CN102245785A - 用于淬硬金属工件的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于局部淬硬金属工件(20)的装置和相应的方法，其中所述工件(20)借助一个传送装置(11)在直通式炉中沿传送方向(28)输送并且借助加热装置(12、14、16)局部加热。在此规定，所述加热装置(12、14、16)产生至少一个加热区(30)，该加热区(30)与所述工件(20)一起沿传送方向(28)移动。

Description

用于淬硬金属工件的装置和方法

本发明涉及一种用于局部淬硬尤其用于汽车领域的金属工件，尤其是板状裁剪的钢制件的装置和方法。此外，本发明还涉及相应制造或加工的金属工件。

在汽车领域中，越来越多地使用专门为满足预先给定的负载要求而制造的车身部件。视这些车身部件或支承结构部件所规定的使用目的而定，必须满足这些预先给定的负载要求。例如对于汽车车身的B柱规定，B柱在中段区域内，也就是在沿垂直方向看的中间区段中具有较高的结构刚度，而该B柱应当在邻接车身的上部和下部区域内具有较小的刚度并因此更容易变形。

这种要求的型材例如可以借助所谓拼焊板或拼焊卷板实现。在此，将各种材料，例如不同质量、硬度和/或不同几何形状的钢板或带钢拼合成一个整体，然后使这个按照这种方式方法拼合成整体的原始工件例如通过冷或热变形工艺形成期望的轮廓。

使用这种拼焊用剪裁板材或剪裁卷材较耗费成本，因为原始工件在真正成型加工之前还必须进行接合工艺。此外，在随后的热变形过程中出现严重的问题。因为通过加热作用焊缝中可能出现变化，该焊缝的变化最后在成品中会致使焊缝软化，这将带来质量和功能的损失。

因此，DE 3618093A1例如公开了一种用于感应淬硬链节部件的自动装置，该装置包括一个用于支承感应装置的框架。该框架可以在待淬硬的链节上方的水平平面内来回摆动，因此感应装置可以通过框架摆动路径的变化感应地淬硬不同大小和形状的链节。

此外，例如由DE 69227763T2已知一种用于制造部分淬硬的产品，尤其是由卷绕的金属带制成的淬硬的薄钢板型材产品的连续式生产线。该生产线包括一个用于展开该金属带的开卷机、一个用于使该金属带成型的滚筒单元和一个加热单元。

加热单元包括一个不连续驱动的电加热线圈，该电加热线圈的形状与由滚筒产生的型材的横截面区域这样匹配，使得只能加热沿该型材长度的一些特定区域。最后，在该型材的至少几个未淬硬的区域上设置一个用于冷却该型材并且淬硬加热过的区域的激冷单元和一个用于切割型材的飞刀单元，以获得具有期望长度的单个产品。

这最终致使待制造的产品只局部地，即在相互间隔的区域或部位中淬硬，而其它位于其间的区域保持未被淬硬。以这种方式方法可以制成一种具有结构刚度不同的区域的产品。

所述的加热单元或其电加热线圈设计成静止的，使得为了将工件加热到预先给定的温度，加热功率、工件的进给速度和加热线圈或由其产生的感应磁场的大小这些参数具有固定的相互关系。

可借助在连续工作状态中运行的淬硬装置制成的局部淬硬的产品一般在硬度不同的表面段之间具有较大的过渡区域。在这些过渡区域内，只能够极不准确地预测真实的工件硬度。此外，工件硬度会与工艺有关地具有较大的波动。这些不足特别是在将汽车的模拟碰撞特性与真实碰撞特性进行比较时产生不利影响。因为每个过渡区域中的真实硬度只能在模拟模型中被非常不准确地模拟。

据此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种改进的用于淬硬金属工件的装置以及方法，它们在局部加热工件方面有更普遍的可操作性。本发明的目的也是降低制造成本和周期。此外，应当在工件中形成尽可能明显并且清晰地彼此分界的淬硬过和未淬硬过的区域，从而使这些区域之间的过渡区的尺寸尽可能地小。

