CN1585707A - 轻型结构元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有一个由轻金属制成的内部桁架结构的轻型结构元件，其由多个在一个平面内布置并相互接合的挤压制成的空心型材组成，其中，所述轻型结构元件具有一个直径至少为300mm的外切圆以及具有的壁厚最大为该直径值的0.5％。
Description
本发明涉及一种具有一个由轻金属制成的内部桁架结构的轻型结构元件。另外，本发明还涉及一种用于制造所述轻型结构元件的方法。
采用轻金属是制造移动工具、尤其是汽车制造中的一个最大挑战，因为使重量最小化是降低燃料消耗的一个最有效的方法。
通过不同轻金属的性价比可以清楚地看出，由于采用这类材料随着重量的逐渐减轻制造费用会急剧增加。只有在通过一些更有利的且主要是节约材料的制造工序达到补偿与此相关的更高的材料费用时，才能够经济地实现轻结构。
从重量与承载能力或强度之间取得最佳比例的意义上考虑，具有一个由轻金属材料制成的内部桁架结构的轻型结构元件业已证明是有利的。这样的轻型结构元件可以经济地通过挤压制成。
在挤压过程中对于某种材料的材料流程来说起决定性作用的是所述待压制的型材的大小规格与挤压机的规格、更确切地说与挤压筒直径之间的相对比例。例如从“铝手册，铝出版社，杜塞尔多夫，1996年第15版，第二期第103页”已知，在用纯铝或铝镁硅合金挤压制造具有均匀壁厚的空心型材时，在一个80MN的挤压机中压制的具有一个450mm的轮廓圆直径的型材允许具有的最小壁厚为5mm，而在一个10MN的挤压机中压制的具有一个50mm的轮廓圆直径的型材允许具有的最小壁厚可以为1mm。这表明，通过挤压工艺制造的大的轻型结构元件只能具有一个相对更大的壁厚，这将导致增加生产成本，并且由于构件重量增大也将不利地导致含有这种构件的汽车消耗更多的燃料。
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有一个由轻金属制成的内部桁架结构的轻型结构元件，这种轻型结构元件的壁厚比传统的、通过挤压制造的轻型结构元件更小。
上述技术问题是通过这样一种具有一个由轻金属制成的内部桁架结构的轻型结构元件来解决，其由多个在一个平面内布置并相互接合的挤压制成的空心型材组成，其中，所述轻型结构元件具有一个直径至少为300mm的外切圆以及具有的壁厚最大为该直径值的0.5％。在本发明的一个特别优选的实施方式中，所述壁厚最大为所述轻型结构元件的外切圆直径的0.35％。
按照本发明通过挤压成型出各个空心型材并且将各空心型材接合成一个平面结构实现了具有一定壁厚的实际上可任意选择大小的轻型结构元件，而该轻型结构元件由于挤压工艺上的技术限制从某一规格起(通常所述外切圆的直径超过300mm)就不可能整体制造或者只能通过明显地增大延长米重量或壁厚来制造。
如发明人意外发现的那样，组成按照本发明的轻型结构元件的各个挤压制成的空心型材可以通过摩擦搅拌焊接的方法接合。专业人员迄今为止还是认为：摩擦搅拌焊接方法要求待焊接工件的壁厚总是至少要达到1.6mm(最近在2001.11.6-7在斯图加特举行的第二届专业会议上Alusuisse公司的文章“汽车轻型结构的改进”中予以确定)。经常也被称为Friction StirWelding(FSW)的摩擦搅拌焊接已经在十年前发明了(参见EP-B-0 615 480)。然而它还没有被算作汽车工业中的现有接缝方法，在汽车工业中迄今为止作为热接缝方法还只是采用电阻焊、气体保护焊和激光(混合)焊的方法。
特别有利的是，与传统的焊接方法不同利用摩擦搅拌焊接可以在低于待焊接材料的液相线温度下焊接两个工件，因此只存在微不足道的形成气孔和热裂纹的危险。此外，利用摩擦搅拌焊接也能焊接重的或不易熔化的合金以及铝/镁复合元件，这利用传统的焊接方法是很难实现的或者根本无法实现。因此利用摩擦搅拌焊接方法提供了全新的制造复合构件的可能性。
