车辆前柱结构的液压加工及焊接成型方法
【专利摘要】本发明涉及一种车辆前柱结构的液压加工及焊接成型方法，所述车辆前柱结构由铝合金外板、封闭的非对称中空管状结构和铝合金连接板构成；所述封闭的非对称中空管状结构由铝合金管坯料通过液压加工成型；所述铝合金外板的第一端通过激光焊接与所述非对称中空管状结构的一个端面连接；所述铝合金外板的第二端通过点焊与所述铝合金连接板的第一端连接；所述铝合金连接板的第二端通过激光焊接与所述封闭的非对称中空管状结构的另一个端面连接。采用本发明所述的液压加工及焊接工艺制备得到的车辆前柱结构在满足强度需求条件下，可以减小柱横截面面积，缩小障碍角，改善驾驶员视野；同时也减少了材料用量，提高了车辆的机械性能。
【专利说明】车辆前柱结构的液压加工及焊接成型方法
【技术领域】
[0001]本发明属于汽车车身结构件的【技术领域】，更具体的说，本发明涉及一种车辆前柱结构的液压加工及焊接成型方法。
【背景技术】
[0002]如图1所示，现有技术中的汽车前柱由外板10、加强板20、内板30三个冲压板件组成。在车辆前方发生碰撞，尤其是偏置碰撞时，所述前柱承受载荷会产生大幅变形。为了防止产生大幅变形，通常的解决办法是加大断面、增加内部加强件、提高材料壁厚等方法来提高和增强所述前柱的机械性能。但是采用上述解决方法会使得前柱障碍角较大，影响驾驶员可视范围，并且增加车身重量和材料成本。构造用于车辆，例如汽车的管形构件是已知的。该管形构件通常由铝或镁挤压形成并具有恒定的壁厚。然而，偶尔希望获得具有增强刚性的管形构件，其中远离管形构件的端部的刚性增加。
[0003]研究表明:减轻质量不仅有利于降低成本，提高车辆力学性能，而且还有利于节约能源，对于轿车，每减轻重量10%，油耗可降低8?10% ;为此， 申请人:通过前期的研究表明，使用中空的管状结构替代所述加强板有利于提高前柱结构的刚性和强度。对于对称空心管件来说，为了减小加工余量，一般多采用锻件作毛坯。通过多道次粗车加钻孔的方法完成粗加工，但这种方法有着许多弊端，如切削加工量大，材料利用率低，金属流线被切割导致内应力过大，生产效率低；另外劳动强度大，对操作经验要求高。从锻件到粗加工结束，对设备的要求很高，需要压力机、仿形车、深孔钻、专用热处理设备等多种大型设备，这无形当中增加了制造成本。利用液压成形工艺进行对称空心管件的加工可解决以上问题。采用管坯为原料成形对称空心零件，通过管材内部施加液体压力和轴向加力补料把管坯压入到模具型腔使其成形为所需工件，适用于制造沿构件轴线有变化的圆形、矩形截面或异型截面空心构件，可以一次整体成形沿构件轴线截面有变化的复杂结构件，大大提高了材料利用率，减重效益显著，加工过程不存在锻造缺陷和机加过程中产生的热应力，不破坏金属的流线；加工过程一次完成，很大程度上降低了成本，提高了生产效率。然而，在本申请中所述的中空的管状结构为非对称结构；将液压工艺应用于本申请中候，需要解决变形不均匀，并且膨胀后刚性和/或抗冲击性结构性需要满足设计目标。
【发明内容】
[0004]为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种车辆前柱结构的液压加工及焊接成型方法。采用本发明所述的液压加工及焊接工艺制备得到的车辆前柱结构在满足强度需求条件下，可以减小柱横截面面积，缩小障碍角，改善驾驶员视野；同时也减少了材料用量，提高了车辆的机械性能。
[0005]本发明所述的车辆前柱结构的液压加工及焊接成型方法，所述车辆前柱结构由铝合金外板、封闭的非对称中空管状结构和铝合金连接板构成；其特征在于:所述封闭的非对称中空管状结构由铝合金管坯料通过液压加工成型；所述铝合金外板的第一端通过激光焊接与所述非对称中空管状结构的一个端面连接；所述铝合金外板的第二端通过点焊与所述铝合金连接板的第一端连接；所述铝合金连接板的第二端通过激光焊接与所述封闭的非对称中空管状结构的另一个端面连接。
