JP2014521833A

JP2014521833A - 薄鋼板の局所的熱処理による生産物及びプロセス

Info

Publication number: JP2014521833A
Application number: JP2014521884A
Authority: JP
Inventors: マクシミリアンアムトマン; ボリスシュルキン; ゲルダーアルドヴァン; ホンピング
Original assignee: マグナインターナショナルインコーポレイテッド
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2014-08-28
Also published as: CA2839980A1; EP2737093A4; CA2839980C; WO2013013305A1; MX2014000994A; EP2737093B1; BR112014001431A2; EP2737093A1; CN103703152A; US20140246129A1

Abstract

薄鋼板構成部品の局所的に硬化するプロセスは、レーザビームを薄鋼板構成部品の所定の部分全体にわたってスキャン方向にスキャンするステップを含む。レーザビームは、薄鋼板構成部品の所定の部分内の材料をオーステナイト化変態の温度に選択的に加熱する。所定の部分全体にわたるレーザビームのスキャン中に、外部冷却源が、所定の部分内のレーザビームの真後ろの材料にレーザビームのスキャン方向に沿って適用される。外部冷却源は、材料を実質的に所定の部分内に規定される局所的に硬化された領域を形成するのに十分に高い速度にて冷却するように選択される。外部冷却源を適用した後に、薄鋼板構成部品の所定の部分内の材料は環境温度に自然冷却される。
【選択図】図１

Description

本出願は、２０１１年７月２５日に出願された米国特許仮出願第６１／５１１，２８３号の優先権を主張するものであり、この開示内容全体は、引用により本明細書に組み込まれている。

本発明は、全体的には調整された焼き戻し特性を有する金属薄板構成部品に関し、詳細には、レーザビーム熱処理に基づいた金属薄板構成部品の局部的な強度強化プロセス、このプロセスを実行するシステム、及び、このシステムで生成される生産物に関する。

車両組み立て分野において、軽量構造の基準を満たすために、ますます多くの高強度鋼及び超高強度鋼製の車両部品が採用されている。これは車体構造体に適用され、重量目標及び安全要件を満たすために、例えば、ドア進入ビーム、Ａ及びＢピラー、バンパー、サイドレール、及びクロスレールのような構造上の及び／又は安全上の構成要素は、一層ＵＨＳＳ（超高強度鋼）、及び１０００ＭＰａを上回る引張強度を有する熱成形鋼及びプレス硬化鋼から製造されるようになっている。

自動車技術の別の用途において、成形部品は特定の領域において高強度を有する必要があるが、他の領域では、より高い延性を有する必要がある。成形部品の特性をこのように「調整する」ことにより、例えば、部品のトリミング又は穿孔のような後続の成形作業が容易になり、衝撃エネルギーをつぶれ変形に変換できる領域がもたらされる。１つの一般的な手法は、例えば加熱炉において、金属薄板素材をオーステナイト化温度以上に加熱し、その後、加熱素材を冷却されたプレスに即座に移送して、素材を所望の形状に成形する。プレスの成形面内の加熱又は断熱インサートは、成形及び冷却ステップ時に、金属薄板素材の選択された部分の冷却速度を、この部分の引張強度及び／又は硬度が低下するように制御するために使用される。この手法は、そうでなければ高張力及び／又は高硬度になる、構成部品内の低減された引張強度及び／又は低減された硬度の局所的領域を成形するのに適している。残念ながら、この手法は、部品全体をオーステナイト化温度に加熱することに関連してエネルギーコストが高く、更に成形工具の著しい磨耗がもたらされる。この手法は、高強度及び／又は硬度の相対的に小さな領域を有する部品を製造するのには上手く適しない。更に、最大生産速度は、各部品の間の成形工具をバイトを冷却する必要性によって制限される。

Ｊａｈｎ他（ＰｈｙｓｉｃｓＰｒｏｃｅｄｉａ１２（２０１１年）４３１頁〜４４１頁）には、車体構造における荷重適応構成部品デザインのための薄鋼板の局所的強化プロセスが説明されている。薄鋼板を強化するために、Ｊａｈｎ他では、レーザ再溶融に続く内在的な自己焼入れプロセスを用いて選択的な材料強化作用も生じるようになっている。この再溶融領域は、狭い溶接ビードであり、周囲の材料は、溶接ビードから熱を吸収するバルク材の機能を果たすことができる。再溶融後の再固化により、原材料に対してより高い強度を有する微細構造を有する材料が生成される。従来から、自己焼入れに依存して所望の相変態を実現するようになったバルク材の他のレーザ焼入れプロセスが知られている。自己焼入れ作用は、Ｊａｈｎ他の教示を参照して説明したように、加熱された材料の近傍のバルク材を介してもたらされる。残念ながら、これらの手法は、自己焼入れ作用を引き起こすための十分な量のバルク材を必要とするので、薄鋼板を使用して作られる構成部品に使用するには適さない傾向がある。

従って、従来技術の上述の制限事項及び短所の少なくとも一部を克服する方法及びシステムを提供することが有益であろう。

Ｊａｈｎｅｔａｌ．（ＰｈｙｓｉｃｓＰｒｏｃｅｄｉａ１２（２０１１）４３１−４４１

本発明の少なくとも１つの実施形態の態様によれば、硬化性鉄合金で形成された薄鋼板構成部品の局所的熱処理を行うプロセスであって、薄鋼板構成部品を準備するステップと、レーザビームを薄鋼板構成部品上に投射するステップと、レーザビームをスキャン方向に沿って薄鋼板構成部品の所定の部分全体にわたってスキャンするためにレーザビームと薄鋼板構成部品との間の相対的移動をもたらすステップとを含み、レーザビームが、所定の部分内の材料をオーステナイト化変態の温度に加熱するように選択された電力を有し、このプロセスが、更に、レーザビームを所定の部分全体にわたってスキャンする間に、所定の部分内でレーザビームの真後ろの材料にレーザビームのスキャン方向に沿って外部冷却源を適用するステップを含み、外部冷却源が、材料を実質的に所定の部分内に規定される局所的に硬化された領域を形成するために十分に高い速度で冷却するように選択され、このプロセスが、更に、外部冷却源を適用した後に、薄鋼板構成部品の所定の部分内の材料を環境温度に冷却することを可能にするステップとを含むプロセスを提供する。

