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CN108025404A - 具有改进的接合特性的构件结构的生产方法和构件结构 - Google Patents

具有改进的接合特性的构件结构的生产方法和构件结构 Download PDF

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CN108025404A
CN108025404A CN201680051878.5A CN201680051878A CN108025404A CN 108025404 A CN108025404 A CN 108025404A CN 201680051878 A CN201680051878 A CN 201680051878A CN 108025404 A CN108025404 A CN 108025404A
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斯特凡·米斯洛维奇
大卫·皮耶罗纳克
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ThyssenKrupp AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Steel Europe AG
ThyssenKrupp AG
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Abstract

本发明涉及一种用于生产由第一构件(102，202，302)和至少一个另一个构件(104，204，304)组成的构件结构的方法，其中该第一构件(102，202，302)与该另一个构件(104，204，304)利用热接合方法连接。达到生产成本低廉的轻质结构的良好碰撞特性和/或抗振强度的目的在这样的方法中解决，使得第一构件(102，202，302)为钢材料复合物，该钢材料复合物包括至少一个较软的层(102a，202a，302a，302d)和一个较硬的层(102b，202b，202c，302b，302c)，其中该较软的层(102a，202a，302a，302d)具有比该较硬的层(102b，202b，202c，302b，302c)更小的材料强度和更高的可成型性，并且接合区域位于第一构件(102，202，302)中的部分至少部分地在该较软的层(102a，202a，302a，302d)中形成。

Description

具有改进的接合特性的构件结构的生产方法和构件结构
技术领域
本发明涉及一种用于生产由第一构件和至少一个另一个构件组成的构件结构的方法，其中该第一构件与该另一个构件利用热接合方法连接。此外本发明还涉及一种构件结构，尤其是一种车辆结构或者其用于汽车或者商用车辆的部件。
背景技术
对于不同的材料和材料组合而言，由现有技术中已知用于将单独的构件接合为构件结构的方法。现在，尤其是用于汽车的接合组件极大地面临着轻质构建的压力，以满足在可用资源减少以及经济框架条件限制的同时，对于油耗、CO2排放以及碰撞安全性不断提高的要求。出于此原因，长久以来，使用具有越来越高强度的钢成为趋势。
例如在汽车和商用车辆领域使用热成型构件，以在大于1500MPa的高材料强度同时达到高的几何构件自由度。由此可以满足高的轻质构建要求。
例如，德国公开文件DE 102008022709 A1说明了辊轧包层多层材料复合物在车辆结构中的应用，其中其三个层由钢合金生产。其中中间层由成型性良好的钢合金组成，而外层由较高强度或极高强度的钢合金组成。
