車輛前柱結構的液壓加工及焊接成型方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種車輛前柱結構的液壓加工及焊接成型方法，所述車輛前柱結構由鋁合金外板、封閉的非對稱中空管狀結構和鋁合金連接板構成；所述封閉的非對稱中空管狀結構由鋁合金管坯料通過液壓加工成型；所述鋁合金外板的第一端通過激光焊接與所述非對稱中空管狀結構的一個端面連接；所述鋁合金外板的第二端通過點焊與所述鋁合金連接板的第一端連接；所述鋁合金連接板的第二端通過激光焊接與所述封閉的非對稱中空管狀結構的另一個端面連接。采用本發(fā)明所述的液壓加工及焊接工藝制備得到的車輛前柱結構在滿足強度需求條件下，可以減小柱橫截面面積，縮小障礙角，改善駕駛員視野；同時也減少了材料用量，提高了車輛的機械性能。
【專利說明】車輛前柱結構的液壓加工及焊接成型方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于汽車車身結構件的【技術領域】，更具體的說，本發(fā)明涉及一種車輛前柱結構的液壓加工及焊接成型方法。
【背景技術】
[0002]如圖1所示，現有技術中的汽車前柱由外板10、加強板20、內板30三個沖壓板件組成。在車輛前方發(fā)生碰撞，尤其是偏置碰撞時，所述前柱承受載荷會產生大幅變形。為了防止產生大幅變形，通常的解決辦法是加大斷面、增加內部加強件、提高材料壁厚等方法來提高和增強所述前柱的機械性能。但是采用上述解決方法會使得前柱障礙角較大，影響駕駛員可視范圍，并且增加車身重量和材料成本。構造用于車輛，例如汽車的管形構件是已知的。該管形構件通常由鋁或鎂擠壓形成并具有恒定的壁厚。然而，偶爾希望獲得具有增強剛性的管形構件，其中遠離管形構件的端部的剛性增加。
[0003]研究表明:減輕質量不僅有利于降低成本，提高車輛力學性能，而且還有利于節(jié)約能源，對于轎車，每減輕重量10%，油耗可降低8?10% ;為此， 申請人:通過前期的研究表明，使用中空的管狀結構替代所述加強板有利于提高前柱結構的剛性和強度。對于對稱空心管件來說，為了減小加工余量，一般多采用鍛件作毛坯。通過多道次粗車加鉆孔的方法完成粗加工，但這種方法有著許多弊端，如切削加工量大，材料利用率低，金屬流線被切割導致內應力過大，生產效率低；另外勞動強度大，對操作經驗要求高。從鍛件到粗加工結束，對設備的要求很高，需要壓力機、仿形車、深孔鉆、專用熱處理設備等多種大型設備，這無形當中增加了制造成本。利用液壓成形工藝進行對稱空心管件的加工可解決以上問題。采用管坯為原料成形對稱空心零件，通過管材內部施加液體壓力和軸向加力補料把管坯壓入到模具型腔使其成形為所需工件，適用于制造沿構件軸線有變化的圓形、矩形截面或異型截面空心構件，可以一次整體成形沿構件軸線截面有變化的復雜結構件，大大提高了材料利用率，減重效益顯著，加工過程不存在鍛造缺陷和機加過程中產生的熱應力，不破壞金屬的流線；加工過程一次完成，很大程度上降低了成本，提高了生產效率。然而，在本申請中所述的中空的管狀結構為非對稱結構；將液壓工藝應用于本申請中候，需要解決變形不均勻，并且膨脹后剛性和/或抗沖擊性結構性需要滿足設計目標。

【發(fā)明內容】

[0004]為了解決上述技術問題，本發(fā)明的目的在于提供一種車輛前柱結構的液壓加工及焊接成型方法。采用本發(fā)明所述的液壓加工及焊接工藝制備得到的車輛前柱結構在滿足強度需求條件下，可以減小柱橫截面面積，縮小障礙角，改善駕駛員視野；同時也減少了材料用量，提高了車輛的機械性能。
[0005]本發(fā)明所述的車輛前柱結構的液壓加工及焊接成型方法，所述車輛前柱結構由鋁合金外板、封閉的非對稱中空管狀結構和鋁合金連接板構成；其特征在于:所述封閉的非對稱中空管狀結構由鋁合金管坯料通過液壓加工成型；所述鋁合金外板的第一端通過激光焊接與所述非對稱中空管狀結構的一個端面連接；所述鋁合金外板的第二端通過點焊與所述鋁合金連接板的第一端連接；所述鋁合金連接板的第二端通過激光焊接與所述封閉的非對稱中空管狀結構的另一個端面連接。