本発明の少なくとも１つの実施形態の態様によれば、硬化性鉄合金で形成された薄鋼板構成部品の局所的熱処理を行うシステムであって、局所的熱処理中に薄鋼板構成部品を保持する支持構造体と、レーザビームを生成するレーザ源とを含み、レーザ源が、生成されたレーザビームを薄鋼板構成部品の所定の部分全体にわたってスキャンするために支持構造体に対して移動可能であり、レーザ源が、所定の部分内の材料をオーステナイト化変態温度に加熱することができる加熱点を形成するのに十分な出力電力を有し、このシステムが、更に、レーザビーム源近傍に配置され、取付け台に対してレーザビーム源と共に移動可能な外部冷却源を含み、外部冷却源が、使用中に外部冷源が所定の部分内で、レーザビームにより生成された加熱点の真後ろの材料をレーザビームのスキャン方向に沿って冷却するように構成されるシステムを提供する。

本発明の少なくとも１つの実施形態の態様によれば、硬化性鉄合金で形成された薄鋼板構成部品の局所的熱処理を行うシステムであって、局所的熱処理中に薄鋼板構成部品を保持する支持構造体と、レーザビームを生成するレーザ源とを含み、レーザ源は、生成されたレーザビームを薄鋼板構成部品の所定の部分全体にわたってスキャンするために支持構造体に対して移動可能であり、レーザ源は、所定の部分内の材料をオーステナイト化変態の温度に加熱することができる加熱点を形成するのに十分である出力電力を有し、このシステムが、更に、使用中に所定の部分内でレーザビームのスキャン方向に沿ってレーザビームにより生成された加熱点の真後ろの材料を冷却するように構成される外部冷源を含むシステムを提供する。

本発明は、例示的に添付図面を参照して説明するが、いくつか図面において同じ参照番号は同じ要素を示している。

本発明の実施形態による、レーザビームで熱処理された材料のストリップを有する薄鋼板構成部品の一部を示す簡略化された斜視図である。本発明の実施形態による、薄鋼板構成部品の局所的熱処理を行うシステムを示す簡略化された斜視図である。本発明の実施形態による、薄鋼板構成部品の局所的熱処理を行う別のシステムを示す簡略化された斜視図である。本発明の実施形態による、薄鋼板構成部品の局所的熱処理を行う更に別のシステムを示す簡略化された斜視図である。本発明の実施形態による、薄鋼板構成部品の局所的熱処理を行う更に別のシステムを示す簡略化された側面図である。異なる冷却メカニズムに関して、薄鋼板構成部品の局所的熱処理中にレーザビームスキャンパス内の一定の場所にて高温計を使用して測定された温度のグラフ図である。局所的熱処理後の薄鋼板構成部品における強度強化のグラフ図である。部品の強度を増大させる、レーザビームで熱処理されたストリップを有する部品を示す例示的な図である。ビームスポットクーリングのために冷気流を生成する、圧縮空気を使用する渦管の概略図である。局所的熱処理された構成部品を含む自動車フレームの概略図である。

以下の説明は、当業者が本発明を実施及び使用することを可能にするために提示するものであり、特定の用途及びその必要条件に関して提示する。開示する実施形態に対する様々な改変は、当業者に容易に明らかなはずであり、本明細書で定義する一般的な諸原理は、本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態及び用途にも適用することができる。従って、本発明は、開示する実施形態に限定されることを意図したものではなく、本明細書で開示する原理及び特徴と合致する最も広い範囲を与えられるものとする。

図１は、所定の部分１０４内に形成されるレーザビームで熱処理された材料１０２のストリップを有する薄鋼板構成部品１００の一部を示す簡略化された斜視図である。例えば、薄鋼板構成部品１００は、Ｕｓｉｂｏｒ（（登録商標））１５００Ｐ、Ｕｓｉｂｏｒ（（登録商標））１５００、又は別の適切な鋼といった硬化性薄鋼板１０６から打ち抜かれる。特定の非限定的な実施例として、構成部品１００は、ドア進入ビーム、Ａピラー、Ｂピラー、バンパー、サイドレール、又はクロスレール等のうちの１つのような、自動車構造体又は安全要素である。

図２をここで参照すると、本発明の実施形態による、薄鋼板構成部品１００の局所的熱処理を行うシステム２００の様々な構成部品を示す簡略化された斜視図が示されている。明瞭化のための、本発明を理解するのに必須でないシステム２００の構成部品は、ここでは説明しない。従って、図２では、例えば、レーザビーム生成装置、レーザ送出光学部品、駆動機構部、及び冷却流体の流量制御システム等の構成部品は示されていない。更に、明瞭化のために、薄鋼板構成部品１００は、平坦な矩形薄板１０６として示されている。実際には、薄鋼板構成部品１００は複雑な３次元形状を有することができることを理解されたい。例えば、薄鋼板構成部品１００は、自動車のＢピラー等とすることができる。

