CN106458120B - 多条条状物的梁的成形器材和方法，以及梁 - Google Patents

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Abstract

一种多块片式梁包括块片，其被预成型以致具有一体的结构特征，并导致最后的梁形状具有无圆边的角，以获得最优的抗撞击属性。所述梁具有不变或具变化的截面形状。所述块片被选定以具有理想的(不同的)厚度和物料属性，以获得最优的抗撞击结果和轻的梁。要组装，便将所述块片固定在一起并焊接以形成箱形梁，例如两管的单脚梁，其中优选采用的焊接工序于焊点周围具有小的热影响区。该多块片可包括比可挤出等级的铝的抗拉强度高很多的铝级别。替代地，该多块片可为任何级别的钢，例如高强度和超高强度的钢。该固定技术和组装的技术将用于挤出机器和/或辊轧成形机器的资本成本减至最低。

Description

多条条状物的梁的成形器材和方法，以及梁
发明背景
本发明涉及成形梁的器材和方法，以及以该些器材和方法生产的长梁，更具体地涉及多条条状物的梁以及用于从多条条状物形成车辆保险杠的加固梁的相关器材和方法。然而本发明的范围并不只限于保险杠的加固梁，也不只限于对车辆的应用。
现今的车辆包括具有加固梁的保险杠系统，其必须通过严格的性能测试 (例如测量扭转和弯曲性撞击的抵抗力、各种障碍物撞击、车对车和车对人撞击的测试标准)，但亦需满足业界标准对轻量化的重视(例如每哩耗油量(mpg) 的标准)。此外，业内的竟争性还要求将生产成本减至最低，同时提供高度的维度一致性、生产可靠性，以及设计和生产上的弹性。
保险杠加固梁是用于为保险杠系统提供横车结构，并常常是以辊轧成形和/或挤出的工序制成。当用于大量生产时，辊轧成形可提供具竟争力的加工成本及良好的部件品质。但是，大部分高产量的商业化辊轧成形加工皆限于不变的截面形状、限于将单片物料成形、用于开发辊轧用卷料的前期工序需时甚久，并要求对重型辊轧设备投入大量资金。有采用二次加工将已辊轧成形的梁作部分重塑，但二次加工是昂贵、缓慢、很多时并不能达成维度一致、对加工途中的部件要求多重处理，并可能要求大量人工劳动。
原设备生产商(其称为OEM)有些时候会指定挤出式的铝制梁，因其轻量、具高的强度重量比、并可具有在不同位置具有不同的壁厚，以提供最佳性能。但是，铝为昂贵物料，而可挤出的铝料级别还在抗拉强度方面受限制，且一般价格偏高。而且，由于挤出工序所限，铝制梁的全长截面是不变的。而且，需要对以挤出工序制成的梁作二次操作，例如将梁弯曲(即“制弧”)、打孔(例如用于附接框架、或附接孔或通孔)，以及将物料陈化或热处理(以提升强度和稳定性)。
期待的改进可既为部件提供设计上的弹性(包括可采用设于最佳位置的壁物料、可变的壁厚和形状)，又提供低成本、较低资本投资、高生产效率、良好可靠性、高度的维度一致性以及低的半成品库存量这些方面的工序减省/ 改良。优选为采用已知且一般化的成形和接合工序。
发明内容
在本发明的一方面，用于车辆撞击而构建的加固梁件包含至少三块分别的长形金属块片，其中至少其一于其上包括预成型结构，而所述块片被定位和互相连接以限定长形的管状梁，管状梁具有一非线性的长度和限定前壁和后壁的横向截面，以及至少两块连接前壁和后壁的剪力壁，其中至少两块该些块片具有边缘与相邻的其它块片的侧表面抵接以形成无圆边的垂直焊接角；而管状梁的端部部分被构造以使其易于被附接至车辆。
在本发明的另一方面，梁件，其包括长形的金属块片，其各具有长形的主体和对置的边缘，该些主体被设置和固定在一起以形成长形的封闭的管状梁，管状梁具有一长度，沿该长度具有非不具变化的横向截面，其中所述边缘中的某些边缘与所述主体中的某些主体相邻抵接以形成无圆边的角，而所述块片之至少其一的主体是平面的。
在本发明的另一方面，加固梁件包含多个至少三块分别的预成型块片，其被定位在一起然后焊接以形成管状箱形梁，其具有前垂直壁和后垂直壁以及限定上管和下管的多块横向壁，所述块片的一些块片的边缘与所述块片中的一相邻块片的一侧表面抵接，以于梁的长度横向地截面时限定无圆边的前角和无圆边的后角。
在本发明的另一方面，梁件包含至少两件块片，其被设置以形成管状梁，管状梁具有非线性的长度、具有前壁和后壁，并具有至少一个无圆边的角与前壁相邻，所述角以热影响区小的焊接工序焊接以致在该区域的横向截面中，该热影响区域从该至少一个无圆边的角横向延伸少于3mm。
在本发明的另一方面，建造用于车辆的加固梁件的一方法包含提供至少三块分别的长形金属片；将该至少三块分别的长形金属片之至少其一预成型；将所述块片定位和互相连接以限定长形的管状梁，管状梁具有一非线性的长度，和横向截面，其中至少两块所述块片具有边缘抵接相邻的其它块片的侧表面以形成无圆边的垂直焊接角；并形成在管状梁的端部部分形成安装结构，其被构造以便梁附接至车辆框架。
在本发明的另一方面，形成梁件的一方法包含将各具有长形主体和对置边缘的长形金属块片定位在一起，其中所述主体被设置以形成长形的封闭的管状梁，沿管状梁的长度具有非不具变化的横向截面，其中所述边缘中的某些边缘与所述主体中的某些主体相邻抵接以形成无圆边的角，而所述块片之至少其一是平面的；以及将所述块片焊接在一起，包括在所述无圆边的角焊接。
