局部加強薄金屬結構的方法
2023-10-23 12:50:07
專利名稱：局部加強薄金屬結構的方法
技術領域：
本發明涉及一種局部加強薄金屬結構的方法。
諸如鐵路車輛之類的車體結構由成形金屬面板構成，並且這些成形金屬面板進行裁剪，以便在表面上具有例如窗戶空位開口或門開口。
金屬面板必須能夠承受不均勻分布的各類負荷。為了確保適合於力的分布的抵抗力以及為了優化面板的質量，組成的面板製成為例如一部分由具有某種機械強度和某種厚度的材料的板構成，以及另一部分由具有更大機械強度的材料的板或者具有更大厚度的板構成。通過增加諸如金屬板支柱或者包括模製或鍛造部件在內的支柱之類的額外厚度的金屬構件來提供加強部分。所有這些加強部分具有使得金屬面板的製造複雜以及增加成本和面板質量的缺點。然而，需要進行加強的一些區域不需要這些明顯的加強機構。特別是對於在車輛的車體結構的鑑定測試過程中經受高的測試力但是在使用中經受不顯著的力的窗戶空位的角部更是如此。加強這些角部以便允許它們在鑑定條件下承受各種負荷的需求導致生產有時是複雜及昂貴的並且完全無用地增加車輛的質量的加強部分。
本發明的目的在於通過給出一種以經濟、快速及便利方式局部加強薄金屬結構的機構而解決該缺點。
為了該目的，本發明的主旨是一種用於局部加強薄金屬結構的方法，根據該方法，在金屬結構的至少一個面上，在必須進行加強的區域產生焊縫類型的金屬堆積層，該金屬堆積層由具有優於構成薄金屬結構的材料的機械特性的材料構成。結果是由底層和沉積層構成的複合結構，整體具有例如彈性極限(Re)和最大斷裂強度(Rm)比處理前更高的機械特性。
優選地，堆積層通過與構成薄金屬結構的材料同金屬族的材料製成。
構成薄金屬結構的材料可以是不鏽鋼，並且堆積材料可以是鎢鉻鈷合金。
優選地，金屬堆積層沿著應力線布置，但也可以在至少一個表面上布置。
堆積層可以作用在兩面上，在彼此相對的區域並且也在邊緣上(薄金屬結構的厚度)。
金屬堆積層可以例如通過雷射實現。
本發明也涉及由金屬堆積層局部加強的薄金屬結構。
薄金屬結構例如構成車輛特別是鐵路車輛的、公路車輛的或船的結構構件。
特別地，當車輛是鐵路車輛時，加強區域例如是諸如窗戶空位、門、表面開口的角部之類的車體面板的奇異點，橫向構件或者在車體與轉向架接觸區域內的軸承。
現在將要參照附圖，僅僅以非限制性實例的方式更詳細地描述本發明，附圖為
圖1是鐵路車輛的車體結構的側面板、定義面(termed face)的透視圖；圖2是鐵路車輛的側面的窗口空位的角部的局部視圖；圖3A、3B和3C示出從截面看三個實施例的鐵路車輛的側面板的窗戶空位的角部的加強部分；圖4示出另一實施例的用於鐵路車輛的車體的側面板的窗戶空位的角部的局部加強部分，其考慮到應力場的分布。
在圖1中總體上用1指示的鐵路車輛的車體的側面板是由以公知方式特別是通過焊接裁剪和裝配的一個或多個薄金屬板構成的結構，該側面板特別包括諸如意欲形成窗戶的空位之類的多個開口2或者意欲形成門的更大的開口3。這些開口的角部4是會應力集中的區域，上述的應力集中會在這些各個區域影響結構面板的機械強度。在使用中，一般這些區域4不是特別地受應力，但是在車輛鑑定的測試過程中，這些區域4遭受必須在不發生任何局部塑性變形的情況下能夠承受的高的應力。為了加強這些區域4，通過用具有高的機械特性的金屬材料進行堆積而提供加強部分。
如圖2中放大示出的，金屬板5包括形成窗戶空位的角部4的圓化裁剪部分。圍繞窗戶空位的角部的裁剪部分，在金屬板5上布置提供面結構的總體剛性的加強部分6。
窗戶空位的角部4的直接相鄰處包括以總體上月牙形狀實現的加強堆積層7，但是也可以是將要在後面說明的更合適的形狀。如圖3A、3B、3C所示，窗戶空位的角部4的加強部分可以僅僅在金屬板5的一個表面8上實施。因此獲得加強堆積層。在裁剪部分的區域內可以在金屬板5的一個表面8和金屬板5的邊緣8』上都實施加強部分。然後獲得了加強堆積層7以及在金屬板5的切割邊緣上延伸加強堆積層7的加強堆積層7』。也可以在上表面8上和在下表面8」上以及在切割邊緣8』上實施加強部分。然後獲得圍繞金屬板5的裁剪部分的加強堆積層7、7』和7」。
加強堆積層由通過堆積應用金屬而獲得的沉積物構成，其成分適合於構成所述結構的支撐板的金屬成分。相同適用於其它堆積層。可以通過堆焊類型的已知堆積技術來實施堆積，上述堆焊例如用於實現硬的堆積層或其它堆積層，並且構成為在局部加熱的金屬板表面上傳送為粉末金屬或金屬絲形式的金屬，該金屬熔化、焊接並在金屬板的表面上形成一層焊縫。
在本發明的框架內，優選通過使用特別在專利EP074580或者專利US5418350中描述的雷射同軸噴嘴的雷射輔助堆積方法來執行堆積。噴嘴使得能夠在金屬板的明確限定的表面上同步地傳送由惰性氣體攜帶的粉末金屬、第二伴隨氣體以及同時影響金屬板的局部加熱和粉末金屬的熔化的雷射束。在僅僅產生底層的很表面的加熱的情況下，該方法帶來了沉積層與底層的良好結合，由此具有很少或者不影響底層的機械性能以及特別是限制被處理結構的變形的優點。
