CN101670812B - 非线性焊接板和减轻重量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及非线性焊接板和减轻重量的方法。一种结构性内衬一例如车门内衬由包括不同厚度的板材部分的工程非线性焊接板材形成，一种在拉模工艺中减小板材质量并重新分配所受应力的方法，和一种具有控制裂缝装置的改进的三件式拉模，该三件式拉模适用于在该工艺中压制板材以及使板材失效局部化、最小化和重新定向到诸如车门扬声器孔之类的预定位置。

Description

非线性焊接板和减轻重量的方法

相关申请

本专利申请要求2008年8月30日提交的申请号为61/093313、发明名称为“非线性焊接板和减轻重量的方法”的美国临时专利申请的优先权，该临时专利申请所公开的内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及由拼焊板形成的结构性内衬，例如使用在车门制造中的类型，更具体地涉及包括通过非线性焊接连接在一起的多个子部分的板和一种减轻其重量的方法。

背景技术

结构性内衬-例如使用在车门构造中的类型提供了对封装在内部的部件的支撑，并且增加了结构容量。例如，就车门而言，应该理解的是内衬提供了侧面冲击加强件并形成了电子、门锁、和窗户部件的壳体。但是，这些内衬增加的重量使得需要最大程度地减少与之相关的材料。这样一来，由不同厚度(例如0.8和1.8mm)的薄板金属型材构成的多部分轻质量铝板通常被用于结构中，其中型材的比例构成了内衬的整体重量。竖向线性焊接线通常用于连接型材，且较厚的材料朝向内衬的前方布置以便支撑门铰链。焊接线的最终位置部分地由邻近线性焊点的薄板材料的可成形性决定。

例如，如图1和1a中的现有技术所示，车门内衬1在三件式拉模2内模压且由拼焊板(TWB)3形成。TWB3通常由0.8mm的坯件(即薄金属板等)4和1.8mm的坯件5沿着共同的直缘由连续线性焊点6连接在一起而形成。为了减轻质量，焊接线6布置成使得较厚的坯件相对于整个板材面积最小化。在图1a中，应该理解的是向前移动线性焊接线将使得当1.8mm材料被0.8mm材料替代时门内衬的质量会减少。然而，这导致各种问题，例如沿焊接线下部三分之一部分的应变增加，下边缘附近的薄材可能失效，以及对额外拉模的需求和/或对承重垫(tonnage pad)增加的允许。

发明内容

本发明提供了一种工程非线性焊接板的创新应用和解决上述问题的减小结构性内衬质量的方法。除了其他方面，本发明的方法在生产净重节省的结构性内衬方面是有用的，这些结构性内衬例如是汽车车门内衬，这提高了燃油经济性。通过减轻质量，本发明还有利于减少相关原材料的成本，包括减少板材成本。本发明可使用现有的三件式拉模进行实施且需要最小限度的附加试验。此外，本发明有利于通过附加在拉模组件上的受控裂缝装置来将失效位置重新定位到更容易管理的新位置。在这方面，非线性焊接板的可成形性通过受控裂缝装置的使用得到提高。最后，本发明对提供用于TWB制造的改进的板材嵌套和固定也是有用的。

在优选实施方式中，本发明的目的是通过重新定位焊接线来减少用于制造门面板的1.8mm坯件的数量，使得更多的1.8mm坯件被0.8mm坯件所替代。本发明提供一种用于在拼焊板内重新分配成型应变的方法，使得较少的厚材料可被用在门内衬的拉模过程中。与传统的线性焊接应用相比，曲线或非线性焊接线更均匀地拉紧薄板材料、延迟初始缩颈，并且失效位置被重新定位成与扬声器孔成一条直线。为了达到后者的效果，使用拉模中的受控裂缝装置以使本发明的益处最大化。