在本发明的另一方面，加固梁件的建造方法包含将多块，至少三块，的多块分别的片预成型；将该至少三块片定位在一起然后将所述块片焊接在一起以形成管状箱形梁，其具有前垂直壁和后垂直壁以及限定上管和下管的多块横向壁，某些所述块片的某块片的一边缘与所述块片中的一相邻块片的一侧表面抵接以在横向于梁的长度被截面时限定无圆边的角，以及焊接的步骤，其包括将所述无圆边的角焊接。
在本发明的另一方面，梁件的建造方法包含将至少两块片设置以形成管状梁，管状梁具有一非线性的长度并具有至少一个无圆边的角；以及采用热影响区小的焊接工序焊接该至少一个无圆边的角，以得出一热影响区域，在该热影响区域的横向截面中，该区域从该至少一个无圆边的角横向延伸少于 3mm。
在参考本文的说明书、权利要求和附图后，本领域的技术人员将了解和领会本发明的这些和其它方面、目的和特征。
附图说明
图1-3是梁的分解透视图、组装透视图以及截面视图，该梁由五块铝片形成，两块形成前壁和后壁而三块形成横向剪力壁，前壁和后壁具有框架附接孔并具有延伸至剪力壁上和下的上凸缘和下凸缘，而梁的所有角皆为无圆边的垂直角。
图4-5是梁的透视和截面视图，该梁与图2的相似，但于其前壁具有通道肋条。
图6-8是梁的透视和截面视图，该梁与图4的相似，但具有通道肋条，另外沿其长度的截面形状是具变化的。
图9是梁的分解透视图，该梁与图2的类似，是由五块预成型片形成的多片式梁，但该梁具有的后壁于中央区域具有较厚/不同的物料而在端部区域具有较薄/不同的物料。
图10是多片式梁的分解透视图，该梁类似图9，但由七块预成型块片形成，并包括短的中央块片和形成梁的后壁的两块更短的端片(中央块片和该两更短的端片之间有空隙)，而该中间的横向剪力壁长度上和该中央块片相似但具有向外成角度的终面。
图11是多片式梁的分解透视图，该梁类似图2并由五块片形成，并包括预成型的前壁，其具有向后变形的终端段(并可选地包括通道肋条)，该变形于中央区域的外边缘以明显的弯位开始，以及中间的横向剪力壁，其缩短了并具有凹形的端部。
图12是多片式梁的截面视图，其中该中间的横向剪力壁具有延伸至梁的前表面和后表面的边缘，且其中上部前块片和下部前块片与该中间的横向剪力壁的前尖端组合以形成该梁的前壁，其中上部后块片和下部后块片与该中间的横向剪力壁的后尖端组合以形成该梁的后壁，且其中顶部横向剪力壁和底部横向剪力壁抵接该组合前壁和组合后壁的内表面。
图13是图12中一圈下来的范围(一T角)的放大视图。
图14是与图13相似的放大视图，但其中所述形成该T角的各块片具有三个不同的厚度。
图15-17是深度具变化的多片式铝制梁的分解、透视和中央截面视图，其中该梁横跨其中央区域具有不变的截面形状并具有向后地收窄的端部截面，而所有截面具有比图1-8中的梁浅的深度并于其前壁中具有较浅的通道肋条。
图18是多块式梁的前正视图，其中梁的前壁具有不变的高度，而顶部横向剪力壁和底部的横向剪力壁往内延伸、具有比前壁的上边缘和下边缘靠后的平面，但其中该中间的横向剪力壁具有起伏的非平面形状(以虚线示出)。
图19-21是双管梁的前正视图和截面视图，该梁的其中一管沿梁的长度具有变化的形状。
图22是多片式梁的前正视图，其中梁的前壁具有拱形的上边缘，其远高于梁的端部的顶部地垂直延伸。
图23是多片式梁的分解视图，该梁的前壁和后壁具有固定孔和壁定位槽，其中该三块剪力壁之其一或更多具有接合槽的凸片，其被定位进所述壁定位槽，而固定件具有接合所述固定孔的销。
图24是多片式梁的横截面视图，其中梁的中间横向剪力壁和底部横向剪力壁与前壁和后壁形成无圆边的垂直角，但图示的顶部横向剪力壁形成的无圆边角从垂直角度偏差5-10度，或更优选地从垂直角偏差2-5度。
图25-26是固有技术的挤出式铝制梁的透视和横截面示图，该梁具双管式设计和前方的向上凸缘。
图27-28是固有技术的辊轧成形的钢梁的透视和横截面示图，其具有双管式设计和具圆边的角。
图29是与图28相似的示图，但是在初始撞击后的，其中具圆边的角在开始崩塌。
图30是固有技术的加固梁的透视图，该梁具有与图28中的梁(其从单一块钢片辊轧成形)相同的横截面形状，并具有焊接至斜角切端部上的端部帽子，其限定前壁的外侧端部。
图31是梁的透视图，该梁与图30维度相似，但其外侧端部是通过将前壁和剪力壁的外侧端部预成型而形成的(而不是采用二次剪切和焊接操作形成的)。
图32-34是固有技术的梁件测试，图32示出三点式弯曲测试、图33示出中央线零偏移保险杆撞击测试(亦称“IIHS 100％重叠撞击测试”)，而图34 示出中央线73.2mm偏移重叠撞击测试。
图35-36是图表，其比较多片式铝制梁(见图4和6)相比挤出式铝制梁(见图25)的质量减省(mass savings)，图35比较适于同一的车头组件空间并具有同等的IIHS保险杆撞击测试性能表现的梁的质量(beam mass)；图36比较适于同一的车头组件空间并具有同等的弯曲测试结果的梁的梁质量。
