CN101312825A - 成形金属芯夹心结构及其制造方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于生产金属芯夹心结构的方法和装置，该金属芯夹心结构重量轻且比常规金属板要刚强多倍，并且它易于形成为弯曲结构以及具有复合弯曲的结构。在一个实施例中，成形金属芯包括多个基元，这些基元包括在中间平面前、后向外延伸的交替的前后凸起，各凸起具有结合表面区域或地带，这些结合表面区域或地带构成为与成形金属芯的两侧上相应的金属外板钎焊或结合。在结合地带上形成多个微型磨蚀或压痕，可在钎焊或结合工艺过程中通过促进提高金属芯的毛细作用而在金属芯和金属外板之间形成更强固的钎焊或连接接头。

Description

成形金属芯夹心结构及其制造方法和系统

技术领域

本发明涉及金属夹心板结构，更具体地说，涉及可成形的金属芯夹心板结构及其制造方法和系统。

背景技术

在本技术领域中已知有金属芯夹心结构。例如，Hale的第3,525,663号美国专利以及Morrison的第4,035,536号美国专利都指示了具有钎焊至两块金属外板的成形金属芯的金属芯夹心结构。但是，可以看到，Hale和Morrison所揭示的结构以及其它类似的传统成形金属芯夹心结构不易形成为复合弯曲和其它复杂的形状而不脱层、皱褶和/或失去其结构完整性。因此，已有的金属芯夹心结构不很适合于例如要求有复合弯曲规格而在成形工艺过程中不脱层或皱褶的应用场合。

诸如蜂窝夹心结构之类的其它类型的金属芯夹心结构在例如Straza的第6,544,623号美国专利中有所指示。虽然蜂窝芯夹心结构与其它金属芯夹心结构相比可提供提高的可成形性，但它制造成本相对较贵，因而不很适合于许多对成本敏感的商业应用场合(例如汽车车身)。

因此，需要一种改进的金属芯夹心结构，它制造更经济并具有高的可成形性特征而不牺牲结构完整性和强度。

发明内容

本发明通过提供一种改进的金属夹心板结构来解决上述和其它需求，该结构包括钎焊或结合至两块平整金属外板的成形金属芯。该改进的金属夹心结构能形成复杂的形状同时又保持其结构完整性。该改进的金属夹心结构还比已有蜂窝芯夹心结构更易于低成本制造，同时又提供类似于蜂窝芯结构的强度和特性。

在本发明的一个实施例中，一种生产金属芯夹心结构的方法包括形成重量轻且比常规金属板要刚强多倍的成形金属芯，并且该成形金属芯还易于形成为例如弯曲结构以及具有同时沿两个或多个方向弯曲的复合弯曲的结构。在一个实施例中，将金属芯板滚轧、冲锻或压制成具有多个基元的波纹形状，这些基元包括在中间平面前、后向外延伸的交替的前、后凸起，且各凸起具有结合表面区域或地带，该结合表面区域或地带构成为与成形金属芯板的两侧上的相应金属外板钎焊或结合。在结合地带上形成多个微型磨蚀或压痕，可在钎焊工艺过程中通过促进提高金属芯的毛细作用而在金属芯和金属外板之间形成更强固的钎焊接头。改进的钎焊接头提供了更好的结合，所以在成形过程中最后形成的多层板结构不会断裂或脱层。最后形成的夹心结构易于形成复杂的弯曲形状而同时又保持其结构完整性。因此，改进的金属芯夹心结构很适合于成形性和结构完整性很重要的多种应用场合(例如汽车车身的应用场合)。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种用于形成改进的金属芯板的装置。该装置包括压制金属芯板(通过抻展和/或收拢)而形成所要的波纹芯结构的压机或模具。在压机表面上的所要求的位置处，微型凸起和/或微型凸脊和/或微型管线(在此统称为“微性凸起)从压机表面向外延伸，从而在形成金属芯板时形成微型磨蚀和/或微型沟槽和/或微型沟道(在此统称为“微型磨蚀”)，以在成形金属芯的所要求的表面区域上向内延伸。这些微型磨蚀可在钎焊时通过提高金属芯的毛细作用来促进成形金属芯和两块金属外板之间的钎焊。