上述以及其他特征通过下面的附图和详细描述而被举例说明。

附图说明

以下参考示例性比例的附图详细说明本发明的优选实施方式，其中：图1所示为现有技术的三片式拉模和冲压前的拼焊板的示意性正投影图；图1a所示为现有技术的由具有不同厚度的第一和第二板材组成的门内衬的正投影图，其中示出了具有下部第三长度L1的线性焊接线；图2所示为根据本发明优选实施方式的由具有不同厚度的第一和第二板材组成的门内衬的正投影图，其中示出了向前移动且具有大于L1的下部第三长度L2的非线性焊接线；图3所示为根据本发明优选实施方式的具有位于扬声器孔内的控制裂缝装置的三件式拉模和冲压前的非线性焊接TWB的示意性正投影图；图4所示为根据本发明第二优选实施方式的由具有不同厚度的第一和第二板材组成的门内衬的正投影图，其中示出了向前移动并且具有大于L1的下部第三长度L2和构造为绕过镜子衬垫的上部的非线性焊接线；和图5所示为图1和2或4中焊接线的下部第三轮廓的示意图，尤其示出了在载荷作用下的L1和L2。

具体实施方式

本发明涉及一种呈现平面外形结构的焊接多部分结构性内衬10和一种减轻其质量的制造应用或方法。更具体地，本发明提供一种创新方法，该方法重新分配在由相对较厚和相对较薄的钢质型材(或“板材”)12、14组成的拼焊板(TWB)内的成型应变，使得在内衬10的拉模中使用的薄材料的数量增加以替代厚材料(比较图1a和图2和4)。

如本领域中公知的，内衬10通常用于增加结构容量或为外部结构提供壳体和/或加强，例如前车门或后车门，如图示实施方式中所示。尽管相对于车门实施方式进行了描述和说明，应该理解的是本发明的优点可用在其他应用中，和其他车结构上，例如发动机罩、车箱盖等。也就是说，对优选实施方式的以下说明本质上仅仅是示例性的而不是对本发明、其应用或用途的限制。

在本发明的第一方面，如图2和4中最佳地示出的，和现有技术方法比较，曲线或非线性板材焊接线16被制造为更均匀地拉紧薄板且在焊接线的下端处延迟初始缩颈的开始。更具体地，应该理解的是薄板材14受到的最大应力和因此产生的变薄发生在焊接高度的下部三分之一处，焊接线16在下部三分之一处显示为弯曲的或非线性的轮廓。如图5所示，和线性焊接线相比，在这个位置线16的曲率导致更大的长度，且因此获得较大的截面面积以传递在车门下前角成形时引起的横向轴向载荷P2。这减少了薄板材14受到的应力并使得线16能够向前移动，因此减少厚板材的分量。

例如，在图2中，非线性焊接线16示出为由S1、S2和S3三部分组成，且它们的交叉处限定为三个角和两个半径，三个角分别为a1(0(+/-15)度)、a2(70(+/-15)度)、a3(0(+/-15)度)，两个半径分别为R1(100+/-50mm)和R2(100+/-50mm)，其中，上部S1和交叉处在焊接高度的非临界的上部三分之二内延伸。基于观测，在下部三分之一处的焊接线角(从水平面测量为a2)最优为22.5度。这进一步增加了承载拉伸载荷的面积，局部化失效，并将失效从门的下边缘移开。替代性地，应该理解的是提供了大于L1的L2的其他非线性结构可被使用以减小厚板材部分。在图4中，示出了具有四个弯曲部分和五个直线部分的焊接线16，其进一步绕过车门镜子衬垫12a，且因此提供了厚板材材料接合以增加结构支撑。

如前所述，焊接线外形优选地被优化为重新设置失效到合适的位置，这允许内衬10下边缘附近的厚板材材料的进一步减少。也就是说，最佳的a2使失效位置远离下边缘且朝向扬声器孔18升高，这使得在下部三分之一处焊接线16能够进一步向前移动。应该理解的是在这个区域内焊接线16的向前移动导致在薄板材卷材的工程废料内的节省，这使得在S2和S3的交叉处具有最大宽度或变换点(buy point)。这样，应该理解的是较宽的薄板材12将不再需要在该位置代替厚材料；或者，换句话说，以这种方式对厚板材12跨度(pitch)的减少不会影响0.8mm板材14的质量负担。