图37-39是图表，其比较具不变的横截面的多片式钢梁(见图4)和具变化的横截面的多片式钢梁(见图6)相比辊轧成形的钢梁(见图27)的质量减省，图 37就适于同一的车头组件空间并具有同等弯矩的梁比较质量减省；图38就适于同一的车头组件空间并具有同等IIHS 100％重叠撞击测试表现的梁比较质量减省；而图39就适于同一的车头组件空间并具有同等的IIHS 73.2mm偏移重叠撞击测试表现的梁比较质量减省。
图40-41是固有技术中传统MIG焊点的平面和侧视图，该视图示出焊缝以及从边缘延伸5-15mm(或更多)的热影响区(亦称“HAZ区域”)，该HAZ区域具有的物料属性由于焊接过程期间产生的热能而被显著削弱了，导至抗撞击性能表现特征显著减低。
图42是一般的固有技术的激光焊接的透视图，其包括较小的HAZ区域。
图43-45是冷金属转移(CMT)焊接工序，其采用激光光束将馈送至焊接范围的冷线焊接，43-44是第一和第二侧视图，图45是透视图；该CMT焊接工序将围绕焊点的热影响区最小化至小于约3mm，并有机会小于约1.5mm。
图46-47是搅拌摩擦焊接(FSW)工序的侧视图，该工序采用旋转/移动的工具以导致固态焊接，该FSW工序消除或几乎消除围绕焊点的热影响区。
图48-50示出将该多块片固定和焊接以形成梁，图48示出将第一剪力壁焊接至前壁和后壁，图49-50示出对额外剪力壁的焊接。
具体实施方式
应了解，很多在此的创新性概念是相关的，并可以不同方式组合以产生各种各样不同的梁设计。因此，本领域的技术人员会明白，无可能示出每一个可以这些原理建造的梁。因此，技术人员将明白，可从各个所示的实施方案中选用特征而建造各种各样的梁。因此，本文的示图/说明并不意图作详尽或限制性的说明。
在以下示图中，多片式的梁(亦称“多条条状物的梁”或“保险杠加固梁”或“梁分节”)是被描述为由高强度物料(铝或刚片)焊接而成。所述梁一般具有在位置上放置适宜的壁厚度及于策略性位置带有某些特性，以为其按个别车辆应用的需要而提供极佳的防撞强度而同时将重量减至最低。这里亦会讨论新颖的焊接过程，其用于在梁的焊接范围周围形成小的热影响区，特别是在由抵接相邻的块片形成的无圆边的、成垂直角的周围；亦会描述相关的新颖的固定系统，用于在焊接过程中将所述块片保持在一起。在本文的应用中，术语“无圆边的角”(或“零半径角”)是用以指由第一块片的边缘抵接第二块片的非边缘(主体)部分所形成的角，其中于该角的抵接结构限定约90度的角度(例如与垂直偏差小于5-10度)，且于该角的抵接结构并不包括由块片物料形成的圆边(这样由块片物料形成的圆边在侧面撞击期间于该角撞进梁时会“卷曲”或变得不稳定)。
梁100(图1-3)是由五块铝片形成，包括形成其前壁101的块片、后壁102 的块片、顶部横向剪力壁103的块片、中间的横向剪力壁104的块片和底部的横向剪力壁105的块片。剪力壁103-105大体上是平面的(但被预成型以具有非线性的前边缘和后边缘)。前壁101和后壁102配合地接合并且以连续的焊接固定至所述边缘，例如当具正交关系的块片抵接时于该六个无圆边的角 106(图3)处形成的焊接。该前壁101和后壁102是预先成型以于后壁102中包括连接孔107(在此亦称“附接结构”，并拟包括焊接在其上的带孔的托架)、于前壁101中包括检修孔108，以及包括任何其它想要的特征，例如附件安装孔109。已设想了所述前壁101和后壁102(或其它壁)可以是预成型的(即辊轧形成、钻冲刺穿，冲压或模压)，并可以是非平面或平面的(例如在没受应力时)但有足够柔性以致当被焊接固定件偏压以致接合时会被塑成所述边缘的形状。(参见例如图48-50 中的固定件。)前壁101和后壁102上的向上凸缘 110和向下凸缘111分别于顶部剪力壁103上方延伸和于底部剪力壁105下方延伸。
图示的梁100(图3)可例如具有较厚的块片形成前壁101和后壁102，形成剪力壁103-105的块片则可较薄。例如，当采用的是铝时，该前壁和后壁 101-102可以是2mm-5mm厚的物料，或更优选地2mm-3mm厚，并可为抗拉强度80ksi的物料，或更优选地为抗拉强度120ksi(或更高ksi，特别对前壁而言)的物料；而所述剪力壁103-105则可为1.5mm-3mm厚的物料，或更优选地1.5mm-2.2mm厚，并可为抗拉强度60ksi的物料，或更优选地为抗屈强度72ksi至87ksi的物料。这里注明该铝可选至非常高强度的铝，包括比可挤出等级的铝的强度高很多的铝。当采用的不是铝而是钢时，该前壁和后壁 101-102可以是1.0mm-4mm厚的物料或更优选地1.2-2.0mm厚，并可为抗拉强度190ksi的物料，或更优选地为抗拉强度220至250ksi或更高ksi的物料(例如是马氏体(Martensite)物料和超高强度物料)；而所述剪力壁103-105则可为 0.8-3mm厚的物料，或更优选地1-1.5mm厚，并可为抗拉强度190ksi的物料，或更优选地为220至250或更高ksi的物料。前壁和后壁101-102相比剪力壁 103-105的厚度比例对于总成本和/或梁的功能可以是重要的。例如，前壁和后壁101-102相比剪力壁103-105的条块厚度比例优选地处于2：1下至几乎 1：1之间的范围中。该梁分节100的某外部维度可为90mm-150mm高和 30mm-80mm前-后深，但这里注明该梁可为其拟定用途或拟定运作环境而被制成任何尺寸或形状。所示的梁分节100的长度与其拟用于的车辆的横跨车辆的维度匹配。