[0006]其中，所述液压加工成型包括以下工艺步骤:(1)准备具有预设形状的模具，并将铝合金管坯料放入到所述模具中；(2)闭合模具，铝合金管坯料两端的冲头同时相对进给，对铝合金管坯料的两端进行密封；然后向铝合金管坯料内部施加液体压力进行胀形，压力为90-100MPa，胀形完成后，提高压力至120MPa，保压5?8分钟；(3)移出铝合金管坯料两端的冲头，进行卸压，当压力降低到IOMPa以下时，开起模具，取出成形后的试件，即得到所述的封闭的非对称中空管状结构。
[0007]与现有技术相比，采用本发明所述的液压加工及焊接工艺制备得到的车辆前柱结构具有以下有益效果:(I)由于非对称中空管状结构为封闭截面形状，且焊点数量大幅度减少，零件的刚度、疲劳强度大幅度提高；(2)可以在与原结构同等断面强度与刚性要求的前提下，将30%的断面缩小；(3)实现断面的小型化，驾驶席前斜方的前柱部分的视觉障碍角变小，大幅改善视认性，提高安全性能；(4)作为碰撞对策，实现高效率的断面有效的防止了碰撞时的变形，保护了乘员，提高了安全性。(5)由于断面为空心形状，可以实现比传统结构更薄的料厚，整体断面的小型化与料厚的降低使减重成为可能。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为现有技术中汽车前柱结构及其A-A横截面的结构示意图。
[0009]图2为实施例1所述车辆前柱结构的横截面结构示意图。
[0010]图3为实施例1所述非对称中空管状结构的液压加工成形示意图。
[0011]图4为现有技术与实施例1所述汽车前柱结构的障碍角比较图。
【具体实施方式】
[0012]以下将结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
[0013]如附图2所示，本实施例所述的汽车前柱结构由外板40、封闭的非对称中空管状结构50和连接板60构成；所述封闭的非对称中空管状结构由铝合金管坯料通过液压加工成型；所述铝合金外板的第一端通过激光焊接与所述非对称中空管状结构的一个端面连接；所述铝合金外板的第二端通过点焊与所述铝合金连接板的第一端连接；所述铝合金连接板的第二端通过激光焊接与所述封闭的非对称中空管状结构的另一个端面连接。
[0014]如附图3所示，所述液压加工成型包括以下工艺步骤:(I)准备具有预设形状的模具，并将铝合金管坯料放入到所述模具中；(2)闭合模具，铝合金管坯料两端的冲头同时相对进给，对铝合金管坯料的两端进行密封；然后向铝合金管坯料内部施加液体压力进行胀形，压力为90-100MPa，胀形完成后，提高压力至120MPa，保压5?8分钟；(3)移出铝合金管坯料两端的冲头，进行卸压，当压力降低到IOMPa以下时，开起模具，取出成形后的试件，即得到所述的封闭的非对称中空管状结构。而根据模具的横截面形状可以做出所需复杂的形状，成型后的结构即充当柱内板又作为加强的空心非对称中空管状结构。如图4所示，本发明所述的汽车前柱结构与现有技术相比，可以具有更小的障碍角。
[0015]本发明所述的铝合金材料不仅要具有高的强度，而且需要具有优异的延伸率，并且焊接性能好。所述铝合金外板、封闭的非对称中空管状结构和铝合金连接板所采用的铝合金具有相同的组成。所述的铝合金材料，其含有以下质量百分比的元素: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，余量为Al和不可避免的杂质。本发明所述的铝合金材料通过控制主合金元素Cu和Mg的含量在合适的含量范围内的基础上，通过添加适量的微量合金元素Ni和V，保证了所述的铝合金材料既具有足够的强度，又具有良好的延伸率。
[0016]其中，铝合金板材的制备方法如下:先将除Ni和V以外的其它元素，按照配比装炉熔炼，温度为715?735°C，时间为2.5?3.0h ;按组分配比，向熔炉中加入微量元素Ni和V，并搅拌精炼0.5h后浇铸成铸锭，浇铸温度为690?710°C ;将铸锭以0.5?1.(TC /min的加热速率升温到510?540°C保温90min，再以0.5?1.(TC / min的冷却速率降温到410?425°C并保温10h，然后进行热轧；将热轧板冷轧到需要厚度，将所述冷轧板以0.5?
