CN109382631A - 异种材料的设计特征—增强坯料和成形挤出 - Google Patents

Abstract

本发明涉及异种材料的设计特征—增强坯料和成形挤出。一种在成形过程之前将增强件添加到金属坯料的方法。所述增强件经由超声波增材制造(UAM)附接以形成复合坯料，然后所述复合坯料经受成形过程以使所述复合坯料弯曲和变形并形成增强的车辆部件。所述增强件被放置在所述金属坯料上，使得在经受所述成形过程之后，在成形车辆部件的关键区域中存在增强件。所述增强件导致最终形成的车辆部件具有增强特性，诸如低密度、增加的强度、刚度或能量吸收能力。

Description

异种材料的设计特征—增强坯料和成形挤出

技术领域

本申请涉及异种材料的设计特征—增强坯料和成形挤出。

背景技术

汽车部件/零件通常通过使坯料经受成形过程(例如冲压、挤出，等)而由大致平坦的坯料材料(例如金属片材)生产，使得坯料形成期望的轮廓形状。为了减轻车辆的重量并提高燃料效率，减小了在这些成形汽车部件中使用的材料的规格(即厚度)。然而，在减小成形部件中使用的材料的规格时，成形部件的强度和其他特性会降低或以其他方式受损。为了解决与规格减小相关的这种强度降低，使用几种方法来增强成形部件。

传统的增强成形部件包括：在部件成形后放置在部件上的粘合剂贴片(非增强和纤维增强)；紧固或焊接到坯料或成形部件的次级异种增强结构；或者在成形之前焊接到坯料上的类似材料。增强策略的示例包括在金属车门外板中使用的粘合剂贴片、车辆框架部件中的点焊增强件、汽车门内部结构中的定制焊接和定制轧制坯料以及在成形之前点焊到钢坯上的钢筋贴片。用于高应力部件(如门铰链)的螺栓附接点通常使用较厚的片材在定制焊接坯料或成形后附接的增强金属板上进行增强。用于产生具有空间可变特性的成形车辆部件的其他方法包括可变淬火热冲压和选择性后成形热处理。

迄今为止，减轻车辆重量的关键方法是使用“向下测量(down-gauging)”金属片材部件或者改变为由钢制成的“轻质”材料(诸如铝)。关于形成的金属部件，基于成形金属部件所需的强度、刚度、能量吸收或疲劳性能，减小金属片材坯料的规格具有固有的限制。尽管轻质材料的密度可能低于钢，但它们通常具有较低的强度并且刚度较小。

以类似的方式，挤出的车辆部件必须具有均匀的壁厚，并因此沿挤出方向具有均匀的强度和刚度，使得壁厚基于部件的最高负载区域的要求。

发明内容

根据一个方面，一种制备车辆部件的方法包括以下步骤：提供包括第一金属的金属坯料以及包括第二金属的金属增强件。所述方法包括以下步骤：将所述增强件超声波焊接到所述金属坯料以提供复合坯料；以及使所述复合坯料变形以形成所述车辆部件。所述增强件包括一个或更多个金属层的堆叠。如果所述增强件包括两个或更多个金属层，则将所述两个或更多个金属层超声波焊接到彼此。在一个实施方式中，所述第二金属不同于所述第一金属。所述第二金属可以是离散增强的金属-基材复合材料。

在另一方面，提供一种包括冲压复合坯料的车辆。所述冲压复合坯料在冲压之前包括超声波焊接到金属增强件的大致平坦的金属坯料。所述金属坯料包括第一金属，并且所述增强件包括第二金属。所述冲压复合坯料被轮廓化。所述增强件包括一个或更多个金属层的堆叠。如果所述增强件包括两个或更多个金属层，则所述两个或更多个金属层被超声波焊接到彼此。在一个实施方式中，所述第二金属不同于所述第一金属。所述第二金属可以是离散增强的金属-基材复合材料。

