金屬板構件的製作方法
2023-10-23 10:31:47
專利名稱：金屬板構件的製作方法
技術領域：
本發明涉及金屬板構件，尤其是具有承載或吸收荷載功能的汽車車身零件。車身零件的板厚主要由在其按規定使用時作用在構件上的外力決定。不過在大多數情況下車身金屬板構件負載最大的區域只佔全部構件面積的一小部分。這些高應力的特別荷載區在大多數情況是傳力區。
由於迄今對在它中間只有少部分區產生高應力的車身構件進行必要的板厚設計時，不僅存在加多了材料的消耗，而且在生產時這種附加的材料使用還引起增大技術性費用，導致提高生產成本。除此以外，還使這種構件有比較大的重量。
在實際工作中力圖通過給予高應力區以更高的強度和/或剛度，使前言所介紹的金屬板構件做到有比較小的基本板厚。這樣做降低技術性費用，並將附加的材料使用減少為僅限於絕對需要的部位。在這一方面主要有兩種解決途徑a)為了提高強度和剛度，構件需要附加的造型(增強凸緣、罐狀結構等)，使高荷載區更加穩定。然而，當在高荷載區內由於其他的要求需要特殊的支承面(例如平的支承面)時，或此高荷載區尺寸很小時(例如與車身直接連接的前和後減震器支柱的傳力區)，這種可能性便受到了限制。當然，要有足夠高的強度和/或剛度往往需要構件有複雜的造型。
b)通過形式上為成型的或凸緣的增強結構和雙層結構的附加金屬板部分來增強基本板厚，這些附加的金屬板部分通過焊接、卷邊連接(Durchsetzfuegen)、膠粘等與基本的金屬板構件連接，從而有助於提高強度和/或剛性。然而，業已證實，基本的金屬板部分與附加的金屬板部分的連接部位，往往成為一個附加的薄弱環節，因此必須加以改進。除此之外，附加的金屬板部分常常需要與複雜的構件形狀相配，因此提高了生產成本，或有時無法應用在要求使用的部位，因為已經有其他構件妨礙此附加的金屬板部分進行適當的連接。此外，由於一個附加的金屬板部分不可能與要增強的構件同質地連接，所以不能充分發揮附加的金屬板部分所設想的作用。
除此之外，在DE4104256A1中建議，在一道工序中加工工作部分和在支承部分中的互補缺口(Ausnehmung)，其中使用以一個偏離90°的角對準錶面的雷射束。工作部分在留有接縫間隙的情況下置入互補的缺口中，縫隙用於在以後的雷射焊過程中耦合雷射束。這裡的缺點是焊縫較厚，通常必須對它補充加工，尤其是，採用這種方法不能生產出支承部分相對於工作部分具有能預先確定的準確幾何位置的構件。
本發明的目的是創造一種沒有上述缺點的改進的金屬板構件。
按本發明為達到此目的，在一種前言所述類型的金屬板構件中包括彼此獨立製造的支承部分和工作部分，其中，支承部分有一個缺口，用於安裝工作部分的一個設計為與之互補的安裝段；在金屬板構件的裝配狀態彼此相對的缺口和安裝段的壁，設置為基本上垂直於支承部分上圍繞著缺口的表面；缺口和安裝段的尺寸設計為，使工作部分能通過它的安裝段不會失落和無縫隙地壓入支承部分的缺口中；以及，工作部分與支承部分在它們彼此相對的安裝段和缺口的壁面區域內，通過雷射束或電子束焊接。
壁面的垂直設置對於安裝段不會失落和無縫隙地壓入支承部分的缺口中有重要意義。只要保證工作部分能無縫隙地壓入支承部分中，便可以在以後的雷射束或電子束焊接時在支承部分與工作部分之間實施一種連接，這種連接所具有的強度可以與一個整體材料本身的強度相比。
通過將支承部分與工作部分彼此獨立地製造，可以將支承部分的板厚減到能承擔其支承功能的條件下的最低程度，而在工作部分中則根據其能勝任工作部分的功能來選擇板厚。
與此同時，這種結構允許在工作部分的生產方面在規模標準化，使所生產的工作部分可以應用在不同的支承部分中。
此外，按本發明的金屬板構件具有能預先準確決定其幾何尺寸的優點，亦即工作部分相對於支承部分的幾何位置，因為通過將工作部分以其安裝段按不會失落和無縫隙的方式壓入支承部分的缺口中，保證了即使在雷射束或電子束焊接過程中工作部分也能不動地固定在支承部分的缺口中。與具有縫隙進行加工的情況相比，這樣做導致顯著提高所生產的金屬板構件的質量。