[0006]其中，所述液壓加工成型包括以下工藝步驟:(1)準備具有預設形狀的模具，并將鋁合金管坯料放入到所述模具中；(2)閉合模具，鋁合金管坯料兩端的沖頭同時相對進給，對鋁合金管坯料的兩端進行密封；然后向鋁合金管坯料內部施加液體壓力進行脹形，壓力為90-100MPa，脹形完成后，提高壓力至120MPa，保壓5?8分鐘；(3)移出鋁合金管坯料兩端的沖頭，進行卸壓，當壓力降低到IOMPa以下時，開起模具，取出成形后的試件，即得到所述的封閉的非對稱中空管狀結構。
[0007]與現有技術相比，采用本發(fā)明所述的液壓加工及焊接工藝制備得到的車輛前柱結構具有以下有益效果:(I)由于非對稱中空管狀結構為封閉截面形狀，且焊點數量大幅度減少，零件的剛度、疲勞強度大幅度提高；(2)可以在與原結構同等斷面強度與剛性要求的前提下，將30%的斷面縮??；(3)實現斷面的小型化，駕駛席前斜方的前柱部分的視覺障礙角變小，大幅改善視認性，提高安全性能；(4)作為碰撞對策，實現高效率的斷面有效的防止了碰撞時的變形，保護了乘員，提高了安全性。(5)由于斷面為空心形狀，可以實現比傳統(tǒng)結構更薄的料厚，整體斷面的小型化與料厚的降低使減重成為可能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為現有技術中汽車前柱結構及其A-A橫截面的結構示意圖。
[0009]圖2為實施例1所述車輛前柱結構的橫截面結構示意圖。
[0010]圖3為實施例1所述非對稱中空管狀結構的液壓加工成形示意圖。
[0011]圖4為現有技術與實施例1所述汽車前柱結構的障礙角比較圖。
【具體實施方式】
[0012]以下將結合實施例和附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明。
[0013]如附圖2所示，本實施例所述的汽車前柱結構由外板40、封閉的非對稱中空管狀結構50和連接板60構成；所述封閉的非對稱中空管狀結構由鋁合金管坯料通過液壓加工成型；所述鋁合金外板的第一端通過激光焊接與所述非對稱中空管狀結構的一個端面連接；所述鋁合金外板的第二端通過點焊與所述鋁合金連接板的第一端連接；所述鋁合金連接板的第二端通過激光焊接與所述封閉的非對稱中空管狀結構的另一個端面連接。
[0014]如附圖3所示，所述液壓加工成型包括以下工藝步驟:(I)準備具有預設形狀的模具，并將鋁合金管坯料放入到所述模具中；(2)閉合模具，鋁合金管坯料兩端的沖頭同時相對進給，對鋁合金管坯料的兩端進行密封；然后向鋁合金管坯料內部施加液體壓力進行脹形，壓力為90-100MPa，脹形完成后，提高壓力至120MPa，保壓5?8分鐘；(3)移出鋁合金管坯料兩端的沖頭，進行卸壓，當壓力降低到IOMPa以下時，開起模具，取出成形后的試件，即得到所述的封閉的非對稱中空管狀結構。而根據模具的橫截面形狀可以做出所需復雜的形狀，成型后的結構即充當柱內板又作為加強的空心非對稱中空管狀結構。如圖4所示，本發(fā)明所述的汽車前柱結構與現有技術相比，可以具有更小的障礙角。
[0015]本發(fā)明所述的鋁合金材料不僅要具有高的強度，而且需要具有優(yōu)異的延伸率，并且焊接性能好。所述鋁合金外板、封閉的非對稱中空管狀結構和鋁合金連接板所采用的鋁合金具有相同的組成。所述的鋁合金材料，其含有以下質量百分比的元素:3.2?3.5wt%的 Zn、1.5 ?1.8界七％的 Cu、0.8 ?1.0wt %的 Fe、0.55 ?0.60界七％的]\%、0.32 ?0.40wt%的Μη、0.18?0.23界七％的Si，0.032?0.050的N1、0.012?0.018界七％的V，余量為Al和不可避免的雜質。本發(fā)明所述的鋁合金材料通過控制主合金元素Cu和Mg的含量在合適的含量范圍內的基礎上，通過添加適量的微量合金元素Ni和V，保證了所述的鋁合金材料既具有足夠的強度，又具有良好的延伸率。
[0016]其中，鋁合金板材的制備方法如下:先將除Ni和V以外的其它元素，按照配比裝爐熔煉，溫度為715?735°C，時間為2.5?3.0h ;按組分配比，向熔爐中加入微量元素Ni和V，并攪拌精煉0.5h后澆鑄成鑄錠，澆鑄溫度為690?710°C ;將鑄錠以0.5?1.(TC /min的加熱速率升溫到510?540°C保溫90min，再以0.5?1.(TC / min的冷卻速率降溫到410?425°C并保溫10h，然后進行熱軋；將熱軋板冷軋到需要厚度，將所述冷軋板以0.5?