本发明的该技术问题借助一种按权利要求1所述的用于淬硬金属工件的装置、一种按权利要求9所述的相应方法以及可相应制造的、按权利要求16所述的金属工件解决。本发明各有利的设计方案分别是从属权利要求的主题。

按本发明的装置设计用于淬硬金属工件，尤其是由钢材或类似以铁素体为基础的金属材料构成的板坯。该装置具有一个用于沿预先给定的传送方向输送工件的传送装置。该工件在此优选连续地沿传送方向移动。此外，设置有一个设计用于产生在空间上延伸的加热区的加热装置。该加热区沿传送方向看的长度比工件短。加热区的几何尺寸设计为，使得借助所述传送装置沿进给方向输送的工件只局部被加热或预热。在此为了淬硬表面，至少对工件表面进行加热。但工件也可以在其整个横截面上进行加热。

加热装置，因此淬硬装置的特征在于，为了有针对性地局部预热或加热工件，加热区能够沿传送方向移动。以这种方式和方法，由加热装置提供的加热区可以与连续地沿传送方向移动的工件“一同移动”，因此只有工件位于加热区的区段能够加热到预先给定的温度，而加热区之外的区段不会加热到预先给定的温度，例如所谓的钢材奥氏体化温度。

后置于加热装置地设置一个用于激冷已加热到预先给定温度的工件的冷却装置。可选择地可以在加热装置和冷却装置之间设置一个热变形装置，借助该热变形装置可以使至少被局部加热的工件至少在被加热的区域内变形，以便形成预先给定的工件几何形状。

通过加热装置提供一个沿传送方向可移动的加热区，可以减小作用在工件上的加热功率，因为虽然进行连续地进给运动但工件待加热的区段在一段较长的时间内停留在加热区中。

此外，通过加热装置的加热区沿传送方向的运动，可以实现工件已加热和未加热区域之间比在加热区静止和工件连续运动的情况下有更清晰的过渡。以这种方式和方法可以实现金属工件，尤其是板坯在空间上界限分明并且有针对性的淬硬。

按本发明的第一种有利的设计方案规定，加热区沿传送方向的移动与工件的输送一致。因此例如可以规定，工件和加热区都节拍性地，即逐步地沿传送方向移动。但优选规定加热区和工件连续的运动。

在此尤其有利的是，工件的传送速度与加热区的移动速度完全一致，因此，只使工件的一个预先确定的区段进行有针对性地加热，而不或几乎不加热位于该区段之外的其它区段。

按本发明的另一种设计方案规定，加热区的大小，尤其是沿传送方向的长度可变化。加热区的大小尤其与工件待淬硬的区段的尺寸匹配，以便按本发明的加热装置可以普遍地用于多种配置不同的工件。

按本发明的另一种有利的设计方案规定，沿传送装置设置一些传感的检测装置，借助该检测装置能够测量工件的位置和/或外部轮廓。检测装置例如可以设计成触敏传感器或非接触式的，例如光敏传感器。

根据各种传感器的测量精度和相互间的布置，随时都可以精确地测量工件的位置、定向和必要时测量几何形状。

按本发明的一种扩展设计尤其规定，根据所测得的工件位置、定向和/或外部轮廓和必要时考虑传送装置预先给定的传送速度进行一个或多个加热区的移动。也规定，根据所测得的工件位置和/或几何形状数据，激活或去激活加热装置或一个或多个加热区。

若例如规定，一个长形的工件只需在其沿传送方向的中间区域内淬硬，则当工件以其沿传送方向位于前方的区段已经经过一个尚未激活的加热区之后，加热区才被激活。

在了解固定设置的进给速度的情况下例如可以规定，工件沿进给方向位于前方的在前区段在驶入加热装置时就已经被触觉或视觉地检测到，并且当工件待加热的中间区段与由加热装置预先给定的加热区重合之后，经过相应的延时才激活加热装置。在加热激活的同时或之后就可以使加热区与工件沿传送方向一同运动。

