金属板构件的制作方法

专利名称：金属板构件的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属板构件，尤其是具有承载或吸收荷载功能的汽车车身零件。车身零件的板厚主要由在其按规定使用时作用在构件上的外力决定。不过在大多数情况下车身金属板构件负载最大的区域只占全部构件面积的一小部分。这些高应力的特别荷载区在大多数情况是传力区。
由于迄今对在它中间只有少部分区产生高应力的车身构件进行必要的板厚设计时，不仅存在加多了材料的消耗，而且在生产时这种附加的材料使用还引起增大技术性费用，导致提高生产成本。除此以外，还使这种构件有比较大的重量。
在实际工作中力图通过给予高应力区以更高的强度和/或刚度，使前言所介绍的金属板构件做到有比较小的基本板厚。这样做降低技术性费用，并将附加的材料使用减少为仅限于绝对需要的部位。在这一方面主要有两种解决途径a)为了提高强度和刚度，构件需要附加的造型(增强凸缘、罐状结构等)，使高荷载区更加稳定。然而，当在高荷载区内由于其他的要求需要特殊的支承面(例如平的支承面)时，或此高荷载区尺寸很小时(例如与车身直接连接的前和后减震器支柱的传力区)，这种可能性便受到了限制。当然，要有足够高的强度和/或刚度往往需要构件有复杂的造型。
b)通过形式上为成型的或凸缘的增强结构和双层结构的附加金属板部分来增强基本板厚，这些附加的金属板部分通过焊接、卷边连接(Durchsetzfuegen)、胶粘等与基本的金属板构件连接，从而有助于提高强度和/或刚性。然而，业已证实，基本的金属板部分与附加的金属板部分的连接部位，往往成为一个附加的薄弱环节，因此必须加以改进。除此之外，附加的金属板部分常常需要与复杂的构件形状相配，因此提高了生产成本，或有时无法应用在要求使用的部位，因为已经有其他构件妨碍此附加的金属板部分进行适当的连接。此外，由于一个附加的金属板部分不可能与要增强的构件同质地连接，所以不能充分发挥附加的金属板部分所设想的作用。
除此之外，在DE4104256A1中建议，在一道工序中加工工作部分和在支承部分中的互补缺口(Ausnehmung)，其中使用以一个偏离90°的角对准表面的激光束。工作部分在留有接缝间隙的情况下置入互补的缺口中，缝隙用于在以后的激光焊过程中耦合激光束。这里的缺点是焊缝较厚，通常必须对它补充加工，尤其是，采用这种方法不能生产出支承部分相对于工作部分具有能预先确定的准确几何位置的构件。
本发明的目的是创造一种没有上述缺点的改进的金属板构件。
按本发明为达到此目的，在一种前言所述类型的金属板构件中包括彼此独立制造的支承部分和工作部分，其中，支承部分有一个缺口，用于安装工作部分的一个设计为与之互补的安装段；在金属板构件的装配状态彼此相对的缺口和安装段的壁，设置为基本上垂直于支承部分上围绕着缺口的表面；缺口和安装段的尺寸设计为，使工作部分能通过它的安装段不会失落和无缝隙地压入支承部分的缺口中；以及，工作部分与支承部分在它们彼此相对的安装段和缺口的壁面区域内，通过激光束或电子束焊接。
壁面的垂直设置对于安装段不会失落和无缝隙地压入支承部分的缺口中有重要意义。只要保证工作部分能无缝隙地压入支承部分中，便可以在以后的激光束或电子束焊接时在支承部分与工作部分之间实施一种连接，这种连接所具有的强度可以与一个整体材料本身的强度相比。
通过将支承部分与工作部分彼此独立地制造，可以将支承部分的板厚减到能承担其支承功能的条件下的最低程度，而在工作部分中则根据其能胜任工作部分的功能来选择板厚。
与此同时，这种结构允许在工作部分的生产方面在规模标准化，使所生产的工作部分可以应用在不同的支承部分中。
此外，按本发明的金属板构件具有能预先准确决定其几何尺寸的优点，亦即工作部分相对于支承部分的几何位置，因为通过将工作部分以其安装段按不会失落和无缝隙的方式压入支承部分的缺口中，保证了即使在激光束或电子束焊接过程中工作部分也能不动地固定在支承部分的缺口中。与具有缝隙进行加工的情况相比，这样做导致显著提高所生产的金属板构件的质量。
