專利名稱：輕型結(jié)構(gòu)元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有一個(gè)由輕金屬制成的內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)的輕型結(jié)構(gòu)元件。另外，本發(fā)明還涉及一種用于制造所述輕型結(jié)構(gòu)元件的方法。
采用輕金屬是制造移動(dòng)工具、尤其是汽車制造中的一個(gè)最大挑戰(zhàn)，因?yàn)槭怪亓孔钚』墙档腿剂舷牡囊粋€(gè)最有效的方法。
通過(guò)不同輕金屬的性價(jià)比可以清楚地看出，由于采用這類材料隨著重量的逐漸減輕制造費(fèi)用會(huì)急劇增加。只有在通過(guò)一些更有利的且主要是節(jié)約材料的制造工序達(dá)到補(bǔ)償與此相關(guān)的更高的材料費(fèi)用時(shí)，才能夠經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)輕結(jié)構(gòu)。
從重量與承載能力或強(qiáng)度之間取得最佳比例的意義上考慮，具有一個(gè)由輕金屬材料制成的內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)的輕型結(jié)構(gòu)元件業(yè)已證明是有利的。這樣的輕型結(jié)構(gòu)元件可以經(jīng)濟(jì)地通過(guò)擠壓制成。
在擠壓過(guò)程中對(duì)于某種材料的材料流程來(lái)說(shuō)起決定性作用的是所述待壓制的型材的大小規(guī)格與擠壓機(jī)的規(guī)格、更確切地說(shuō)與擠壓筒直徑之間的相對(duì)比例。例如從“鋁手冊(cè)，鋁出版社，杜塞爾多夫，1996年第15版，第二期第103頁(yè)”已知，在用純鋁或鋁鎂硅合金擠壓制造具有均勻壁厚的空心型材時(shí)，在一個(gè)80MN的擠壓機(jī)中壓制的具有一個(gè)450mm的輪廓圓直徑的型材允許具有的最小壁厚為5mm，而在一個(gè)10MN的擠壓機(jī)中壓制的具有一個(gè)50mm的輪廓圓直徑的型材允許具有的最小壁厚可以為1mm。這表明，通過(guò)擠壓工藝制造的大的輕型結(jié)構(gòu)元件只能具有一個(gè)相對(duì)更大的壁厚，這將導(dǎo)致增加生產(chǎn)成本，并且由于構(gòu)件重量增大也將不利地導(dǎo)致含有這種構(gòu)件的汽車消耗更多的燃料。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種具有一個(gè)由輕金屬制成的內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)的輕型結(jié)構(gòu)元件，這種輕型結(jié)構(gòu)元件的壁厚比傳統(tǒng)的、通過(guò)擠壓制造的輕型結(jié)構(gòu)元件更小。
上述技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)這樣一種具有一個(gè)由輕金屬制成的內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)的輕型結(jié)構(gòu)元件來(lái)解決，其由多個(gè)在一個(gè)平面內(nèi)布置并相互接合的擠壓制成的空心型材組成，其中，所述輕型結(jié)構(gòu)元件具有一個(gè)直徑至少為300mm的外切圓以及具有的壁厚最大為該直徑值的0.5％。在本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述壁厚最大為所述輕型結(jié)構(gòu)元件的外切圓直徑的0.35％。
按照本發(fā)明通過(guò)擠壓成型出各個(gè)空心型材并且將各空心型材接合成一個(gè)平面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了具有一定壁厚的實(shí)際上可任意選擇大小的輕型結(jié)構(gòu)元件，而該輕型結(jié)構(gòu)元件由于擠壓工藝上的技術(shù)限制從某一規(guī)格起(通常所述外切圓的直徑超過(guò)300mm)就不可能整體制造或者只能通過(guò)明顯地增大延長(zhǎng)米重量或壁厚來(lái)制造。
如發(fā)明人意外發(fā)現(xiàn)的那樣，組成按照本發(fā)明的輕型結(jié)構(gòu)元件的各個(gè)擠壓制成的空心型材可以通過(guò)摩擦攪拌焊接的方法接合。專業(yè)人員迄今為止還是認(rèn)為摩擦攪拌焊接方法要求待焊接工件的壁厚總是至少要達(dá)到1.6mm(最近在2001.11.6-7在斯圖加特舉行的第二屆專業(yè)會(huì)議上Alusuisse公司的文章“汽車輕型結(jié)構(gòu)的改進(jìn)”中予以確定)。經(jīng)常也被稱為Friction StirWelding(FSW)的摩擦攪拌焊接已經(jīng)在十年前發(fā)明了(參見(jiàn)EP-B-0 615 480)。然而它還沒(méi)有被算作汽車工業(yè)中的現(xiàn)有接縫方法，在汽車工業(yè)中迄今為止作為熱接縫方法還只是采用電阻焊、氣體保護(hù)焊和激光(混合)焊的方法。