附图说明

图1A是在经受根据本主题的成形操作之前的复合坯料的示意性平面图。

图1B是通过使图1的复合坯料经受根据本主题的成形操作而成形的车辆部件的示意性平面图。

图2A是图1A的沿着线2A-2A截取的复合坯料的剖视图。

图2B是图1B的沿着线2B-2B截取的车辆部件的剖视图。

图3A是图1A的沿着线3A-3A截取的复合坯料的替代剖视图。

图3B是图1B的沿着线3B-3B截取的车辆部件的替代剖视图。

图4A是图2A的沿着线4A-4A截取的复合坯料的一个实施方式的剖视图。

图4B是图2B的沿着线4B-4B截取的车辆部件的一个实施方式的剖视图。

图5A是图3A的沿着线5A-5A截取的复合坯料的一个实施方式的剖视图。

图5B是图3B的沿着线5B-5B截取的车辆部件的一个实施方式的剖视图。

图6A是图2A的沿着线6A-6A截取的复合坯料的另一实施方式的剖视图。

图6B是图2B的沿着线6B-6B截取的车辆部件的另一实施方式的剖视图。

图7A是图3A的沿着线7A-7A截取的复合坯料的另一实施方式的剖视图。

图7B是图3B的沿着线7B-7B截取的车辆部件的另一实施方式的剖视图。

具体实施方式

提供了一种车辆部件和相关方法，其包括具有空间变化的材料特性的多材料车辆部件，以实现减小的质量并且满足车辆部件在强度、刚度和能量吸收方面的总体要求。本发明的多材料方案解决了当前汽车制造过程中存在的与成形、固定性(制造过程中的位置稳定性)、结合和热膨胀有关的障碍。在这方面，使用传统制造技术仅可以粗略地实现成形部件内的各种材料特性的空间变化。

本主题解决了这些问题，并且允许用金属和/或纤维增强件来增强金属坯料，所述金属和/或纤维增强件包括与金属坯料相似或不同的材料。在使金属坯料弯曲和以其他方式变形进行成形操作以生产成形车辆部件之前，增强件离散地附接到金属坯料。附接到金属坯料的增强件用于增强成形车辆部件。如本文所使用的，“增强”和同源术语意指，与由金属坯料形成但不包括增强件的类似车辆部件相比，增加成形车辆部件的强度、刚度、能量吸收和疲劳寿命的一个或多个度量。本方法在部件上的期望位置处形成具有增强件的成形车辆部件，这提供了比仅使用片材制成的车辆部件更强的车辆部件。该过程允许较薄规格的材料用作金属坯料，这导致相应的重量减轻，但是成形车辆部件仍然保持所需的性能特性，就好像由均匀的较厚片材制成。目前的方法是有益的，因为较薄规格的金属坯料和较低强度的材料比较厚规格的金属坯料更容易成形，从而有可能降低制造成本。

本主题能够实现轻质构造、比均质片材更高的性能(例如，强度、刚度、能量吸收和疲劳寿命)、定制的空间可变特性、增强件与金属坯料的更牢固附接、减少的部件数量、通过消除超高强度坯料、热成形坯料和定制焊接/定制轧制坯料降低了制造成本。

在若干实施方式中，在成形过程之前将增强件添加到金属坯料或原料挤出中。金属坯料可包括大致平坦的金属片材材料或金属挤压件。金属坯料可包括第一金属或由第一金属组成。第一金属没有特别限制，可包括铝或铝基合金。可使用其他金属和金属合金。

增强件可包括第二金属或由第二金属组成。第二金属可与第一金属相同或不同。如果与第一金属不同，则第二金属可以是比第一金属更强、更硬、具有更大能量吸收以及具有增加的疲劳寿命中的至少一种。第二金属没有特别限制，可包括钢或钢基合金或钢基复合材料。如上所述，增强件可以由与金属坯料相同的材料构成。

可经由超声波增材制造(UAM)将增强件添加到金属坯料中。UAM是一种固态(即无熔化)连续的增材金属焊接过程，提供完全致密、无间隙的三维部件。在UAM过程中，可使用超声波焊接机，其包括由一个或多个压电换能器驱动的超声波发生器(即喇叭)，以在压缩力下将超声波振动传递给待结合的金属部件。超声波发生器在大约20kHz(标称值)的振动频率下工作，该振动频率横向于金属部件，以在金属部件与正被焊接的材料之间产生塑性变形。当两个金属部件被超声波焊接时，超声波发生器在工件上施加的振动以及静态压缩力导致在两个金属部件之间形成冶金结合。工艺温度低，通常低于150℃，因此抑制脆性金属间化合物的形成，抑制改变金属的微观结构，并抑制金属的热诱导变形或性能降低。

超声波增材制造对于将增强件结合到金属坯料是有用的，因为它是低温工艺，这意味着它不会改变先前热处理或金属坯料的微观结构对中观或宏观的影响，并且能够结合异种金属材料而不形成不利的金属间化合物。其次，如本文更详细讨论的，UAM产生连续的气密接合，意味着任何次级增强材料都可以与外部环境隔离，从而避免诸如电解质的污染物的腐蚀或渗透。

如将更详细讨论的，UAM可以用于结合异种材料(即不同的金属)并允许将纤维嵌入所结合的金属内。增强件布置在金属坯料上，使得在成形之后，增强件位于成形部件的关键区/区域中，以增强性能，例如增加强度、刚度或能量吸收能力。