缺口和安装段的尺寸最好设计为，它们彼此相对的壁面沿整个表面互相贴个靠。因此，获得了一种特别牢固的装入支承部分中的工作部分的固定，并在以后激光束或电子束焊接时有极为良好的定心。此外，在支承部分与工作部分之间还可提供大面积的连接。
另一方面，通过沿安装段和缺口的壁面非完整的焊接，可以有目的地选定在规定的撕裂力作用下的额定破裂点。
缺口和安装段的尺寸最好设计为，使工作部分以压配合具有预紧力地固定在支承部分中，使得在焊接过程中，在与彼此相对的缺口和安装段壁面相邻的构件区熔化时，能准确保持住工作部分相对于支承部分的几何位置。
在按本发明的构件中，通过适当选择一种比支承部分的材料更为优质的材料，可以达到提高工作部分的强度和刚度的目的，但另一方面也可以通过与支承部分的壁厚相比增加安装段的壁厚来做到这一点。在这种情况下，安装段较大的壁厚可以没有任何困难地与支承部分较小的壁厚牢固连接。
若在支承部分中的缺口有一个弯曲的至少沿局部周边的凸缘，则可以达到进一步增加支承部分与工作部分之间的连接强度。凸缘最好弯到这样的程度，即，支承部分包括凸缘高度在内的厚度，与工作部分安装段的厚度一致。凸缘的弯角最好为90°，需要时可以几乎是光滑地实现到板厚增加的区域的过渡。
支承部分的缺口，必要时还包括弯曲的凸缘，可制有朝向开口的倒角，用于在实施焊接过程时导引激光束或电子束。除此之外，工作部分沿其周边在面朝激光束或电子束的一侧，也制有一环形的倒角，它与支承部分的倒角一起构成封闭的槽状坡口(Schweissbadaufnahme)。在焊接过程中，坡口容纳熔融的材料，并防止形成凸出支承部分和/或工作部分表面之外的连接焊缝。
倒角或由倒角形成的坡口的尺寸根据有关的支承部分和工作部分的金属板厚度确定。
若一根管子作为工作部分焊在支承部分中，则倒角最好制在构件背对管子的那一侧上。因此保证要连接在一起的元件的连接为一种平面的连接，这就使构件有可能平面地支靠。
在支承部分和工作部分组合并焊接后，此金属板构件可以在一个工具中成形。但也可以规定此金属板构件的支承部分事先已经得到了它的最终形状，所以压入工作部分并与支承部分实施焊接便成为最后一道工序。
工作部分本身又可以由两个或多个分开制造的部分组成，就象前面针对金属板构件本身所介绍的那样。当然，支承部分可以不是只有一个缺口和只安装一个工作部分，而是有两个或两个以上。
工作部分最好与支承部分气密地焊接。
按本发明的金属板构件的使用场合主要在金属板轻结构区域内，也就是说用于各种类型的汽车内、一般的机械制造业中等，在那里，在构件上局部作用有高荷载，并要求材料积聚以增加板厚。在轿车的已准备好去油漆的车身中，这些主要是已准备好去油漆的车身用于所有安装部件的装配部位，例如行驶部分、发动机、变速器、排气系统等。
在这种情况下，本发明允许免除为获得足够的强度和刚度而采用附加的增强装置或双层结构以及很大的板厚。
因而可以有目的地使用材料，并可以是一种重量优化的轻型结构。
局部大板厚区可以使用一种与用于支承部分的基本材料不同的可焊接的优化材料；例如可在支承部分选出的金属板中使用高强度板。
在局部增大板厚的区域内也可以按照目前流行的成形可能性，自由地选择构件形状。
与附加的拼接增强的板厚相比，为了强度和刚度在局部增大板厚的区域内板厚的增加可利用全部范围，因此获得增强区内有均匀的受力分布，并因而达到均匀地传力。
由于可借助于弯曲的凸缘实现从增大板厚的区域到支承部分板厚区光滑的过渡，所以避免了力的突变，并因而避免了危险的应力峰值。
此外，增大板厚的区域可以任意选择，所以也可以考虑具有特别复杂的传力区的情况。
本发明特别适用于经济地生产具有任意数量有目的设置的通道(Durchzug)的车身金属板构件，其中，构件形状可以任意设计。在这种情况下，具有可选择的变化底面的通道作为工作部分，焊在作为支承部分的底板中。作为支承部分的底板可以在焊入工作部分(通道)前已经成形，或设有通道的支承部分随后接着成形。尤其在将通道焊入底板中时建议，在支承部分中的缺口设弯曲的凸缘。