在又一个实施例中，在钎焊或结合之前，将外层板用电焊定位搭焊至成形芯，这就可改进随后的钎焊而提高夹心结构的质量。在一个实施例中，本发明提供一种新颖的用于在钎焊前将成形芯定位搭焊至金属外板的电焊定位搭焊装置。

在本发明的各种实施例中，可以在芯板中形成诸如六边形、正方形、八边形或其它形状的多种基元形状和几何图形，并可根据所要求的可成形性、刚度和粉碎特性形成不同的基元尺寸。例如，可对夹心结构的某些区域要求更易粉碎(例如在汽车车身框架中形成“粉碎区域”)或更为坚硬或更为柔软。例如，如果要求粉碎区域，则可将夹心结构(或至少夹心结构的指定区域)设计成更易粉碎，这可有助于避免汽车碰撞伤人，而汽车车身的其它区域(例如车顶)则更刚强，可防止金属碎裂而进入乘客座室。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的金属芯板在其形成后的立体图。

图2A是图1的成形金属芯板的俯视图。

图2B是图1的成形金属芯板沿图2A的线2B-2B截取的横截面图。

图3A是根据本发明的另一个实施例的、形成为波纹格子板图案的金属芯板的俯视图。

图3B是图3A的成形金属芯沿图3A的线3B-3B截取的横截面图。

图4是根据本发明的一个实施例的、形成在两个压机或模具之间的金属芯板的侧视图。

图5是根据本发明的一个实施例的、金属芯夹心结构在钎焊以前的分解侧视图。

图6示出钎焊以后的图4的金属芯夹心结构。

图7是根据本发明的又一个实施例的、用于在钎焊以前定位搭焊金属芯夹心结构的电焊定位搭焊装置的立体图。

具体实施方式

以下参照附图详细描述本发明的较佳实施例，在附图中，类似的元件都标以类似的标号。可以理解的是，附图并不必按比例绘制，而只是用来图示说明本发明的某些新颖内容、特征和方法。

图1是根据本发明的一个实施例所制成的成形金属芯10的立体图。在该实施例中，成形金属芯10形成为具有多个基元12的波纹图形，这些基元包括在中间平面14前、后向外延伸的交替的前、后凸起，各凸起具有构成为与中间平面14的两侧上相应的金属外板(未图示)钎焊或结合的结合表面区域或地带16。如图1所示，在结合地带16上形成多个微型磨蚀或压痕18。如以下将详细解释的那样，微型磨蚀18可在钎焊工艺过程中通过促进提高金属芯10的毛细作用而在金属芯10和金属外板之间形成更强固的钎焊接头。

图2A是图1的成形金属芯10的俯视图。金属芯10包括多个向上凸起的基元12A和多个向下凸起的基元2B，示出了向上凸起的基元12A的结合地带16，而向下凸起的基元12B的结合地带16位于芯子10的相对侧上，因此在图2A中未示出。在各个基元12A和12B的结合地带16上形成多个微型磨蚀或压痕，以在钎焊时促进提高金属芯10的毛细作用。

图2B是金属芯10沿图2A的2B-2B线截取的横截面图。如图1、2A和2B所示，在一个实施例中，各基元12A和12B形成为八边形。但应理解，本发明并不限于基元12A、12B的任何特定的形状、尺寸和/或构型。可以采用任何所要求的基元形状、尺寸和构型来根据本发明实现最后所形成的金属芯夹心结构的各种所要求的物理特性。

图3A是成形金属芯30的另一个示例的俯视图，该成形金属芯30具有多个呈格子板构形的方形基元32A和32B。基元32A示为向上凸起的基元而基元32B则示为向下凸起的基元。各基元32A和32B具有相应的结合地带34和在各结合地带34的表面上的多个微型磨蚀36。图3B是图3A的成形金属芯30沿该图的3B-3B线截取的横截面图。

