CN107263018A - 自行车车架管材制法 - Google Patents

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吴佩芳
邱建仁
林俊雄
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Abstract

本发明提供一种自行车车架管材制法，其步骤包含：将一由第一铝合金材料所构成的第一管材与一由第二铝合金材料所构成的第二管材通过固态接合的方法，制成一第二铝合金材料在内层而第一铝合金材料在外层的复合铝合金管材；再以抽管及车削的方法，将该复合铝合金管材加工成为一中间较薄两端较厚的复合厚薄管，并使该第一铝合金材料集中在该复合厚薄管的中段部，而该第二铝合金材料则集中在该复合厚薄管的两个端部，其中，该车削的步骤是将位于该两个端部外层的第一铝合金材料予以去除；如此，本发明即可制作出兼具高强度及良好焊接性的铝合金自行车车架管材，进而可达到大幅提高车架刚性、减轻车架重量及降低成本的功效。

Description

自行车车架管材制法
技术领域
本发明涉及一种自行车车架管材制法，尤指一种兼具高强度及良好焊接性的铝合金自行车车架管材(aluminum alloy bicycle frame tubes)制法。
背景技术
按，由于铝合金具有质轻(比强度高)与成本低等优势，迄今仍是重要且广泛使用的自行车车架管材材料之一，目前的铝合金自行车车架管材主要是采用6061铝合金或7005铝合金等Al-Mg-Si合金或Al-Zn-Mg合金来制作，然后再通过TIG焊(Tungsten Inert Gas Welding，钨极惰性气体保护焊)或MIG焊(Metal Inert Gas Welding，熔化性电极惰性气体保护焊)等焊接工艺将各个管材结合成一完整的车架。
6061与7005等铝合金所具备的优良焊接性(weldability)使其成为业界制作铝合金自行车车架时的优先选择，但其典型的抗拉强度(typical tensilestrength)较低分别只有310MPa与350MPa，对于自行车车架进一步的轻量化形成了限制，然而，尽管部份铝合金如7050具有很高的强度(抗拉强度可达550MPa以上)，但此类高强度铝合金的焊接性却很差，一般甚至会被归类为是不可焊接的(unweldable)的铝合金材料，此一焊接上的问题对自行车车架采用高强度铝合金以进一步轻量化的企图构成了技术障碍。
此外，对于传统的钢制(steel)车架而言，虽然通过外加的接管(lug)及硬焊(brazing)的方式来结合(connected)各车架管材是很常见的工艺，而且美国专利US4047731、US2011/0057414等前案也教导了利用由强化纤维胶合材(fiber reinforced resin)所制成的接管(lug)来结合铝合金车架管材的技术方案，但实务上，却很少看到高强度的铝合金管材运用类似的制程来制作车架，这是因为铝合金的硬焊或胶合具有许多缺点，例如铝与硬焊金属之间容易产生异种金属的伽凡尼腐蚀(galvanic corossion)、金属与胶合材不同的热膨胀(thermal expansion)特性，以及相异材料(dissimilar materials)在接合处所造成的结构及材料不连续(material discontinuity)等等，特别是管材接合的部位都为高应力集中区(concentrated areas of stress)，而上述缺失将会使管材接合处的强度降低，甚至对车架造成灾难性的损坏，因而，对于要求高安全性的自行车工业来说，上述先前技艺的实用性与可行性显然很低。
是故，如何发展一种可同时兼具高强度及良好焊接性的铝合金自行车车架管材的制备方法，即成为一极具迫切性与实用价值的技术课题，也为本案申请人所欲解决的技术困难点所在。
发明内容
有鉴于现有自行车车架管材的制备技术无法克服高强度铝合金不易焊接的问题，只能转而采用容易焊接但强度较低的铝合金材料，导致车架在刚性、重量与材料成本等各项指标上均难有进一步突破，因此本发明的目的在于发展一种可同时兼具高强度及良好焊接性的铝合金自行车车架管材的制备方法。