同样还存在这种可能性，即，作为工作部分要焊接的通道仅仅是，或附加地，在其安装段的边缘有一个弯曲边。以此方式，到底板或到已完成成形的支承部分的过渡可以适配或最佳化。
通道亦即工作部分的板厚，无须如上面在本发明的一般性说明中所提及的那样与支承部分的板厚一致。
可以设想，选择各种标准通道制备成标准的工作部分，它们具有确定的底面和不同的板厚等级作为基本品种，用于构成具有按目的设置的通道的车身构件。用于制成此车身金属板构件的有关的支承部分，根据要求设此标准的通道。
由于按本发明的金属板构件，对于在车身金属板构件中十多年来用于已准备好去油漆的车身中并成功地用作传统的焊装螺孔塞方案的替代品的通道，无论是在降低生产成本方面，还是在减少结构重量方面，均作出了显著的改进。
在传统的方案中，按冷挤压成型法由底板冲压出形式上为管的材料积聚。取消了焊入一个焊装螺孔塞。通过实心件在管子区冷压加工带来的结果是，与焊装螺孔塞相比，通道有明显提高了的强度值。
当然，可获得的通道尺寸主要取决于底板的原始板厚。为制成通道所需要的变形步骤的次数和所需要的挤压力，与用于周围的构件区所要求的变形操作相比，在大多数情况下都很大。由于首先必须以平的底板为出发点进行构件的通道变形，然后构件才能成形为所期望的形状，所以造成变形步骤的总次数比较多。构件向外弯曲越大，由于变形步骤次数多而使压制技术的化费越高，因此方法的经济性受到了限制。尤其在构件形状复杂的情况下，要在周围材料成形时将在第一道工序中制成的通道固定在所要求的位置上是非常困难的。
然而，按本发明的构件或在下面还要介绍的按本发明的这种构件的制造，恰好为这些使用场合提供了补救办法。
在按本发明用于制造上述由支承部分和工作部分组成的金属板构件的方法中，制造包括此支承部分，支承部分有一个缺口，用于安装设计为与之互补的工作部分的安装段，其中，工作部分在其安装段的尺寸应设计为，它能无缝隙地压入支承部分的缺口中；工作部分以安装段压入，所以工作部分可以不会失落地固定在支承部分中；以及，借助于激光束或电子束将缺口与安装段互相相对的壁面区焊接起来。
在将工作部分压入支承部分中时，最好在支承部分与工作部分之间建立一种压配合连接，这种压配合连接中不存在吸水的毛细管。这就要求缺口和安装段的壁面的表面粗糙底低。在这一方面的重要优点在于，一方面，焊接区亦即支承部分材料和工作部分材料被熔化的区域可以保持得很小，另一方面，保证在支承部分与工作部分之间制成一条极不容易腐蚀的焊缝。
出自于上述同一个理由，这种压配合连接最好制成相对于100毫米水柱是防水的。
支承部分与工作部分的连接最好是焊透的，所以就涉及的缺口和安装段彼此相对的壁面而言，提供的是支承部分与工作部分的全面焊接。
下面借助于附图更详细地说明本发明的这些和其他的一些优点。在图中表示

图1通过按本发明的金属板构件的剖视图；图2图1的金属板构件组装前；图3按本发明的金属板构件另一种实施形式；图4按本发明的金属板构件第三种实施形式；图5通过按本发明的金属板构件的剖视图；图6通过另一种按本发明的经冷压加工工序后的金属板构件剖视图。
图1表示按本发明的金属板构件10的局部，它有一个支承部分12和一个工作部分14，后者装入支承部分12的一个设计为通孔的缺口16中。虽然图1中包含的只是按本发明的金属板构件10的一种简化了的视图，不过它说明了一种按本发明可以实现的工作部分在支承部分中理想的齐平地装配。在这方面重要的是，工作部分14无缝隙地压入支承部分12的缺口16中。包括工作部分14和缺口16彼此相对的壁面在内的焊接区非常小，并避免焊缝部分高出支承部分12或工作部分14安装段的表面，这主要是如图2所示通过在缺口16的周边以及必要时在工作部分14的周边，设置环形倒角16a或14a。在工作部分14和支承部分16的装配状态，倒角16a和14a构成了一个槽状坡口，在焊接过程中它面朝着激光束或电子束。在焊接时，此槽状坡口中容纳熔融的材料，所以焊接结束后基本上形成一个平的表面，如图1中示意表示的那样。