要留意只有某些级别的铝物料是可挤出的。具最高抗拉强度的铝物料是不可挤出的，而且一般被视为不能焊接的。通过采用本文中的创新概念(包括焊接技术)，可用比可挤出的级别的铝更强的铝制成梁。这允许使用比挤出工序可处理的铝物料范围宽很多的铝物料制成梁，包括采用更强的铝物料和/或采用较薄/较厚/多重厚度的铝片物料。尤其是较高强度的铝给出较轻的梁同时维持强度属性。
本文的器材(和相关的方法)具有多重优点，包括相对低的设备的资本成本、减短设备的前期工序时间、容易自动化(导致减低人工劳动成本)，并有机会减低半成品库存量和减少二次加工。与此同时，本文的器材是灵活的并能产生的梁形状范围宽广，包括具无圆角的垂直角(亦称“零半径角”)的梁，这样的角适于提供最佳的防撞强度、具断续的壁的梁，以及具策略性地设置的较厚和较薄的块片(或具策略性地设置的较高强度和较低强度的块片)的梁，这沿该梁设于特定位置以提供最好的功能属性。其亦允许形成于该梁之上(或下)延伸的向上(和向下)凸缘，汽车生产商有时会这样期望。这样的凸缘可帮助生产商的车辆通过撞击测试、可支撑车头构件，并可作用为多种构件、传感器和附件的安装位点。
图示的梁分节100(图3)具有于前壁101上延伸的向上凸缘110。汽车生产商有时会这样指定，从而为相邻的构件提供支撑，例如支撑车头构件或支撑附接夹或线夹。这里注明该向上凸缘110可具一致的高度，或可于车辆中间附近加高或沿其长度于选定位置加高。
此外，图示的梁100具有无圆边的角(偶尔亦称为“方角”或“T形角”)，其中一块片的边缘以直角90度角抵接另一块片的一侧。(“无圆边的角”在本文用以指代平面的块片抵接而形成的90度角，但其拟包括稍有偏离90度的角，例如85度角，或甚至80或75度角(见图24)。这与传统的辊轧成形的梁成对比，那些梁必须有具圆边的角(参见图27-28，以及图29，其中所述具圆边的角在撞击时导致早期崩塌)。在具圆边的角的辊轧成形的梁中，内半径一般需要大于物料厚度的至少约4倍，以避免物料被弯曲成角的形状时物料于该角之处被剪切或碎裂。所述具圆边的角倾向卷曲并对撞击提供“较软”或较低的初始抗撞力，因此该半径/圆边的存在导致有可能更大机会发生灾难性崩塌(见图29)。与此对比，图示的具无圆边的角的梁100完全没有任何角半径。在被撞击时这提供优点，因为方角在撞击方面提供即时和急速的增加的抵抗(常称这为“高效率抗撞”，因为相比具较低抗撞效率的防撞梁系统一般吸收更大的能量)。因此，无圆边的角的存在改善梁对于灾难性崩塌的抵抗力。已设想了，即使在本文的创新性的梁中无圆边的角是优选的，但可开发某些具有一些具圆边的角的梁。例如，可形成梁，其以一单块片形成前壁、顶壁和底壁(即以具圆边的角将其连接)，并以额外的块片形成后壁和中间的剪力壁(并具有无圆边的角)。
下文说明额外的梁，其中类似的构件、特征、特质和属性以同样的数字识别，但加上一字母，如“A”、“B”等。这做法仅是用于减少冗余的说明和讨论，无其它目的。
图4-5示出梁100A，其与梁100相似，但于其前壁101A具有通道肋条 114A，其中于梁100A的每个管状分段正中处之上设有一通道肋条114A。测试显示，通道肋条114A在撞击期间帮助稳定前壁，导致比相同而没有通道肋条114A的梁(100)具改善的抗撞力和/或改善的抗弯强度。为了功能性用途，在梁中所述通道肋条114A可以按需要为任意的深浅度。(比较图5和图17中的肋条。)图示的优选通道肋条114A延伸至下伏的管状分段的宽度的约25％，而该通道肋条114A的深度与其宽度相若。然而，考虑了不同的通道深度，包括把通道肋条114A弄得深至通道肋条114A的底部靠在构成梁100A的后壁 102A的那块片上。图示的剪力壁103A-105A具有限定梁的纵向形状的边缘，而该纵向形状偶尔被称为梁的弧形。前壁101A被形成以匹配剪力壁 103A-105A的边缘的形状。该后壁102A可以是相对地平面的(没受应力情况下)并在固定期间被变形成剪力壁103A-105A的后边缘的形状(或可被预成型为该形状)。图示的壁103A-105A(图4)的边缘是非线性的但一般是平行的，以致该梁的某长度限定不变的截面维度。
一修改后的梁100B(图6-8)与梁100A(图4-5)相似，但梁100B(图6-8)具有的剪力壁103B-105B具有不平行的边缘，以致其截面形状沿梁100B的一长度变化。因此，梁100B于其深度方向在其中央区域具有较大(较深)的截面维度(图8)，并于其深度方向在其外侧两端具有较窄(较浅)的截面维度(图7)。这梁100B为车辆的前端提供更流线形的外观。这里注明，保险杠加固于梁的两端的结构性安装件处、梁以螺栓紧固至车辆框架或车辆压溃管之处并不需那么高的抗弯强度。与此相比，在梁100B中央附近，理想是具有更高的弯矩 (即更大的截面形状)以通过IIHS的偏移重叠撞击(offset overlap impact)的测试 (见图34)。梁100B可具有弧度较低的中央分段(即从上方看具较大半径)以及弧度较高的两端分段(即从上方看具较小半径)。
