CN108367785B - 具有加强件的硬化uhss结构梁及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种结构梁，其包括第一梁和待被附接到该第一梁的加强件。该第一梁具有沿着其长度的至少第一部分的大体上U形横截面，且包括一个底壁和两个侧壁，其中该底壁包括大体上平坦的第一联结区域。该结构梁的该加强件具有大体上平坦的第二联结区域，该第二联结区域被焊接到该第一联结区域。该结构的两个部分都由硬化的UHSS制成。还提供了用于制造这样的梁的方法。

Description

具有加强件的硬化UHSS结构梁及制造方法

本申请要求享有于2015年12月18日提交的欧洲申请15382645.8的权益和优先权。本公开内容涉及结构梁，且具体地包含加强结构的结构梁。本公开内容具体地涉及用于车辆的结构梁，且更具体地涉及保险杠、B柱和A柱。

背景技术

车辆(诸如汽车)纳入结构骨架，该结构骨架被设计为抵挡车辆在其寿命期间可能遭受的所有载荷。该结构骨架还被设计为在例如与其他汽车碰撞的情况下抵挡并且吸收冲击。

在此意义上来说，车辆(例如汽车)的结构骨架尤其可以包括保险杠、柱(A柱、B柱、C柱)、侧冲击梁、摇板和减震器。这些部件可以纳入梁和在这样的梁周围的附加的板。这样的梁可以以多种方式制造，例如通过热冲压，且可以由多种材料制成。

对于汽车的结构骨架，或至少对于许多它的部件，使用所谓的超高强度钢(UHSS)在汽车工业中已经变得司空见惯，该超高强度钢表现出每单位重量的优化最大强度和有利的可成形性性能。UHSS可以具有至少1000MPa、优选地大约1500MPa或高达2000MPa或更大的极限拉伸强度。

在汽车工业中使用的钢的一个实施例是22MnB5钢。下文按重量百分比计概述了22MnB5的组分(其余为铁(Fe)和杂质)：

具有类似化学组分的多种22MnB5钢是商业上可得的。然而，22MnB5钢的每种成分的确切量从一个制造商到另一个制造商可能略有变化。在其他实施例中，22MnB5可以含有大约0.23％的C、0.22％的Si和0.16％的Cr。该材料还可以以不同比例包括Mn、Al、Ti、B、N、Ni。

商业上可得自Arcelor Mittal的

1500P是在多种部件中使用的可硬化的22MnB5钢的一个实施例，所述部件可能涉及所谓的拼焊坯料和拼缝坯料以及加强件。拼焊(焊接)坯料和拼缝坯料在变形工艺(例如热冲压)之前提供具有变化的厚度的坯料。拼焊坯料中的厚度变化不应与(局部)加强件混淆。在此意义上来说，加强件替代地在变形工艺之后被添加到部件。

1500P以铁素体-珠光体相被供应。它是以同质模式分布的细晶粒结构。机械性能与此结构有关。在加热、热冲压工艺和随后的淬火之后，建立马氏体微结构。作为结果，最大强度和屈服强度明显增加。

下文按重量百分比计概述了

的组分(其余为铁(Fe)和不可避免的杂质)：

C	Si	Mn	P	S	Cr	Ti	B	N
									0.24	0.27	1.14	0.015	0.001	0.17	0.036	0.003	0.004

也可以在汽车工业中使用UHSS的多种其他钢组分。特别地，EP 2 735 620 A1中描述的钢组分可以被认为是合适的。可以具体参考EP 2 735 620的表1和第0016-0021段，以及具体参考第0067-0079段的考虑。在一些实施例中，UHSS可以含有大约0.22％的C、1.2％的Si和2.2％的Mn。

任何这些组分(二者都是22MnB5钢，诸如，

和之前提及或提到的其他组分)的钢可以被供应有涂层以防止腐蚀和氧化损害。此涂层可以是例如铝-硅(AlSi)涂层或主要包括锌或锌合金的涂层。

在B柱中，一个重要问题是确保在中间区域不变形发生或仅发生很少变形，因为侵入可能使车辆乘员受伤害。B柱可以由UHSS(例如

)制成，且可以具有不同厚度的区。具体地，中心区域(大约为B柱的高度的一半)可以更结实(即，更厚)以避免上述侵入。B柱还可以在B柱中心梁的下部部分中包括软区，该软区具有比该中心区域更小的硬挺度。这便于远离该中心区域使能量耗散集中，且便于控制变形运动学。因此，该中心区域保持没有变形，而该软区变形。