有利的做法是，工作部分14安装段的直径D，选择为略大于支承部分12缺口16的直径d。在这一方面，预紧度(Vorspannlast)最好选为约1/10毫米，这对于保证工作部分14无接缝间隙地压入支承部分12中已经足够。
下面借助于一个数值例更进一步对此加以说明支承部分12的缺口16的直径d为20毫米±0.02毫米公差(最大公差值±0.05毫米)。
工作部分14安装段直径D为20.1毫米，公差为+0.03/-0.01毫米。
用于缺口16的孔的允许公差，取决于用于工作部分14安装段外径的允许公差值。
在借助于激光束焊接时，最好用直径为0.3毫米的激光束进行工作，它可以使材料有最低程度的加热，其结果是可以提供非常高的焊接速度，因为焊缝很快重新冷却，并与此同时提供在支承部分12与工作部分14之间的一种牢固的连接。在工作部分14和支承部分12之间几何关系的移动亦即改变，如在使用有接缝间隙的情况下用激光束焊接时可能发生的那样，在这里则不可能发生。
工作部分14压入支承部分12中后将其固持住的固定力，应最好为50公斤或更大。为了压入，所使用的挤压压力约为5吨或更大。
对于这种类型的压入，组装好的金属板构件可以没有任何问题地进行运输，不必担心在运输中由于振动而使工作部分14会从支承部分12中脱出或那帕只是相互移动，并可以在另一个地点焊接。
由于垂直设置缺口16以及工作部分14安装段的壁面，所以存在着这种可能性，即，焊接可从这一个或那一个表面开始，所以这可以根据金属板构件的几何形状自由选择。
将工作部分14固持在支承部分12中的预紧力，应为工作部分自重的2倍或2倍以上。预紧力的上限出现在引起了支承部分或工作部分不允许或不可容忍的变形时。支承部分和工作部分彼此相对壁面的焊透，亦即全面焊接，对于防止形成裂纹是重要的，而且采用按本发明的方法可以没有任何困难地实现。
本发明的重要优点之一在于，可以使支承部分12的缺口16非常靠近弯曲边缘，也就是说，缺口16可以直接设在支承部分12中的弯曲半径旁。
图3表示了按本发明的金属板构件20的一种方案，其中，在支承部分22中焊入了一个工作部分24。工作部分24安装成与图3所示的支承部分22的下侧齐平，但从支承部分22的上表面伸出。在支承部分22上沿着缺口26的周边以及沿工作部分24的周边，制有构成一个槽状坡口的倒角26a或24a。
在下列情况下可以获得大的抗翘曲刚度，即，按照图4所示修改金属板构件，图中表示了按本发明的金属板构件30，其中，支承部分32设有一个缺口36，在缺口36的周边有一个环形的弯曲凸缘38。凸缘38的高度h选择为，使h+a的和等于工作部分34的高度H。在这里，在弯曲凸缘时形成的半径36a，可利用来代替单独加工的倒角。工作部分34设有环形倒角34a，它与半径36a一起构成有利的坡口。
在所有这些举例中，工作部分14仅仅使用了一种简单的空心圆柱体，然而由上面的说明中可以看出，工作部分可有任何形状，尤其是任意复杂的形状，并可例如采用按本发明的方法由不同的部分组成。
图5表示了一种按本发明的构件40，它有一个支承部分42和一个设计为管的工作部分44，工作部分44以其凸缘46不会失落地压入支承部分42的一个通孔48中。沿着通孔48设有一环形的倒角48a，沿着凸缘46的周边制有倒角46a，它们共同构成坡口。
在这种情况下，带有凸缘46的管44是一种预制好的工作部分。
最好，图6表示了按本发明的构件50，它有一个支承部分52和一个形式上为带凸缘56的管55，其中，管55要在焊接过程结束后才通过一道冷成形加工工序形成，这一点由管55朝它背对支承部分52的那一端收缩的壁面可以明显看出。由倒角52a和56a构成的坡口58在图6中表示为填满的，就象它在焊接过程结束后所形成的情况那样。
权利要求