增强件的材料可与金属坯料相同或不同。增强件可以是均质材料(诸如钢)，并且可包括UAM焊接到彼此的一个或多个金属层的堆叠。增强件可以是离散增强的金属基材复合材料(DRx)；或者可包括这些中的一个作为初级增强件并且另外包括次级增强件。次级增强材料可包括增强纤维、丝束、线状物、线材、线缆、网、织物和/或面纱，其组成没有特别限制并且可根据需要选择以改变最终车辆部件的特定性能特性。如本文所使用的，纤维是给定材料的单个细长件；丝束是一种无捻的纤维束；线状物是一种扭结的纤维束；网和织物可以包括纤维、丝束和线状物；面纱是非织造垫或基本上随机放置的纤维。增强纤维可包括例如高强度钢丝、钛纤维、碳纤维、陶瓷纤维(诸如碳化硅纤维)、聚(对亚苯基-2,6-苯并二恶唑)(PBO)纤维(诸如)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维(诸如)等，以提高强度和刚度。次级增强件可包括在金属坯料和初级增强件之间。

现在参照附图，图1A描绘了经受成形操作之前的复合坯料2，图1B描绘了通过使复合坯料2经受成形操作而生产的增强的车辆部件4。在非限制性示例中，成形操作可包括对复合坯料2进行冷冲压，使得增强的车辆部件4在冷冲压之后由复合坯料2组成。复合坯料2可以是大致平坦的，并且包括原料金属坯料6和金属增强件8，金属增强件8超声波焊接到金属坯料6上。如描绘的，三个增强件8沿着金属坯料6的长度纵向排列，并且不覆盖整个金属坯料6。然而，本主题不限于增强件8在金属坯料6上的这种特定布置，并且应该理解，复合坯料2可以包括特定应用所需的其他布置，诸如复合坯料2包括排列方位与图1A所描绘的方向不同的一个或多个增强件8。增强件8可采用在金属坯料6上的交替布置，包括具有重叠增强件8的那些布置，根据需要增强成形车辆部件4的特定特性。此外，增强件8可以覆盖更多或更少的金属坯料6，包括覆盖整个金属坯料6。在一个非限制性示例中，复合坯料2可以包括以阴影线或蜘蛛网图案布置的多个增强件8。

在增强件8是均质材料或DRx并且增强件8经由UAM或其他合适的工艺结合到金属坯料6的情况下，复合坯料2在成形过程中准备弯曲或以其他方式变形。成形过程本身可能涉及广泛的塑性变形或高温，这将增加超声波焊接的粘合机制，即破坏表面氧化物的塑性变形，以及产生紧密金属与金属接触的高应力，导致复合坯料2的固态粘合。一旦组装好，车辆部件4可经受进一步的下游过程(诸如热处理)，这可能使金属坯料增强边界上的扩散或晶粒生长，进一步增加它们之间的接头强度以及车辆部件4作为整体的强度。

在成形过程中，大致平坦的复合坯料2受到使复合坯料2经受弯曲、拉伸和其它变形的力，该变形赋予复合坯料2轮廓。这种成形操作可以包括冷冲压或使复合坯料2变形的其它成形操作，从而产生轮廓和增强的车辆部件4。

图1B中描绘的成形车辆部件4是B柱10，其具有期望的轮廓和期望的形状，以用作车辆的B柱10。然而，车辆部件4不限于B柱10，并且可以包括期望的任何车辆部件。作为非限制性示例，车辆部件4可以是另一个框架构件(诸如A柱)或车辆封闭外板(诸如门或罩外板)。在车辆部件是门板的实施方式中，门板可以制造得更轻，因为使用较薄规格的钢或铝作为金属坯料。然而，传统上，由于刚度降低，较薄规格门板的抗凹痕性可能变得不可接受。通过策略性地将增强件8放置在金属坯料6上来解决这些问题，由此可以局部地增加刚度，从而允许门板具有所需的抗凹痕性。以这种方式，用作封闭外板的车辆部件4中的金属坯料6可比传统门板的规格更薄，但是增强件8可以在受到压力时抑制增强门板的凹陷。因此，用作封闭外板的增强的车辆部件4可比传统的门板更轻且生产更便宜。

如在图1A和图1B之间示意性地描绘的那样，增强件8被布置并且UAM焊接在先前通过成形分析识别的金属坯料6上的预定位置处，以便在成形车辆部件4上的期望位置处提供增强区域12。复合坯料2上不包括增强件8的区域是在成形过程之后在车辆部件4上的非增强区域14。增强区域12和非增强区域14在成形车辆部件4上的布置对应于增强件8在复合坯料2上的布置，并且还可在某种程度上对应于用于使复合坯料2变形的成形过程。与由金属坯料6形成但不包括增强件8的类似车辆部件相比，由增强区域12提供的增强有助于增加在成形车辆部件4上的特定位置处的强度、刚度、能量吸收和疲劳寿命中的至少一种。可以理解的是，车辆部件4可包括与图1B中所描绘的布置和数量不同的布置和数量的增强区域12和非增强区域14。在非限制性示例中，车辆部件4可没有非增强区域并且仅包括增强区域12。