另一种解决方案在于焊接加强件，例如通过点焊，以强化结构。这样的加强件通常由钢制成，且即使该材料不如B柱中心梁的材料(例如

)那样硬挺，但所得到的结构通过额外材料得以强化。但是加强件的使用涉及重量增加，因为额外的材料被添加到结构。并且由于加强件的材料不如

结实或硬挺，因此需要较厚的基础材料，这使得重量增加。

重量控制需要高度重视，因为汽车公司试图使重量减轻最大化，因为较重的车辆不仅涉及较高的制造成本，而且涉及增加的燃料消耗，由于大质量的高惯性，当加速、制动和/或转向时难度更大。

现有技术布置的另一个缺点与将加强件联结到结构的方式有关。以不同方式将加强件联结到B柱中心梁是已知的。一种联结方法包括使用胶粘剂粘合来粘贴加强件，但是该工艺可能是复杂的且它可能花费长时间。

通过点焊或缝焊来联结加强件也是已知的，通常不仅在底壁处而且在侧壁和/或凸缘中至少一次在扭曲和/或弯曲时可能会导致断裂。

通常，这样的加强件必须配合在其他部分中，否则焊接可能是不可能的，即，如果两个部分彼此之间不具有接触，则将它们焊接在一起(例如通过点焊)将是几乎不可能的。

在加强件中使用的一些钢是有延展性的(甚至在热冲压之后)且在不完美配合的情况下它们可以被适配到待被加强的部分，例如加热它们。由于

在热冲压之后是非常刚性的，因此它不能够在此类加强件中使用。这将需要完美配合，因为之后使其配合几乎是不可能的。这在实践中不能够被完成。此外，加热

导致微结构的改变，且因此加强件被软化。

总之，存在当面对扭曲力时和在撞车事件中改进车辆的结构骨架的机械行为的需要，同时尽可能多的减轻相同骨架的重量。

发明内容

在第一方面中，提供了一种结构梁，该结构梁包括第一梁和待被附接到该第一梁的加强件。该第一梁具有沿着其长度的至少第一部分的大体上U形横截面。此U形包括一个底壁和两个侧壁，其中该底壁包括大体上平坦的第一联结区域。该加强件具有第二联结区域，其中该第二联结区域是大体上平坦的。该第一梁和该加强件在第一联结区域和第二联结区域处焊接在一起。该第一梁和该加强件都由硬化的UHSS制成。

在一些实施例中，该加强件可以仅在该U形横截面的底壁处焊接到该第一梁。在其他实施例中，该加强件可以被焊接到该第一梁的多个不同部分。

使用在底壁中的第一联结区域允许在底壁处焊接而不是在结构梁的第一梁的侧壁和/或凸缘处焊接。因此，免除了完美配合的需要，且因此可以使用硬化的UHSS。

在一些实施例中，该加强件可以具有至少沿着其长度的第一部分的大体上U形横截面，该U形包括一个底壁和两个侧壁。

根据一个实施例，该加强件的横截面可以包括在底壁中的凹槽，且具有在该凹槽的两侧上的第二联结区域。使用凹槽增加了惯性力矩，这改善了扭曲和/或弯曲时结构梁的机械行为。

在一些实施例中，该第一梁的横截面可以包括在底壁中的凹槽，且可以具有在该凹槽两侧上的第一联结区域。

在一些实施例中，该第一梁可以包括在底壁中的孔。

在一些实施例中，该加强件被激光焊接到该第一梁，可选地通过远程激光焊接。与其他焊接技术相比，所需要的焊接区域显著更小，即，大约2mm或更大。在激光焊接中，热影响区比在例如点焊中更小。