梁中的块片可按要求而具有不同厚度和强度以给出最佳性能，而且某块片还可具有不同块片分节并端对端地焊接起来。例如，梁100C(图9)具有后块片102C，其具有由钢制成的中央部分102C’，其具有的厚度为2mm，并且长度为约16-20寸长。外侧块片102C”例如可为类似的钢物料但具有较薄的厚度，例如厚1.0-1.5mm。块片102C’和102C”是焊接在一起的，例如沿激光焊线焊接，以形成连续的“复合”块片，其沿梁100C的的长度延伸。所得出的复合后壁102C可减省大量的物料质量。可在前壁101C或剪力壁103C-105C 作同样的设置。
梁100D(图10)与梁100C类似，但在梁100D中，后方的一中间部分102D’没有连接至后方的外侧部分102D”。相反地是在102D’和102D”这些部分之间具有空隙，例如一般约4-10寸长的空隙。此外，在中间的横向剪力壁104D 长度与中央的后块片102D’相似，但应注意的是该长度可略长于中央后块片 102D’的长度以致该中央后块片102D’的端部与剪力壁104D的端部不对齐。这样造是为了避免对梁在该处的抗弯强度有负面影响。中间的横向剪力壁104D的外端从后壁102D延伸往前壁101D期间是以向外侧的角度延伸。值得注意的是，已考虑了该中间剪力壁104D的端部可以是线性的、弯曲的，或其它任何期望的形状，以优化梁的强度和抗撞击属性同时将梁的重量减至最低。
梁100E(图11)包括预成型的前壁101E，其具有向后变形的端部分段 101E’，其限定垂直的弯曲线101E”。该弯曲线101E”并不是急促的弯位，而是渐进的弯位，其这样形成是为了避免集中应力并从梁中央至端部提供好的过渡。前壁101E可包括或不包括通道肋条(114A)，而这些通道肋条或可延伸经过梁的某长度。图示的中间剪力壁104E是缩短了的，并具有凹形的端部部分。顶部和底部的横向剪力壁103E和105E是相对上平面的，但具有匹配前壁101E形状的前边缘。剪力壁103E-105E的后边缘是非线性的、非平行的，并总体上是弯曲以限定期望的形状的。用作后壁102E的块片是相对地平面和柔性的，以致其没受应力时是平面的，但当被固定并被按压抵着剪力壁 103E-105E后边缘时则弯曲以匹配该后边缘的形状。(参见图1、4、6以及 48-50。)
梁100F(图12-13)是由七块铝片制成。中间的横向剪力壁104F延伸至梁 100F的前表面和后表面，并形成所述表面的一部分。两块上和下的前块片 101F’和101F”与中间的横向剪力壁104F的前尖组合以形成前壁101F。两块上和下的后块片102F’和102F”与中间的横向剪力壁104F的后尖组合以形成梁100F的后壁102F。顶部和底部的横向剪力壁103F和105F抵接该组合的前壁101F的内表面和该组合的后壁102F的内表面。这里注明，在下文说明的搅拌摩擦焊接(见图46-47)是特别适用于将梁100F上的中间焊接点以特定方式接合以致维持“平”滑的前表面。图13是图12中圈下来的于梁100F中间 (一个T角)的范围IVIX的放大示图。值得注意的是，优选是采用特定焊接过程以致没有焊料从焊接的角凸出。亦即基本上没有焊缝。如示般，所有焊料被限制于角内，因此该前表面(和/或后表面(如采用类似焊接方式))是“平”的。
在梁100F(图13)中，所有邻接的块片具有类似的厚度。但在修改后的梁 100G(图14)中，形成该角的各块片具有不同的厚度。因此，梁100G在某块片上从顶至底具有不同物料或不同厚度的物料。这梁100G给出新颖的属性，因为其沿梁100G的下部管状分段提供较低(或较高)的抗弯强度。
梁100H(图15)与梁100B(图6)相似，但梁100H沿其长度总体地具有较窄的前后维度，由沿前壁101H中央的第一弧度(第一曲线)过渡至沿前壁101H 的外侧两端的较急促的第二弧度(第二曲线)处，前壁上具有较急促的弯位。此外，通道肋条114H比梁100B中的肋条114B浅。(比较图17和图8。)
梁100J(图18)具有和梁100(图1)相似的形状，但梁100J具有非平面的中间横向剪力壁104J。具体地，该剪力壁104J具有起伏或波浪形状，在中央的每侧具有一个波浪。该剪力壁104J可形成或多或小的波浪，或可形成尖削的之字形弯位，而且所述波浪的起伏阔度和高度可为一致或不一致的。
梁100K(图19-21)与梁100(图1)相似，但梁100K具有拱形的顶部剪力壁103K，而前壁101K和后壁102K与其形状匹配。因此，梁100K形成的两条管在中央区域(见图21)是不相似的但在梁的端部(图20)是相似的。具体地，所示的底部管分段维持不变的形状，但顶部的管从在中央的最大形状(图20) 变为端部的较窄的管(图21)。