代替所述摩擦搅拌焊接，也可以通过粘接接合所述各个空心型材。粘接方式具有的独特优点是：所述待连接的空心型材只承受很小的热负荷，由此避免形成气孔和热裂纹。
组成所述轻型结构元件的空心型材为了接合可以分别具有一种适合的搭板形、钩形或槽形的元件，使得相互邻接的空心型材的搭板形、钩形或槽形的元件具有一个相互对应的形状，并且在平面地布设所述空心型材时要实现搭接，以便能够与相邻的型材部段一起承受在摩擦搅拌焊接中产生的力。
另外也可以选择取消所述空心型材的搭板形、钩形或槽形的元件，在这种情况下只是在一个对接棱边处接合所述空心型材。在摩擦搅拌焊接中产生的力需要被一个相应的装置、例如一个心棒接受，因此在摩擦搅拌焊接时才不会引起所述空心型材发生变形。可以看出取消所述搭板形、钩形或槽形的元件是有利的，因为这有助于节约材料以及进而减少成本和重量。
所述单个的空心型材可以由铝、镁、钛或者它们的合金制成。通过接合不同材料的空心型材可以有利地制造出复合工件。在本发明的一个特别有利的实施方式中一个轻型结构元件由多个相互对称的单个空心型材构成。由此在制造一种轻型结构元件时通过减少工具数量以及简化物流流程来降低成本。
为了制造按照本发明的轻型结构元件，首先通过挤压制造出具有最大壁厚为最终制成的轻型结构元件的外切圆直径的0.5％的空心型材；紧接着这样将这些压制成的空心型材布设在一个平面内并接合成一个轻型结构元件，使得所述轻型结构元件具有一个直径至少为300mm的外切圆。优选采用摩擦搅拌焊接和粘接的方法来接合所述空心型材。
以这种方式制造的按照本发明的轻型结构元件优选作为一个支撑结构的组成部分，例如应用在汽车中。
下面借助于附图对本发明的具体实施方式详细阐述，附图中：
图1表示一个按照本发明的具有一个由轻金属制成的内部桁架结构的轻型结构元件，其由三个相连结的单个空心型材构成，
图2以一个韦勒疲劳曲线图的形式表示一个通过摩擦搅拌焊接(以曲线a表示)和一个通过激光焊接(以曲线b表示)制成的轻型结构元件中的应力幅值A[MPa]与交变负载周期数N之间的关系，
图3是对于相邻空心型材的接合部位的一些示例性示图。
首先观察图1，图中示出了一个按照本发明的具有一个内部桁架结构的轻型结构元件的剖视图。所述轻型结构元件由三个空心型材1、2、3设置在一个平面内地组合而成。其中的两个外侧的空心型材1、3具有一个相互对称的形状，其中，两个空心型材之一只要通过一次围绕其纵轴线的180°的旋转就相对旋转到了另一个空心型材的位置。所述两个外侧的空心型材1、3带有搭板式的连接元件4、5，而所述中间的空心型材2为此设有形状互补的搭板式连接元件6、7。在接合所述空心型材时，使相邻的空心型材的搭板式的连接元件相互贴合并且例如通过摩擦搅拌焊接接合在一起。在摩擦搅拌焊接中产生的力由所述搭板式连接元件以及和这些搭板式连接元件相邻接的空心型材部段8、9承受，由此可以避免所述空心型材发生所不希望的变形。放大图表示所述两个空心型材2、3的搭板式的连接元件6、7是怎样达到形状互补地相互贴合的。
在图1中举例示出的轻型结构元件由铝的空心型材制成并且在大约1mm壁厚的情况下具有一个大约500mm的外切圆的直径。所述被接合的单个空心型材所具有的外切圆直径大约为170mm。
与一个相应地由两个相同大小的带有通过挤压技术形成的2mm壁厚的单个空心型材(外切圆直径大约为250mm)通过激光焊接所制成的轻型结构元件相比较，按照本发明的轻型结构元件大约达到减小重量15％。
在通过摩擦搅拌焊接接合所述空心型材时可以达到以特别有利的方式显著提高已制成的轻型结构元件的振动疲劳强度。为了比较一个通过摩擦搅拌焊接制成的轻型结构元件和一个通过激光焊接制成的轻型结构元件的振动疲劳强度，以相应方式使所制成的轻型结构元件经受不同负荷水平下的一个一会儿增大一会儿减小的正弦曲线形的交变拉应力。在图2中已表示出了这种结果，图2以一个韦勒疲劳曲线图的形式表示出一个通过摩擦搅拌焊接(以曲线a表示)和一个通过激光焊接(以曲线b表示)制成的同种轻型结构元件中的应力幅值A[MPa]与其所承受的交变负荷周期数N之间的关系。