特別有利的是，與傳統(tǒng)的焊接方法不同利用摩擦攪拌焊接可以在低于待焊接材料的液相線溫度下焊接兩個(gè)工件，因此只存在微不足道的形成氣孔和熱裂紋的危險(xiǎn)。此外，利用摩擦攪拌焊接也能焊接重的或不易熔化的合金以及鋁/鎂復(fù)合元件，這利用傳統(tǒng)的焊接方法是很難實(shí)現(xiàn)的或者根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此利用摩擦攪拌焊接方法提供了全新的制造復(fù)合構(gòu)件的可能性。
代替所述摩擦攪拌焊接，也可以通過(guò)粘接接合所述各個(gè)空心型材。粘接方式具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是所述待連接的空心型材只承受很小的熱負(fù)荷，由此避免形成氣孔和熱裂紋。
組成所述輕型結(jié)構(gòu)元件的空心型材為了接合可以分別具有一種適合的搭板形、鉤形或槽形的元件，使得相互鄰接的空心型材的搭板形、鉤形或槽形的元件具有一個(gè)相互對(duì)應(yīng)的形狀，并且在平面地布設(shè)所述空心型材時(shí)要實(shí)現(xiàn)搭接，以便能夠與相鄰的型材部段一起承受在摩擦攪拌焊接中產(chǎn)生的力。
另外也可以選擇取消所述空心型材的搭板形、鉤形或槽形的元件，在這種情況下只是在一個(gè)對(duì)接棱邊處接合所述空心型材。在摩擦攪拌焊接中產(chǎn)生的力需要被一個(gè)相應(yīng)的裝置、例如一個(gè)心棒接受，因此在摩擦攪拌焊接時(shí)才不會(huì)引起所述空心型材發(fā)生變形。可以看出取消所述搭板形、鉤形或槽形的元件是有利的，因?yàn)檫@有助于節(jié)約材料以及進(jìn)而減少成本和重量。
所述單個(gè)的空心型材可以由鋁、鎂、鈦或者它們的合金制成。通過(guò)接合不同材料的空心型材可以有利地制造出復(fù)合工件。在本發(fā)明的一個(gè)特別有利的實(shí)施方式中一個(gè)輕型結(jié)構(gòu)元件由多個(gè)相互對(duì)稱的單個(gè)空心型材構(gòu)成。由此在制造一種輕型結(jié)構(gòu)元件時(shí)通過(guò)減少工具數(shù)量以及簡(jiǎn)化物流流程來(lái)降低成本。
為了制造按照本發(fā)明的輕型結(jié)構(gòu)元件，首先通過(guò)擠壓制造出具有最大壁厚為最終制成的輕型結(jié)構(gòu)元件的外切圓直徑的0.5％的空心型材；緊接著這樣將這些壓制成的空心型材布設(shè)在一個(gè)平面內(nèi)并接合成一個(gè)輕型結(jié)構(gòu)元件，使得所述輕型結(jié)構(gòu)元件具有一個(gè)直徑至少為300mm的外切圓。優(yōu)選采用摩擦攪拌焊接和粘接的方法來(lái)接合所述空心型材。
以這種方式制造的按照本發(fā)明的輕型結(jié)構(gòu)元件優(yōu)選作為一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的組成部分，例如應(yīng)用在汽車中。
下面借助于附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
詳細(xì)闡述，附圖中

圖1表示一個(gè)按照本發(fā)明的具有一個(gè)由輕金屬制成的內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)的輕型結(jié)構(gòu)元件，其由三個(gè)相連結(jié)的單個(gè)空心型材構(gòu)成，圖2以一個(gè)韋勒疲勞曲線圖的形式表示一個(gè)通過(guò)摩擦攪拌焊接(以曲線a表示)和一個(gè)通過(guò)激光焊接(以曲線b表示)制成的輕型結(jié)構(gòu)元件中的應(yīng)力幅值A(chǔ)[MPa]與交變負(fù)載周期數(shù)N之間的關(guān)系，圖3是對(duì)于相鄰空心型材的接合部位的一些示例性示圖。
