专利名称：用于产生空心型材接头的方法和空心型材接头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种按权利要求1的前序部分的、用于在由钢构成的空心型材和由铝 材构成的结构元件之间产生接头的方法。本发明还涉及一种按权利要求16的、由钢构成的空心型材与由铝材构成的结构 元件的空心型材接头。
背景技术：
通常使用非热接合方法来连接由钢和铝材构成的部件，例如铆接或螺纹连接。在 此，不同部件通过铆钉或螺钉的形锁合而连接起来。但这种连接的强度由于其点状的力传 递而有限。钢铝混合部件的应用具有很大的减重潜力并且恰好改善了车身中的产品性能。上 述冷接合方法，例如铆接技术和粘合技术，都不能带来所需要的稳定性。现有技术中公开了熔焊工艺，通过其可实现钢和铝的材料锁合的焊接，尽管这两 种合金的熔点极大不同。这种工艺在现有技术中也作为熔焊-钎焊工艺被公知。在此仅铝 构件的材料部分熔化，由钢构成的部件通过钎焊过程与铝材材料锁合地连接。为了可实现 钎焊过程，钢部件在熔焊-钎焊过程之前被施加覆盖层。这种覆盖层例如可以通过镀锌来 完成。用焊缝金属浸湿镀锌的钢构件，金属间的相可降低到较低程度。然而即使是这种材 料锁合连接也仅仅具有有限的强度。DE 10 2007 060 116 Al公开了一种钢管-铝铸件的接头，其借助钢管与铝填充 料的形锁合的周边焊来实现。在此首先将钢管一侧的一个区段扩宽，并且将一个由铸件材 料构成的构件设置在该管的被扩宽的区段上。紧接着如此焊接由铸件材料构成的构件，使 得管的被扩宽的区段至少部分形锁合地被包围。由此可实现管的被扩宽的区段通过焊缝金 属从后面咬住，并且因此可确保管的径向方向和轴向方向上的牢固连接。形锁合地包围被 扩宽的区段既可用于镀锌的管也可用于未镀锌的管。根据DE 10 2007 060 116 Al的接头的缺点在于直至热接合之前必须将钢管额 外固定，例如借助夹紧装置。此外必要时还必须在工作中使用焊剂，以确保焊接填充料的熔 体流近钢管。但这种焊剂常常具有腐蚀性，并且对如此连接的混合部件的耐久性产生不利 的影响。铝铸件和钢管之间存在的缝隙也是不利的。通过该缝隙环境空气在焊接过程中可 进入熔体，这引起焊接效果差且由此较低的强度。此外在工作期间湿气可到达钢与铝的过 渡位置，这导致进一步的缝隙腐蚀。
发明内容
因此本发明的任务是提供一种实现两个具有不同材料特性的部件的接头的方 法，该接头的特点为高强度和耐久性。此外还提供相应的空心型材接头。借助一种用于在由钢构成的空心型材和由铝材构成的结构元件之间产生接头的方法这样的来实现本发明的任务，即根据权利要求1的特征，施加覆盖层到空心型材上，将 空心型材压装到结构元件上，并且将空心型材和结构元件热接合。如此构成的接头优点在于产生力锁合的(kraftschlilssig)连接与材料锁合的 连接的结合，力锁合连接通过纵向压装被施加覆盖层的钢管形成，材料锁合连接通过热接 合过程例如借助铝填充料的MIG焊接形成。同样通过压配合也省去热接合期间对不同部件 的固定过程。在本方法另一个有利的实施变型中，通过形锁合的(formschlilssig)连接补充热 接合和在结构元件和空心型材之间产生的材料锁合的(materialschlilssig)连接。该形锁 合连接通过在结构元件和空心材料之间输入焊缝金属产生。如此产生的材料锁合的和力锁 合的连接的强度通过形锁合被进一步提高。有利的是，铝制结构元件被构造为铸体或铣削体，并且在结构元件在压装之前在 用于空心型材的接纳区域中切削加工。由此可实现要压装的空心型材在结构元件上的精确 配合。另外以这样的方式还可将制造误差限制到最低程度。结构元件优选具有一个接纳销，空心型材被压装到其上。通过这样产生的接纳销 和空心型材之间的压配合而在这两个部件之间形成了力锁合连接。该力锁合连接额外地补 充了部件间的形锁合和材料锁合的连接。因此进一步提高接头的强度。优选接纳销在其自由端部具有一个倒角角度和一定的长度，空心型材在该长度上 被压装到接纳销上。倒角角度应在20 60°的范围内。