本发明尤其规定，加热装置设计成静止的，使得加热装置的那些设计用于产生加热区的组件恰好不必与传送装置一同运动。

与之相关联地尤其规定，加热装置设计成感应加热装置并且具有沿传送方向彼此间隔的感应线圈。这些感应线圈沿传送装置布置并且设计成用于产生至少一个倾斜于或基本上垂直于传送方向延伸的加热区。

作为加热装置静止布置的备选可以规定，加热装置或加热装置的单个组件，例如单个感应线圈，为了产生可移动的加热区而至少沿传送方向可移动地布置。在此，尤其可以设置单个或所有感应线圈顺着和/或逆着传送方向的直线运动，这些感应线圈环形地并且沿传送方向至少局部地包围待加热的工件。

感应线圈优选通过高频交变场工作，以便在工件待加热的区段中感应形成产生热量的电流。在此尤其规定，感应线圈设计成环形线圈并且在垂直于传送方向的平面中完全包绕工件。因此，可由线圈产生的并且设计用于加热的磁场可以至少在工件的部分区域内基本上平行于传送方向和/或基本上平行于传送方向延伸。

此外规定，设置沿传送方向彼此间隔的感应线圈，从而可以通过相应控制相邻的感应线圈产生基本上连续地沿传送方向游移的感应磁场。以这种方式和方法也可以在没有实现可机械移动的加热元件的情况下提供一个沿传送方向游移的加热区。

通过接通或断开各个沿传送方向相邻布置的感应线圈，也可以使加热区的大小，尤其是沿传送方向的长度可变化地匹配。此外可以考虑，不是仅产生唯一的一个，而是产生多个沿传送方向彼此间隔的加热区并且使之与工件一同移动。

按另一个独立的方面，本发明涉及一种用于局部淬硬金属工件的方法，该金属工件借助一个传送装置沿传送方向输送。在此，至少一个可借助加热装置产生的加热区沿传送方向移动，其中，加热区沿传送方向看的长度比工件短。

以这种方式和方法，金属工件，尤其是硼合金钢，例如22MnB5或由其制成的板坯有针对性地并且局部地加热到一个温度，在该温度时室温下的α铁(铁素体)转变成γ铁(奥氏体)。紧接在加热之后，激冷或迅速冷却已加热区段。为此适当的冷却介质是水、油或惰性气体，例如氮气或空气。

加热区的移动或移动速度与工件的输送或传送速度一致。

按另一种实施形式，可以使工件和/或加热区连续地沿传送方向移动。备选地也可以规定，逐步地或节拍性地，但优选同时地移动工件和加热区。工件和加热区移动的速度基本上相同，因此，可由加热装置产生的加热区和工件为了材料淬硬的目的而需要加热的区域并没有明显的相对移动。

此外规定，为了控制，例如激活和去激活加热装置和/或为了移动加热区，传感地检测工件的位置和/或定向并且在必要时检测传送速度。此外规定，当使工件至少局部地加热到预先给定的、使一些设计用于淬硬的工件区域过渡为所谓的奥氏体相的温度之后，有针对性地激冷或迅速冷却该工件，以便可以实现预先给定的硬度或有针对性并且可控地形成马氏体。

此外规定，工件在至少局部加热之后，优选在后续的激冷时进行变形过程。在此例如可以对变形工具进行主动冷却。

本发明、所述用于淬硬金属材料的装置和方法可以普遍使用在板坯上也可以应用在卷绕的带状材料，如带钢上。此外，也可以使用所谓的拼焊卷板或拼焊卷绕带材作为原始材料，它们可以通过在冷轧过程中辊隙受控的变化而沿辊方向具有不同的板厚。就此而言，待淬硬的工件可以具有平面的、基本上平坦的外部轮廓，但也可以具有波浪形或不连续的横剖面。所述的方法也可以普遍地使用在已任意变形的或成型的部件上。

按另一种独立的方面，本发明涉及一种金属工件，尤其是用于汽车的车身部件，该金属工件具有至少两个沿传送方向彼此相邻的、硬度不同的表面区段，该金属工件可以尤其按照在前面所述的方法和/或借助按本发明的装置制成或局部地淬硬。