然而高材料强度经常不能直接转化为提高的结构性能，因为连接技术，如在焊接工艺中，如电阻点焊，是一个限制性因素。也就是说可以看到，在超高强度钢和具有超过1000MPa强度的热成型钢中，焊接后，也就是说在热量引入和随后的冷却后，通过退火效应在连接处(热量影响区域)的周围中出现了软化区域，该软化区域具有小的强度并且同时具有小的韧性并且因此在碰撞负荷中通常成为开裂的起始点(裂纹起始)。但这会有广泛影响，因为裂纹可以从连接区域延伸至构件中并由此导致结构完整性的完全丧失。这尤其有损构件的碰撞特性和/或抗振强度。相应的研究在德国钢铁应用研究联合会(FOSTA)的研究项目P806“在考虑连接对构件行为的影响情况下对碰撞模拟所进行的超高强度钢上点焊连接的断裂行为的特征化和替代模型化”框架下进行。
如预期那样，应严格避免这种结构行为。该问题例如可以这样处理，即在部分加压硬化的框架内进行设置用于连接的构件法兰的目的性热处理或者通过之后的热处理进行。
替代性可能的还有，结构性处理该问题并将重点区域超尺寸构建，也就是例如设置更宽的构件法兰或者改变焊点的位置或者其数量。
所描述的这些方案总会因为更加复杂的生产方法(例如通过更加复杂的工具、控制等)或者过大的尺寸而导致更高成本和/或过重并因此与低成本轻质构建的目标相矛盾。
发明内容
在此背景下提出了给出这种方法和构件结构的目的，利用该方法和构件结构可以达到生产成本低廉的轻质结构的优良碰撞特性和/或抗振强度。
该目的根据本发明的第一种教导在这种方法中这样解决，即,使得第一构件为钢材料复合物，该钢材料复合物包括至少一个较软的层和一个较硬的层，其中该较软的层具有比该较硬的层更小的材料强度和更高的可成型性，并且接合区域位于第一构件中的部分至少部分地在该较软的层中形成。
根据本发明认识到，当使用这样接合的钢复合材时，即接合区域至少部分地在具有比较硬的层更高的可成型性和连接强度的较软的层中形成，连接强度和与此相关地尤其构件结构的碰撞特性和/或抗振强度可以改善。可以看到，当接合区域至少部分地在该较软的层中形成时，利用该构件结构所传递的力可以明显提高，因为裂纹通常从相对的、彼此连接的材料表面起始。额外地，与使用较硬层材料的单层解决方案相比，通过将接合区域的大部分形成于较软的层中，避免了在接合区域的负荷关键区域中或者围绕该接合区域形成软化区域。由此可以将力至少部分地首先传递至具有更高成型性的层上并可以随后由此处平面地传递至较硬的层上。
钢材料复合物的意思是具有至少一个钢制层，尤其是较软的和/或较硬的层的材料复合物。该钢材料复合物优选多个或所有层由钢构成。
钢材料复合物也可以具有多于两个的层。该钢材料复合物尤其可以具有多个(例如两个或三个)较软的层。该钢材料复合物也可以具有多个(例如两个或三个)较硬的层。在这种情况下，优选所有的较软的层都具有比较硬的层更高的成型性。在这种情况下，尤其可以将接合区域位于第一构件中的部分至少部分地形成于这些较软的层中的至少一个中。但将接合区域至少部分地形成在多个(例如两个)较软的层中也是可能的。
另一个构件可以例如作为单层构件形成或者同样由钢材料复合物制成。该另一个构件尤其可以与第一构件同样地构建。就此而言，针对第一构件的设计同样也适用于该另一个构件。
较软的层具有比较硬的层更小的材料强度和更高的可成型性的意思尤其是较软的层具有比较硬的层更高的韧性，更高的断裂延伸率，更小的抗拉强度和/或更小的硬度，尤其是在热成型状态下。此外，较软的层的特征优选在于良好的焊接性能和/或足够的焊接连接强度。
接合区域的意思尤其是通过构件的材料接合连接而影响的区域，例如焊接熔核。焊接熔核由热影响区域包围，在该热影响区域中钢的结构特性发生改变。在具有超过1000MPa强度的钢中，尤其热成型或加压硬化的钢中在热影响区域中形成有关键的软化区域。
根据符合本发明方法的一个设计方案，第一构件朝向另一个构件的外层为较软的层。由此可以以简单的形式达到使接合区域至少部分地位于第一构件较软的层中并且此外该较软的层可以定位在该接合区域的附近。这可以促使构件结构机械特性的有效改善。第一构件较软的层可以至少区域性地(例如至少在待接合区域中)与另一个构件直接接触。
接合区域位于第一构件中的部分大部分甚至完全位于较软的层中是可能的。由此可以通过该较软的层良好地接收机械负荷引起的应力峰值。由此较硬的层中的软化区域在理想状况下不会容易发生故障。
