圖1為本發(fā)明進(jìn)行高強(qiáng)度板材激光加熱處理工藝示意圖。模具包括上模(I)、下模
(5)、支撐桿(4)。板材(3)放置于支撐桿⑷上?？刂葡到y(tǒng)(9)包括對XYZ三坐標(biāo)工作臺
(7)、激光發(fā)生器(8)、紅外測溫儀(10)、形狀測量儀(11)的信息輸入輸出，控制XYZ三坐標(biāo)工作臺(7)移動、激光發(fā)生器⑶發(fā)射激光束(6)照射板材(3)、紅外測溫儀(10)測試板材(3)溫度分布、形狀測量儀(11)測試板材(3)表面涂覆層(2)厚度變化，整個過程的信息變化反饋回控制系統(tǒng)(9)，完成實(shí)時(shí)調(diào)控加熱處理。
[0027]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式中采用TC4鈦合金方形板，尺寸為500mmX 500mmX 1.5_，表面清潔后涂覆炭黑，圖2是本實(shí)施方式激光束掃描路徑示意圖，圖中箭頭方向?yàn)榧す馐苿臃较?，a為第一激光束，b為第二激光束。第一和第二激光束的功率為1000W，光斑直徑為1mm，移動速率20mm/s，加熱處理13.1s。上表面溫度范圍為960°C至1000°C，氧化層分布均勻，厚度約0.25 μ m，下表面溫度范圍為880°C至920°C，氧化層分布均勻，厚度約0.12 μ mo
[0028]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是采用圖3所示的激光束掃描路徑,加熱處理9.4s。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是采用圖4所示的激光束掃描路徑，圖中a為第一激光束，b為第二激光束，c為第三激光束，d為第四激光束，加熱處理5.7s。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是圓形板尺寸為Φ 500mmX 2mm,采用圖5所示的激光束掃描路徑，加熱處理175.2s。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0031]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】四不同的是采用圖6所示的激光束掃描路徑，圖中al為第一激光束掃描第一道次，a2為第一激光束掃描第二道次，a3為第一激光束掃描第三道次，bl為第二激光束掃描第一道次，b2為第二激光束掃描第二道次，b3為第二激光束掃描第三道次，第一激光束的移動速率為20mm/s，第二激光束的移動速率為13mm/s,加熱處理94.3s。其它與【具體實(shí)施方式】四相同。
[0032]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是工字型板采用圖7所示的激光束掃描路徑，加熱處理81.7s。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0033]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】六不同的是采用圖8所示的激光束掃描路徑，加熱處理84.8s。其它與【具體實(shí)施方式】六相同。
[0034]依據(jù)上述實(shí)施方式，本
【發(fā)明內(nèi)容】
所述范圍均能實(shí)施，本發(fā)明不僅僅局限于上述實(shí)施方式。
[0035]本發(fā)明提供一種用于熱成形的高強(qiáng)度板材激光加熱處理方法，經(jīng)實(shí)際測試證明，加熱效率高、氧化防護(hù)效果好。
【權(quán)利要求】
1.用于熱沖壓成形的高強(qiáng)度板材激光加熱處理方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行:將預(yù)處理高強(qiáng)度板材放置于沖壓模具上方支撐桿上，激光源輸出激光束掃描板材表面實(shí)施加熱，通過在線紅外測溫和三維坐標(biāo)測量實(shí)時(shí)調(diào)整激光源的技術(shù)參數(shù)以控制板材整體溫度及表面致密產(chǎn)物層均勻分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱沖壓成形的高強(qiáng)度板材激光加熱處理方法，其特征在于，所述激光源可以是連續(xù)或脈沖，可以采用單一或多個協(xié)同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱沖壓成形的高強(qiáng)度板材激光加熱處理方法，其特征在于，所述激光束可以是均勻型或高斯分布型等模式，可以是圓形、矩形或環(huán)形等光斑形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱沖壓成形的高強(qiáng)度板材激光加熱處理方法，其特征在于，所述激光束掃描板材表面可以是一道次或多道次重復(fù)，掃描過程可以是連續(xù)或間斷進(jìn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱沖壓成形的高強(qiáng)度板材激光加熱處理方法，其特征在于，所述高強(qiáng)度板材可以是純金屬、合金或金屬基復(fù)合材料?？梢允撬苄院玫牟牧希部梢允谴嘈?、難變形的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱沖壓成形的高強(qiáng)度板材激光加熱處理方法，其特征在于，所述預(yù)處理高強(qiáng)度板材可以是板材表面涂刷一層黑色吸光材料，如黑漆、炭黑等，增加對激光束的熱吸收系數(shù)，也可以是板材表面鋪胃一層金屬或非金屬的種或多種混合粉末，激光加熱作用下鋪置粉末與板材表面基體材料形成一層結(jié)合力強(qiáng)的均勻熔覆層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于熱沖壓成形的高強(qiáng)度板材激光加熱處理方法，其特征在于，所述調(diào)整激光源的技術(shù)參數(shù)主要是激光束的功率、移動速率、光斑直徑和掃描路徑。
【文檔編號】B21D37/16GK103551438SQ201310474309
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月28日
【發(fā)明者】張鵬, 陳剛, 欒冬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）