梁100L(图22)与梁100K相似，但其顶部的剪力壁103L具有更弓形的形状。这里注明，该顶部剪力壁103L可跟随前壁101L的顶部边缘，或可于横向平面中延伸。
梁100M(图23)包括前壁和后壁101M和102M，其具有固定孔130M和壁定位槽131M。在前(和后)壁101M和102M的所述固定孔130M与固定件 133M中的销132M接合以在块片101M-105M被置于固定件133M中时将所述块片准确地定位。该三块剪力壁103M-105M之其一(或更多)具有凸片 135M(注意这里只在中间剪力壁104M上示出凸片135M)，其被定位于匹配的壁定位槽131MU中，从而在焊接期间准确地将横向剪力壁103M-105M定位于前(和后)壁101M和102M上。所述固定孔130M和槽-凸片结构131M/135M 简化了组装所需的固定件。这里注明，所述固定件亦可包括其它固定装置，例如夹钳和机械夹持器(与块片两边接合以将其固定)，或真空杯和磁铁(与块片一边接合以将其固定),和/或可包括其它本领域中已知的方法以将相邻部件准确地定位以作焊接组装。参见下文描述的图48-50 。
梁100N(图24)具有顶部、底部和中间的横向剪力壁103N-105N，其与前壁101N和后壁102N形成无圆边的角106N。中间和底部的剪力壁104N和 105N形成无圆边的垂直角。但是顶部横向剪力壁103N相对水平成某角度地延伸，以致其形成的无圆边的角从垂直角度偏离约1-10度，或更优选地从垂直角度偏离2-5度(当用作保险杆加固梁时)。已设想该梁100N可被“翻转”以致该成角度的壁在梁安装于车辆上的位置时是在梁的底部。
图25-26示出固有技术中的挤出式铝制梁500，其用作基准以和结合上述各种概念的多片式梁作比较。该梁500包括前、后、顶部、中间、和底部壁501-505以及向上的前凸缘506。
图27-28示出固有技术中由高强度的钢辊轧成形而形成的钢梁600，其用作基准以和结合上述各种概念的多片式梁作比较。该辊轧成形的钢梁600 包括前、后、顶部、中间和底部壁601-605，其限定具圆边的角608，并在梁 600中的管上包括通道肋条606。
图29示出对梁600的撞击，其在撞击期间开始崩塌时其截面形状发生变化。这里发现，变形倾向始于所述具圆边的角，这导致该辊轧成形的梁所有壁都不稳定，并因此导致该梁的“早期”灾难性崩塌。
梁600A(图30)与梁600相似，但其端部于二次加工中被角切，然后在每端之上焊上了帽子609A。所述帽子609A为前壁601A形成急促向后切、向后延伸的端部，这加强侧向抗撞强度和期望的属性。但所述帽子609A亦加重保险杆的总重量，亦由于二次工序而加大了成本。
多块片式梁100P(图31)与梁100A(图4)相似，但梁100P包括的前壁101P 具有急促地向后弯曲的外侧端部分段，而且所包括的剪力壁103P-105P具有相配的前边缘以抵接地接合前壁101P。因此，梁100P的角切形状被整合了至固有构件中，免除了二次加工、避免了额外重量，而与上述的辊轧成形的梁600A提供相似的外观和功能。
图32-34示出常用于测量保险杆加固梁的性能的测试。图32示出用于测试保险杆的三点弯曲测试。我们采用了880mm的支撑跨距，并在测试时以 7.6kN-m抗弯强度为目标。图33示出IIHS的100％重叠撞击测试。图34示出IIHS的73.2mm偏移重叠撞击测试。值得注意的是该偏移在撞击期间导致向该梁产生可观的扭转载荷，特别是在接近梁中央处，其远离(在梁两端的) 车辆安装件。IIHS意指高速公路安全保险协会(Insurance Institute forHighway Safety)，其具有已知的保险杆测试标准，其广泛用于汽车行业。
这里简述一相关的生产方法：生产保险杆的梁的一方法包含提供多条条状物，其具有选定的(可能是不同的)物料属性和厚度，用于形成梁的前、后、顶部、中间和底部壁；将所有块片的边缘剪切(例如剪切出顶部、中央和底部壁的边缘以沿其长度形成变化的宽度)并且在块片中形成任何必需的孔；按需要将壁塑形(例如形成通道肋条或其它前壁中的特征)；将前壁和后壁于顶部、中间和底部的壁之其中一个壁或更多的壁互相抵接地固定；将它们焊接在一起；并以剩下的顶部、中间和底部的壁重覆所述固定和焊接的步骤。
图35的图表是比较梁的质量，其将恒定深度的多块片式梁100A(图4) 和具变化的深度的多块片式梁100B(图6)与作为目标的挤出式铝制梁500(图 25)比较。梁100A、100B和500适合同一的车头组件空间，并具有同等的IIHS 保险杆撞击测试性能表现。梁100A和100B采用了高强度(不能挤出的)铝，其就强度和属性被最优地设置，以及将重量减到最低。本研究提示了有大量减省质量的机会，因为在维持同一IIHS撞击测试性能表现下，梁100A提供了大量的质量减省，而梁100B提供了更大的质量减省潜力(约20％质量减省)。通过沿梁的长度以及绕梁的横截面对物料属性优化，可在已知固有技术的挤出式铝制梁之上达致更大的质量减省，质量减省如图36所示高达34％。