如图2A所描绘的，其是沿着图1A的线2A-2A截取的图示，增强件8可布置在金属坯料6的表面16上并且超声波焊接到金属坯料6的表面16上。在图3A所描绘的替代实施方式中，增强件8布置在金属坯料6的表面16中的预成形凹陷18中，并且超声波焊接到金属坯料6中的凹陷18中。本主题包括布置在表面16上的增强件8，但是也可以包括布置在金属坯料6的与表面16相反的一侧上的增强件8，或者根据需要布置在金属坯料6的两侧上的增强件8。预成形凹陷18可经由减材制造工艺(例如铣削、研磨、钻孔等)或通过初始局部成形工艺(例如通过挤出模具、冲压、成珠等)形成。

如图3A所描绘的，凹陷18被配置成使得增强件8的表面20与金属坯料6的表面16齐平。然而，这不是必需的，并且凹陷18可不同地配置，这样增强件8仍然可部分地位于凹陷18内，但是增强件8的表面20可不与金属坯料6的表面16齐平，而是增强件8可向上突出超过金属坯料6的表面16达到一定程度。或者，金属增强件8的表面可保持略低于表面16，以解决在成形过程中金属坯料6变薄的问题。

通过在金属坯料6中包括凹陷18，金属坯料6和增强件8之间的焊接界面22凹入金属坯料6的质量内(图3A和图3B)，而不是焊接界面22位于金属坯料6的表面16处(图2A和图2B)。当界面22凹入金属坯料6的质量内时(图3A和图3B)，因此可保护界面22免受电解质(诸如可以在两种异种材料(诸如铝金属坯料6和钢增强件8)之间引起电化腐蚀的水)的影响，特别是在施加密封剂以防止水渗入接头中或防止水接触金属坯料6和增强件8中的一者或两者的情况下如此。由于界面22是凹入的并且因为超声波焊接提供气密密封，所以可防止存在于环境中的电解质到达焊接界面22并在界面22处引起电化反应。当界面22没有凹入时(图2A和图2B)，车辆部件可包括密封剂(未示出)以阻止电解质到达焊接界面22或者阻止电解质同时接触金属坯料6和增强件8。

在增强件8由不同于金属坯料6的材料组成的情况下，增强件8可通过使用覆盖整个增强件8的顶部涂层或层而被包封并由此与环境电解质(例如水)隔离。顶部涂层或层可由与金属坯料6电化学相容的材料组成，诸如由金属坯料6中使用的相同金属或不与金属坯料6电化学反应的密封剂材料组成。顶部涂层或层如果由金属坯料6中使用的相同金属组成，则可以在增强件上进行超声波焊接，以气密地包封增强件8，从而保护增强件8和金属坯料6的异种材料免于暴露于电解质。

如图2A和图2B之间以及图3A和图3B之间所描绘的，成形操作使例如大致平坦(图2A和图3A)的复合坯料2变形成具有轮廓，从而形成增强的车辆部件4(图2B和图3B)。如所描绘的，增强的车辆部件4可包括增强区域12和非增强区域14。如将理解的，复合坯料2可在成形操作期间经受各种且不均匀的弯曲力。例如，图2A和图3A中所示的复合坯料2的上部可被拉伸，并且下部可被压缩以便分别在图2B和图3B中所示的车辆部件4中产生向上偏转的弯曲。复合坯料2在成形过程中可能经受其它力。如将理解的，增强件8可布置在金属坯料6的以下部分上：在成形过程中基本上变形的部分，基本上不变形的部分(诸如图2B和图3B的平坦区域)，或者其组合(例如，如图2B和图3B所示，在基本上变形的区域和基本上不变形的区域之间跨越)。

在若干实施方式中，除了由金属增强件8(用作初级增强件)提供的增强之外，增强纤维24可用作次级增强件以向车辆部件4提供额外的增强。对于“初级”和“次级”，这些术语并不意味着表示所提供的增强的相对量或水平，而是用于区分金属增强件8和增强纤维24。

增强件8包括一个或多个金属层。在一个实施方式中(图4A、图4B和图5A、图5B)，增强件8仅包括一个金属层。在该实施方式中并且如图4A、图4B和图5A、图5B中所描绘的，增强纤维24(即次级增强件)布置在金属坯料6和金属增强件8(即初级增强件)之间，金属增强件8被超声波焊接到金属坯料6上。