长度优选应在8 60mm。通过倒 角可特别容易地接合所述两个结构部件，其方式为在压装过程的开始通过倒角将空心型 材对中心并且由此可容易地在接纳销上方在开始区域中按压空心型材。接纳销的长度和形 状的选择可以影响力锁合连接的强度，即当接纳销的长度较大时形成高的力锁合连接。同 理，当接纳销的长度较小时形成较低的力锁合连接。在此倒角也可构造成半径或者说花萼 形或卷边形。在本发明的一种优选的实施形式中，结构元件具有一个用于接纳空心型材的一 个变形区域的、围绕接纳销延伸的槽形凹部，其具有一个分区，该分区在两侧具有弯曲部， 优选该弯曲部的半径在1 18mm。与结合空心型材的变形区域结合的槽形凹部可使两 个结构部件通过焊接既形锁合又材料锁合地接合。在此，相对于接纳销来说，槽形凹部 在外侧用于接纳焊缝金属，槽形凹部在内侧用于接纳空心型材的变形区域。因此，在外 侧通过材料锁合与结构元件连接在一起的焊缝金属对于空心型材的变形区域构成咬边 (Hinterschneidung)。由此形成形锁合的连接，其在静态及动态拉伸、弯曲和扭转载荷的情 况下具有特别高的强度。优选槽形凹部在内部侧上通过接纳销且在外部侧上通过接纳凸起被限定。在此， 接纳凸起应具有优选在3 IOmm的高度。接纳凸起也应在其朝向接纳销的一侧上相对于 接纳销的纵轴线以一个角度延伸。该角度应优选在20至60°。上述所描述的接纳凸起的 特性在热接合时为接纳焊缝金属和焊接填充料提供优化的性能。优选空心型材在压装之前在要压装的端部被变形和/或校准。有利的是，通过使 要压装的端部扩宽为一个凸缘来实现变形过程。在此，空心型材在连接区域内可具有极其 不同的横截面，但优选是圆形的。也可为非圆的、椭圆的和多边形的横截面。因此，应相应 于各种型材类型来变形。通过所使用的型材类型将空心型材校准且定向在结构元件上，其方式为空心型材的内轮廓结合接纳销使空心型材和结构元件彼此定位。根据本发明，空心 型材和接纳销也可构造为四边形或更多边形的。优选在将空心型材的要压装的端部变形时在空心型材的内侧构造一个与槽形凹 部内部侧的半径相同的半径。由此空心型材和结构元件之间的压紧连接在端部区域在结构 元件和空心型材之间没有缝隙。所以环境空气在热接合期间不可能进入熔体，而如果环境 空气进入熔体就会降低焊接效果。来自环境空气中的湿气也不会进入如此产生的压紧连 接，因而不会产生缝隙腐蚀。这两个优点不仅提高了如此产生的压紧连接的强度，也提高了 其耐久性。此外，将空心型材顶锻到接纳销上构成本发明的一种实施变型。通过顶锻免去 了对空心型材端部的机械后加工。在另一种优选实施形式中，空心型材在其变形端部的外侧被去毛刺。这样的优点 在于在热接合期间通过被去毛刺的端部将空心型材和结构元件之间产生的缝隙减小到最 小。这点同样改善了如此产生的连接的强度和耐久性。优选通过镀锌或喷涂(Spritzbeschichtung)对空心型材施加覆盖层。镀锌为低 温镀锌或高温镀锌，喷涂优选是铝喷涂或锌喷涂。由铝构成的结构元件与被施加覆盖层的 空心型材通过钎焊而材料锁合地连接，这可归因于覆盖层。原则上也可为锡制覆盖层。优选在热接合时使用焊接填充料，其在一种尤其优选的实施形式中由铝合金构 成。所使用的焊接填充料通过热接合过程即熔焊与接纳凸起的内侧接合并且形成了材料锁 合的牢固连接。在空心型材侧焊接填充料通过热结合即钎焊与空心型材的覆盖层连接在一 起。因此在这一侧也形成材料锁合的连接。有利的是利用保护气体来实施热接合。由此形成了对接合过程特别好的监视和控 制。原则上可以选择氩气作为保护气体，氦气的混合物(氦气的质量百分比最多为50%) 可以与构件相关地改善焊接效果。在一种有利的实施变型中，热接合可单层地或多层地进行。通过多层实施接合过 程的可能性可以有目的地达到连接要求。优点在于焊接区强度的提高以及低的热影响。在 多层焊接过程中无须仅通过一个过程将大量焊缝金属材料锁合地连接。焊接填充料可在多 个层中施加。此外有利的是，在多层实施方式中的热接合期间在施加不同焊层之间对焊缝进行 机械的、物理的和/或化学的清理。这种清理例如通过干冰喷射来实现。相对于未处理的焊 缝，清理的焊缝带来的结果是更好的连接及对接下来要被施加的焊缝的更好的焊接效果。本发明的主题也包括一种根据上述方法产生的空心型材接头。由钢构成的空心型 材与由铝材构成的结构元件材料锁合和力锁合地相连。空心型材压紧到结构元件上并且附 加地与之热接合。此连接可以根据当前的几何形状附加地补充形锁合。