図２をさらに参照すると、システム２００は、薄鋼板構成部品１００を局所的熱処理中に保持する支持構造体２０２を含む。レーザビーム成形光学部品２０４は、レーザビーム２０６を供給して、レーザビーム２０６を薄鋼板構成部品１００の所定の部分１０４上に投射してそれによって加熱点２０８を生成するレーザビーム源として表されている。図２に示す特定の実施例において、レーザビーム２０６は、横断面が円形であり、円形の加熱点２０８を生成する。支持構造体２０２は、レーザビーム２０６を薄鋼板構成部品１００の所定の部分１０４全体にわたってスキャンするためにレーザビーム源２０４に対して相対移動可能である。特に、レーザビーム２０６は、加熱点２０８が薄鋼板構成部品１００の所定の部分１０４内の材料を加熱するように、図２においてブロック矢印を使用して示すようにスキャン方向に沿ってスキャンされる。選択的に、レーザビーム２０６は固定されており、支持構造体２０２がスキャン方向の反対側の方向に移動されるか、又は支持構造体２０２は固定されており、レーザビーム２０６がスキャン方向に移動される。あるいは、レーザビーム２０６及び支持構造体２０２が移動される。実施形態において、レーザビーム２０６は、ｘ方向及びｙ方向の一方に移動可能であり、支持構造体２０２は、ｘ方向及びｙ方向の他方の方向に移動可能であり、その結果、レーザビームにより熱処理された材料の曲線状又は他の形状のストリップの形成を助ける。あるいは、レーザビーム２０６又は支持構造体は、ｘ方向に及びｙ方向に移動可能である。

動作中、加熱点２０８は、所定の部分１０４内の材料をオーステナイト化変態の温度まで加熱する。例えば、所定の部分１０４内の材料は、約８００℃と約９５０℃の間に加熱される。薄鋼板構成部品１００の材料は、所定の部分１０４内及びその近傍では、レーザビームにより加熱された材料の自己焼入れを助けるのに十分な厚さではない。即ち、加熱点２０８が材料を加熱した後の材料の冷却速度は、材料の主としてオーステナイト微細構造を主としてベイナイト及び／又はマルテンサイト微細構造に変えるのに十分な速度ではない。従って、システム２００は外部冷却源２１０を含む。図２に示す実施例において、外部冷却源は、冷却流体流２１２を、所定の部分１０４内のレーザビーム２０６の真後ろの材料に向かってレーザビーム２０６のスキャン方向に沿って導く導管を含む。外部冷却源２１０は、冷却流体流２１２をレーザビーム２０６のスキャン中に所定の部分１０２全体にわたって提供する。即ち、冷却流体は、加熱点２０８に随行する点に向かって導かれる。

外部冷却源２１０は、材料を十分に高い速度にて冷却して、局所的に硬化及び／又は強化された領域を実質的に所定の部分１０４内に形成するように選択及び調節される。特に、外部冷却源２１０は、材料を、材料の主としてオーステナイト微細構造を主としてベイナイト及び／又はマルテンサイト微細構造に変えるのに十分に高い速度で冷却するように選択される。材料をこのように冷却することにより、高強度及び靭性の高い微細構造といった所定の機械的特性が得られる。外部冷却源２１０を調節する選択肢としては、例えば、加熱点２０８と外部冷却源２１０との間の距離を変えることを含む。この距離は、最適冷却挙動を達成するために決定することができる。あるいは、冷却流体自体は、特定用途に関する最適冷却挙動を得るように選択される。例えば、冷却流体は冷気である。選択的に、冷却流体として他のガス状又は液体冷媒が使用される。例えば、ドライアイス（ＣＯ_２）及び水ミストは２つの代替的な冷却流体である。更に、外部冷却源２１０を使用して達成される冷却速度は、冷却流体の流速及び流量、冷却流体の加熱材料との相互作用時間、及び冷却流体の温度に左右される。以下の実施例の一部で説明するように、冷却流体の相互作用時間は、冷却流体を供給する複数の導管を採用することにより、及び各導管の間の間隔を適切に配置することにより増大させることができる。

図２をさらに参照すると、外部冷却源２１０は、金属薄板構成部品１００のレーザビーム源２０４と同じ面に沿って、即ち、金属薄板構成部品１００の加熱面に沿って配置されるように示されている。あるいは、外部冷却源２１０は、冷却流体流を加熱面の反対側にある金属薄板構成部品１００の面に沿って材料に向かって導くように配置される。更に別の方法として、別個の冷却流体流は、金属薄板構成部品１００の加熱面及び裏面の両方に向かって導かれる。

選択的に、レーザビーム熱処理プロセスは、単一の金属薄板部品、部品の部分組立体、又は部品の完全組立体に実行される。有利なことに、レーザビーム２０６は、部品又は部分組立体の任意の所定の場所に向かって導いて、さもなければアクセスし難い場所に局所的強化を引き起こすことができる。

図２に示す実施例は平坦な金属薄板構成部品１００を示すが、このプロセスは、管状又は他の閉じた輪郭の構造体、特にハイドロフォーミングによる管状部品に同様に適用可能であることを理解されたい。同様に、前述のように、レーザビーム２０６は、機械的特性を高める必要がある管状部品の所定の領域で局部加熱を行い、次に、加熱領域の急速冷却／急冷を行って、主としてオーステナイト微細構造から主としてマルテンサイト及び／又はベイナイト微細構造への相変態を引き起こすために使用される。

図３をここで参照すると、本発明の実施形態による、薄鋼板構成部品１００の局所的熱処理を行う別のシステム３００を示す簡略化された斜視図が示されている。明瞭化のために、本発明を理解するのに必須でないシステム３００の構成部品は、ここでは説明しない。従って、図３には、例えば、レーザビーム生成装置、レーザ送出光学部品、駆動機構部、及び冷却流体の流量制御システム等の構成部品は示されていない。更に、明瞭化のために、薄鋼板構成部品１００は、平坦な矩形薄板１０６として示されている。実際には、薄鋼板構成部品１００は複雑な３次元形状を有することができることを理解されたい。例えば、薄鋼板構成部品１００は、自動車Ｂピラー等とすることができる。