在另一个实施方式中(图6A、图6B和图7A、图7B)，增强件8包括被超声波焊接在一起的两个或更多个金属层32、34的堆叠。如图6A、图6B和图7A、图7B所描绘的，增强纤维24布置在金属增强件8的层32、34之间并由其包封。在该实施方式中，增强件可以包括由不同材料或相同材料构成的多层。通过在增强件8中包括多个层，该实施方式可以提供与金属坯料6的增强焊接兼容性，改善金属坯料6和增强件8之间的腐蚀减轻，改善金属坯料6和增强件8之间的热膨胀匹配，以及允许特定材料放置以对成形车辆部件4具有最佳结构益处。在一个方面，增强件8包括第一钢层、第二铝层、第三金属基材复合(MMC)层(例如，“Metpreg”，可从西弗吉尼亚州Triadelphia的Touchstone研究实验室有限公司获得，由高强度、高刚度陶瓷纤维增强的铝制成)、第四铝层和第五MMC层。在另一方面，增强件8包括第一钢层以及一系列铝和钛的交替层，例如四个铝层和四个钛层。在又一方面，增强件8包括铝层和钛层。增强件8不限于这些方面，并且可以包括其他布置和层数。通过将增强件8的各个层一次一个地超声焊接到金属坯料6；或者通过首先将增强件8的所有层焊接在一起，然后将增强件8超声波焊接到金属坯料6上，可将增强件8的各个层施加到金属坯料6上。增强纤维24可以在被超声波焊接在一起之前布置在增强件8的两个层之间，或者在被超声波焊接在一起之前布置在增强件8和金属坯料6之间。

在图4A、图4B、图5A、图5B、图6A、图6B和图7A、图7B中，增强纤维24以横截面示出。如将理解的，增强纤维24的长度平行于金属增强件8的长度延伸并且被金属增强件8完全覆盖，这可以起到保护纤维24在使用车辆部件4过程中免受磨损和暴露于环境的作用。然而，应该理解的是，增强纤维24可以不同方式布置，诸如相对于增强件8在不同方向上取向，并且可不被增强件8完全覆盖。

在增强件8与金属坯料6超声波焊接之前，纤维24可布置在金属坯料6中的预成形通道或凹槽26中(图4A和图5A)，或者布置在增强件8的金属层之一(例如第一金属层32)中(图6A和图7A)。即，在纤维24布置在凹槽26中之前并且在增强件8与金属坯料6超声焊接之前或者在金属层32、34被超声波焊接在一起之前，凹槽26存在于金属坯料6中或增强件8的金属层之一(例如第一金属层32)中。如图所示，三束纤维24布置在三个凹槽26中。然而，可包括更多或更少束的纤维24和更多或更少的凹槽26。预成形凹槽26可经由减材制造工艺(例如铣削、研磨、钻孔等)或通过初始局部成形工艺(例如通过挤出模具、冲压、成珠等)形成。如所描绘的，纤维24仅布置在凹槽26内的大约一半处。然而，将理解的是，纤维24可布置在凹槽26内的多于一半或不到一半(例如在图4A、图4B中)，纤维24可完全在金属坯料6的表面16下方。

如图5A所示，凹槽26布置在金属坯料6中的凹陷18的底部。因此，增强纤维24和增强件8都布置在存在于金属坯料6中的预成形凹陷18中，仅纤维24布置在凹槽26中。在一些实施方式中，纤维24没有布置在预成形凹槽26中。相反，纤维24可简单地布置在金属坯料6和增强件8之间，或者布置在金属坯料6的表面16处或金属坯料6中的凹陷18中；或者布置在增强件8的层32、34之间。在任何情况下，金属坯料6和增强件8或增强件8的层32、34被超声波焊接在一起，纤维24布置在它们之间。在不包括凹槽26的实施方式中，超声波焊接可形成用于纤维24的通道，其在金属坯料6和/或增强件8中或在增强件8的层32、34中的焊接过程中形成。超声波焊接可使来自金属坯料6和/或增强件8的金属浸渍到纤维束24中或者在纤维束24周围塑性流动。

如图4A和图4B、图5A和图5B、图6A和图6B以及图7A和图7B之间所描绘的，在复合坯料2变形期间，预成形凹槽26可在增强纤维24周围逐渐压缩(例如挤压、收紧、收缩、熔化或流动)，以在增强纤维24和预成形凹槽26之间形成机械附接，其中在图4A、图5A、图6A和图7A中示意性描绘的凹槽26因此未在图4B、图5B、图6B和图7B中描绘，因为它们已经在增强纤维24周围压缩。成形期间的高塑性变形可在增强纤维24周围产生更大的压缩应力。考虑到这一点，凹槽26可形成为相对于增强纤维24的束的尺寸而过大，以最初允许凹槽26和增强纤维24之间的相对运动。然而，凹槽26在成形过程中逐渐塌缩，以在成形车辆部件4中的金属坯料6和增强纤维24之间产生机械互锁和基于摩擦的载荷传递。在一个实施方式中，成形过程使纤维24拉伸，但不超过它们的拉伸强度，从而在纤维24中产生一定量的预应力。