1.0°C / min的加熱速率升溫到350?380°C保溫2h進行退火，再冷軋到需要的厚度，獲得鋁合金板材；本發(fā)明所述的鋁合金板材的抗拉強度可以達到350?380MPa，延伸率可以達到38?45%。然后將鋁合金板材加工成鋁合金外板和鋁合金連接板。
[0017]其中，鋁合金管坯的制備方法如下:先將除Ni和V以外的其它元素，按照配比裝爐熔煉，溫度為715?735°C，時間為2.5?3.0h ;按組分配比，向熔爐中加入微量元素Ni和V，并攪拌精煉0.5h后澆鑄成管狀鑄錠，澆鑄溫度為690?710°C;將鑄錠以0.5?1.(TC /min的加熱速率升溫到455?470°C保溫6?8小時，進行退火。
[0018]所述鋁合金外板的第一端通過激光焊接與所述非對稱中空管狀結構的一個端面連接；所述鋁合金外板的第二端通過點焊與所述鋁合金連接板的第一端連接；所述鋁合金連接板的第二端通過激光焊接與所述封閉的非對稱中空管狀結構的另一個端面連接。所述的點焊采用現有技術常規(guī)工藝即可，在此不再贅述。在激光焊接時，為了提高激光焊接時的能量利用率，并且為了增加焊接熔深，并且改善焊接效果，在激光焊接時可以首先對鋁合金表面進行活化處理，然后將所述鋁合金外板以及鋁合金連接板與所述非對稱中空管狀結構進行激光焊接:采用CO2連續(xù)激光熔透焊接，連續(xù)激光功率為2500W、掃描速度為150cm /min，表面聚焦；所述活化劑為氟化鈉、羥乙基亞氨基二乙酸和檸檬酸三銨的混合物，并且它們的質量比為2:1:2 ;使用時將所述活化劑加水混合調成糊狀處理劑并涂覆在待焊接的表面上，并且涂覆厚度為0.5mm。采用上述激光焊接工藝，焊接的熔深超過0.4mm，保證了良好的焊接性能，而且也沒有異常焊池、飛濺、裂紋產生。而如果采用常規(guī)的氟化物和氯化物活化劑，使用CO2激光焊接工藝并不能形成良好的焊接性能。
[0019]采用本發(fā)明的技術方案可以滿足車輛前柱部的可視性、碰撞安全性與輕量化的嚴格要求。骨架材料采用液壓加工可以實現各種復雜、高精度的形狀成形，可以比傳統(tǒng)結構更加自由地選擇加強材料的形狀和類型。根據對已應用的零件統(tǒng)計分析，在采用相同的鋁合金材料，并且在整體結構強度相同的條件下，液壓成型件比沖壓件成本平均降低15%?20%，模具費用降低20%?30%。
[0020]對于本領域的普通技術人員而言，具體實施例只是結合附圖對本發(fā)明進行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實現并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構思和技術方案進行的各種非實質性的改進，或未經改進將本發(fā)明的構思和技術方案直接應用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種車輛前柱結構的液壓加工及焊接成型方法，所述車輛前柱結構由鋁合金外板、封閉的非對稱中空管狀結構和鋁合金連接板構成；其特征在于:所述封閉的非對稱中空管狀結構由鋁合金管坯料通過液壓加工成型；所述鋁合金外板的第一端通過激光焊接與所述非對稱中空管狀結構的一個端面連接；所述鋁合金外板的第二端通過點焊與所述鋁合金連接板的第一端連接；所述鋁合金連接板的第二端通過激光焊接與所述封閉的非對稱中空管狀結構的另一個端面連接。