为达成以上的目的，本发明系提供一种自行车车架管材制法，其步骤包含：准备一由第一铝合金材料所构成的第一管材与一由第二铝合金材料所构成的第二管材，再将该第一管材与第二管材通过固态接合的方法，制成一第二铝合金材料在内层而第一铝合金材料在外层的复合铝合金管材，其中，该第一管材系选择高强度但不易焊接的铝合金材质，而第二管材则选择具有良好TIG或MIG焊接性能的铝合金材质；再以抽管及车削的方法，将该复合铝合金管材加工成为一中间较薄两端较厚的复合厚薄管，并使该第一铝合金材料集中在该复合厚薄管的中段部，而该第二铝合金材料则集中在该复合厚薄管的两个端部，其中，该车削的步骤是将位于该两个端部外层的第一铝合金材料予以去除，即完成本发明的自行车车架管材。
其中，该第一铝合金材料为任一系列的铝合金，且该第二铝合金材料为5xxx系列的铝合金。
其中，该第一铝合金材料与第二铝合金材料分别选自不同系列但具有相同热处理条件的铝合金。
其中，该第一铝合金材料与第二铝合金材料分别选自同一系列但相异的铝合金材料。
其中，该固态接合采用的具体制法为挤制、抽制或旋锻。
其中，进一步利用内径拉刀的方法，将位于该复合厚薄管其中段部内层的第二铝合金材料予以去除。
凭借上述步骤，本发明的车架管材即可符合中间为高强度且两端容易焊接的要求，而可将车架管材中段的厚度进一步薄化，同时可较现有具有更高的耐疲劳强度与承受弹性变型能力，俾可同时满足车架设计在高刚性以有效转换传动效能以及适度弹性变型的舒适性需求，进而可达到大幅提高车架刚性、减轻车架重量及降低成本的功效。
附图说明
图1是本发明的步骤流程图。
图2是本发明其第一管材与第二管材的结构示意图。
图3是本发明利用固态接合方式将第一管材与第二管材制作成复合铝合金管材的动作示意图。
图4是完成固态接合步骤的复合铝合金管材的示意图。
图5是本发明将复合铝合金管材经抽管及车削等程序制作成复合厚薄管的示意图。
图5A是本发明进一步将位于图5的复合厚薄管其中段部内层的第二铝合金材料以内径拉刀方式去除的示意图。
图6是本发明的复合厚薄管其接合面的金相结构图。
附图标记说明：3-胚管；31-第一管材；32-第二管材；4-复合铝合金管材；5-固态接合设备；51-盛锭筒；52-推杆；53-挤模；6-复合厚薄管；6a-复合厚薄管；61-中段部；62-端部；63-接合面。
具体实施方式
请参阅图1与图2所示，本发明提供一种自行车车架管材制法，其步骤包含：
准备一由第一铝合金材料所构成的第一管材31与一由第二铝合金材料所构成的第二管材32，请再配合参阅图3与图4所示，再将该第一管材31与第二管材32通过固态接合(solid state welding)的方法，制成一第二铝合金材料在内层而第一铝合金材料在外层的复合铝合金管材4，其中，该第一管材31系选择高强度但不易焊接的铝合金材质，而第二管材32则选择具有良好TIG或MIG焊接性能的铝合金材质，在本发明中，所谓「高强度但不易焊接的铝合金材质」具体指的是抗拉强度大于350Mpa且TIG焊或MIG焊的焊接性(weldability)为C级或D级的铝合金材料，而“具有良好TIG或MIG焊接性能的铝合金材质”则是指TIG焊或MIG焊的焊接性为A级或B级的铝合金材料，有关现有已知各种铝合金的强度及焊接性能等特性，可由金属材料领域的相关工具书查得，例如美国金属学会(American Society for Metal)出版的《Metals Handbook》；
进一步的，在符合上述条件要求的前提下，该第一铝合金材料可选择任一系列的铝合金，且该第二铝合金材料则为5xxx系列的铝合金；或者，该第一铝合金材料与第二铝合金材料两者也可分别选自不同系列但具有相同热处理条件的铝合金；或者，作为最佳的实施方案，该第一铝合金材料与第二铝合金材料两者也可分别选自同一系列但相异的铝合金材料，例如，在本实施例中，该第一管材31系选用Al-Zn-Mg-Cu合金(相当于7050等级的铝合金)，该第二管材32则选用Al-Zn-Mg合金(类似7005等级的铝合金)，也即本实施例系采用7xxx系列的铝合金作为后续加工的毛胚素材，当然该第一管材31与第二管材32两者也可分别采用属于其他同一系列(例如都为6xxx系列)但相异的铝合金材料，本发明对此并不加以限定；