激光焊接的另一方面是能够在焊接时在仅使用一个器械时在不同的访问区域处焊接，与例如点焊的两个电极形成对比。

优选地，仅在该第一梁的U形的底部处进行联结(通过焊接)。

在一些实施方案中，该硬化的UHSS可以是22MnB5。

在一些实施方案中，该结构梁可以是B柱的一部分。

在一些实施方案中，该结构梁可以是A柱的一部分。

在一些实施方案中，该结构梁可以是保险杠的一部分。

在第二方面中，公开了一种用于制造用于车辆的结构梁的方法。首先，提供根据本文公开的实施例中的任何一个的第一梁和加强件。然后，将该第一梁和该加强件在第一联结区域和第二联结区域处焊接。

在一些实施例中，该焊接可以包括激光焊接，优选地远程激光焊接。

在一些实施例中，该加强件可被设置有至少沿着其长度的第一部分的大体上U形横截面，该U形包括一个底壁和两个侧壁。

在一些实施例中，该第一梁和/或该加强件可以是通过热冲压形成的。

附图说明

下面将参考附图描述本公开内容的非限制性实施例，其中：

图1例示了普通的B柱中心梁；

图2例示了在一个实施例中焊接的结构梁；

图3a-图3d例示了根据多个实施例的用于结构的第一梁和加强件的不同形状的实施例；

图4例示了具有加强件的B柱中心梁的一个实施例的后视图；以及

图5示意性地例示了一种可能的用于制造结构梁的方法的一个实施例。

具体实施方式

图1描绘了B柱中心梁100，通常该B柱中心梁100在下部部分105处焊接到摇杆，且在上部部分101中焊接到车辆(例如汽车)的车顶板。该中心梁位于车辆的前座椅和后座椅之间，且它对于不同目的是有用的。如之前所说的，该中心梁赋予车辆的骨架结构支撑且在车辆碰撞中提供安全屏障。

在一些实施例中，B柱可以包括第一梁(或中心梁)、加强件、外部板和内部板。该内部板可以起将多个部分附接到车辆(例如汽车)内部的作用。该外部板可以特别地起为汽车门提供互补形状的作用。根据特定的实施方式，内部板和外部板都可以有助于所得到的B柱的结构强度和硬挺度。

此外，B柱中心梁也被用作用于锚定在出于各自的目的而设置的孔中的多个元件的系留处(mooring)。图1的B柱中心梁100可以具有用来安装座椅安全带的锚定器的一个孔以及可以放置门锁的另一个孔。B柱中心梁还可以包括不同形状和大小的紧固孔，例如以附接内部车辆结构的塑料装饰或衬里。图1还描绘了向外突出的凸缘106。

该B柱中心梁的中心区域103是车辆横向碰撞中最关键的部件。冲击可能导致结构的侵入，这可能使车辆乘员受伤害。因此，确保在这样的中心区域103中不发生变形是重要的，且因此该区被加强或被加固。

图2示意性地描绘了B柱中心梁200和焊接到B柱中心梁200的加强件220的一个区段的一个实施例。B柱中心梁200可以具有总体U形横截面，以至少沿着其长度的一部分面对弯曲力。该U形包括具有两个第一联结区域204的底壁201、两个侧壁202和向外突出的凸缘203。加强件220可以具有两个侧壁223、一个凹槽222和在凹槽222的两侧处的两个大体上平坦的联结区域221。

B柱中心梁200和加强件220可以在B柱中心梁底壁201的外面中在第一联结区域201和第二联结区域221处焊接。在该图中，示出了连续的焊接250。能够在底壁中焊接的事实使得没有必要在例如凸缘或侧壁中焊接。因此，该结构不仅被配置成与在例如侧壁中具有焊接的那些结构相比更好地面对扭曲力，而且被配置成允许使用硬化UHSS。

在其他实施例中，该加强件可以被焊接到第一梁的其他部分或不同部分。

在根据本公开内容的实施例中联结第一梁和加强件可以是基于激光焊接，而不是例如铆接。激光焊接技术被用来通过使金属熔化和结晶来将金属件联结在一起。此外，激光焊接技术可以使用保护气体以避免在接合点中形成氧气泡。与例如点焊(其需要15mm的最小宽度)相比，激光焊接所需要的最小平坦表面相当小，即，垂直于焊接方向在大约2mm的宽度之上。

激光焊接可以容易自动化，即涉及速度和精度的增加，且它通常不需要添加额外的(填料)材料，因为熔化的金属是用于接合的基础。激光焊接还允许连续的焊接，不会在焊接中形成小孔。