1.金属板构件，尤其是汽车车身零件，有承载或吸收荷载的功能，它有一个支承部分和一个工作部分，其中，支承部分(12)有一个缺口(16)，用于安装工作部分(14)的一个设计为与之互补的安装段；在金属板构件(10)装配状态下彼此相对的缺口(16)和安装段(15)的壁，设置为基本上垂直于支承部分(12)上围绕着缺口的表面；缺口(16)和安装段(15)的尺寸设计为，使工作部分(14)能通过它的安装段，不会失落和无接缝间隙地压入支承部分(12)的缺口(16)中；以及，工作部分(14)与支承部分(12)在它们的彼此相对的安装段和缺口壁面区域内，通过激光束或电子束焊接在一起。
2.按照权利要求1所述的构件，其特征为缺口(16)和安装段(15)的尺寸设计为，它们彼此相对的壁面沿整个表面互相贴靠。
3.按照权利要求1或2之一所述的构件，其特征为缺口(16)和安装段(15)的尺寸设计为，工作部分(14)以压配合具有预紧力地固定在支承部分(12)中，使焊接过程中，在与彼此相对的壁面相邻的构件区熔化时，能保持住工作部分(14)相对于支承部分(12)的几何位置。
4.按照前列诸权利要求之一所述的构件，其特征为安装段(15)的壁厚大于支承部分(12)的壁厚。
5.按照权利要求4所述的构件，其特征为支承部分(12)在缺口(16)的周边处至少局部地有一个弯曲的凸缘(38)。
6.按照前列诸权利要求之一所述的构件，其特征为工作部分(14)由两个或多个分开制造的部分组成。
7.按照前列诸权利要求之一所述的构件，其特征为支承部分(12)与工作部分(14)按区焊接。
8.按照前列诸权利要求之一所述的构件，其特征为支承部分(12)与工作部分(14)气密地互相焊接在一起。
9.按照前列诸权利要求之一所述的构件，其特征为支承部分(12)沿缺口(16)和/或工作部分(14)的周边沿其周边制有环形倒角(14a；16a)，它们构成一个坡口。
10.制造金属板构件尤其是汽车车身零件的方法，这种构件有承载或吸收荷载的功能，它由支承部分(12)和工作部分(14)组成，其中，支承部分(12)有一个缺口(16)，用于安装工作部分(14)的一个设计为与之互补的安装段(15)，此方法有下列步骤工作部分(14)在其安装段(15)中的尺寸应设计为，使之可无缝隙地压入支承部分(12)的缺口(16)中；将工作部分(14)通过其安装段(15)压入支承部分(12)的缺口(16)中，使工作部分(14)不会失落地固定在支承部分(12)中；以及借助于激光束或电子束将缺口(16)与安装段(15)互相相对的壁面区焊接起来。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征为将工作部分压入支承部分中，使支承部分(12)与工作部分(14)之间建立压配合连接，这种连接中不存在吸水的毛细管。
12.按照权利要求11所述的方法，其特征为这种压配合连接相对于100毫米水柱是防水的。
13.按照权利要求10至12之一所述的方法，其特征为支承部分与工作部分的连接是焊透的。
14.按照权利要求10至13之一所述的方法，其特征为在焊接彼此相对的壁面区时，使用具有直径约为0.2至0.5毫米，最好为0.3毫米的激光束或电子束。
全文摘要
为了优化具有承载或吸收荷载功能的金属板构件，尤其是汽车车身零件的性能以及简化其制造方法，建议，此金属板构件有一个支承部分和一个工作部分，其中，支承部分有一个缺口，用于安装工作部分的一个设计为与之互补的安装段；在金属板构件装配状态下彼此相对的缺口和安装段的壁，设置为基本上垂直于支承部分上围绕着缺口的表面；缺口和安装段的尺寸设计为，使工作部分能通过它的安装段，不会失落和无缝隙地压入支承部分的缺口中；以及，工作部分与支承部分在它们彼此相对的安装段和缺口的壁面区域内，通过激光束或电子束焊接在一起。
文档编号B62D21/09GK1160381SQ95195678
公开日1997年9月24日 申请日期1995年10月10日 优先权日1994年10月15日
发明者奥托·辛格, 格哈德·威登, 京特·埃普勒, 汉斯-于尔根·莫 申请人:西玛-泰克辛格-梅耶有限公司