在此，可以注意的是，本实施例的Al-Zn-Mg-Cu合金与Al-Zn-Mg合金即分别符合“高强度但不易焊接”与“具有良好TIG或MIG焊接性能”的要求，至于其他也可符合本发明要求的铝合金材料，熟悉本领域技艺的人士显可轻易通过比较各种铝合金材料已知的强度及焊接性等特性而获得，于此不再逐一列举；
其中，请继续参阅图2所示，该第二管材32系先套接于该第一管材31内，以成为一胚管3，并令该第二管材32的外径表面与第一管材31的内径表面紧密接触，也即须使第二管材32的外径尺寸尽可能地接近第一管材31的内径尺寸，一般而言，为了确保后续的加工及接合效果，该第一管材31的内径表面与第二管材32的外径表面通常会在套接的前经过适当的清洗以去除油污，完成前述的套接动作后，请继续参阅图3所示，即可利用一固态接合设备5对该胚管3进行加工，按，此种经由塑性变型让两种金属固态接合的金属加工(metalworking)技术，其特点在于不需加热至液态熔融(liquid fusion)或使用填料金属(fillermetal)，接合处的强度与母材相似，在已知的固态接合工艺中，就本发明的目的与需求而言，具体可采用像是挤制(extrusion)、抽制(drawing)或旋锻(swaging)等工艺来实现两种金属(即第一管材31与第二管材32)之间的固态接合，在本较佳实施例中，系采用挤制法，也即在图3中，该固态接合设备5系绘示为一挤制设备，具体的操作步骤是将该胚管3置于该挤制设备的盛锭筒(container)51内并加热，再令该挤制设备的推杆52推挤盛锭筒51内的胚管3，俾使被加热至呈易塑性变型状态的胚管3可由挤制设备的挤模53(die)的模孔被挤出而成为该复合铝合金管材4，而如图4所示，该复合铝合金管材4即为第二铝合金材料(即第二管材32)在内层而第一铝合金材料(即第一管材31)在外层的双金属复合管材，此外，使用抽制或旋锻等方式来制作本发明的复合铝合金管材4所需的软硬体设备及操作步骤，均属背景技术且非本案技术特征，故在此不予详述，惟可以一提的是，由于实务上抽制或旋锻通常不包含加热的工序，故在以抽制或旋锻等工艺实施本发明的此一步骤时，仍应注意宜同时对工件加热，俾使该第一管材31与第二管材32在进行塑性变形与接合时可以因为增加其塑性变形比率及增加在熔点以下温度的扩散接合(diffusion bonding)程度，使接合强度能达到接近母材的强度；
接下来，请再参阅图1、图4及图5所示，再以抽管(tube butting，属于一种抽制的加工法)及车削的方法，将该复合铝合金管材4加工成为一中间较薄两端较厚的复合厚薄管(butted tube)6，并使该第一铝合金材料集中在该复合厚薄管6的中段部(midsection portion)61，而该第二铝合金材料则集中在该复合厚薄管6的两个端部(end portion)62，具体而言，这只需通过在进行抽制加工时，适当地设定该复合铝合金管材4的内径及外径的缩减率即可办到，由于厚薄管的结构及抽制程序均属自行车工业领域中相当常见且成熟的工艺，其具体涉及的软硬体设备及操作流程均为本领域的技术人员所熟知，于此不再赘述；
其中，请继续参阅图5所示，可以注意的是，在进行抽管加工时，应令该复合厚薄管6中第一铝合金材料与第二铝合金材料之间的接合面63(即介面)尽可能地沿管材的管面方向或轴向延伸，接合面63越长其接合强度越高，此外，由于在本实施例中，复合铝合金管材4的抽管同时涉及管材外径及内径的缩减(恰好分别为第一铝合金材料及第二铝合金材料所在的区域)，因此，当复合铝合金管材4进行厚薄管的抽制时，原本位在管材内层的第二铝合金材料虽然会被抽拉、集中到管材的两端，但此时在该复合厚薄管6其两个端部62的第二铝合金材料的外层表面仍然会有一层很薄的第一铝合金材料(层)，因此，本发明完成抽管的动作后，会再以车削的方式将位于各该端部62外层的第一铝合金材料去除，如此即可得到如图5所示的复合厚薄管6，至此，即完成本发明的自行车车架管材；应当注意的是，在图5中，位在该复合厚薄管6其中段部61的第一铝合金材料的内层表面同样也会有