図３をさらに参照すると、システム３００は、薄鋼板構成部品１００を局所的熱処理中に保持する支持構造体３０２を含む。レーザビーム成形光学部品３０４は、レーザビーム３０６を供給して、レーザビーム３０６を薄鋼板構成部品１００の所定の部分１０４上に投射してそれによって加熱点３０８を生成するレーザビーム源を表すために使用されている。図３に示す特定の実施例において、レーザビーム３０６は、横断面が長方形であり、長方形の加熱点３０８を生成する。支持構造体３０２は、レーザビーム３０６を薄鋼板構成部品１００の所定の部分１０４全体にわたってスキャンするためにレーザビーム源３０４に対して相対移動可能である。特に、レーザビーム３０６は、加熱点３０８が薄鋼板構成部品１００の所定の部分１０４内の材料を加熱するように、図３においてブロック矢印を使用して示すようにスキャン方向に沿ってスキャンされる。選択的に、レーザビーム３０６は固定されており、支持構造体３０２がスキャン方向の反対側の方向に移動されるか、又は、支持構造体３０２は固定されており、レーザビーム３０６がスキャン方向に移動される。あるいは、レーザビーム３０６及び支持構造体３０２は移動される。実施形態において、レーザビーム３０６は、ｘ方向及びｙ方向の一方に移動可能であり、支持構造体３０２は、ｘ方向及びｙ方向の他方の方向に移動可能であり、その結果、レーザビームにより熱処理された材料の曲線状又は他の形状のストリップの形成を助ける。あるいは、レーザビーム３０６又は支持構造体３０２は、ｘ方向に及びｙ方向に移動可能である。

動作中、加熱点３０８は、所定の部分１０４内の材料をオーステナイト化変態温度まで加熱する。例えば、所定の部分１０４内の材料は、約８００℃と約９５０℃の間に加熱される。薄鋼板構成部品１００の材料は、所定の部分１０４内及びその近傍では、レーザビームにより加熱された材料の自己焼入れを助けるのに十分な厚さではない。即ち、加熱点３０８が材料を加熱した後の材料の冷却速度は、材料の主としてオーステナイト微細構造を主としてベイナイト及び／又はマルテンサイト微細構造に変えるのに十分な速度ではない。従って、システム３００は、外部冷却源３１０を含む。図３に示す実施例において、外部冷却源３１０は、冷却流体流３１２を、所定の部分１０４内のレーザビーム３０６の真後ろの材料に向かってレーザビーム３０６のスキャン方向に沿って導く導管である。外部冷却源３１０は、冷却流体流３１２をレーザビーム３０６のスキャン中に所定の部分１０２全体にわたって提供する。即ち、冷却流体は、加熱点３０８に随行する点に向かって導かれる。

外部冷却源３１０は、材料を局所的に硬化された領域を実質的に所定の部分１０４内に形成するのに十分に高い速度にて冷却するように選択及び調節される。特に、外部冷却源３１０は、材料を、材料の主としてオーステナイト微細構造を主としてベイナイト及び／又はマルテンサイト微細構造に変えるのに十分に高い速度にて冷却するように選択される。材料をこのように冷却することにより高強度及び靭性の高い微細構造等の所定の機械的特性が得られる。外部冷却源を調節するステップは、例えば、加熱点３０８と冷却流体が導かれる領域の間の距離を変えるステップを含む。この距離は、最適冷却挙動を得るように決定することができる。あるいは、冷却流体自体は、特定用途に関する最適冷却挙動を得るように選択される。例えば、冷却流体は、冷気である。選択的に、冷却流体として他のガス状又は液体冷媒が使用される。例えば、ドライアイス（ＣＯ_２）及び水ミストは２つの代替的な冷却流体である。更に、外部冷却源３１０を使用して達成される冷却速度は、冷却流体の流速及び流量、冷却流体の加熱材料との相互作用時間、及び冷却流体の温度に左右される。以下の実施例の一部で説明するように、冷却流体の相互作用時間は、冷却流体を供給する複数の導管を採用することにより、及び各導管の間の間隔を適切に配置することによって増大させることができる。

図３は、金属薄板構成部品１００のレーザビーム源３０４と同じ面に沿って、即ち、金属薄板構成部品の加熱面に沿って配置された外部冷却源３１０を示す。あるいは、外部冷却源３１０は、冷却流体流を加熱面の反対側にある金属薄板構成部品１００の面に沿って材料に向かって導くように配置される。更に別の方法として、別個の冷却流体流は、金属薄板構成部品１００の加熱面及び裏面の両方に向かって導かれる。

選択的に、レーザビーム熱処理プロセスは、単一の金属薄板部品、部品の部分組立体、又は部品の完全な組立体に実行される。有利なことに、レーザビーム３０６は、部品又は部分組立体の任意の所定の場所に向かって導いて、さもなければアクセスし難い場所に局所的強化を引き起こすことができる。

図３に示す実施例は平坦な金属薄板構成部品１００を示すが、このプロセスは、管状又は他の閉じた輪郭の構造体、特にハイドロフォーミングによる管状部品に同様に適用可能であることを理解されたい。同様に、前述のように、レーザビーム３０６は、機械的特性を高める必要がある管状部品の所定の領域で局部加熱を行い、次に、加熱領域の急速冷却／急冷を行って、主としてオーステナイト微細構造から主としてマルテンサイト及び／又はベイナイト微細構造への相変態を引き起こすために使用される。