复合坯料2可选地包括粘性材料28(例如润滑剂或树脂)，粘性材料28布置在增强纤维24与金属坯料6和增强件8中的至少一者之间，如图4A和图5A所示；或者布置在增强纤维24与增强件的层32、34之间，如图6A和图7A所示。粘性材料可作为增强纤维束24的一部分，其中纤维束24浸渍或涂覆有粘性材料28。或者，粘性材料28可与增强纤维24分开施加。粘性材料28可在成形过程中在增强纤维24与金属坯料6和增强件8中的至少一者之间提供润滑，使得纤维24在成形期间至少在某种程度上相对于金属坯料6和增强件8中的至少一者自由移动，或者在增强纤维24与增强件8的层32、34中的至少一者之间自由移动，以在成形过程中允许纤维24相对于层32、34稍微自由移动。

当成形过程中凹槽26围绕纤维24逐渐压缩时，纤维24可以逐渐收紧，并且纤维24可通过复合坯料2的变形而被拉伸。例如，如图2A和图2B之间所示，复合坯料2的上部(可包括增强纤维24)被拉伸，以便在车辆部件4中产生向上偏转的弯曲。可由粘性材料28提供的润滑可以允许在成形过程中增强纤维24的收紧较少，因此可允许增强纤维24不被拉伸和张紧而超过其拉伸强度。相反，纤维24可相对于变形的金属坯料6和增强件8滑动，即在凹槽26中“浮动”。

使用粘性材料28是有利的，因为如果没有提供粘性材料28，则凹槽26可在成形过程中形成与增强纤维24的机械附接，并且复合坯料2的变形可能引起纤维24的变形(即拉伸)。如果这种变形超过纤维24的拉伸强度，则纤维24可能破裂，因此不会对车辆部件4产生增强效果。包括粘性材料28可解决这个问题，因为它可在凹槽26和纤维24之间提供润滑，这可抑制成形过程中纤维24和凹槽26之间的机械附接的形成以及纤维24的相关拉伸和可能破裂。

在一些实施方式中，增强纤维24具有相对较低的摩擦系数，使得并非必须用粘性材料28来润滑纤维24和抑制纤维24破裂。在其他实施方式中，可能期望在复合坯料2变形之前，在纤维24和凹槽26之间形成机械附接。如果优选纤维24的预加载张力，这可能是合乎期望的。在这样的实施方式中，可不包括粘性材料28。

在变形之后，粘性材料28可通过下游工艺干燥或分解，以在纤维24与金属坯料6和增强件8中的至少一者之间形成载荷传递机构(例如机械附接)。或者，粘性材料28可以是未固化的液体粘合剂材料，其可以在成形过程之后固化，诸如在随后的烤漆过程中或在时间依赖性反应中固化。如果使用加热工艺来固化粘合剂，则粘合剂然后可在增强纤维24与金属坯料6和增强件8中的至少一者之间形成粘合剂接合30。在这种情况下，粘合剂涂层有助于从金属坯料6到增强件8的载荷转移。然后，可将成形车辆部件4作为车辆的一部分包括在内。

制备车辆部件4的方法包括以下步骤：提供包括第一金属的金属坯料6，以及提供包括与第一金属相同或不同的第二金属的金属增强件8。将金属坯料6和增强件8超声波焊接在一起，从而提供复合坯料2。使复合坯料2经受成形过程，其中复合坯料2从例如大致平坦(图1A)的初始配置变形为例如轮廓化(图1B)的随后配置，从而形成车辆部件4。该方法还可包括以下步骤：在超声波焊接之前，将增强件8布置在相对于金属坯料6的预定位置处，使得在变形之后，增强件8在车辆部件4上的期望位置处提供增强区域12。变形可包括冷冲压。第二金属可以是比第一金属更强、更硬、具有更大能量吸收以及具有增加的疲劳寿命中的至少一种。例如，第一金属可以是铝或铝基合金，第二金属可以是钢或钢基合金。在超声波焊接之前增强件8可布置在存在于金属坯料6中的预成形凹陷18中，使得增强件8与金属坯料6的表面16齐平，并且金属坯料6和增强件8之间的超声波焊接接合/界面22完全布置在凹陷18内。或者，增强件8可布置在金属坯料6的表面16上而不是凹陷18中。超声波焊接可使用超声波焊接机(包括超声波发生器)进行，该超声波焊接机可接触增强件8的整个表面20或仅接触增强件8的表面20的一部分。该方法还可以包括以下步骤：提供增强纤维24，并且在超声波焊接之前，将增强纤维24布置在金属坯料6和增强件8之间(图4A、图4B和图5A、图5B)或增强件8的层32、34之间(图6A、图6B和图7A、图7B)。增强纤维24可在超声波焊接之前布置在预成形凹槽26中。