缺口和安裝段的尺寸最好設計為，它們彼此相對的壁面沿整個表面互相貼個靠。因此，獲得了一種特別牢固的裝入支承部分中的工作部分的固定，並在以後雷射束或電子束焊接時有極為良好的定心。此外，在支承部分與工作部分之間還可提供大面積的連接。
另一方面，通過沿安裝段和缺口的壁面非完整的焊接，可以有目的地選定在規定的撕裂力作用下的額定破裂點。
缺口和安裝段的尺寸最好設計為，使工作部分以壓配合具有預緊力地固定在支承部分中，使得在焊接過程中，在與彼此相對的缺口和安裝段壁面相鄰的構件區熔化時，能準確保持住工作部分相對於支承部分的幾何位置。
在按本發明的構件中，通過適當選擇一種比支承部分的材料更為優質的材料，可以達到提高工作部分的強度和剛度的目的，但另一方面也可以通過與支承部分的壁厚相比增加安裝段的壁厚來做到這一點。在這種情況下，安裝段較大的壁厚可以沒有任何困難地與支承部分較小的壁厚牢固連接。
若在支承部分中的缺口有一個彎曲的至少沿局部周邊的凸緣，則可以達到進一步增加支承部分與工作部分之間的連接強度。凸緣最好彎到這樣的程度，即，支承部分包括凸緣高度在內的厚度，與工作部分安裝段的厚度一致。凸緣的彎角最好為90°，需要時可以幾乎是光滑地實現到板厚增加的區域的過渡。
支承部分的缺口，必要時還包括彎曲的凸緣，可制有朝向開口的倒角，用於在實施焊接過程時導引雷射束或電子束。除此之外，工作部分沿其周邊在面朝雷射束或電子束的一側，也制有一環形的倒角，它與支承部分的倒角一起構成封閉的槽狀坡口(Schweissbadaufnahme)。在焊接過程中，坡口容納熔融的材料，並防止形成凸出支承部分和/或工作部分表面之外的連接焊縫。
倒角或由倒角形成的坡口的尺寸根據有關的支承部分和工作部分的金屬板厚度確定。
若一根管子作為工作部分焊在支承部分中，則倒角最好制在構件背對管子的那一側上。因此保證要連接在一起的元件的連接為一種平面的連接，這就使構件有可能平面地支靠。
在支承部分和工作部分組合併焊接後，此金屬板構件可以在一個工具中成形。但也可以規定此金屬板構件的支承部分事先已經得到了它的最終形狀，所以壓入工作部分並與支承部分實施焊接便成為最後一道工序。
工作部分本身又可以由兩個或多個分開製造的部分組成，就象前面針對金屬板構件本身所介紹的那樣。當然，支承部分可以不是只有一個缺口和只安裝一個工作部分，而是有兩個或兩個以上。
工作部分最好與支承部分氣密地焊接。
按本發明的金屬板構件的使用場合主要在金屬板輕結構區域內，也就是說用於各種類型的汽車內、一般的機械製造業中等，在那裡，在構件上局部作用有高荷載，並要求材料積聚以增加板厚。在轎車的已準備好去油漆的車身中，這些主要是已準備好去油漆的車身用於所有安裝部件的裝配部位，例如行駛部分、發動機、變速器、排氣系統等。
在這種情況下，本發明允許免除為獲得足夠的強度和剛度而採用附加的增強裝置或雙層結構以及很大的板厚。
因而可以有目的地使用材料，並可以是一種重量優化的輕型結構。
局部大板厚區可以使用一種與用於支承部分的基本材料不同的可焊接的優化材料；例如可在支承部分選出的金屬板中使用高強度板。
在局部增大板厚的區域內也可以按照目前流行的成形可能性，自由地選擇構件形狀。
與附加的拼接增強的板厚相比，為了強度和剛度在局部增大板厚的區域內板厚的增加可利用全部範圍，因此獲得增強區內有均勻的受力分布，並因而達到均勻地傳力。
由於可藉助於彎曲的凸緣實現從增大板厚的區域到支承部分板厚區光滑的過渡，所以避免了力的突變，並因而避免了危險的應力峰值。
此外，增大板厚的區域可以任意選擇，所以也可以考慮具有特別複雜的傳力區的情況。
本發明特別適用於經濟地生產具有任意數量有目的設置的通道(Durchzug)的車身金屬板構件，其中，構件形狀可以任意設計。在這種情況下，具有可選擇的變化底面的通道作為工作部分，焊在作為支承部分的底板中。作為支承部分的底板可以在焊入工作部分(通道)前已經成形，或設有通道的支承部分隨後接著成形。尤其在將通道焊入底板中時建議，在支承部分中的缺口設彎曲的凸緣。