首先觀察圖1，圖中示出了一個(gè)按照本發(fā)明的具有一個(gè)內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)的輕型結(jié)構(gòu)元件的剖視圖。所述輕型結(jié)構(gòu)元件由三個(gè)空心型材1、2、3設(shè)置在一個(gè)平面內(nèi)地組合而成。其中的兩個(gè)外側(cè)的空心型材1、3具有一個(gè)相互對(duì)稱的形狀，其中，兩個(gè)空心型材之一只要通過(guò)一次圍繞其縱軸線的180°的旋轉(zhuǎn)就相對(duì)旋轉(zhuǎn)到了另一個(gè)空心型材的位置。所述兩個(gè)外側(cè)的空心型材1、3帶有搭板式的連接元件4、5，而所述中間的空心型材2為此設(shè)有形狀互補(bǔ)的搭板式連接元件6、7。在接合所述空心型材時(shí)，使相鄰的空心型材的搭板式的連接元件相互貼合并且例如通過(guò)摩擦攪拌焊接接合在一起。在摩擦攪拌焊接中產(chǎn)生的力由所述搭板式連接元件以及和這些搭板式連接元件相鄰接的空心型材部段8、9承受，由此可以避免所述空心型材發(fā)生所不希望的變形。放大圖表示所述兩個(gè)空心型材2、3的搭板式的連接元件6、7是怎樣達(dá)到形狀互補(bǔ)地相互貼合的。
在圖1中舉例示出的輕型結(jié)構(gòu)元件由鋁的空心型材制成并且在大約1mm壁厚的情況下具有一個(gè)大約500mm的外切圓的直徑。所述被接合的單個(gè)空心型材所具有的外切圓直徑大約為170mm。
與一個(gè)相應(yīng)地由兩個(gè)相同大小的帶有通過(guò)擠壓技術(shù)形成的2mm壁厚的單個(gè)空心型材(外切圓直徑大約為250mm)通過(guò)激光焊接所制成的輕型結(jié)構(gòu)元件相比較，按照本發(fā)明的輕型結(jié)構(gòu)元件大約達(dá)到減小重量15％。
在通過(guò)摩擦攪拌焊接接合所述空心型材時(shí)可以達(dá)到以特別有利的方式顯著提高已制成的輕型結(jié)構(gòu)元件的振動(dòng)疲勞強(qiáng)度。為了比較一個(gè)通過(guò)摩擦攪拌焊接制成的輕型結(jié)構(gòu)元件和一個(gè)通過(guò)激光焊接制成的輕型結(jié)構(gòu)元件的振動(dòng)疲勞強(qiáng)度，以相應(yīng)方式使所制成的輕型結(jié)構(gòu)元件經(jīng)受不同負(fù)荷水平下的一個(gè)一會(huì)兒增大一會(huì)兒減小的正弦曲線形的交變拉應(yīng)力。在圖2中已表示出了這種結(jié)果，圖2以一個(gè)韋勒疲勞曲線圖的形式表示出一個(gè)通過(guò)摩擦攪拌焊接(以曲線a表示)和一個(gè)通過(guò)激光焊接(以曲線b表示)制成的同種輕型結(jié)構(gòu)元件中的應(yīng)力幅值A(chǔ)[MPa]與其所承受的交變負(fù)荷周期數(shù)N之間的關(guān)系。
如同從圖2中所看到的那樣，在承受高負(fù)荷時(shí)通過(guò)激光焊接的輕型結(jié)構(gòu)元件在交變負(fù)荷周期數(shù)大約達(dá)到33000次時(shí)估計(jì)已經(jīng)失效，而通過(guò)摩擦攪拌焊接的輕型結(jié)構(gòu)元件預(yù)期在交變負(fù)荷周期數(shù)大約達(dá)到240000次時(shí)才會(huì)失效。這表明在承受一個(gè)高負(fù)荷時(shí)摩擦攪拌焊接的輕型結(jié)構(gòu)元件的承受負(fù)荷能力比激光焊接的輕型結(jié)構(gòu)元件的承受負(fù)荷能力高7.4倍。對(duì)于承受一個(gè)47MPa的更低負(fù)荷的情況，通過(guò)激光焊接的輕型結(jié)構(gòu)元件在交變負(fù)荷周期數(shù)大約達(dá)到二百萬(wàn)次時(shí)發(fā)生失效，而這樣一個(gè)通過(guò)摩擦攪拌焊接的輕型結(jié)構(gòu)元件在交變負(fù)荷周期數(shù)大約達(dá)到五百萬(wàn)次時(shí)才失效。這表明在承受一個(gè)低負(fù)荷時(shí)摩擦攪拌焊接的輕型結(jié)構(gòu)元件的承受負(fù)荷能力比激光焊接的輕型結(jié)構(gòu)元件的承受負(fù)荷能力高2.5倍。
此外可以斷定的是，激光焊接的輕型結(jié)構(gòu)元件通常在焊縫中存在斷口，其中，該斷口是由焊縫表面和一些氫氣孔引起的，而在摩擦攪拌焊接的輕型結(jié)構(gòu)元件中所述斷口位于基礎(chǔ)材料中并且是由型材缺口、也就是說(shuō)擠壓波紋或表面粗糙度引起的。
圖3以剖視圖表示了所述空心型材的接合部位的不同形式。在情況I中所示的空心型材在其形狀上分別帶有相互對(duì)應(yīng)的鉤形連接元件10、11。為了接合所述空心型材使所述鉤形連接元件相互鉤掛在一起(見(jiàn)右側(cè)示意圖)并且緊接著例如通過(guò)摩擦攪拌焊接在貼合面處接合。由焊頭施加在所述空心型材上的機(jī)械壓力被鉤形連接元件10、11以及相鄰的型材部段18、19承受，由此防止所述空心型材發(fā)生變形。
在圖3中的情況II中，一個(gè)空心型材帶有搭板式的階梯形連接元件12、13，而將要與之接合的空心型材具有與其對(duì)應(yīng)的階梯形的搭板式連接元件14、15。為了接合所述空心型材使所述搭板式連接元件相互貼靠并且緊接著例如通過(guò)摩擦攪拌焊接在貼合面處接合。在摩擦攪拌焊接中施加在所述空心型材上的壓力被所述階梯形的連接元件以及相鄰的型材部段20、21承受。