本主题还包括一种制造车辆的方法，该方法包括以下步骤：提供如本文所述的增强的车辆部件4；以及组装包括增强的车辆部件4的车辆。

本主题提供了一种包括冲压复合材料(即增强的车辆部件4)的车辆。在冲压之前，所述冲压复合材料包括超声波焊接到金属增强件8上的大致平坦的金属坯料6。金属坯料6包括第一金属，增强件8包括与第一金属相同或不同的第二金属。冲压复合材料被轮廓化，也就是说，冲压复合材料不是大致平坦的。冲压复合材料部件可进一步包括布置在金属坯料6和增强件8之间或增强件8的层32、34之间的增强纤维24。冲压复合材料部件可以是冲压和加热的复合部件，包括在增强纤维24与金属坯料6和增强件8中的至少一者之间的粘合剂接合30。冲压和加热的复合部件在加热之前可包括粘性材料28，粘性材料28布置在增强纤维24与金属坯料6和增强件8中的至少一者之间。在冲压过程中，粘性材料28可为增强纤维24提供润滑，使得增强纤维24不会张紧超过其拉伸强度。在加热或经过一段时间后，粘性材料28固化以形成粘合剂接合30。增强纤维24和增强件8可布置在存在于金属坯料6中的预成形凹陷18中。

在根据本主题的非限制性示例方法中，金属片材用作金属坯料6并且在先前通过成形分析识别的关键区域中被增强。具有未固化树脂的纤维束24(即粘性材料28)被包封在金属坯料6和增强件8之间，或者增强件8的层32、34之间。增强件8包括一个或多个金属层的堆叠，并且包括与金属坯料6不同或相似的材料。增强件8经由固态超声波焊接工艺焊接到金属坯料6上。接下来，在冲压机中形成该复合坯料2，这使得车辆部件4具有特定的形状。在成形期间，束中的树脂充当润滑剂，其允许纤维24滑动而不是拉紧至其断裂点。一些纤维24放置于在纤维长度方向上不呈现很大应变的区域中。金属片材在成形过程中的变形将逐渐使得纤维24所在的凹槽26收缩并在纤维24和凹槽26之间形成紧密的机械界面。然后，将成形车辆部件4附接到其它部件以创建白车身，然后经过涂装过程(包括一个或多个热处理)以使防腐和涂装涂层固化。在热处理期间或仅仅随着时间的推移，束中的树脂固化，将各个增强纤维24粘附到它们自身并粘附到金属片材和增强件8上。在这种情况下，由增强件8和纤维24提供的附加强度和刚度使得金属片材比相同金属片材的均质冲压部件所需的更薄，因此更轻。

在另一个非限制性示例中，金属坯料6是金属挤出件。挤出物以其原料形式呈现直的并且切割成大致长度。通过减材工艺或经由挤出模具的特征将凹陷18施加到坯料挤出物上。凹陷18的目的是容纳增强件8，例如允许增强件8的表面20与挤出物的表面16齐平。树脂浸渍的纤维束24嵌入到位于增强件8和挤出物之间或位于增强件的层32、34之间的凹槽26中，然后将增强件8超声波焊接到挤出物上。使增强的挤出物经受成形过程，以将其弯曲成车辆部件4(例如，汽车保险杠)的所需形状。这里，纤维24经受潜在的应变，这些应变最初由稍微过大的凹槽26和树脂减轻，其中在成形结束时，凹槽26在束周围塌缩，在沿着束的长度的多个位置处将其卷曲到位。该车辆部件4被添加到汽车白车身并经受包括一次或多次热处理(其中树脂被固化)的涂装工艺，从而完成整合过程。增强件提供额外的强度、刚度和能量吸收中的至少一种，以允许减小挤出物的总壁厚，从而产生更轻的车辆部件。

在这两个示例中，由于在成形过程中使较薄规格材料变形所需的力减小，因此存在额外的成本节省。减小的力需要较少的能量来形成，但也允许利用较小容量的成形系统来形成相同功能的部件。而且，使用较薄规格的金属坯料6节省了坯料6中使用的材料的成本。

本主题在成形过程之前提供嵌入的增强件，并利用成形工艺和/或随后的热和机械工艺来形成增强材料和金属坯料之间的界面。这创建了用于定制结构性能的独特种类的金属基材材料，这是其他材料和制造方法所不具备的。增强材料(即增强件8和增强纤维24)允许在车辆部件4中具有更宽范围的性能，因为本方法不依赖于熔焊工艺将增强件整合到金属坯料中。此外，与粘合剂不同，所提出的方法具有更宽的可接受温度范围，允许在制造过程的早期并且在涂装烘烤过程之后通常不可接近的地方加入增强件。本发明方法和相关的车辆部件通过仅在期望的地方(而不是在整个车辆部件上)定位强度和刚度性能的增加来提供重量减轻。目前，成形部件的厚度减少受限于看到最高负荷的关键区域。在本主题中，可以进一步减小全局部件厚度，并且仅在需要时将增强件添加到关键区域。在本主题中，在成形过程之前将增强件施加到平坦金属坯料上，从而降低将增强材料施加到具有复杂曲面的主体的复杂性。