图37是图表，其比较三条不同的梁每单位质量的最大弯矩，包括作为基准的固有技术的钢物料制的辊轧成形(双管)单脚梁600(图27)、具不变的横截面和有通道肋条的表面的多片式梁100A(图4)，以及具变化的横截面和有通道肋条的表面的多片式梁100B(图6)。该测试是要测量每公斤的最大弯矩。该测试不是以等同的梁的性能或等同的梁的质量作基础的。如示，具变化的横截面的多片式梁100B提供了大很多的每单位质量的弯矩，比作为基准的固有技术单脚梁600的每单位质量的弯矩大27.4％。即使是具不变的横截面的多片式梁100A在每单位质量的弯矩也是比作为基准的固有技术单脚梁600 的改良了23％。
图38是图表，其比较图37中的梁的质量，而所述梁在IIHS的100％重叠撞击测试中全具有相似的性能表现。具体地，所述梁包括固有技术的辊轧成形(双管)梁600(图27)、具不变的横截面的多片式梁100A(图4)，以及具变化的横截面的多片式梁100B(图6)。相比作为基准的固有技术的梁600，梁 100B提供了15.6％的质量减省，而梁100A则提供了3.3％的质量减省。这里注明，采用了不同块片厚度的组合以优化性能。
图39是图表，其比较和图37中同样的那三种不同的梁的质量，但其中所述梁具有不同的质量以达致在IIHS的73.2mm重叠撞击测试中每个具有类似的偏移撞击性能表现。该图表示出，梁100B相比固有技术的辊轧成形的梁 600具有22.4％的质量减省而同时提供同等的IIHS 73.2mm重叠撞击测试结果。再次注明，这里也是采用了不同的块片厚度的组合以优化性能。
已设想新颖的焊接方法可用于将焊接点周围的热影响区减至最小(几乎将其消除)。这对于用于车辆保险杆系统中的保险杆加固梁可以是特别重要的，因为保险杆系统需具备由IIHS(高速公路安全保险协会)和FMVSS(联邦机动车辆安全标准，Federal MotorVehicle Safety Standards)机构定下的多个测试标准。值得注意的是，产生高热的焊接过程和焊接点还会劣化焊接点周围和相邻的物料的物理属性。要留意对于保险杆加固梁的撞击和弯曲强度和其测试标准都是非常复杂的，并涉及撞杆测试、钟摆测试、(模拟车撞车的)重叠撞击测试、行人撞击/伤亡测试、乘客安全测试，和多种其它测试。
劣化了的物料属性(即高强度钢或铝中减弱了强度的范围)一般具有较低抗撞强度、较不一致的属性，以及在撞击期间具较难预测的能量吸收情况。图40示意性地示出在传统焊接过程中(其中用了热能产生熔化金属以接合相邻的构件)焊接点周围的热影响区的效果。图示的MIG焊接(或可是TIG焊接) 添加了焊料700(亦称“焊缝”)以接合相邻的块片701和702。该焊缝700从形成该被焊成的角(或平面)的壁的物料凸出约3-10mm。该焊缝700于该角和沿该角产生一坨或一潭焊料，但还产生高热区域704，其延伸至远过该焊缝本身很多，例如从所焊成的角向外延伸15-20mm。再者，视乎物料的敏感程度，受负面影响的区域705(被称为“热影响区”或“HAZ”)会延伸至更远，例如在离该角15-25mm处。激光焊接(图42)亦是已知的焊接过程，其中以激光能量711 熔化焊接处的物料710以产生一潭物料，其在冷却后接合相邻的物料。
我们发现了三种焊接过程可就我们意见而言，特别好地抑制该热影响区。这些包括冷金属转移焊接(CMT)(图43-45)、搅拌摩擦焊接(FSW)(图46-47)以及同质激光焊接(未示出)。已注意到这些工序皆是公知的并可商购的，不过以我们所知其应用程度并不广泛。特别是以我们所知没有任何保险杆加固梁采用任何这些工序制成，也没有任何设计用于失事撞击用途的梁用这些工序任一制成。
冷金属转移(CMT)焊接是从多间公司可商购的，包括例如某名为 Fraunhofer的公司，这些公司还在推广这工序。图43-45示出一种冷金属转移焊接工序(还有多种其它这种工序存在)，而其功能包括能将焊点周围的热影响区最小化至小于约3mm，并有可能小于约1.5mm。该工序包括从准确瞄准、准确校准的激光400提供有限和聚焦的能量作焊接用，同时按需要向焊接处馈送“冷”(意指不带电荷)的线状物料401以启动焊接并用以焊接物料(图示为图12的块片104F和102F’)。值得留意的是，冷线401所添加至该焊点的焊料分量是极少的(这包括该线尺寸小以及该线的移动/馈送可以是慢或者是摆动的)，而且该激光400是被紧密控制以将热量积聚减至最少的。因此，如上文注明，围绕该焊接处的热影响区是极小的，例如从该角起计小于3mm或甚至小至1mm。延伸出该焊接的角的焊缝基本上是零。
图46-47是一搅拌摩擦焊接工序的侧视图，该制程是ESOB公司推广和售卖的可商购工序。搅拌摩擦焊接(FSW)是固态焊接工序，所以它几乎消除了焊接导致的热能输入所导致的属性流失。在搅拌摩擦焊接中，工具420以周期性或摆动性的方式绕着与焊接处421紧密关连的位置移动以产生摩擦力，导致来自块片104F、102F’和102F”的物料在没有任何附加的焊接物料下接合，从而将在焊接期间施加至焊接处的额外热能减至最少。没有任何外在物料被添加至该焊接处。相反，是将直接相邻的范围的物料弄至具足够移动性以接合相邻块片104F、102F’和102F”。