另一方面，激光焊接还允许建立不连续的焊接。不连续的焊接线可以由多个较短的焊接线形成。这样的较短的焊接线可以具有10mm的最小长度，优选地具有30mm的最小长度。

在本公开内容的实施例中，该结构梁的加强件和第一梁可以通过远程激光焊接来焊接。远程激光焊接工艺的特征在于长焦距(高达1600mm)、高功率和激光源，且通过扫描仪的束偏转。与常规激光焊接相比，远程焊接技术提供增加的灵活性(因为更大数目的工艺参数可以被纳入考虑)、更高的工作速度、减少数目的钳位以及减少的循环时间。

远程激光焊接通常是基于使用扫描仪来使激光束偏转并且将激光束定位到高速行进的工件的表面上。目前，3D扫描仪是远程焊接应用中最广泛采用的扫描仪，尽管也可以使用2D扫描仪。扫描仪单元可以是检流计系统，在该检流计系统中使用移动反射镜且通过马达使移动反射镜旋转以用于导引激光束。可以结合机器人来将扫描仪单元导引到工件的表面上。

可选地，扫描仪单元和机器人的移动可以被实时地同步，以用于减少从一个焊缝到接着的焊缝的非生产性重新定位时间。此配置通常被称为“即时焊接(welding on thefly)”。在“即时焊接”配置中，机器人具有大的工作区域，同时扫描仪单元提供高速且精确移动。

图3a-图3d示出了根据本公开内容的其他实施例的结构梁的第一梁311、321、331、341和加强件312、322、332、342的不同横截面实施例。

图3a示出了第一梁311(在此实施例中，B柱中心梁)的U形横截面的一个实施例，该B柱中心梁具有水平凸缘313。该实施例还示出了加强件312，该加强件312的横截面包括在其底壁中的凹槽314和在凹槽314的两侧处的两个联结区域315。凹槽314增加惯性力矩，与包括平坦底壁的其他加强件相比，这改善了扭曲和/或弯曲时的机械行为。

图3b示出了一个实施例，其中第一梁321(在此实施例中，B柱中心梁)的横截面包括凹槽323和在凹槽323的两侧处的两个大体上平坦的联结区域324。这样的凹槽323增加惯性力矩，这改善了扭曲和/或弯曲时的机械行为，而且限制了可能的断裂向该结构的其余部分扩张。该图还描绘了加强件322，该加强件322的横截面具有在其底壁的中心的凹槽325和在凹槽325的两侧处的两个大体上平坦的联结区域326。

在图3c中，示出了第一梁331(在此实施例中，B柱中心梁)的横截面，该横截面包括凹槽333和两个大体上圆形的联结区域334，该凹槽333比图3b中描绘的凹槽显著更深。所述联结区域中的每个包括一个平坦的区域335，例如大约2mm或更大，以使得能够焊接。在相同的图中，还示出了加强件332的横截面，该横截面具有在其底壁的中心的凹槽336和在凹槽336的两侧处的两个联结区域337，该凹槽336比侧壁338显著更高。

在图3d中，示出了又一个实施例，其中第一梁341(在此实施例中，B柱中心梁的一部分)包括在其底壁中的凹槽343、向外突出的凸缘344和在每个侧壁中的过渡区345。这样的过渡区345可以减少屈曲。该图还描绘了焊接到第一梁341的加强件342。

在所有这些实施例中，远程激光焊接可以被用于将加强件联结到B柱中心梁。由于待要形成的接头是搭接接头，因此优选地焊接的宽度(且因此联结区域)可以是6mm-8mm或更大。

图3a-图3d的结构梁还适合于保险杠，在这样的实施例中，结构梁的第一梁也可以被称作保险杠梁。

图4描绘了根据一个实施例的B柱中心梁的后视图。B柱中心梁400具有如图2中所示焊接的加强件420。加强件420具有凹槽422和两个侧壁421。加强件420沿着B柱中心梁中心区域的几乎整个长度延伸。