2.根據權利要求1所述的車輛前柱結構的液壓加工及焊接成型方法，其特征在于:所述液壓加工成型包括以下工藝步驟:(I)準備具有預設形狀的模具，并將鋁合金管坯料放入到所述模具中；(2)閉合模具，鋁合金管坯料兩端的沖頭同時相對進給，對鋁合金管坯料的兩端進行密封；然后向鋁合金管坯料內部施加液體壓力進行脹形，壓力為90-100MPa，脹形完成后，提高壓力至120MPa，保壓5~8分鐘；(3)移出鋁合金管坯料兩端的沖頭，進行卸壓，當壓力降低到IOMPa以下時，開起模具，取出成形后的試件，即得到所述的封閉的非對稱中空管狀結構。
3.根據權利要求2所述的車輛前柱結構的液壓加工及焊接成型方法，其特征在于:所述鋁合金外板、封閉的非對稱中空管狀結構和鋁合金連接板所采用的鋁合金具有相同的組成。
4.根據權利要求3所述的車輛前柱結構的液壓加工及焊接成型方法，其特征在于:所述鋁合金外板和鋁合金連接板由鋁合 金板材加工形成。
5.根據權利要求4所述的車輛前柱結構的液壓加工及焊接成型方法，其特征在于:所述的鋁合金，其含有以下質量百分比的元素:3.2~3.5界七％的Zn、1.5~1.8界七％的Cu、0.8 ~1.0wt % 的 Fe、0.55 ~0.60wt % 的 Mg、0.32 ~0.40wt % 的 Μη、0.18 ~0.23wt % 的Si,0.032~0.050的Ni,0.012~0.018wt%^ V，余量為Al和不可避免的雜質。
6.根據權利要求5所述的車輛前柱結構的液壓加工及焊接成型方法，其特征在于:鋁合金板材的制備方法如下:先將除Ni和V以外的其它元素，按照配比裝爐熔煉，溫度為715~735°C，時間為2.5~3.0h ;按組分配比，向熔爐中加入微量元素Ni和V，并攪拌精煉0.5h后澆鑄成鑄錠，澆鑄溫度為690~710°C ;將鑄錠以0.5~1.(TC / min的加熱速率升溫到510~540°C保溫90min，再以0.5~1.0°C / min的冷卻速率降溫到410~425°C并保溫10h，然后進行熱軋；將熱軋板冷軋到需要厚度，將所述冷軋板以0.5~1.(TC / min的加熱速率升溫到350~380°C保溫2h進行退火，再冷軋到需要的厚度，獲得鋁合金板材。
7.根據權利要求5所述的車輛前柱結構的液壓加工及焊接成型方法，其特征在于:鋁合金管坯的制備方法如下:先將除Ni和V以外的其它元素，按照配比裝爐熔煉，溫度為715~735°C，時間為2.5~3.0h ;按組分配比，向熔爐中加入微量元素Ni和V，并攪拌精煉0.5h后澆鑄成管狀鑄錠，澆鑄溫度為690~710°C ;將鑄錠以0.5~1.(TC / min的加熱速率升溫到455~470°C保溫6~8小時，進行退火。
8.根據權利要求7所述的車輛前柱結構的液壓加工及焊接成型方法，其特征在于:在激光焊接時首先對非對稱中空管狀結構進行活化處理，然后將所述鋁合金外板以及鋁合金連接板與所述非對稱中空管狀結構進行激光焊接:采用CO2連續(xù)激光熔透焊接，連續(xù)激光功率為2500W，掃描速度為150cm / min，表面聚焦。
【文檔編號】B23P15/00GK103639657SQ201310612885
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權日:2013年11月28日
【發(fā)明者】田上周一, 沈太生, 李孔琛 申請人:阿爾特汽車技術股份有限公司