同樣還存在這種可能性，即，作為工作部分要焊接的通道僅僅是，或附加地，在其安裝段的邊緣有一個彎曲邊。以此方式，到底板或到已完成成形的支承部分的過渡可以適配或最佳化。
通道亦即工作部分的板厚，無須如上面在本發明的一般性說明中所提及的那樣與支承部分的板厚一致。
可以設想，選擇各種標準通道製備成標準的工作部分，它們具有確定的底面和不同的板厚等級作為基本品種，用於構成具有按目的設置的通道的車身構件。用於製成此車身金屬板構件的有關的支承部分，根據要求設此標準的通道。
由於按本發明的金屬板構件，對於在車身金屬板構件中十多年來用於已準備好去油漆的車身中並成功地用作傳統的焊裝螺孔塞方案的替代品的通道，無論是在降低生產成本方面，還是在減少結構重量方面，均作出了顯著的改進。
在傳統的方案中，按冷擠壓成型法由底板衝壓出形式上為管的材料積聚。取消了焊入一個焊裝螺孔塞。通過實心件在管子區冷壓加工帶來的結果是，與焊裝螺孔塞相比，通道有明顯提高了的強度值。
當然，可獲得的通道尺寸主要取決於底板的原始板厚。為製成通道所需要的變形步驟的次數和所需要的擠壓力，與用於周圍的構件區所要求的變形操作相比，在大多數情況下都很大。由於首先必須以平的底板為出發點進行構件的通道變形，然後構件才能成形為所期望的形狀，所以造成變形步驟的總次數比較多。構件向外彎曲越大，由於變形步驟次數多而使壓制技術的化費越高，因此方法的經濟性受到了限制。尤其在構件形狀複雜的情況下，要在周圍材料成形時將在第一道工序中製成的通道固定在所要求的位置上是非常困難的。
然而，按本發明的構件或在下面還要介紹的按本發明的這種構件的製造，恰好為這些使用場合提供了補救辦法。
在按本發明用於製造上述由支承部分和工作部分組成的金屬板構件的方法中，製造包括此支承部分，支承部分有一個缺口，用於安裝設計為與之互補的工作部分的安裝段，其中，工作部分在其安裝段的尺寸應設計為，它能無縫隙地壓入支承部分的缺口中；工作部分以安裝段壓入，所以工作部分可以不會失落地固定在支承部分中；以及，藉助於雷射束或電子束將缺口與安裝段互相相對的壁面區焊接起來。
在將工作部分壓入支承部分中時，最好在支承部分與工作部分之間建立一種壓配合連接，這種壓配合連接中不存在吸水的毛細管。這就要求缺口和安裝段的壁面的表面粗糙底低。在這一方面的重要優點在於，一方面，焊接區亦即支承部分材料和工作部分材料被熔化的區域可以保持得很小，另一方面，保證在支承部分與工作部分之間製成一條極不容易腐蝕的焊縫。
出自於上述同一個理由，這種壓配合連接最好製成相對於100毫米水柱是防水的。
支承部分與工作部分的連接最好是焊透的，所以就涉及的缺口和安裝段彼此相對的壁面而言，提供的是支承部分與工作部分的全面焊接。
下面藉助於附圖更詳細地說明本發明的這些和其他的一些優點。在圖中表示
圖1通過按本發明的金屬板構件的剖視圖；圖2圖1的金屬板構件組裝前；圖3按本發明的金屬板構件另一種實施形式；圖4按本發明的金屬板構件第三種實施形式；圖5通過按本發明的金屬板構件的剖視圖；圖6通過另一種按本發明的經冷壓加工工序後的金屬板構件剖視圖。
圖1表示按本發明的金屬板構件10的局部，它有一個支承部分12和一個工作部分14，後者裝入支承部分12的一個設計為通孔的缺口16中。雖然圖1中包含的只是按本發明的金屬板構件10的一種簡化了的視圖，不過它說明了一種按本發明可以實現的工作部分在支承部分中理想的齊平地裝配。在這方面重要的是，工作部分14無縫隙地壓入支承部分12的缺口16中。包括工作部分14和缺口16彼此相對的壁面在內的焊接區非常小，並避免焊縫部分高出支承部分12或工作部分14安裝段的表面，這主要是如圖2所示通過在缺口16的周邊以及必要時在工作部分14的周邊，設置環形倒角16a或14a。在工作部分14和支承部分16的裝配狀態，倒角16a和14a構成了一個槽狀坡口，在焊接過程中它面朝著雷射束或電子束。在焊接時，此槽狀坡口中容納熔融的材料，所以焊接結束後基本上形成一個平的表面，如圖1中示意表示的那樣。