一层很薄的第二铝合金材料(层)，对此，请再参阅图5A所示为本发明的另一种具体实施方式，其中本发明可再进一步通过内径拉刀的工序，将位于该中段部61内层的第二铝合金材料予以去除，而可得到如第五的A图中的复合厚薄管6a，相较于图5的复合厚薄管6，该复合厚薄管6a可达到更佳的轻量化效果，然而，实际上由于车架管材通常系承受外层为主的弯曲应力，位于内层的第二铝合金材料(较低强度的薄层区域)并不影响车架管材以弯曲为主的受力及性质，且接合面63越长接合强度越高，并无不利因素，故实务上可省略内径拉刀的步骤，仅完成如图5的复合厚薄管6即可，如此也可兼具简化工序及降低加工成本等优点。
请再参阅图6所示为该复合厚薄管6、6a其接合面63的金相结构图，由该金相结构图可以看出复合厚薄管6、6a经过极大的厚度缩减成形后，其接合面63为没有缺陷的状态，如此即可进一步证实本发明的可行性，本发明的复合厚薄管6、6a容易以传统的TIG焊或MIG焊等焊接方法组焊为车架，且在完成车架后，可再施予相同的热处理条件来达到最佳强度，例如7050铝合金及7005铝合金即可共同以470℃x1小时(hr)的固溶处理(solution treatment)及相同的T6条件来强化，如此本发明即可达成将容易焊接又有高强度的合金运用于车架结构的创新结果；
请参阅图5所示，凭借上述步骤，本发明所制作出的复合厚薄管6即可符合中间为高强度且两端容易焊接的要求，因而，当运用于自行车车架管材时，即可将原本车架管材中段的厚度进一步薄化，而能有效地突破自行车减重的需求，同时，本实施例所采用的7050等级铝合金，相较目前自行车车架常用的6061等级铝合金具有更高的耐疲劳强度(超过1.6倍)，因而可以承受更大的弹性变型，如此一来，本发明即可同时满足自行车车架设计在高刚性以有效转换踩踏的传动效能以及适度弹性变型的舒适性需求，进而可达到大幅提高车架刚性、减轻车架重量及降低成本的功效；此外，值得一提的是，凭借第一铝合金材料与第二铝合金材料使用相同系列的合金成分并运用固态接合，可大幅提高介面的接合强度，并可免除现有硬焊或胶合管件的方式所带来的异种金属伽凡尼腐蚀、不同的热膨胀、结构上的不连续及太低的接合强度等缺点，进而使本发明可兼具更佳的产品可靠度。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自行车车架管材制法，其特征在于，其步骤包含：
首先，准备一由第一铝合金材料所构成的第一管材与一由第二铝合金材料所构成的第二管材，再将该第一管材与第二管材通过固态接合的方法，制成一第二铝合金材料在内层而第一铝合金材料在外层的复合铝合金管材，其中，该第一管材选择高强度但不易焊接的铝合金材质，且该第二管材则选择具有良好TIG或MIG焊接性能的铝合金材质；
接下来，再以抽管及车削的方法，将该复合铝合金管材加工成为一中间较薄两端较厚的复合厚薄管，并使该第一铝合金材料集中在该复合厚薄管的中段部，而该第二铝合金材料则集中在该复合厚薄管的两个端部，其中，该车削的步骤是将位于该两个端部外层的第一铝合金材料予以去除，如此，即完成本发明的自行车车架管材。
2.根据权利要求1所述的自行车车架管材制法，其特征在于，该第一铝合金材料为任一系列的铝合金，且该第二铝合金材料为5xxx系列的铝合金。
3.根据权利要求1所述的自行车车架管材制法，其特征在于，该第一铝合金材料与第二铝合金材料分别选自不同系列但具有相同热处理条件的铝合金。
4.根据权利要求1所述的自行车车架管材制法，其特征在于，该第一铝合金材料与第二铝合金材料分别选自同一系列但相异的铝合金材料。
5.根据权利要求4所述的自行车车架管材制法，其特征在于，该第一铝合金材料为Al-Zn-Mg-Cu合金，该第二铝合金材料为Al-Zn-Mg合金。
6.根据权利要求1所述的自行车车架管材制法，其特征在于，该固态接合采用的具体制法为挤制、抽制或旋锻。
7.根据权利要求1所述的自行车车架管材制法，其特征在于，进一步利用内径拉刀的方法，将位于该复合厚薄管其中段部内层的第二铝合金材料予以去除。
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