图4是金属芯30的横截面图，该金属芯30形成在具有相应的模制图案和构型以将成形金属芯30形成为所要求的形状和构型的两个压机42和44之间。在成形时，将金属材料平板30分别置于顶部和底部压机42和44之间。当顶部和底部压机42和44压在一起时，通过将金属板材30伸展和/或收拢来将基元32A和32A形成为格子板构型来形成金属芯30。应该理解，压机42和44仅为示例性的，也可采用具有其它所要求的模制图案和构型的压机来形成具有各种形状(例如八边形、六边形、五边形、正方形、三角形等等)、尺寸和构型的金属芯。

在一个实施例中，例如，在压制金属芯30时形成示于图3A的微型磨蚀36。分别在顶部和底部压机42和44的所选表面46和48上形成多个微型凸起、凸脊和/或管线(在此统称“微型凸起”)(未图示)。在压制金属芯30时，微型凸起在成形金属芯30的基元32A、32B的结合地带34上形成多个微型磨蚀36。在一个实施例中，在与成形金属芯30的结合地带34相应的压机42和44的表面上形成微型凸起。在一个实施例中，采用已知的装置和技术(例如金属电气蚀刻、化学蚀刻、喷砂、喷磨料等等)对压机表面精细蚀刻而在相应的压机表面上形成微型凸起。在一个实施例中，形成微型凸起来形成具有0.0005至0.002英寸的深度和/或宽度且覆盖大约50～80％的结合地带34的表面面积的微型磨蚀36。在各个实施例中，该磨蚀36可以是大体平行的沟道、十字形交叉构型、或沿随意方向行进的沟道和/或弯曲沟道。在另一个实施例中，可通过在本技术领域中众所周知的电子放电加工(EDM)工艺来形成微型磨蚀。在又一个实施例中，可在金属芯30已压制形成后在金属芯30的结合地带34上形成微型磨蚀36。但是，应该知道，给压机42和44提供在压制时自动在金属芯30上形成微型磨蚀36的微型凸起，与用人工或为每个要接连地压制的金属芯30单个地形成微型磨蚀30相比，能节省大量的时间和功夫。

在另一些实施例中，可在将钎焊材料置于芯子10、30的各侧上之后来形成金属芯30。这样，压机42和44将成形金属芯板加上金属芯板各侧上的钎焊材料一起压制成形。可在形成芯子10、30之前通过将钎焊粉喷洒于要成形的芯子板上或通过将钎焊材料50的片材置于要成形的芯子板的各侧上来将钎焊材料置于金属芯10、30的表面上。在成形时采用适当的压力值，就可使钎焊材料埋入芯子板中。这有助于随后的钎焊工艺可将钎焊材料均匀地分布在要成形的芯子板的整个表面上。在这些实施例中，可形成微型磨蚀18、36并使它们穿过成形金属芯10、30的结合地带16、34上的钎焊材料。此后，再将成形金属芯10、30加上成形钎焊材料板夹在两块金属外板之间，并在减压外界环境或真空炉内以高温(例如摄氏670～730度)钎焊，以生产出根据本发明的金属芯夹心结构。

图5是夹于两片钎焊材料板50间、由此又夹在两块金属外板60间的示例性成形金属芯10(图1)的分解的横截面图。在该实施例中，如上所述，钎焊材料板50尚未与金属芯10压制成形在一起。图6是在金属芯10已钎焊至外部金属板60以后的最后所形成的金属芯夹心结构70的横截面图。微型磨蚀18(图2A)可提高毛细作用，从而使钎焊材料50在熔化时更容易流入结合地带16的缝隙中(图1和2A)，并因此在结合地带16和外部金属板60的紧密压配表面之间形成更强固的钎焊接头。由微型磨蚀18提供的提高的毛细作用以及因而改进的钎焊接头形成更强固的金属芯夹心结构70，该金属芯夹心结构70可形成为复合弯曲和其它形状和形式，更不易脱层、皱褶或失出其结构完整性。在另一些实施例中，还可以在外部金属板60的内表面上形成微型磨蚀，用以在钎焊时促进提高外部金属板60的毛细作用。