1.0°C / min的加热速率升温到350?380°C保温2h进行退火，再冷轧到需要的厚度，获得铝合金板材；本发明所述的铝合金板材的抗拉强度可以达到350?380MPa，延伸率可以达到38?45%。然后将铝合金板材加工成铝合金外板和铝合金连接板。
[0017]其中，铝合金管坯的制备方法如下:先将除Ni和V以外的其它元素，按照配比装炉熔炼，温度为715?735°C，时间为2.5?3.0h ;按组分配比，向熔炉中加入微量元素Ni和V，并搅拌精炼0.5h后浇铸成管状铸锭，浇铸温度为690?710°C;将铸锭以0.5?1.(TC /min的加热速率升温到455?470°C保温6?8小时，进行退火。
[0018]所述铝合金外板的第一端通过激光焊接与所述非对称中空管状结构的一个端面连接；所述铝合金外板的第二端通过点焊与所述铝合金连接板的第一端连接；所述铝合金连接板的第二端通过激光焊接与所述封闭的非对称中空管状结构的另一个端面连接。所述的点焊采用现有技术常规工艺即可，在此不再赘述。在激光焊接时，为了提高激光焊接时的能量利用率，并且为了增加焊接熔深，并且改善焊接效果，在激光焊接时可以首先对铝合金表面进行活化处理，然后将所述铝合金外板以及铝合金连接板与所述非对称中空管状结构进行激光焊接:采用CO2连续激光熔透焊接，连续激光功率为2500W、扫描速度为150cm /min，表面聚焦；所述活化剂为氟化钠、羟乙基亚氨基二乙酸和柠檬酸三铵的混合物，并且它们的质量比为2:1:2 ;使用时将所述活化剂加水混合调成糊状处理剂并涂覆在待焊接的表面上，并且涂覆厚度为0.5mm。采用上述激光焊接工艺，焊接的熔深超过0.4mm，保证了良好的焊接性能，而且也没有异常焊池、飞溅、裂纹产生。而如果采用常规的氟化物和氯化物活化剂，使用CO2激光焊接工艺并不能形成良好的焊接性能。
[0019]采用本发明的技术方案可以满足车辆前柱部的可视性、碰撞安全性与轻量化的严格要求。骨架材料采用液压加工可以实现各种复杂、高精度的形状成形，可以比传统结构更加自由地选择加强材料的形状和类型。根据对已应用的零件统计分析，在采用相同的铝合金材料，并且在整体结构强度相同的条件下，液压成型件比冲压件成本平均降低15%?20%，模具费用降低20%?30%。
[0020]对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种车辆前柱结构的液压加工及焊接成型方法，所述车辆前柱结构由铝合金外板、封闭的非对称中空管状结构和铝合金连接板构成；其特征在于:所述封闭的非对称中空管状结构由铝合金管坯料通过液压加工成型；所述铝合金外板的第一端通过激光焊接与所述非对称中空管状结构的一个端面连接；所述铝合金外板的第二端通过点焊与所述铝合金连接板的第一端连接；所述铝合金连接板的第二端通过激光焊接与所述封闭的非对称中空管状结构的另一个端面连接。
2.根据权利要求1所述的车辆前柱结构的液压加工及焊接成型方法，其特征在于:所述液压加工成型包括以下工艺步骤:(I)准备具有预设形状的模具，并将铝合金管坯料放入到所述模具中；(2)闭合模具，铝合金管坯料两端的冲头同时相对进给，对铝合金管坯料的两端进行密封；然后向铝合金管坯料内部施加液体压力进行胀形，压力为90-100MPa，胀形完成后，提高压力至120MPa，保压5~8分钟；(3)移出铝合金管坯料两端的冲头，进行卸压，当压力降低到IOMPa以下时，开起模具，取出成形后的试件，即得到所述的封闭的非对称中空管状结构。
3.根据权利要求2所述的车辆前柱结构的液压加工及焊接成型方法，其特征在于:所述铝合金外板、封闭的非对称中空管状结构和铝合金连接板所采用的铝合金具有相同的组成。
4.根据权利要求3所述的车辆前柱结构的液压加工及焊接成型方法，其特征在于:所述铝合金外板和铝合金连接板由铝合 金板材加工形成。
5.根据权利要求4所述的车辆前柱结构的液压加工及焊接成型方法，其特征在于:所述的铝合金，其含有以下质量百分比的元素: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，余量为Al和不可避免的杂质。
6.根据权利要求5所述的车辆前柱结构的液压加工及焊接成型方法，其特征在于:铝合金板材的制备方法如下:先将除Ni和V以外的其它元素，按照配比装炉熔炼，温度为715~735°C，时间为2.5~3.0h ;按组分配比，向熔炉中加入微量元素Ni和V，并搅拌精炼0.5h后浇铸成铸锭，浇铸温度为690~710°C ;将铸锭以0.5~1.(TC / min的加热速率升温到510~540°C保温90min，再以0.5~1.0°C / min的冷却速率降温到410~425°C并保温10h，然后进行热轧；将热轧板冷轧到需要厚度，将所述冷轧板以0.5~1.(TC / min的加热速率升温到350~380°C保温2h进行退火，再冷轧到需要的厚度，获得铝合金板材。
7.根据权利要求5所述的车辆前柱结构的液压加工及焊接成型方法，其特征在于:铝合金管坯的制备方法如下:先将除Ni和V以外的其它元素，按照配比装炉熔炼，温度为715~735°C，时间为2.5~3.0h ;按组分配比，向熔炉中加入微量元素Ni和V，并搅拌精炼0.5h后浇铸成管状铸锭，浇铸温度为690~710°C ;将铸锭以0.5~1.(TC / min的加热速率升温到455~470°C保温6~8小时，进行退火。
8.根据权利要求7所述的车辆前柱结构的液压加工及焊接成型方法，其特征在于:在激光焊接时首先对非对称中空管状结构进行活化处理，然后将所述铝合金外板以及铝合金连接板与所述非对称中空管状结构进行激光焊接:采用CO2连续激光熔透焊接，连续激光功率为2500W，扫描速度为150cm / min，表面聚焦。
【文档编号】B23P15/00GK103639657SQ201310612885
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】田上周一, 沈太生, 李孔琛 申请人:阿尔特汽车技术股份有限公司