如同从图2中所看到的那样，在承受高负荷时通过激光焊接的轻型结构元件在交变负荷周期数大约达到33000次时估计已经失效，而通过摩擦搅拌焊接的轻型结构元件预期在交变负荷周期数大约达到240000次时才会失效。这表明在承受一个高负荷时摩擦搅拌焊接的轻型结构元件的承受负荷能力比激光焊接的轻型结构元件的承受负荷能力高7.4倍。对于承受一个47MPa的更低负荷的情况，通过激光焊接的轻型结构元件在交变负荷周期数大约达到二百万次时发生失效，而这样一个通过摩擦搅拌焊接的轻型结构元件在交变负荷周期数大约达到五百万次时才失效。这表明在承受一个低负荷时摩擦搅拌焊接的轻型结构元件的承受负荷能力比激光焊接的轻型结构元件的承受负荷能力高2.5倍。
此外可以断定的是，激光焊接的轻型结构元件通常在焊缝中存在断口，其中，该断口是由焊缝表面和一些氢气孔引起的，而在摩擦搅拌焊接的轻型结构元件中所述断口位于基础材料中并且是由型材缺口、也就是说挤压波纹或表面粗糙度引起的。
图3以剖视图表示了所述空心型材的接合部位的不同形式。在情况I中所示的空心型材在其形状上分别带有相互对应的钩形连接元件10、11。为了接合所述空心型材使所述钩形连接元件相互钩挂在一起(见右侧示意图)并且紧接着例如通过摩擦搅拌焊接在贴合面处接合。由焊头施加在所述空心型材上的机械压力被钩形连接元件10、11以及相邻的型材部段18、19承受，由此防止所述空心型材发生变形。
在图3中的情况II中，一个空心型材带有搭板式的阶梯形连接元件12、13，而将要与之接合的空心型材具有与其对应的阶梯形的搭板式连接元件14、15。为了接合所述空心型材使所述搭板式连接元件相互贴靠并且紧接着例如通过摩擦搅拌焊接在贴合面处接合。在摩擦搅拌焊接中施加在所述空心型材上的压力被所述阶梯形的连接元件以及相邻的型材部段20、21承受。
在图3中的情况III中，所述空心型材设有在其形状上相互对应的平面式的对接面16、17。为了接合使所述对接面16、17相互贴靠并且在贴合面处接合。在摩擦搅拌焊接中作用在所述空心型材上的压力需要被一个相应的装置、例如一个心棒接受，以免所述空心型材发生变形。
Claims (13)
1.一种具有一个由轻金属制成的内部桁架结构的轻型结构元件，其由多个在一个平面内布置并相互接合的挤压制成的空心型材组成，其中，所述轻型结构元件具有一个直径至少为300mm的外切圆以及具有的壁厚最大为该直径值的0.5％。
2.按照权利要求1所述的轻型结构元件，其特征在于，所述壁厚为所述轻型结构元件的外切圆直径的0.34％。
3.按照权利要求1所述的轻型结构元件，其特征在于，所述轻型结构元件的壁厚为1.5mm。
4.按照权利要求1所述的轻型结构元件，其特征在于，所述轻型结构元件的壁厚为1mm。
5.按照权利要求1所述的轻型结构元件，其特征在于，所述各空心型材通过摩擦搅拌焊接接合。
6.按照权利要求1所述的轻型结构元件，其特征在于，所述各空心型材通过粘接接合。
7.按照权利要求1所述的轻型结构元件，其特征在于，所述空心型材具有一种适合承受在接合中产生的力的搭板形、钩形或槽形的连接元件。
8.按照权利要求1所述的轻型结构元件，其特征在于，所述空心型材由铝、镁、钛或者它们的合金制成。
9.按照权利要求8所述的轻型结构元件，其特征在于，所述空心型材由不同的轻金属或轻金属合金制成。
10.按照权利要求1所述的轻型结构元件，其特征在于，所述轻型结构元件由相互对称的各个空心型材组成。
11.一种用于制造如上述任一项权利要求所述轻型结构元件的方法，其包括下列步骤：
(a)挤压制造其壁厚为最终制成的轻型结构元件的外切圆直径的0.5％的空心型材，
(b)将在一个平面内布设的多个所述空心型材接合成一个其外切圆直径至少为300mm的轻型结构元件。
12.按照权利要求11所述的方法，其特征在于，所述空心型材通过摩擦搅拌焊接接合。
13.按照权利要求11所述的轻型结构元件，其特征在于，所述空心型材通过粘接接合。
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