図４をここで参照すると、本発明の実施形態による、薄鋼板構成部品１００の局所的熱処理を行う更に別のシステム４００を示す簡略化された斜視図が示されている。明瞭化のために、本発明を理解するのに必須でないシステム４００の構成部品は、ここでは説明しない。従って、図４には、例えば、レーザビーム生成装置、レーザ送出光学部品、駆動機構部、及び冷却流体の流量制御システム等の構成部品は示されていない。更に、明瞭化のために、薄鋼板構成部品１００は、平坦な矩形薄板１０６として示されている。実際には、薄鋼板構成部品１００は複雑な３次元形状を有することができることを理解されたい。例えば、薄鋼板構成部品１００は、自動車Ｂピラー等とすることができる。

図４をさらに参照すると、システム４００は、薄鋼板構成部品１００を局所的熱処理中に保持する支持構造体２０２を含む。レーザビーム成形光学部品３０４は、レーザビーム３０６を供給して、レーザビーム３０６を薄鋼板構成部品１００の所定の部分１０４上に投射してそれによって加熱点３０８を生成するレーザビーム源を表すために使用されている。図４に示す特定の実施例において、レーザビーム３０６は、横断面が長方形であり、長方形の加熱点３０８を生成する。支持構造体２０２は、レーザビーム３０６を薄鋼板構成部品１００の所定の部分１０４全体にわたってスキャンするためにレーザビーム源３０４に対して相対移動可能である。特に、レーザビーム３０６は、加熱点３０８が薄鋼板構成部品１００の所定の部分１０４内の材料を加熱するように、図４においてブロック矢印を使用して示すようにスキャン方向に沿ってスキャンされる。選択的に、レーザビーム３０６は固定されており支持構造体２０２がスキャン方向の反対側の方向に移動されるか、又は支持構造体２０２は固定されておりレーザビーム３０６がスキャン方向に移動される。あるいは、レーザビーム３０６及び支持構造体２０２は移動される。実施形態において、レーザビーム３０６は、ｘ方向及びｙ方向の一方に移動可能であり、支持構造体２０２は、ｘ方向及びｙ方向の他方の方向に移動可能であり、その結果、レーザビームにより熱処理された材料の曲線状又は他の形状のストリップの形成を助ける。あるいは、レーザビーム３０６又は支持構造体は、ｘ方向に及びｙ方向に移動可能である。

動作中、加熱点３０８は、所定の部分１０４内の材料をオーステナイト化変態の温度まで加熱する。例えば、所定の部分１０４内の材料は、約８００℃と約９５０℃の間に加熱される。薄鋼板構成部品１００の材料は、所定の部分１０４内及びその近傍では、レーザビームにより加熱された材料の自己焼入れを助けるのに十分な厚さではない。即ち、加熱点３０８が材料を加熱した後の材料の冷却速度は、材料の主としてオーステナイト微細構造を主としてベイナイト及び／又はマルテンサイト微細構造に変えるのに十分な速度ではない。従って、システム４００は、外部冷却源４０２を含む。図４に示す実施例において、外部冷却源４０２は、冷却流体流４０４を所定の部分１０４内のレーザビーム３０６の真後ろの材料に向かってレーザビーム３０６のスキャン方向に沿って導く複数の導管である。外部冷却源３１０は、冷却流体流４０４をレーザビーム３０６のスキャン中に所定の部分１０２全体にわたって提供する。即ち、冷却流体は、加熱点３０８に随行する点に向かって導かれる。

外部冷却源４０２は、材料を局所的に硬化された領域を実質的に所定の部分１０４内に形成するのに十分に高い速度にて冷却するように選択及び調節される。特に、外部冷却源４０２は、材料を、材料の主としてオーステナイト微細構造を主としてベイナイト及び／又はマルテンサイト微細構造に変えるのに十分に高い速度にて冷却するように選択される。材料をこのように冷却することにより高強度及び靭性の高い微細構造等の所定の機械的特性が得られる。外部冷却源４０２を調節するステップは、例えば、加熱点３０８と外部冷却源４０２の間の距離を変えるステップを含む。この距離は、最適冷却挙動を得るように決定することができる。あるいは、冷却流体自体は、特定用途に関する最適冷却挙動を得るように選択される。例えば、冷却流体は冷気である。選択的に、冷却流体として他のガス状又は液体冷媒が使用される。例えば、ドライアイス（ＣＯ_２）及び水ミストは２つの代替的な冷却流体である。更に、外部冷却源４０２を使用して達成される冷却速度は、冷却流体の流速及び流量、冷却流体の加熱材料との相互作用時間、及び冷却流体の温度に左右される。この実施例において、冷却流体の相互作用時間は、冷却流体を供給する複数の導管を採用することにより、及び各導管の間の間隔を適切に配置することによってシステム２００及び３００に対して増大させることができる。図４には２つの別個の導管が示されているが、３つ以上の別個の導管を採用することができることを理解されたい。

図４は、金属薄板構成部品１００のレーザビーム源３０４と同じ面に沿って、即ち、金属薄板構成部品の加熱面に沿って配置された外部冷却源４０２を示す。あるいは、外部冷却源３０２は、冷却流体流を加熱面の反対側にある金属薄板構成部品１００の面に沿って材料に向かって導くように配置される。更に別の方法として、別個の冷却流体流は、金属薄板構成部品１００の加熱面及び裏面の両方に向かって導かれる。

選択的に、レーザビーム熱処理プロセスは、単一の金属薄板部品、部品の部分組立体、又は、部品の完全な組立体に実行される。有利なことに、レーザビーム３０６は、部品又は部分組立体の任意の所定の場所に向かって導いて、さもなければアクセスし難い場所に局所的強化を引き起こすことができる。