工件在此的特点为，硬度不同的表面区段之间的过渡区具有特别小的长度。硬度不同的表面区段的过渡区的大小或长度为小于20毫米，优选小于10毫米，特别优选为小于5毫米。该过渡区在此可以看作在两段具有基本上恒定的工件硬度的表面区段之间的区域。就此而言，该过渡区域的特点是具有(沿传送方向看)在空间上改变的材料硬度。

通过按本发明地缩小硬度不同的车身部件各表面区段之间的过渡区，可以将通过模拟和实验进行的汽车碰撞之间的偏差减至最小。

按本发明的一种扩展设计规定，工件设计成结构加固或加强的车身部件。尤其规定，将所述工件设计成A或B柱、相应的柱加强板、车顶加强板、车窗框架加强板、车门碰撞梁加强板、门槛加强板或侧梁加强板。也可以考虑，局部淬硬的金属工件设计成用于汽车的底板、基础板、通道、仪表板支架或保险杠。

以下根据附图的说明进一步阐述本发明有利的设计方案以及应用可能和有利效果。在此，描述和/或图形所示的全部特征既单独地又以各个合理的组合先后形成本发明的主题；也与各权利要求和其相互的引用无关。在附图中：

图1是按本发明的加热装置的示意图。

设计为所谓的淬火炉并且可以作为直通式炉工作的加热装置10具有一个传送装置11，局部待淬硬的工件20可以在该传送装置上沿传送方向28相对于附图的几何形状从左向右连续或逐步地输送。

沿传送方向彼此间隔的感应线圈12、14、16围绕传送装置布置，这些感应线圈在施加相应的高频信号时产生设计用于局部加热工件20的感应磁场30。该感应磁场30同时感应形成一个几何尺寸(沿传送方向28观察)小于工件20沿传送方向28的长度的加热区。

通过接通和断开感应线圈12、14、16可以产生一个与工件20一同移动的加热区30，使得工件20在穿过淬火炉10的连续输送过程中只能在一个预先给定的、空间上有限的部分区域内获得致使工件20仅在预先给定的部分区域24内局部加热的能量供应。通过加热区30与工件20的一同导引，可以在整个由传送装置11形成的传送段上连续地加热工件20的那个部分区域24。

因此，在被加热的工件段24左边和右边的过渡区域内产生特别高的温度梯度。以这种方式和方法可以格外精确地在材料中产生空间温度差。借助后续的激冷和必要时设置在它们之间的变形过程，可以在工件20中产生较清晰并且明显地彼此分界的、硬度不同并因此结构刚度不同的区域。因此，已淬硬和未淬硬区段之间的过渡区域的尺寸能够减至最小。

此外，沿由传送装置11预先给定的行驶路线设置有一些位置传感器18，这些位置传感器18设计用于检测工件的位置、定向并且在必要时还检测工件的外部轮廓和几何形状。这些传感器例如可以设计为光阑的形式或也可以设计为触敏传感器元件，即对接触作出反应的传感器元件。此外可以考虑，代替许多单个的传感器18而设置唯一的一个或少许几个成像传感器以及一个相应的图像分析装置。

可由传感器18产生的信号输送给信号分析和过程控制装置，该装置根据传感器信号控制加热的激活和加热区30相应的共同导引。也可以规定，例如通过接通或断开单个感应线圈12、14、16改变加热区的大小。以这种方式和方法，可以任意改变待加热的工件段24的大小。也可以考虑，同步地或相应于工件20的移动速度延时地激活并且平行地与该工件20共同导引不仅一个加热区30，而是多个沿传送方向28彼此间隔的加热区，使得可以根据所述的过程同时加热并且通过之后的迅速冷却淬硬工件20的多个区域。

在图1中所示的只具有唯一一个加热区30的实施例中规定，只对中间的工件段24进行局部淬硬，而沿传送方向位于前方的区段22和沿传送方向位于后方的区段26不应当受到其它的热处理。