根据符合本发明方法的另一个设计方案，接合区域位于第一构件中的部分延伸经过第一构件的多个层。由此，当接合区域延伸经过多个(例如经过两个、三个或更多)层时，可以达到接合连接的特性和碰撞性能和/或抗振强度的最优组合。
根据符合本发明方法的另一个设计方案，较软的层例如由深冲钢，IF钢或者微合金钢组成，较硬的层由高强度钢或者超高强度钢，尤其是具有马氏体结构的钢，优选锰硼钢组成。可以看到，通过使用(热成型的)锰硼钢，根据合金组分可以得到用于特别便宜的构件结构的材料复合物。
另一个构件或者其层同样可以由锰硼钢组成。
根据一个设计方案，第一构件的至少一个层由深冲钢，IF钢，微合金钢，双相钢，复相钢或者马氏体钢组成。根据另一个设计方案，第一构件的至少一个层由具有良好防腐蚀特性的钢合金组成。这同样适用于另一个构件的设计方案。此外，第一和/或另一个构件在一面上或者双面上具有金属的和/或有机的涂层。
根据符合本发明方法的另一个设计方案，较软的层在使用状态下具有至少10％的断裂延伸率A80，优选至少14％，特别优选至少17％。在这些断裂延伸率下，该较软的层具有相应高的可成型性。可以看到，较软的层的这些最小断裂延伸率对构件结构在接合后的性能有正面影响。正如已经说明的，第一构件还可以具有其它的层，对于这些层来说这些特性是有利的。使用状态尤其是硬化状态。
较硬的层优选具有比较软的层的断裂延伸率更小的断裂延伸率A80。由此可以改善第一构件的强度。然而较硬的层的断裂延伸率A80为至少3％，优选至少5％。
根据符合本发明方法的另一个设计方案，较软的层的C含量最高为0.25重量％，优选最高0.15重量％，特别优选最高0.1重量％。由此可以保持较软的层高的可成型性和焊接性能以及连接强度，这对于构件结构的碰撞性能和/或抗振强度有正面影响。
例如，较软的层由具有下列以重量％为单位给出的合金组分含量的钢合金组成：
C＜0.10
Si＜0.35
Mn＜1.00
P＜0.030
S＜0.025
Al＞0.06
Nb＜0.10
Ti＜0.15
Cr＜0.2
Cu＜0.20
Mo＜0.05
N＜0.007
Ni＜0.20
其余为铁和不可避免的杂质。
例如，较硬的层由具有下列以重量％为单位给出的合金组分含量的锰硼钢组成：
C＜0.60
Si＜0.40
Mn＜1.40
P＜0.025
S＜0.010
Al＞0.06
Ti＜0.05
Cr+Mo＜0.5
B＜0.005
N＜0.008
Ni＜0.20
Nb＜0.005
V＜0.02
Sn＜0.05
Ca＜0.006
As＜0.02
Co＜0.02
其余为铁和不可避免的杂质。
较硬的层例如由C含量最大为0.40重量％并且优选最大0.30重量％的钢组成。例如，较硬的层的C含量比较软的层的C含量高。也就是说，较硬的层的C含量例如为至少0.1重量％，优选至少0.15重量％。由此改善了构件的强度。
根据符合本发明方法的另一个设计方案，较软的层在使用状态下具有最高1000MPa的抗拉强度Rm，优选最高800MPa，特别优选最高600MPa和/或较硬的层具有在使用状态下具有至少700MPa的抗拉强度Rm，优选至少900MPa，特别优选至少1000MPa。可以看到，这种对较软的层中的抗拉强度的最高限制保持了高的可成型性并且由此改善第一构件的接合特性。同时，当较硬的层具有所给出的最小抗拉强度时，第一构件的强度同时可以提高。
根据符合本发明方法的另一个设计方案，热接合是焊接，尤其是电阻点焊并且接合区域为焊接熔核或者MAG焊接区域。焊接尤其在汽车领域中是常用的将单独的构件接合为一个结构的方法。可以看到，尤其是焊接方法如也包括MAG焊接从所建议的方法中获益。然而同样可能的有，通过钎焊，例如电弧钎焊来实现热接合。
根据符合本发明方法的另一个设计方案，通过辊轧包层，尤其热辊轧包层或者通过浇铸方法来生产用于制造第一构件的预制材料。通过这种方式可以将第一构件的各个层以简单的方式彼此连接。通过例如浇铸方法来连接各层也是可行的。