図４に示す実施例は平坦な金属薄板構成部品１００を示すが、このプロセスは、管状又は他の閉じた輪郭の構造体、特にハイドロフォーミングによる管状部品に同様に適用可能であることを理解されたい。同様に、前述のように、レーザビーム３０６は、機械的特性を高める必要がある管状部品の所定の領域で局部加熱を行い、次に、加熱領域の急速冷却／急冷を行って、主としてオーステナイト微細構造から主としてマルテンサイト及び／又はベイナイト微細構造への相変態を引き起こすために使用される。

図５をここで参照すると、本発明の実施形態による、薄鋼板構成部品１００の局所的熱処理を行う更に別のシステム５００を示す簡略化された斜視図が示されている。明瞭化のために、本発明を理解するのに必須でないシステム５００の構成部品は、ここでは説明しない。従って、図５には、例えば、レーザ電源、レーザ光学部品、駆動機構部、及び放熱部冷却の特徴部等の構成部品は示されていない。更に、明瞭化のために、薄鋼板構成部品１００は、平坦な矩形薄板１０６として示されている。実際には、薄鋼板構成部品１００は複雑な３次元形状を有することができることを理解されたい。例えば、薄鋼板構成部品１００は、自動車Ｂピラー等とすることができる。

図５をさらに参照すると、システム５００は、薄鋼板構成部品１００を局所的熱処理中に保持する支持構造体２０２を含む。レーザビーム源２０４は、レーザビーム２０６を供給して、レーザビーム２０６を薄鋼板構成部品１００の所定の部分（破線を使用して示す）上に投射してそれによって加熱点２０８を生成するために設けられる。図５に示す特定の実施例において、レーザビーム２０６は、横断面が円形であり、円形の加熱点２０８を生成する。支持構造体２０２は、レーザビーム２０６を薄鋼板構成部品１００の所定の部分１０４全体にわたってスキャンするためにレーザビーム２０６に対して相対移動可能である。特に、レーザビーム２０６は、加熱点２０８が薄鋼板構成部品１００の所定の部分１０４内の材料を加熱するように、図５においてブロック矢印を使用して示すようにスキャン方向に沿ってスキャンされる。選択的に、レーザビーム源２０４は固定されており、支持構造体２０２がスキャン方向の反対側の方向に移動されるか、又は支持構造体２０２は固定されており、レーザビーム源２０４がスキャン方向に移動される。あるいは、レーザビーム源２０４及び支持構造体２０２が移動される。実施形態において、レーザビーム源２０４は、ｘ方向（図５では左から右）及びｙ方向（図５の紙面の内及び外）の一方に移動可能であり、支持構造体２０２は、ｘ方向及びｙ方向の他方の方向に移動可能であり、その結果、レーザビームにより熱処理された材料の曲線状又は他の形状のストリップの形成を助ける。あるいは、レーザビーム源２０４又は支持構造体２０２は、ｘ方向に及びｙ方向に移動可能である。

動作中、加熱点２０８は、所定の部分１０４内の材料をオーステナイト化変態の温度まで加熱する。例えば、所定の部分１０４内の材料は、約８００℃と約９５０℃の間に加熱される。薄鋼板構成部品１００の材料は、所定の部分１０４内及びその近傍では、レーザビームにより加熱された材料の自己焼入れを助けるのに十分な厚さではない。即ち、加熱点２０８が材料を加熱した後の材料の冷却速度は、材料の主としてオーステナイト微細構造を主としてベイナイト及び／又はマルテンサイト微細構造に変えるのに十分に速度ではない。従って、システム５００は、図５に示す実施例において外部冷却源を含み、外部冷却源は、レーザビーム２０６により加熱された面の反対側にある面に沿って薄鋼板構成部品１００と熱連通した状態で設けられるヒートシンク部材５０２である。また、ヒートシンク部材５０２は、所定の部分１０４に位置合わせされて、熱処理プロセスに基づいて予期される熱影響ゾーンに比例するように選択される幅を有する。特定の実施例として、ヒートシンク部材５０２は、鋼及び／又は銅又は別の適切な材料から作られた接触組み込み式金属放熱部である。例えば、ヒートシンク部材５０２は、軟質かつ可撓性のある超伝導銅合金を使用して作られ、レーザにより熱処理された所定の部分１０４の形状に沿うよう屈曲させることが容易である。選択的に、支持構造体２０２及び／又は別の固定デバイスは、ヒートシンク部材５０２近傍に設けられる。選択的に、外部冷却源２１０、３１０、又は４０２の１つを使用する補足的な冷却が行われる。

ヒートシンク部材５０２は、所定の部分１０４内の加熱された材料を、材料の主としてオーステナイト微細構造を主としてベイナイト及び／又はマルテンサイト微細構造に変えるのに十分に高い速度にて冷却する。材料をこのように冷却することにより高強度及び靭性の高い微細構造といった所定の機械的特性が得られる。選択的に、レーザビーム熱処理プロセスは、単一の金属薄板部品、部品の部分組立体、又は部品の完全な組立体に実行される。有利なことに、レーザビーム２０６を部品又は部分組立体の任意の所定の場所に向かって導いて、さもなければアクセスし難い場所に局所的強化を引き起こすことができる。