若例如使用一种硼合金钢，例如材料22MnB5，则需要在工件段24中达到的温度约为900摄氏度至950摄氏度。可借助本发明在工件中产生的硬度不同的区域致使形成一个与其几何形状无关地具有不同变形特性和弯曲特性的区段的部件。

这尤其在汽车领域中意义特别重大，由此使得汽车车身和其单个构件例如在侧面碰撞或正面碰撞时具有所要求的变形特性。就此而言这种局部淬硬的工件适合作为拼焊板或拼焊卷材的廉价且易于操纵的代替品。

附图标记清单

10淬火炉

11传送装置

12感应线圈

14感应线圈

16感应线圈

18位置传感器

20工件

22工件段

24工件段

26工件段

28传送方向

30加热区

Claims (17)

1.一种用于局部淬硬金属工件(20)的装置，该装置具有：

-一个用于沿传送方向(28)输送所述工件(20)的传送装置(11)和

-一个设计用于产生至少一个加热区(30)的加热装置(12、14、16)，该加热区(30)沿传送方向(28)看的长度比所述工件(20)短，

其特征在于，所述加热装置(12、14、16)设计用于沿传送方向(28)移动所述加热区(30)以便局部加热所述工件(20)。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述加热区(30)的移动与所述工件(20)的输送相适配。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述加热区(30)的大小，尤其是该加热区(30)沿所述传送方向(28)的长度可变化。

4.如权利要求1至3之一所述的装置，其中，沿所述传送装置(11)设置有传感的检测装置(18)，借助该检测装置(18)能够测量所述工件(20)的位置和/或定向和/或外部轮廓。

5.如权利要求1至4之一所述的装置，其中，根据所测得的工件(20)的位置和/或定向和/或外部轮廓并且必要时还考虑所述传送装置(11)预先给定的传送速度而移动所述加热区(30)。

6.如权利要求1至5之一所述的装置，其中，所述加热装置(12、14、16)设计成静止的。

7.如权利要求1至6之一所述的装置，其中，所述加热装置设计成感应加热装置并且具有沿传送方向(28)彼此间隔的感应线圈(12、14、16)。

8.如权利要求7所述的装置，其中，沿所述传送装置(11)设置有多个沿传送方向(28)彼此间隔的、用于产生至少一个倾斜于或基本上垂直于所述传送方向(28)延伸的加热区(30)的感应线圈(12、14、16)。

9.一种用于局部淬硬金属工件(20)的方法，该金属工件(20)借助一个传送装置(11)沿传送方向(28)输送，并且其中，借助加热装置(12、14、16)产生一个沿传送方向(28)看其长度比所述工件(20)短的加热区(30)，其特征在于，所述加热区(30)为了局部加热所述工件(20)而沿传送方向(28)移动。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述加热区(30)的移动与所述工件(20)的输送相适配。

11.如权利要求9或10所述的方法，其中，连续地沿传送方向(28)移动所述工件(20)和/或所述加热区(30)。

12.如权利要求9至11之一所述的方法，其中，以基本上相同的进给速度移动所述工件(20)和/或所述加热区(30)。

13.如权利要求9至12之一所述的方法，其中，为控制所述加热装置(12、14、16)和/或移动所述加热区(30)传感地检测所述工件(20)的位置和/或定向和/或外部轮廓并且在必要时传感地检测其速度。

14.如权利要求9至13之一所述的方法，其中，在所述加热之后冷却或激冷所述工件(20)。

15.如权利要求9至14之一所述的方法，其中，在所述加热之后并且在所述激冷之前或激冷期间使所述工件(20)至少局部变形。

16.一种金属工件，该金属工件具有至少两个沿传送方向彼此相邻的、硬度不同的表面区段(22、24、26)，其中，所述表面区段中的至少一个(24)借助如权利要求9至15之一所述的淬火方法淬硬，其特征在于，不同硬度的表面区段(22、24、26)之间的过渡区的长度沿传送方向(28)看小于20毫米，优选小于10毫米，特别优选小于5毫米。

17.如权利要求16所述的工件，其特征在于，该工件设计成汽车的车身部件，尤其是汽车车身的A柱或B柱。

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