在本发明的又一实施例中，在钎焊之前，将包括成形金属芯10、钎焊材料板50和两块金属外板60的金属芯夹心结构的所有各层都电焊定位搭焊在一起，用以将这些多层相互固定住并防止在钎焊工艺过程中产生相对运动。这还进一步提高了在芯子10的结合地带16和外部金属板60之间所形成的钎焊接头的强度，而提高更高质量的最终完工产品。

图7是一种新颖的焊接装置100的立体图，该装置100可与本发明结合起来应用。该装置100包括计算机和/或电子控制的致动器箱102，该致动器箱102包含标准电子元件和机构组件(例如，齿轮、开关、电源等等)，用来控制致动臂104运动，而致动臂104控制顶板106的运动。金属芯夹心结构70(图5和6)设置在顶板106和底基板108之间。如图7所示，顶部定位搭焊板106包括多个相互电气绝缘的分段110。在一个实施例中，分段110可由铜或铜合金制成，并用绝缘材料(例如陶瓷)相互绝缘。各个分段110通过相应的接头114连接在相应的导线112。导线112连接至电源开关箱116，电源开关箱116控制将电流供至各根导线112的时间。电源开关箱116可由计算机或处理器(未图示)来控制。

在一个实施例中，将大容量、低电压的电流接连地供应至各分段110以对位于相应的分段110和底基板108之间的金属芯夹心结构70的相应部分进行定位搭焊。在一个实施例中，顶板和底板106和108分别在整个金属芯夹心结构70上施加均匀压力。通过对顶板106的各分段110顺序地施加电流而在夹心结构70的不同区域内快速进行定位搭焊工序。通过任何一次仅仅顺序地定位搭焊夹心结构70的部分，该定位搭焊工艺就可控制整个夹心结构70的加热和冷却，这随之又可改善定位搭焊。由此，就可使随着定位搭焊后的夹心结构70的一些部分冷却而另一些部分进行定位搭焊。该冷却工艺可提供更好的定位搭焊，并使最后所形成的夹心结构70在各个定位搭焊时具有较低的脱层趋势。换句话说，可使结构70在定位搭焊时在不同的区域上加热和冷却，这就有助于防止各个定位搭焊脱开。在将金属芯夹心结构70定位搭焊在一起以后，如上所述，再将结构70置于炉内进行钎焊。

金属芯夹心结构70可包含有任何类型的金属和/或金属合金来作为成形金属芯10、30和例如诸如A1和D2钢之类的外部金属板60。应该理解的是，适于钎焊的任何金属、金属合金或其复合(例如铜、铝、钛等)都预期在本发明的范围内。此外，根据本发明可采用呈例如片状、薄膜、喷洒剂、粉末、膏体或浆料形式的任何类型的已知的钎焊材料。另外，还可设想本发明的某些实施例可采用非金属材料和非金属外板。例如，已知的合成和/或聚合材料(例如，Keolar材料)可用来形成注塑模制芯并随后结合(例如，声波熔接和/或振动熔接)至合成和/或聚合材料外板。可在非金属芯的结合地带上形成微型磨蚀，这会有助于在熔接时和熔接后芯子和外板之间的咬合。

以上已描述了本发明的各个较佳的实施例。但是，应该理解，这些不同实施例仅仅是示例性的而不会限制如以下权利要求书中所述的本发明的范围。熟悉本技术领域的人员不用再去做过多的实验就可对上述较佳实施例作出各种修改。这些不同的修改应被认为是在如以下权利要求书所述的本发明的精神和范围之内。

Claims (22)