有利的做法是，工作部分14安裝段的直徑D，選擇為略大於支承部分12缺口16的直徑d。在這一方面，預緊度(Vorspannlast)最好選為約1/10毫米，這對於保證工作部分14無接縫間隙地壓入支承部分12中已經足夠。
下面藉助於一個數值例更進一步對此加以說明支承部分12的缺口16的直徑d為20毫米±0.02毫米公差(最大公差值±0.05毫米)。
工作部分14安裝段直徑D為20.1毫米，公差為+0.03/-0.01毫米。
用於缺口16的孔的允許公差，取決於用於工作部分14安裝段外徑的允許公差值。
在藉助於雷射束焊接時，最好用直徑為0.3毫米的雷射束進行工作，它可以使材料有最低程度的加熱，其結果是可以提供非常高的焊接速度，因為焊縫很快重新冷卻，並與此同時提供在支承部分12與工作部分14之間的一種牢固的連接。在工作部分14和支承部分12之間幾何關係的移動亦即改變，如在使用有接縫間隙的情況下用雷射束焊接時可能發生的那樣，在這裡則不可能發生。
工作部分14壓入支承部分12中後將其固持住的固定力，應最好為50公斤或更大。為了壓入，所使用的擠壓壓力約為5噸或更大。
對於這種類型的壓入，組裝好的金屬板構件可以沒有任何問題地進行運輸，不必擔心在運輸中由于振動而使工作部分14會從支承部分12中脫出或那帕只是相互移動，並可以在另一個地點焊接。
由於垂直設置缺口16以及工作部分14安裝段的壁面，所以存在著這種可能性，即，焊接可從這一個或那一個表面開始，所以這可以根據金屬板構件的幾何形狀自由選擇。
將工作部分14固持在支承部分12中的預緊力，應為工作部分自重的2倍或2倍以上。預緊力的上限出現在引起了支承部分或工作部分不允許或不可容忍的變形時。支承部分和工作部分彼此相對壁面的焊透，亦即全面焊接，對於防止形成裂紋是重要的，而且採用按本發明的方法可以沒有任何困難地實現。
本發明的重要優點之一在於，可以使支承部分12的缺口16非常靠近彎曲邊緣，也就是說，缺口16可以直接設在支承部分12中的彎曲半徑旁。
圖3表示了按本發明的金屬板構件20的一種方案，其中，在支承部分22中焊入了一個工作部分24。工作部分24安裝成與圖3所示的支承部分22的下側齊平，但從支承部分22的上表面伸出。在支承部分22上沿著缺口26的周邊以及沿工作部分24的周邊，制有構成一個槽狀坡口的倒角26a或24a。
在下列情況下可以獲得大的抗翹曲剛度，即，按照圖4所示修改金屬板構件，圖中表示了按本發明的金屬板構件30，其中，支承部分32設有一個缺口36，在缺口36的周邊有一個環形的彎曲凸緣38。凸緣38的高度h選擇為，使h+a的和等於工作部分34的高度H。在這裡，在彎曲凸緣時形成的半徑36a，可利用來代替單獨加工的倒角。工作部分34設有環形倒角34a，它與半徑36a一起構成有利的坡口。
在所有這些舉例中，工作部分14僅僅使用了一種簡單的空心圓柱體，然而由上面的說明中可以看出，工作部分可有任何形狀，尤其是任意複雜的形狀，並可例如採用按本發明的方法由不同的部分組成。
圖5表示了一種按本發明的構件40，它有一個支承部分42和一個設計為管的工作部分44，工作部分44以其凸緣46不會失落地壓入支承部分42的一個通孔48中。沿著通孔48設有一環形的倒角48a，沿著凸緣46的周邊制有倒角46a，它們共同構成坡口。
在這種情況下，帶有凸緣46的管44是一種預製好的工作部分。
最好，圖6表示了按本發明的構件50，它有一個支承部分52和一個形式上為帶凸緣56的管55，其中，管55要在焊接過程結束後才通過一道冷成形加工工序形成，這一點由管55朝它背對支承部分52的那一端收縮的壁面可以明顯看出。由倒角52a和56a構成的坡口58在圖6中表示為填滿的，就象它在焊接過程結束後所形成的情況那樣。
權利要求