根据符合本发明方法的另一个设计方案，将第一和/或第二构件在接合前热成型，尤其加压硬化。通过构件的热成型或加压硬化可以制出特别轻的并且稳定的构件结构，其适用于轻质构建。有利地，可不必再在加压硬化时在接合连接区域中采取预防措施，这使得构件成型更加简单并且成本更低。原则上可行的还有，将第一和/或第二构件进行冷成型或者半热成型。这些成型方法的组合也是可能的。
第一和/或第二构件可以例如通过加压成型，拉伸成型，拉挤成型，弯曲成型或者剪切成型来成型。
根据符合本发明方法的另一个设计方案，第一构件具有不对称或对称的层结构，尤其是在层厚度和/或层材料方面。由此可以使第一构件的结构与待实施的接合进行最佳匹配。例如可以在第一构件朝向另一个构件的面上相应薄地设计较硬的层或者其它具有相同或相似特性的层，例如比第一构件远离另一个构件的面上的薄。由此，较软的层或者具有相同或者相似特性的其它层的大部分可以与接合区域重叠。但该结构也可以是对称的。
第一和/或第二构件的厚度优选为0.5mm和6mm之间，特别优选1mm和4mm之间。较软的层的厚度尤其取决于层的总数量。例如，如果只设置有一个较软的层和一个较硬的层，该较软的层可以占第一构件总厚度的例如10％至90％，尤其20％至80％，优选40％至60％。除了汽车外，用于商用车辆(包括拖车)的变体方案，例如框架结构的部件也是可行的，其大部分具有更大的构件厚度。
根据符合本发明方法的另一个设计方案，第一构件以两层、三层、四层或者多层构造。在第一构件的多层构建中，随着层数量的增加可以得到在整个厚度上更均一的构件特性。在第一构件的三层或者多层构建中优选设置多个由与较软的层和/或较硬的层相同的材料制成的层。优选将接合区域位于第一构件中的部分大部分形成于较软的层中。
根据符合本发明方法的另一个设计方案，该构件结构是车辆的，尤其机动车或者商用车辆的组件，或者其部件的组件。
该构件结构或者构件中的至少一个例如为车身、车架、底盘或者其一部分。该车身例如是自承式的并且优选基本以壳式结构构建。该车身例如是车身骨架(例如基于空间框架结构)或者商用车辆结构的一部分。该构件结构或者构件中的至少一个为结构件或者车辆的外壳件。构件结构或者构件中的至少一个例如为导杆，轴，碰撞件，连接板，引导件，支架、尤其纵梁或横梁，加强件，型材，空心型材，顶梁，牵条，柱，尤其是A柱、B柱，C柱或者D柱，框架，通道，门槛，底板，减震支柱罩，前围板，侧面防撞装饰条，保险杠，挡泥板，车轮罩或者板件，尤其是门板、发动机舱板或者顶板或者其一部分。
根据符合本发明方法的第二教导，开头给出的目的通过构件结构，尤其是用于机动车或者商用车辆的车辆结构或者其部件来解决，该构件结构由根据本发明的方法生产。
该构件结构具有利用热接合方法相连的第一构件和另一个构件。其中该第一构件为钢材料复合物，该钢材料复合物包括至少一个较软的层和一个较硬的层。该较软的层具有比该较硬的层更高的可成型性，并且接合区域位于第一构件中的部分至少部分地在该较软的层中形成。
正如开头已经说明的，可以看到，这种构件结构的接合行为和与此相关地尤其是碰撞特性和/或抗振强度可以得到改善。由此也就可以减少或者抑制作为裂纹起始的软化区域在连接处负载关键区域中的形成。
关于构件结构其它有利的设计方案，参考根据本发明的方法和其优势。通过所说明的方法和其设计方案尤其也公开了以其生产的构件结构。
附图说明
接下来借助有利的实施例结合图示进一步说明本发明。图中：
图1a，b示出了根据现有技术的构件结构的剖面图和硬化过程的简图；
图2示出了根据本发明的构件结构的第一个实施例的剖面图和硬化过程的简图；
图3示出了根据本发明的构件结构的第二个实施例的剖面图；
图4示出了根据本发明的构件结构的第三个实施例的剖面图。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的构件结构的剖面图。构件结构1包括第一构件2和另一个构件4。构件2例如经加压硬化并且具有1500MPa的抗拉强度。构件2借助于电阻点焊与另一个构件4接合。由此产生了焊接熔核6。