1.一种制造金属芯夹心结构的方法，包括：

形成具有多个前、后凸出基元的金属芯，各基元具有相应的前向或后向结合地带；

在各基元的所述结合地带上形成微型磨蚀；

在所述成形金属芯的两侧上放置钎焊材料；

在所述成形金属芯的两侧上放置第一和第二金属板，从而形成夹心结构，其中所述钎焊材料置于所述成形金属芯与位于所述成形金属芯的两侧上的所述第一和第二金属板之间；以及

加热所述夹心结构，以便将所述成形金属芯钎焊至所述第一和第二金属板，其中所述微型磨蚀可提高在所述基元的所述结合地带处的毛细作用。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在加热之前定位搭焊所述夹心结构。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，定位搭焊的动作包括接连地定位搭焊所述夹心结构的子区域，从而可以在一个子区域冷却的同时定位搭焊另一个子区域。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基元构成为具有选自如下组群的形状：八边形、六边形、五边形、正方形、长方形、三角形和圆形。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微型磨蚀包括深度大约为0.0005至0.002英寸的沟槽。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微型磨蚀覆盖大约50～80％的所述结合地带表面面积。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在形成所述金属芯时在所述结合地带上形成所述微型磨蚀。

8.一种金属芯夹心结构，包括：

具有多个前、后凸出基元的金属芯，各基元具有相应的前向或后向结合地带；

以及

钎焊到位于所述成形金属芯的两侧上的所述多个基元的所述结合地带上的第一和第二金属板，从而形成夹心结构，其中在钎焊之前在所述基元的所述结合地带上形成多个微型磨蚀，从而可提高在所述基元的所述结合地带处的毛细作用。

9.如权利要求8所述的结构，其特征在于，在钎焊之前将所述金属芯与所述第一和第二金属板定位搭焊在一起。

10.如权利要求9所述的结构，其特征在于，在所述结构的子区域处接连地定位搭焊该结构，从而可以在一个子区域冷却的同时定位搭焊另一个子区域。

11.如权利要求8所述的结构，其特征在于，所述基元构成为具有选自如下组群的形状：八边形、六边形、五边形、正方形、长方形、三角形和圆形。

12.如权利要求8所述的结构，其特征在于，所述微型磨蚀包括深度大约为0.0005至0.002英寸的沟槽。

13.如权利要求8所述的结构，其特征在于，所述微型磨蚀覆盖大约50～80％的所述结合地带表面面积。

14.如权利要求8所述的结构，其特征在于，在形成所述金属芯时在所述结合地带上形成所述微型磨蚀。

15.一种成形金属芯，构成为结合至至少一块金属外板以形成金属芯夹心结构，所述成形金属芯包括：

多个前、后凸出基元，各基元具有相应的前向或后向结合地带；以及

多个微型磨蚀，所述微型磨蚀在钎焊之前形成在所述基元的所述结合地带上，从而可提高在所述基元的所述结合地带处的毛细作用。

16.如权利要求15所述的成形金属芯，其特征在于，所述基元构成为具有选自如下组群的形状：八边形、六边形、五边形、正方形、长方形、三角形和圆形。

17.如权利要求15所述的成形金属芯，其特征在于，所述微型磨蚀包括深度大约为0.0005与0.002英寸的沟槽。

18.如权利要求15所述的成形金属芯，其特征在于，所述微型磨蚀覆盖大约50～80％的所述结合地带表面面积。

19.如权利要求15所述的成形金属芯，其特征在于，在形成所述金属芯时在所述结合地带上形成所述微型磨蚀。

20.一种用于形成金属芯的装置，所述金属芯构成为结合至两块金属外板以形成金属芯夹心结构，所述装置包括：

顶部压机；以及

底部压机，所述底部压机构成为与所述顶部压机联合工作以将金属板形成为所要求的、具有多个前、后凸出基元的形状，各基元具有相应的前向或后向结合地带；

以及

其中所述顶部和底部压机各包括多个微型凸起，以在所述基元的所述结合地带上形成多个微型磨蚀，从而可提高在所述基元的所述结合地带处的毛细作用。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述微型凸起构成为可产生深度大约为0.0005至0.002英寸的微型磨蚀。

22.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述微型凸起构成为可产生覆盖大约50～80％的所述结合地带表面面积的微型磨蚀。

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