接下来借助附图由优选实施例来说明本发明其它的优点、特征、特性和各方面。这 些附图仅仅用作对本发明的较简单的理解。图1根据本发明产生的接头的示意横截面；图2结构元件的接纳区域的示意横截面；图3结构元件的接纳区域的示意横截面的另一实施方式；6
图4要压装的空心型材的示意横截面；图5热结合过程的原理图。
具体实施例方式在附图中对相同或相似的部件使用相同的附图标记，在此即使出于简单化原因省 略重复的说明，也达到相应或可比的优点。图1示出了一个空心型材2与一个结构元件3的根据本发明的接头1。空心型材 2由钢构成，结构元件3由铝构成，优选构成为铝铸体。在空心型材2上将一个覆盖层4至 少施加在一个接纳区域5中。铝制结构元件3在接纳区域5中具有一个接纳销6。通过将 空心型材2压装到结构元件3上，在接纳区域5中在空心型材2和结构元件3之间产生力 锁合的连接。该力锁合连接产生于被施加覆盖层的空心型材2和结构元件3之间的过盈。 为了将空心型材2压装到结构元件3上，接纳销6在其上方的自由端部具有一个倒角7。图2示出了一个没有压装的空心型材2时的结构元件3的示例性横截面。结构元 件3在接纳销6的下端部上具有一个凹部8。空心型材2的一个变形区域9伸入该凹部8 中。凹部8的特点是一个谷底区域10。该谷底区域10在两侧具有弯曲部11，其过渡到接 纳销6处的一个内部侧12和过渡到一个外部侧13中。结构元件3在外部侧13上具有一 个接纳凸起14。该接纳凸起14在热接合过程中用于接纳焊缝金属。外部侧13以一个角 度α相对于接纳销6的纵轴线L延伸。为了有利地通过气焊嘴施加焊缝金属并且为了增 大接纳凸起14和焊缝金属之间的接触面积，该角度α的范围优选在10至75度之间。图3示出了结构元件3的另一种实施变形的横截面图。在此倒角7具有一个带有 半径的弯曲部。此外，结构元件3的朝向中心纵轴线L的区域B实心地构成，该区域在接纳 区域5中从倒角7至纵轴线L呈山谷状地下降并且构成凹部V。通过将管端部顶锻到接纳 销6上借助凹部V产生优化的应力曲线。图4示出了空心型材2的要压装的端部15的横截面。在此通过使要压装的端部 15扩宽为凸缘16使空心型材2变形。变形为凸缘16的区域9在空心型材2的内侧上具有 一个凸缘内侧，其半径与凹部8在内部侧12上的半径相等。空心型材在凸缘16的外侧18 上在一侧被去毛刺。图5示出了一个热接合过程的示意图。在此，空心型材2被压装到结构元件3上。 它在凹部8中通过利用焊接填充料19的焊层与结构元件3形锁合和材料锁合地连接。热 接合过程在此示意性地被实施了两层，在此示出第一层20和第二层21。通过气焊嘴22施 加层20、21，在此例如在MIG(惰性气体保护金属极电弧焊)焊接过程中进行。附图标记列表1 接头2空心型材3结构元件4覆盖层5接纳区域6接纳销7 倒角
8 凹部9空心型材的变形区域10谷底区域11弯曲部12内部侧13外部侧14接纳凸起15压装的端部16 凸缘17 内侧18 外侧19焊接填充料20第一焊层21第二焊层22气焊嘴B 区域L接纳销的纵轴线V 凹部α 角度
权利要求
1.用于在由钢构成的空心型材(2)和由铝材构成的结构元件(3)之间产生接头(1)的 方法，其特征在于施加覆盖层(4)到空心型材(2)上，将空心型材(2)压装到结构元件(3) 上，并且将空心型材(2)和结构元件(3)热接合。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于通过热接合在结构元件(3)和空心型材(2)之 间产生形锁合的和材料锁合的接头(1)。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于所述结构元件(3)构成为铝铸体或铣削 体，并且结构元件(3)在压装之前在用于空心型材O)的接纳区域(5)中进行切削加工。