在本发明的另一方面，一种形成内衬10的方法包括使失效点局部化和重新定位到更容易管理的位置，例如，和门的扬声器孔18成一条直线。这里，应该理解的是，与受控裂缝装置22配合使用的其他传统三件式拉模20可用于在拉模工艺中控制裂缝24的形成，且不需要额外的拉模和/或承重垫(tonnage pad)。也就是说，现有的三件式拉模在此可通过增加受控裂缝装置22而被改进以用于将扬声器废料孔接合在门内衬10的J平面上(即，总体上平行于限定扬声器孔等的门外表面的内表面)。在这个位置，应该理解的是，膨胀后的优选裂缝24整个包括在扬声器孔18内，使得当压制孔18时裂缝24随之被丢弃。

除了设置非线性焊接线16，受控裂缝24的形成可用于在减小门质量、增加板材的节省量和增加车辆燃油经济性等方面提高效率。更具体地，受控裂缝24用于在拉模期间影响内衬10的下前角的材料供给、以及延迟失效点局部化和减小失效程度，失效点优选地在受控裂缝24的阴影内定位。这样，裂缝24优选地在孔18的下半部分内定位并与其边缘隔开，以便在拉摸期间为膨胀留出空间。

在优选实施方式中，受控裂缝装置22定时从底部(即，拉摸或模压过程的结尾)至少6mm-最优选10mm处与薄板材14接合。应该理解的是，这增加了裂缝24的可成形窗口，并允许焊接线16在厚板材变换点p处进一步向前移动。结果，在图示实施方式中1.8mm的板材跨度可实现为低达372mm。

在示例性的门应用中，表1示出了用于将传统的产品内衬和包括当前非线性焊接线方法的其他减少质量的方法进行对照的修整过的拉模内衬10的相对节省质量：

表1门内衬焊接结构            总质量(kg)            净重节省(kg)传统生产3PC                8.86                      ——50mm前移线性焊接4PC        8.73                      0.13100mm前移线性焊接4PC       8.54                      0.32非线性焊接w/受控裂缝3PC    8.31                      0.55

因此，从表1可以看出，所提出的具有受控裂缝的非线性焊接板材的使用导致1.8mm板材12的用料减少，这相当于每个门0.55kg，或每辆4门车2.0kg(未示出)。此外，能够观察和预测到，具有在离开拉模行程底部8和10mm处接合的受控裂缝的1.8mm坯件的质量减少的样本分别提供净重节省0.80和1.01kg。这些数据来源于焊接线16从变换点处进一步前移12mm的结构，并且对于在8和10mm处的裂缝接合而言，跨度能额外减少25mm，同时仍然满足可成形性要求。此外，可观察到，薄板材14在行程底部的焊接线16处的最大减薄度为19％，且在离开底部8mm处接合受控裂缝导致底部的最大减薄度为17％。因此，应该理解的是，使用正时窗口在离开拉模行程底部6和10mm之间的位置处接合受控裂缝装置22导致产生可成形性的额外强度和具有非线性焊接板材的额外的质量和板材节省。

如表1所示，移位线性焊接也显示出质量节省，但是，如前所述，它们要求额外的拉模，和/或承重衬垫以承受从80到120吨的必须施加的力。此外，应该理解的是，由移位线性焊接构造成的TWB不满足可成形性要求。

为了实现原材料的节省，应该满足的是，厚板材12的减少必须抵消0.8mm材料由于焊接线16的位置向前变化而导致的负担增加(penalty increase)。在特定样本中，能够观察到，0.69kg的0.8mm板材14的负担增加是由于两个突出板材嵌套的材料跨度尺寸的增加而产生的，如用于门生产的通常情形。也就是说，在非线性焊接下的板材14的凸起部分需要较宽的起始板材。应该理解的是，提供了两个突出板材，这样一来每个板材的板材质量的净负担增长是0.69/2或大约0.35kg。

当从前述厚板材节省材料中减去0.35kg的薄板材负担时，应该理解的是，使用本发明的方法可实现达到0.66kg的净质量节省。还应该理解的是，由本发明引起的净成本节省取决于用于TWB生产的板材预定成本和夹具成本、以及非线性板材的TWB焊接的合成件的成本增量。

该书面描述使用示例公开了本发明，其中包括最佳模式，并且使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明受专利权保护的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技术人员能想到的其他示例。如果它们具有与权利要求书的文字语言没有区别的结构性元件，或者如果它们包括与权利要求书的文字语言没有无实质性区别的等同的结构性元件，则这些其他示例将落入权利要求书的保护范围内。