图1b以简图示出了图1a所示焊接熔核6的区域中沿着测量点9的硬化过程。对此，坐标轴10上的硬度与坐标轴12上沿横截面的位置相对应。可以看到，由于第一构件2的材料特性，构件结构1在焊接熔核6以外的远处(区域A)以及焊接熔核6的内部(区域B)中具有高硬度。在焊接熔核6的边缘区域或者过渡区域(区域C)中则产生了局部硬度降低的软化区域。此处形成了裂纹起始，由此该区域在负荷情况下，尤其在高负荷情况下，例如碰撞情况下，成为了材料失效的出发点。
图2a示出了根据本发明的构件结构101的第一个实施例的剖面图，其由根据本发明的方法的一个实施例生产。构件结构101包括作为第一构件102的钢材料复合物和另一个构件104，该两个构件利用电阻点焊进行接合。该第一构件102包括较软的层102a和较硬的层102b，其中该较软的层102a具有比该较硬的层102b更高的可成型性。该较软的和较硬的层102a，102b例如通过热辊轧包层而材料配合地彼此连接。该较软的层102a在这里是第一构件102朝向另一个构件104的外层。
较软的层102a在此情况下由材料MBW500生产并且在使用状态中(920℃下奥氏体化然后热成型以及加压硬化之后)具有400MPa的屈服极限Rp0.2，550MPa的抗拉强度Rm和至少17％的断裂延伸率A80。较硬的层102b在这种情况下由材料MBW1500生产并且在使用状态或加压硬化状态中具有1000MPa的屈服极限Rp0.2，1500MPa的抗拉强度Rm和至少5％的断裂延伸率A80。这里，该较软的层和较硬的层102a，102b的比例分别为第一构件102厚度的约50％。第一构件整体上具有例如1000MPa的抗拉强度。另一个构件104在此情况下是由钢材制成的单层构件。在此情况下，焊接熔核106位于第一构件中的部分仅形成于较软的层102a中。
图2b以简图示出了图2所示焊接熔核106的区域中沿着测量点109的硬化过程。对此，还是对应于坐标轴112上的位置示出坐标轴110上的硬度。可以看到，虽然，由于较软的层102a较高的可成型性，构件结构在焊接熔核106以外的远处(区域A)具有比焊接熔核106的内部(区域B)更小的硬度。但在该焊接熔核106的边缘区域中没有出现局部硬度降低的软化区域。由此可以避免或者降低作为材料失效起始点的裂纹起始。
图3示出了根据本发明的构件结构201的第二个实施例的剖面图，该实施例与在图2中示出的实施例相似。与图2中的第一构件102不同的是，第一构件202具有三层结构并且在如先前那样形成的层202a，202b以外还额外具有一个(第二个)较硬的层202c。层202c由与较硬的层202b相同的材料制成。较软的层202a在此形成为内置。但朝向另一个构件204的较硬的层202c形成为比远离该另一个构件204的较硬的层202b更薄。由于第一构件202在层厚度方面这种不对称的结构，又将较软的层202a如此安置，使得焊接熔核206位于第一构件202中的部分局部地形成于较软的层202a中。
图4示出了根据本发明的构件结构302的第三个实施例的剖面图，该实施例与在图3中示出的实施例相似。与图3中的第一构件202不同的是，第一构件302具有五层结构并且在如先前那样形成的层302a，302b，302c以外还额外具有另外两个较软的外层302d，302e。较软的层302d，302e由与较软的层302a相同的材料制成并由此比较硬的层302b，302c更易成型。这里，这些层在其厚度方面也是不对称构造，其中尤其是较硬的层302c比较硬的层302b更薄。由此又实现了，将较软的层302a，302d如此安置，使得焊接熔核306位于第一构件302中的部分的绝大部分形成于这三个较软的层中的两个层302a，302d中。

Claims (14)

1.用于生产构件结构(101，201，301)的方法，该构件结构由第一构件(102，202，302)和至少一个另一个构件(104，204，304)组成，
-其中该第一构件(102，202，302)与该另一个构件(104，204，304)利用热接合方法连接，