図６は、異なる冷却メカニズムでの薄鋼板構成部品の局所的熱処理中にレーザビームスキャンパス内の一定の場所において高温計を使用して測定した温度のグラフ図を示す。高温計は、２７０℃〜９６０℃の範囲での温度を測定することができる。一般に、約５０℃／秒の冷却速度は、合金鋼において相当量のベイナイト及びマルテンサイト容積を生成し、レーザビームにより熱処理された材料の許容可能な硬化及び／又は強化がもたらされると考えられている。図６に示すグラフは、約５０℃／秒の冷却速度は、冷却空気噴流を使用して達成可能であることを示す。更に、図６には、外部冷却源を使用さない場合の冷却速度は、ベイナイト及びマルテンサイトの所望の形成を達成するのに十分な高い速度ではないことが明示されている。

図７は、局所的熱処理後の薄鋼板構成部品において観察された強度強化のグラフ図を示す。４１３０合金の引張強度は、熱処理前の約５００Ｎ／ｍｍ^２から熱処理後の１５００Ｎ／ｍｍ^２以上まで増加した。同様に、１０５０合金の引張強度は、熱処理前の約５００Ｎ／ｍｍ^２から熱処理後の２０００Ｎ／ｍｍ^２以上まで増加した。

図８をここで参照すると、図８は、部品の強度を増大させる、レーザビームで熱処理されたストリップを有する部品８００の図的表現である。図８に示す実施例において、部品８００は自動車のＢピラーであり、レーザビームで熱処理されたストリップ８０２は、全体的にＢピラーの長さの少なくとも一部に沿って延在する。図８に示すように、レーザビームで熱処理されたストリップ８０２は湾曲して部品の形状に沿っている。

図９は、ビームスポットクーリングのための冷気流を生成する、圧縮空気を使用した渦管の概略図を示す。特に、渦管９００は、それぞれ図２、図３、及び図４を参照して前述したように外部冷却源２１０、３１０又は４０２として使用することができる。例えば、渦管９００は、デバイスの内部に可動部品を必要とすることなく、圧縮空気をエネルギ源として使用する導管として機能する。渦管９００に供給される圧縮空気９０２は、管材の内側で２つの空気流に分離される。角運動量保存の法則による２つの気流の間のエネルギー交換によって、一方の流れは、薄鋼板構成部品１００の所定の部分１０４に向かって導かれる低温の流れ９０４になる。他方の流れ９０６は、薄鋼板構成部品から離れて排出される。渦管９００は、空気の温度を最大４６℃まで又はそれ以上に下げることができるので、レーザビームの加熱点により加熱された後に所定の部分１０４内の材料を冷却するのによく適している。

図１０は、前述の局所的レーザビーム熱処理プロセスが行われた構成部品を含む自動車フレーム１０００の概略図を示す。特に、図１０は、自動車構成部品の所定の領域の機械的特性の局所的強化を可能にするために、局所的レーザ熱処理（白線１００２）を自動車構成部品のボデー構造体のどの領域に適用できるかを示す。もちろん、局所的レーザ熱処理は、他の自動車構成部品、並びに他の非自動車構成部品にも適用することができる。

図１〜図４を参照して説明する実施例において、レーザビームで熱処理された材料１０２は、直線状に延在する狭いストリップを規定する。あるいは、異なるサイズのレーザビームスポットサイズを使用して、異なる幅を有するレーザビームで熱処理された材料のストリップを生成することができる。例えば、幅が１２ｍｍのストリップは、利用可能な１６ｍｍ×１６ｍｍの正方形レーザビームスポットを用いて生成される。特に、相変態は、１２ｍｍ幅のストリップにおいて、レーザビームで熱処理された材料の厚さ全体にわたって得られ、実験的測定では、このストリップの強度は、局所的レーザビーム熱処理後に著しく増加したことがわかった。

前述した本発明の種々の実施形態は、レーザビームを使用する局部加熱、次に、外部冷却源を使用する急速冷却による金属薄板構成部品の局所的強化のプロセス及びシステムを提供する。金属薄板構成部品の場合、レーザビームの加熱作用は、実質的に金属薄板構成部品の厚さ全体にわたって広がるので、金属薄板構成部品には、バルク金属構成部品の場合とは異なり自己焼入れが行われない。外部冷却源を使用して行われる能動的な冷却ステップにより、バルク金属構成部品において形成される硬化された最上層とは対照的に、実質的に金属薄板構成部品の厚さ全体にわたって広がる局所的に硬化した領域を有する製品が得られる。

前記の説明は複数の本発明の実施形態を構成するが、本発明は、更なる修正及び変更を添付の特許請求範囲の正しい意味から逸脱することなく行うことができることが認識されるであろう。