同质激光焊接(未示出)是商业上已知的工序，其不需在此详细解释，本领域的技术人员已能明白。其亦可用于在焊接期间将热能积聚减至最少。
在上述每个焊接工序中(冷金属转移焊接、搅拌摩擦焊接、同质激光焊接)，皆将最少或零物料添加至焊接处。它们并不留下从焊接处延伸3-5mm的焊缝。同时，它们将焊接处的热力减至最少，从而将热影响区缩减至只是从所焊接的角的很短距离(例如几毫米)。
视乎块片的形状和所用的焊接方式，块片101-105可以不同方式固定。固定件800(图48)使用具直立块件802的基座801、侧夹钳803以及顶部夹钳 804以将块片101、102和104固定在一起。所示的焊接工序是具有激光400 和冷线(未示出)的CMT焊接工序。该工序在图49中重复，其中采用额外的中间块件805将块片105固定。之后在图50中，该梁半成品被倒置，以块件806固定最后一块片103然后将其焊接。已设想可采用多种不同固定方法和程序。例如，该梁可从底部被焊接而不被倒置(未示出，但见图50)，或者该梁可被旋转90度并从侧面被焊接(未示出)。
因此，应了解，可对上述结构作变体和修改而不偏离本发明的概念，而且要了解，这些概念意在被权利要求涵盖，除非这些权利要求明文否定。

Claims (21)

1.针对车辆撞击而构建的加固梁件，其包含：
至少三块分别的长形金属块片，于其中至少一块片上包括预成型结构，而所述块片被定位和互相连接以限定长形的管状梁，管状梁具有一非线性的长度和限定前壁和后壁的横向截面以及至少两块连接前壁和后壁的剪力壁，其中至少两块所述长形金属块片具有边缘与相邻的其它长形金属块片的侧表面抵接以形成无圆边的垂直焊接角；而
管状梁的端部部分被构造以便附接至车辆。
2.如权利要求1所述的加固梁件，其中所述端部部分上包括安装结构，其用于附接至车辆保险杆安装结构。
3.如权利要求1所述的加固梁件，其中至少一块所述长形金属块片是属于不可挤出的铝级别。
4.如权利要求3所述的加固梁件，其中该至少一块长形金属块片具有至少120ksi的抗拉强度。
5.如权利要求1所述的加固梁件，其中至少一块所述长形金属块片是具有至少190ksi的高抗拉强度级别的钢。
6.如权利要求1所述的加固梁件，其中该前壁是非平面的。
7.如权利要求6所述的加固梁件，其中该前壁包括至少一条沿前壁纵向延伸的通道肋条。
8.如权利要求1所述的加固梁件，其中至少两块所述剪力壁是平面的。
9.如权利要求1所述的加固梁件，其中该前壁包括限定第一曲率的中央部分以及限定与第一曲率不同的第二曲率的端部区域。
10.如权利要求1所述的加固梁件，其中所述前壁、后壁和剪力壁的至少其一与其它的前壁、后壁和剪力壁在厚度、物料、抗拉强度或长度方面是不同的。
11.如权利要求10所述的加固梁件，其中该前壁延伸至梁的全长而后壁和剪力壁的至少其一比前壁短。
12.如权利要求1所述的加固梁件，其中该横向截面于梁的端部限定较小的管状尺寸而在梁的中央限定较大的管状尺寸。
13.如权利要求1所述的加固梁件，其中该至少两块连接前壁和后壁的剪力壁包括三个剪力壁。
14.如权利要求1所述的加固梁件，其中该前壁包括向上凸缘，其延伸至顶部的剪力壁之上至少約1.5mm。
15.如权利要求1所述的加固梁件，其中所述无圆边的垂直焊接角之至少其一包括的热影响区从该无圆边的垂直焊接角之至少其一延伸少于3mm。
16.梁件，其包含：
长形的金属块片，其各具有长形的主体和对置的边缘，所述主体被设置和固定在一起以形成长形的封闭的管状梁，管状梁的一长度具有在中央区域中有着第一深度和在外侧两端有着第二深度的横向截面，其中所述第一深度和第二深度互相不相等，其中所述边缘中的某些边缘与所述主体中的某些主体相邻抵接以形成无圆边的角，而所述块片之至少其一的主体是平面的。
17.如权利要求16所述的梁件，其中所述金属块片之至少其一是属于不可挤出的铝级别。
18.如权利要求17所述的梁件，其中所述金属块片之至少其一具有至少120ksi的抗拉强度。
19.如权利要求16所述的梁件，其中至少一块所述金属块片是具有至少190ksi的高抗拉强度级别的钢。
20.加固梁件，其包含：
至少三块的多块的分别的预成型块片，其被固定在一起然后焊接以形成管状箱形梁，其具有前垂直壁和后垂直壁以及限定上管和下管的多块横向壁，某些所述块片的边缘与所述块片中的一相邻块片的一侧表面抵接以在横向于梁的长度而被截面时限定无圆边的前角和无圆边的后角。
21.梁件，其包含：
至少两件块片，其被设置以形成管状梁，管状梁具有非线性的长度、具有前壁和后壁，并具有至少一个无圆边的角与前壁相邻，其中一块所述块片的边缘与相邻的其它所述块片的侧表面抵接以形成无圆边的角，且其中所述无圆边的角以热影响区小的焊接工序焊接以致在该热影响区的横向截面中该热影响区从该至少一个无圆边的角横向延伸少于3mm。
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