4.根据上述权利要求任一项的方法，其特征在于所述结构元件(3)具有接纳销(6)， 并且空心型材(2)压装到接纳销(6)上，此时在结构元件(3)和空心型材(2)之间产生力 锁合的接头⑴。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于所述接纳销(6)在其自由端部上具有倒角 (7)，所述倒角优选具有20 60°的角度，并且接纳销(6)在接纳区域(5)中具有一定的长 度、优选8 60mm的长度。
6.根据权利要求4或5的方法，其特征在于所述结构元件(3)具有用于接纳所述空 心型材⑵的变形区域(9)的、围绕接纳销(6)延伸的槽形凹部(8)，并且槽形凹部⑶在 谷底区域(10)中在两侧具有弯曲部(11)，所述弯曲部优选具有Imm 18mm的半径。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于所述槽形凹部(8)在内部侧(12)上由接纳销 (6)构成，而在外部侧(13)上由接纳凸起(14)构成。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于所述接纳凸起(14)优选具有3 IOmm的高度。
9.根据权利要求7或8的方法，其特征在于所述接纳凸起(14)在其朝向接纳销(6) 的一侧上相对于接纳销(6)的纵轴线(L)以一定的角度、优选以20 60°的角度延伸。
10.根据上述权利要求任一项的方法，其特征在于所述空心型材(2)在压装之前在要 压装的端部(1 上变形和/或校准，优选通过使要压装的端部(1 扩宽为凸缘(16)而实 现。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于通过要压装的端部(15)的变形在空心型材 (2)的内侧(17)上产生的半径与谷底区域(10)在内部侧(12)上的半径相同。
12.根据权利要求10或11的方法，其特征在于所述空心型材(2)在要压装的端部 (15)上在空心型材(2)的外侧(18)去毛刺。
13.根据上述权利要求任一项的方法，其特征在于通过镀锌或铝喷涂给空心型材(2) 施加覆盖层，覆盖层的厚度为7 100 μ m。
14.根据上述权利要求任一项的方法，其特征在于在热接合时使用由铝合金构成的 焊接填充料(19)。
15.根据上述权利要求任一项的方法，其特征在于多层地实施热接合，在热接合期间 在施加各层(20、21)之间进行机械的和/或化学的清理。
16.根据上述权利要求任一项的方法产生的空心型材接头，由钢构成的空心型材(2) 在端部与由铝材构成的结构元件(3)相连接，空心型材(2)被压装到结构元件(3)上并且 附加地与结构元件(3)热接合。
17.根据权利要求16的空心型材接头，其特征在于所述接纳销(6)在接纳区域(5)中从倒角(7)至纵轴线(L)延伸地具有山谷状构成的凹部(V)。
全文摘要
在一种用于产生由钢构成的空心型材(2)和由铝材构成的结构部件(3)的接头(1)的方法中，通过熔焊-钎焊过程与压装相结合产生力锁合的、形锁合的和材料锁合的连接。在此首先将空心型材(2)在一个接纳区域(5)中压装到结构元件(3)上。然后通过热接合利用焊接填充料施加焊层，所述焊层在空心型材(2)和结构元件(3)之间产生形锁合的和材料锁合的连接。通过空心型材(2)的要压装的端部的事先的变形支持所述形锁合的连接。所述变形优选通过使要压装的端部扩宽成凸缘来实现。
文档编号B23P15/00GK102049667SQ20101053045
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月3日 优先权日2009年11月4日
发明者A·楚贝, J·克罗格迈尔, M·维贝克, S·波特哈斯特, S·费克 申请人:本特勒尔汽车技术有限公司