在圖3中的情況III中，所述空心型材設(shè)有在其形狀上相互對(duì)應(yīng)的平面式的對(duì)接面16、17。為了接合使所述對(duì)接面16、17相互貼靠并且在貼合面處接合。在摩擦攪拌焊接中作用在所述空心型材上的壓力需要被一個(gè)相應(yīng)的裝置、例如一個(gè)心棒接受，以免所述空心型材發(fā)生變形。
權(quán)利要求
1.一種具有一個(gè)由輕金屬制成的內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)的輕型結(jié)構(gòu)元件，其由多個(gè)在一個(gè)平面內(nèi)布置并相互接合的擠壓制成的空心型材組成，其中，所述輕型結(jié)構(gòu)元件具有一個(gè)直徑至少為300mm的外切圓以及具有的壁厚最大為該直徑值的0.5％。
2.按照權(quán)利要求1所述的輕型結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述壁厚為所述輕型結(jié)構(gòu)元件的外切圓直徑的0.34％。
3.按照權(quán)利要求1所述的輕型結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述輕型結(jié)構(gòu)元件的壁厚為1.5mm。
4.按照權(quán)利要求1所述的輕型結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述輕型結(jié)構(gòu)元件的壁厚為1mm。
5.按照權(quán)利要求1所述的輕型結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述各空心型材通過(guò)摩擦攪拌焊接接合。
6.按照權(quán)利要求1所述的輕型結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述各空心型材通過(guò)粘接接合。
7.按照權(quán)利要求1所述的輕型結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述空心型材具有一種適合承受在接合中產(chǎn)生的力的搭板形、鉤形或槽形的連接元件。
8.按照權(quán)利要求1所述的輕型結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述空心型材由鋁、鎂、鈦或者它們的合金制成。
9.按照權(quán)利要求8所述的輕型結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述空心型材由不同的輕金屬或輕金屬合金制成。
10.按照權(quán)利要求1所述的輕型結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述輕型結(jié)構(gòu)元件由相互對(duì)稱的各個(gè)空心型材組成。
11.一種用于制造如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述輕型結(jié)構(gòu)元件的方法，其包括下列步驟(a)擠壓制造其壁厚為最終制成的輕型結(jié)構(gòu)元件的外切圓直徑的0.5％的空心型材，(b)將在一個(gè)平面內(nèi)布設(shè)的多個(gè)所述空心型材接合成一個(gè)其外切圓直徑至少為300mm的輕型結(jié)構(gòu)元件。
12.按照權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述空心型材通過(guò)摩擦攪拌焊接接合。
13.按照權(quán)利要求11所述的輕型結(jié)構(gòu)元件，其特征在于，所述空心型材通過(guò)粘接接合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有一個(gè)由輕金屬制成的內(nèi)部桁架結(jié)構(gòu)的輕型結(jié)構(gòu)元件，其由多個(gè)在一個(gè)平面內(nèi)布置并相互接合的擠壓制成的空心型材組成，其中，所述輕型結(jié)構(gòu)元件具有一個(gè)直徑至少為300mm的外切圓以及具有的壁厚最大為該直徑值的0.5％。
文檔編號(hào)B23K101/04GK1585707SQ03800732
公開(kāi)日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2003年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月31日
發(fā)明者卡爾－海因茨·林德納, 阿爾夫·伯肯斯托克, 于爾根·鮑姆加坦, 伯恩德·福斯坦 申請(qǐng)人:厄布斯洛股份公司