-其中所述第一构件(102，202，302)为钢材料复合物，所述钢材料复合物包括至少一个较软的层(102a，202a，302a，302d)和一个较硬的层(102b，202b，202c，302b，302c)，
-其中所述较软的层(102a，202a，302a，302d)具有比所述较硬的层(102b，202b，202c，302b，302c)更小的材料强度和更高的可成型性，并且
-其中，接合区域位于第一构件(102，202，302)中的部分至少部分地在所述较软的层(102a，202a，302a，302d)中形成。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中所述第一构件朝向所述另一个构件(104，204，304)的外层为较软的层(102a，302d)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中所述接合区域位于所述第一构件(102，202，302)中的部分延伸经过所述第一构件(102，202，302)的多个层。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，
其中所述较软的层(102a，202a，302a，302d)由深冲钢，IF钢或者微合金钢组成，并且所述较硬的层(102b，202b，202c，302b，302c)由高强度钢或者超高强度钢，尤其是具有马氏体结构的钢，优选锰硼钢组成。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，
其中所述较软的层(102a，202a，302a，302d)在使用状态下具有至少10％的断裂延伸率A80，优选至少14％，特别优选至少17％。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，
其中所述较软的层(102a，202a，302a，302d)的C含量最高为0.25重量％，优选最高0.15重量％，特别优选最高0.1重量％。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，
其中所述较软的层(102a，202a，302a，302d)在使用状态下具有最高1000MPa的抗拉强度Rm，优选最高800MPa，特别优选最高600MPa，和/或所述较硬的层(102b，202b，202c，302b，302c)在使用状态下具有至少700MPa的抗拉强度Rm，优选至少900MPa，特别优选至少1000MPa。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的方法，
其中热接合是焊接，尤其是电阻点焊，并且所述接合区域为焊接熔核或者MAG焊接区域。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，
其中通过辊轧包层，尤其热辊轧包层，或者通过浇铸方法来生产用于制造所述第一构件(102，202，302)的预制材料。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的方法，
其中将所述第一构件和/或所述另一个构件(102，202，302；104，204，304)在接合前热成型，尤其加压硬化。
11.根据权利要求1至10中任意一项所述的方法，
其中所述第一构件(102，202，302)具有不对称或对称的层结构，尤其是在层厚度和/或层材料方面。
12.根据权利要求1至11中任意一项所述的方法，
其中所述第一构件(102，202，302)以两层、三层、四层或者多层构造。
13.根据权利要求1至12中任意一项所述的方法，
其中所述构件结构(101，201，301)是车辆的，尤其机动车或者商用车辆的组件，或者其零件的组件。
14.利用根据权利要求1至13中任意一项所述的方法生产的构件结构，尤其是用于机动车或者商用车辆的车辆结构或者其部件。
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