同样，如本文中所使用的，术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序或重要性，而是用于区别一个部件和另一个部件，术语“这”、“一”和“一个”不表示对数量的限制，而是表示存在至少一个被引用的物件。所有指向给定部件或测量值的相同数量的范围都包含端点且可以独立组合。

Claims (16)

1.一种适于与外部结构性壳体一起使用并通过拉模工艺生产的结构性内衬，所述内衬包括：

限定多个不同厚度的多个金属部分，其中，所述多个金属部分通过非线性焊接线连接，该焊接线构造成在该拉模工艺期间在限定最大厚度的第一部分内产生凹部并在限定最小厚度的第二部分内产生凸状轮廓，并且减小该焊接线附近受到的应变，其中，该内衬限定一高度，该拉模工艺沿着该高度产生最大应力部分，并且焊接线构造为在该最大应力部分内具有弯曲焊接部。

2.如权利要求1所述的内衬，其中，所述内衬限定一高度，并且所述凹部和所述凸状轮廓协同性地构造为在该高度的下部三分之一内产生弯曲焊接部。

3.如权利要求1所述的内衬，其中，该壳体是车门。

4.如权利要求3所述的内衬，其中，该第一部分具有1.8mm的厚度且该第二部分具有0.8mm的厚度。

5.如权利要求1所述的内衬，其中，该第二部分在预定位置限定有受控裂缝。

6.如权利要求5所述的内衬，其中，该壳体是车门，并且由该第二部分限定的所述受控裂缝被形成在扬声器孔附近。

7.如权利要求1所述的内衬，其中，该焊接线包括两个弯曲部分和三个直线部分，这些弯曲部分和直线部分协同性地限定出三个角度。

8.如权利要求7所述的内衬，其中，所述角度包括第一角度a1-等于0加上或减去15度、第二角度a2-等于70加上或减去15度、和第三角度a3-等于0加上或减去15度。

9.如权利要求7所述的内衬，其中，每个弯曲部分由100加上或减去50mm的半径形成。

10.如权利要求7所述的内衬，其中，该焊接线由四个弯曲部分和五个直线部分限定。

11.一种适于与外部车门壳体一起使用并通过拉模工艺生产的结构性内衬，所述内衬包括：

限定多个不同厚度的多个金属部分，其中，所述多个金属部分通过非线性焊接线连接，该焊接线构造成在该拉模工艺期间在限定最大厚度的第一部分内产生凹部并在限定最小厚度的第二部分内产生凸状轮廓，并且减小该焊接线附近受到的应变，

其中，该内衬限定一高度，该拉模工艺沿着该高度产生最大应力部分，并且该焊接线构造为在该最大应力部分内具有弯曲焊接部，

其中，该第二部分限定受控裂缝，并且使得该受控裂缝形成在扬声器孔附近。

12.一种利用三件式拉模构造结构性内衬的方法，所述方法包括：

a.相对于该拉模固定具有不同厚度的多个金属板材，其中，第一板材具有最大厚度和凸状轮廓，第二板材具有最小厚度和凹部，该凸状轮廓与该凹部相配合以便形成连续界面；

b.沿着该界面形成非线性焊接，以便连接所述板材并生成拼焊板；

c.相对于所述拉模固定所述拼焊板；和

d.在压制过程中将所述拼焊板拉伸成预定构造，以便形成所述内衬；

其中，该内衬限定一高度，压制过程中沿着该高度产生最大应力部分，并且焊接线构造为在该最大应力部分内具有弯曲焊接部。

13.如权利要求12所述的方法，其中，该拉模包括控制裂缝装置，并且步骤c)和d)进一步包括如下步骤：相对于所述拼焊板定位该控制裂缝装置；和在该压制过程期间在所述拼焊板内的预定位置处产生局部失效。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述控制裂缝装置在预定正时窗口内与所述拼焊板接合。

15.如权利要求14所述的方法，其中，该预定正时窗口是从该压制过程结束的地方6到10mm。

16.如权利要求14所述的方法，其中，该第二板材限定扬声器孔，并且所述预定位置与该扬声器孔邻近。

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