1.金屬板構件，尤其是汽車車身零件，有承載或吸收荷載的功能，它有一個支承部分和一個工作部分，其中，支承部分(12)有一個缺口(16)，用於安裝工作部分(14)的一個設計為與之互補的安裝段；在金屬板構件(10)裝配狀態下彼此相對的缺口(16)和安裝段(15)的壁，設置為基本上垂直於支承部分(12)上圍繞著缺口的表面；缺口(16)和安裝段(15)的尺寸設計為，使工作部分(14)能通過它的安裝段，不會失落和無接縫間隙地壓入支承部分(12)的缺口(16)中；以及，工作部分(14)與支承部分(12)在它們的彼此相對的安裝段和缺口壁面區域內，通過雷射束或電子束焊接在一起。
2.按照權利要求1所述的構件，其特徵為缺口(16)和安裝段(15)的尺寸設計為，它們彼此相對的壁面沿整個表面互相貼靠。
3.按照權利要求1或2之一所述的構件，其特徵為缺口(16)和安裝段(15)的尺寸設計為，工作部分(14)以壓配合具有預緊力地固定在支承部分(12)中，使焊接過程中，在與彼此相對的壁面相鄰的構件區熔化時，能保持住工作部分(14)相對於支承部分(12)的幾何位置。
4.按照前列諸權利要求之一所述的構件，其特徵為安裝段(15)的壁厚大於支承部分(12)的壁厚。
5.按照權利要求4所述的構件，其特徵為支承部分(12)在缺口(16)的周邊處至少局部地有一個彎曲的凸緣(38)。
6.按照前列諸權利要求之一所述的構件，其特徵為工作部分(14)由兩個或多個分開製造的部分組成。
7.按照前列諸權利要求之一所述的構件，其特徵為支承部分(12)與工作部分(14)按區焊接。
8.按照前列諸權利要求之一所述的構件，其特徵為支承部分(12)與工作部分(14)氣密地互相焊接在一起。
9.按照前列諸權利要求之一所述的構件，其特徵為支承部分(12)沿缺口(16)和/或工作部分(14)的周邊沿其周邊制有環形倒角(14a；16a)，它們構成一個坡口。
10.製造金屬板構件尤其是汽車車身零件的方法，這種構件有承載或吸收荷載的功能，它由支承部分(12)和工作部分(14)組成，其中，支承部分(12)有一個缺口(16)，用於安裝工作部分(14)的一個設計為與之互補的安裝段(15)，此方法有下列步驟工作部分(14)在其安裝段(15)中的尺寸應設計為，使之可無縫隙地壓入支承部分(12)的缺口(16)中；將工作部分(14)通過其安裝段(15)壓入支承部分(12)的缺口(16)中，使工作部分(14)不會失落地固定在支承部分(12)中；以及藉助於雷射束或電子束將缺口(16)與安裝段(15)互相相對的壁面區焊接起來。
11.按照權利要求10所述的方法，其特徵為將工作部分壓入支承部分中，使支承部分(12)與工作部分(14)之間建立壓配合連接，這種連接中不存在吸水的毛細管。
12.按照權利要求11所述的方法，其特徵為這種壓配合連接相對於100毫米水柱是防水的。
13.按照權利要求10至12之一所述的方法，其特徵為支承部分與工作部分的連接是焊透的。
14.按照權利要求10至13之一所述的方法，其特徵為在焊接彼此相對的壁面區時，使用具有直徑約為0.2至0.5毫米，最好為0.3毫米的雷射束或電子束。
全文摘要
為了優化具有承載或吸收荷載功能的金屬板構件，尤其是汽車車身零件的性能以及簡化其製造方法，建議，此金屬板構件有一個支承部分和一個工作部分，其中，支承部分有一個缺口，用於安裝工作部分的一個設計為與之互補的安裝段；在金屬板構件裝配狀態下彼此相對的缺口和安裝段的壁，設置為基本上垂直於支承部分上圍繞著缺口的表面；缺口和安裝段的尺寸設計為，使工作部分能通過它的安裝段，不會失落和無縫隙地壓入支承部分的缺口中；以及，工作部分與支承部分在它們彼此相對的安裝段和缺口的壁面區域內，通過雷射束或電子束焊接在一起。
文檔編號B62D21/09GK1160381SQ95195678
公開日1997年9月24日 申請日期1995年10月10日 優先權日1994年10月15日
發明者奧託·辛格, 格哈德·威登, 京特·埃普勒, 漢斯-于爾根·莫 申請人:西瑪-泰克辛格-梅耶有限公司