通過形成焊縫而執行沉積，該焊縫可以通過掃過無論任何形狀的表面而將之覆蓋。該表面也可以是圓形形狀並且通過以螺旋形完成的沉積物而進行覆蓋。
也能夠產生如圖4所示的沉積物，並且這也是實施例的優選模式。在實施例的該模式中，金屬板5的窗戶空位的角部4通過由多個焊縫10A、10B、10C和10D構成的沉積物9進行加強，上述焊縫根據在窗戶空位的角部所經受的不同類型的負荷下的應力場沿著力的主線延伸。所述焊縫形成「魚骨」型結構。
堆積材料的特性應當適合於其進行沉積的底層(也即金屬板)的特性。堆積材料可以從本領域熟練技術人員所知的焊接材料或堆積材料中選擇，適合於構成金屬板的材料。堆積材料的成分也可以在具體情況的基礎上進行適應性改變。
通常，選擇堆積材料使得沉積物的彈性極限高於底層的，並且使得在處理結束時沉積物的斷裂延展性優選地至少可比於底層的斷裂延展性。優選地，沉積物的彈性極限是25％，更優選的是50％，並且進一步優選的是比底層的彈性極限高80％。
所沉積材料和底層之間的適應性也具有避免腐蝕問題的目的和優點。出於此目的，對應於沉積物以及對應於底層的金屬應當是同族，特別是為了避免引起電化學電池現象。
特別是當底層由鋁、鋁合金或者諸如奧氏體不鏽鋼、鐵素體不鏽鋼或碳鋼之類的鋼構成時，本領域的熟練技術人員能夠選擇合適的材料。
加強沉積物的厚度可以順序是從十分之幾微米到幾微米，並且優選是在0.5mm到1.5mm之間。
以實例方式，為了加強在1.4003類型的鐵素體不鏽鋼板上裁剪的窗戶空位的角部，該鐵素體不鏽鋼板根據標準EN 10.088-2具有2.5mm的厚度，生產由Gr25鎢鉻鈷合金粉末(公知的)獲得的0.98mm厚的加強層。沉積的鎢鉻鈷合金的彈性極限是構成金屬板的鐵素體鋼的彈性極限的兩倍。
從而獲得鐵路車輛的側面，其中窗戶空位的角部在鑑定測試中不再塑化。另外，這種壁重量很少增加並且執行加強處理的成本較低。
這種加強方法也可以用於局部加強由裁剪的金屬板構成以及例如通過焊接裝配的廣泛的不同結構。
這些結構特別是鐵路車輛或公路車輛的車體面板，或者用於船的構件。
加強區域可以是由於提供具有帶有奇異點(小直徑曲率)的形狀的開口而經受特定應力的區域。它們也可以是因為它們意欲完成特定功能而必須加強的區域。這些特別是車體/轉向架連接橫向構件，或者形成軸承的區域，例如用於在車輛車體和轉向架之間的連接。
剛剛已經進行描述的應用是非限制性的，並且本領域的熟練技術人員將會根據本發明將該方法應用到任何其他適合的結構中去。
權利要求
1.一種局部加強薄金屬結構(5)的方法，其特徵在於，在金屬結構的至少一個面(8、8」)上，在必須進行加強的區域(4)產生焊縫類型的金屬堆積層(7、7」、9)，該金屬堆積層(7、7」、9)由具有優於構成薄金屬結構的材料的機械特性的材料構成。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，堆積材料是與構成薄金屬結構的材料相同金屬族的材料。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，構成薄金屬結構的材料是不鏽鋼，並且堆積材料是鎢鉻鈷合金。
4.如權利要求1到3中任一項所述的方法，其特徵在於，金屬堆積層(9)根據加強部分(10A、10B、10C、10D)的線進行布置。
5.如權利要求1到3中任一項所述的方法，其特徵在於，金屬堆積層(7、7」)在金屬結構的至少一個表面(8、8」)上布置。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，堆積層進一步在金屬結構的切割邊緣(8，)上生成。
7.如權利要求1到6中任一項所述的方法，其特徵在於，堆積層(7、7」)在兩個面(8、8」)上、在彼此相對的區域內實現。
8.如權利要求5、6或7中任一項所述的方法，其特徵在於，布置在至少一個表面上的堆積層(7、7」)由螺旋形沉積構成。
9.如權利要求1到8中任一項所述的方法，其特徵在於，金屬堆積層通過雷射實現。
10.一種薄金屬結構，其特徵在於，其根據權利要求1到9中任一個，由金屬堆積層局部加強。
11.如權利要求10所述的薄金屬結構，其特徵在於，其構成車輛特別是鐵路車輛、公路車輛或船的結構構件。
12.如權利要求11所述的薄金屬結構，其特徵在於，車輛是鐵路車輛，並且加強區域是諸如如下區域中至少一個車體面板的奇異點、特別是窗戶空位的角部、橫向構件或者在車體與轉向架接觸區域內的軸承。
全文摘要
一種局部加強薄金屬結構(5)的方法，根據該方法，在金屬結構的至少一個面上，在必須進行加強的區域(4)內產生焊縫類型的金屬堆積層(9)，該金屬堆積層(9)由具有優於構成薄金屬結構的材料的機械特性的材料構成。其在鐵路車輛結構中應用。
文檔編號B23K26/00GK1733414SQ20051008766
公開日2006年2月15日 申請日期2005年7月29日 優先權日2004年7月30日
發明者S·羅爾, G·貝納爾 申請人:阿爾斯通運輸股份有限公司