该结构梁的第一梁和加强件可以被单独制造，通过例如热冲压或冷冲压。图5示意性地描绘了根据本公开内容的一个实施例的方法。该方法包括两个平行工艺，其中通过热冲压制造结构梁的第一梁和加强件，且然后该第一梁和该加强件被焊接在一起。

通过热冲压工艺制造结构梁的第一梁的方法的第一步骤在于在炉中将钢坯料加热511，例如加热至在900℃和950℃之间的温度。然后，将该坯料冲压512(在它仍然是热的时)以获得期望的形状。最后，将该坯料淬火513。在淬火之后，硬化的钢的刚性使得它不能够变形。可以通过相同的热冲压工艺制造该加强件。可以在炉中将钢坯料加热521，可以在它仍然是热的时将它冲压522，且最后将它淬火523。当已经制造出两个部分时，可以例如通过激光焊接，优选地通过远程激光焊接将它们焊接530在一起。

另一方面，也可以通过冷冲压工艺制造该第一梁和该加强件。在冷冲压工艺(未示出)中，在没有变暖热的情况下冲压钢箔。在冲压之后，通过等温淬火使箔硬化，等温淬火是其中该箔被加热至例如730℃或以上的奥氏体化温度且然后被快速淬火的工艺。

尽管本文仅公开了数个实施例，但是这些实施例的其他替代、修改、用途和/或等同物也是可能的。此外，所描述的实施例的所有可能的组合被覆盖。因此，本公开内容的范围不应由具体实施例限制，而应仅通过清楚地阅读所附权利要求来确定。

Claims (16)

1.一种结构梁，包括：

第一梁和附接到该第一梁的加强件，

该第一梁具有：

沿着其长度的至少第一部分的大体上U形横截面，该U形横截面包括至少一个底壁和两个侧壁，其中

该底壁具有第一联结区域，该第一联结区域是大体上平坦的，

该加强件具有第二联结区域，该第二联结区域是大体上平坦的，且

该第一梁和该加强件在该第一联结区域和该第二联结区域处焊接在一起，其中该加强件仅在该U形横截面的底壁处焊接到该第一梁，且其中，

该第一梁和该加强件由硬化的UHSS制成。

2.根据权利要求1所述的结构梁，其中该加强件具有至少沿着其长度的第一部分的大体上U形横截面，该U形横截面包括一个底壁和两个侧壁。

3.根据权利要求1或2所述的结构梁，其中该加强件的横截面包括在底壁中的凹槽，且具有在该凹槽的两侧上的第二联结区域。

4.根据权利要求1或2所述的结构梁，其中该第一梁的横截面包括在底壁中的凹槽，且具有在该凹槽的两侧上的第一联结区域。

5.根据权利要求1或2所述的结构梁，其中该第一梁包括在底壁中的孔。

6.根据权利要求1或2所述的结构梁，其中该加强件被激光焊接到该第一梁。

7.根据权利要求1或2所述的结构梁，其中该硬化的UHSS是22MnB5。

8.根据权利要求1或2所述的结构梁，其中该加强件通过远程激光焊接到该第一梁。

9.一种B柱，包括根据权利要求1-8中任一项所述的结构梁。

10.一种A柱，包括根据权利要求1-8中任一项所述的结构梁。

11.一种保险杠，包括根据权利要求1-8中任一项所述的结构梁。

12.一种制造用于车辆的结构梁的方法，该方法包括：

提供第一梁和加强件，该加强件被配置成附接到该第一梁，

其中该第一梁具有沿着其长度的至少第一部分的大体上U形横截面，

该U形横截面包括一个底壁和两个侧壁，

该底壁具有第一联结区域，该第一联结区域是大体上平坦的，

且具有底壁的该加强件具有第二联结区域，该第二联结区域是大体上平坦的，

焊接该第一梁和该加强件，其中该加强件仅在该U形横截面的底壁处焊接到该第一梁，且其中，

该第一梁和该加强件由硬化的UHSS制成。

13.根据权利要求12所述的方法，其中该焊接包括激光焊接。

14.根据权利要求13所述的方法，其中该激光焊接是远程激光焊接。

15.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，其中该加强件被设置有至少沿着其长度的第一部分的大体上U形横截面，该U形横截面包括一个底壁和两个侧壁。

16.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，其中该第一梁和/或该加强件是通过热冲压形成的。

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