将理解的是，可以期望地将上述公开的各种特征和功能或其替代物或变体组合到许多其他不同的系统或应用中。此外，本领域技术人员随后可做出各种目前无法预料或未预料到的替代、修改、变化或改进，这些也意图被所附权利要求书所涵盖。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年8月10日提交的美国临时专利申请序列号62/543,471的优先权，其通过引用并入本文。

Claims (20)

1.一种制备车辆部件的方法，该方法包括以下步骤：

提供包括第一金属的金属坯料以及包括第二金属的金属增强件；

将所述增强件超声波焊接到所述金属坯料以提供复合坯料；以及

使所述复合坯料变形以形成所述车辆部件；

其中，所述增强件包括一个或更多个金属层的堆叠；并且

其中，如果所述增强件包括两个或更多个金属层，则所述两个或更多个金属层被超声波焊接到彼此。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，变形步骤包括冷冲压。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在超声波焊接步骤之前，将所述增强件相对于所述金属坯料布置在预定位置处，使得在变形步骤之后，所述增强件在所述车辆部件上的期望位置处提供增强区域。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二金属不同于所述第一金属，并且所述第二金属是比所述第一金属更强和更硬这二者中的至少一种。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一金属是铝或铝基合金，并且所述第二金属是钢或钢基合金。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，在超声波焊接步骤之前，将所述增强件布置在存在于所述金属坯料中的预成形凹陷中。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述金属坯料和增强件之间的超声波焊接接合部完全布置在所述凹陷内。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，超声波焊接步骤包括：使超声波发生器与所述增强件的整个表面接触。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，超声波焊接步骤包括：使超声波发生器仅与所述增强件的一部分表面接触。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括以下步骤：

提供增强纤维；以及

在超声波焊接步骤之前，将所述增强纤维布置在所述金属坯料和所述增强件之间，或者布置在所述增强件的两个或更多个金属层之间。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，布置步骤包括：将所述增强纤维放置在所述金属坯料的预成形凹槽中或所述增强件的预成形凹槽中。

12.根据权利要求11所述的方法，其中：

将粘性材料布置在所述金属坯料和所述增强件中的至少一者与所述增强纤维之间；

所述方法进一步包括以下步骤：加热所述车辆部件，使得所述粘性材料：a)固化以在所述金属坯料和所述增强件中的至少一者与所述增强纤维之间形成粘合剂接合，或者b)干燥或分解以允许在所述金属坯料和所述增强件中的至少一者与所述增强纤维之间形成机械附接。

13.根据权利要求11所述的方法，其中：

将所述增强纤维放置在所述金属坯料的预成形凹槽中；

将所述预成形凹槽布置在存在于所述金属坯料中的预成形凹陷中；以及

在超声波焊接步骤之前，将所述增强件布置在所述预成形凹陷中。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，在变形步骤期间，所述预成形凹槽在所述增强纤维周围压缩以在所述增强纤维和所述预成形凹槽之间形成机械附接。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述车辆部件是B柱。

16.一种包括冲压复合坯料的车辆，所述冲压复合坯料在冲压之前包括：

被超声波焊接到金属增强件的大致平坦的金属坯料；

其中，所述金属坯料由第一金属形成；

其中，所述增强件包括第二金属；

其中，所述增强件包括一个或更多个金属层的堆叠；以及

其中，如果所述增强件包括两个或更多个金属层，则所述两个或更多个金属层被超声波焊接到彼此；并且

其中，所述冲压复合坯料被轮廓化。

17.根据权利要求16所述的车辆，其中，所述第二金属不同于所述第一金属，并且所述第二金属是比所述第一金属更强和更硬这二者中的至少一种。

18.根据权利要求16所述的车辆，其中，所述冲压复合坯料进一步包括增强纤维，所述增强纤维布置在所述金属坯料和所述增强件之间，或者布置在所述增强件的两个或更多个金属层之间。

19.根据权利要求18所述的车辆，其中：

冲压复合部件是被冲压和加热的复合部件，包括位于所述金属坯料和所述增强件中的至少一者与所述增强纤维之间的粘合剂接合部；

所述被冲压和加热的复合部件在加热之前包括粘性材料，所述粘性材料布置在所述金属坯料和所述增强件中的至少一者与所述增强纤维之间，

在加热时或随着时间的推移，所述粘性材料固化以形成所述粘合剂接合部。

20.根据权利要求18所述的车辆，其中，所述增强纤维和所述增强件布置在存在于所述金属坯料中的预成形凹陷中或存在于所述增强件中的预成形凹陷中。