１００薄鋼板構成部品
１０２レーザビームで熱処理された材料１０２
１０４所定の部分
１０６硬化性薄鋼板

Claims

硬化性鉄合金で形成された薄鋼板構成部品の局所的熱処理のプロセスであって、
前記薄鋼板構成部品を準備するステップと、
レーザビームを前記薄鋼板構成部品上に投射するステップと、
レーザビームをスキャン方向に沿って前記薄鋼板構成部品の所定の部分全体にわたってスキャンするために前記レーザビームと前記薄鋼板構成部品との間の相対移動をもたらすステップと、
を含み、前記レーザビームが、前記所定の部分内の材料をオーステナイト化変態の温度に加熱するように選択された電力を有し、
前記プロセスが、更に
前記レーザビームを前記所定の部分全体にわたってスキャンする間に、外部冷却源を前記所定の部分内の前記レーザビームの真後ろの前記材料に前記レーザビームのスキャン方向に沿って適用するステップ、
を含み、前記外部冷却源が、前記材料を実質的に前記所定の部分内に規定される局所的に硬化された領域を形成するのに十分に高い速度にて冷却するように選択され、
前記プロセスが、更に
前記外部冷却源を適用した後に、前記薄鋼板構成部品の前記所定の部分内の前記材料を環境温度に冷却することを可能にするステップ、
を含むプロセス。
前記薄鋼板構成部品の前記所定の部分内の前記材料は、厚さを有し、前記材料の前記厚さは、前記所定の部分内の前記加熱された材料の自己焼入れを助けるのに十分ではない、請求項１に記載のプロセス。
前記冷却速度は、前記材料の主としてオーステナイト微細構造をベイナイト微細構造及びマルテンサイト微細構造の主として少なくとも一方に変えるのに十分な高い速度である、請求項１又は２に記載のプロセス。
前記温度は、８００℃と９５０℃の間である、請求項１から３のいずれかに記載のプロセス。
前記レーザビームをスキャンするステップは、前記薄鋼板構成部品と他の薄鋼板構成部品との間に溶接線を形成するものとは別のものである、請求項１から４のいずれかに記載のプロセス。
前記レーザビームを薄鋼板構成部品の所定の部分全体にわたってスキャンするステップは、前記材料の厚さ全体にわたる加熱を引き起こす、請求項１から５のいずれかに記載のプロセス。
前記外部冷却源を適用するステップは、冷却流体を前記所定の部分内の前記レーザビームの真後ろの前記材料に向かって前記レーザビームのスキャン方向に沿って導くステップを含む、請求項１から６のいずれかに記載のプロセス。
前記レーザビームは、前記薄鋼板構成部品の第１の面に沿った表面に作用し、前記外部冷却源を適用する前記ステップは、前記薄鋼板構成部品の前記第１の面の反対側の第２の面に沿った表面に熱連通するヒートシンク材料を準備するステップを含む、請求項１から６のいずれかに記載のプロセス。
前記外部冷却源は、前記鉄合金のベイナイト開始温度又はマルテンサイト開始温度を下回る材料冷却の前に、前記所定の部分内の前記材料に適用される、請求項１から８のいずれかに記載のプロセス。
硬化性鉄合金で形成された薄鋼板構成部品の局所的熱処理を行うシステムであって、
前記薄鋼板構成部品を前記局所的熱処理中に保持する支持構造体と、
レーザビームを生成するレーザ源と、
を備え、前記レーザ源が、前記生成されたレーザビームを前記薄鋼板構成部品の所定の部分全体にわたってスキャンするために前記支持構造体に対して移動可能であり、前記レーザ源が、前記所定の部分内の材料をオーステナイト化変態の温度に加熱することができる加熱点を形成するのに十分な出力電力を有し、
前記システムが、更に
前記レーザビーム源近傍に配置されて、取付け台に対して前記レーザビーム源と共に移動可能な外部冷却源、
を備え、使用中に前記外部冷却源は、前記外部冷却源が前記所定の部分内の前記レーザビームにより生成された前記加熱点の真後ろの材料を前記レーザビームのスキャン方向に沿って冷却するように配置される、システム。
前記外部冷却源は、冷却流体流を前記所定の部分内の前記加熱点の真後ろの前記材料に向かって導くために配置された少なくとも１つの導管を含む、請求項１０に記載のシステム。
前記外部冷却源は、冷却流体流を前記所定の部分内の前記加熱点の真後ろの前記材料の直ぐ隣の材料に向かって導くために配置された少なくとも１つの導管を含む、請求項１０に記載のシステム。
前記冷却流体は、ガスである、請求項１１又は１２に記載のシステム。
前記冷却流体は、液体である、請求項１１又は１２に記載のシステム。
前記少なくとも１つの導管は、複数の導管であり、前記複数の導管の各々は、前記冷却流体流の一部を前記所定の部分内の前記加熱点の真後ろの前記材料に向かって導くために配置される、請求項１１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの導管は、複数の導管であり、前記複数の導管は、前記冷却流体流の一部を前記所定の部分内の前記加熱点の真後ろの前記材料の両縁部の直ぐ隣の前記材料に向かって導くために協働する、請求項１２に記載のシステム。
前記外部冷却源は、渦管を含む、請求項１０に記載のシステム。
硬化性鉄合金で形成された薄鋼板構成部品の局所的熱処理を行うシステムであって、
前記薄鋼板構成部品を前記局所的熱処理中に保持する支持構造体と、
レーザビームを生成するレーザ源と、
を備え、前記レーザ源が、前記生成されたレーザビームを前記薄鋼板構成部品の所定の部分全体にわたってスキャンするために前記支持構造体に対して移動可能であり、前記レーザ源が、前記所定の部分内の材料をオーステナイト化変態の温度に加熱することができる加熱点を形成するのに十分である出力電力を有し、
前記システムが、更に
使用中に前記所定の部分内の前記レーザビームにより生成された前記加熱点の真後ろの材料を前記レーザビームのスキャン方向に沿って冷却するように構成された外部冷却源、
を備える、システム。
前記外部冷却源は、前記レーザビーム源近傍に配置され、前記支持構造体に対して前記レーザビーム源と共に移動可能であり、冷却流体流を前記所定の部分内の、前記加熱点の真後ろの前記材料に向かって導くために配置された少なくとも１つの導管を含む、請求項１８に記載のシステム。
前記外部冷却源は、渦管を含む、請求項１８に記載のシステム。
前記支持構造体は、前記レーザビームが前記薄鋼板構成部品の第１の面に沿った表面に作用するように前記薄鋼板構成部品を保持し、前記外部冷却源は、前記第１の面の反対側の前記薄鋼板構成部品の第２の面に沿った表面と熱連通するヒートシンク材料を含む、請求項１８に記載のシステム。
前記ヒートシンク材料は、高伝熱性銅合金である、請求項２１に記載のシステム。
前記ヒートシンク材料の幅は、前記局所的熱処理に基づいて予期される熱影響ゾーンに比例する、請求項２２に記載のシステム。