CN109420835B - 用于多材料汽车结构的uam电阻点焊接头过渡 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于多材料汽车结构的UAM电阻点焊接头过渡。在本文中描述一种车身总成，其包括第一结构部件和第二结构部件。所述第一结构部件可以是车顶部件或侧部面板，并且包括包含第一金属的第一零件和包含不同于所述第一金属的第二金属的第二零件。所述第二零件形成在所述第一零件的外围边缘部分上，并且限定用于所述第一结构部件的安装凸缘。所述第二零件经由超声波增材制造(UAM)界面接合到所述第一零件。所述第二结构部件包括所述第二金属，并且经由电阻点焊(RSW)接头在所述安装凸缘处接合到所述第二零件。

Description

用于多材料汽车结构的UAM电阻点焊接头过渡
技术领域
本申请涉及用于多材料汽车结构的UAM电阻点焊接头过渡。
背景技术
通常通过使用粘合剂或机械紧固件来实现汽车行业中不同金属的接合。然而，机械紧固件需要增加的重量、成本、零件和组装时间。粘合剂需要专门装备、增加的产距时间和单独热循环来使所述粘合剂固化至完全强度。改变为不同接合过程通常需要工厂装配线中的新的基础设施，从而花费额外资金投入、线路重新设计和人员培训。
发明内容
根据一个或多个方面，一种多材料部件包括：包括第一材料的第一部件；包括不同于所述第一材料的第二材料的第二部件；以及定位在所述第一部件与所述第二部件之间的插入件。所述插入件经由超声波增材制造(UAM)界面接合到所述第一部件，并且所述第二部件固定到所述插入件。
所述插入件可以包括多个UAM层。所述第二部件可以经由RSW接头电阻点焊(RSW)到所述插入件。所述插入件的厚度可以基于所述RSW接头被形成为排除所述UAM界面的任何部分，或者基于所述RSW接头被形成为包括热影响区(HAZ)中所述UAM界面的一部分。所述UAM界面可以在车身的前后方向或横向方向上沿着所述第一部件和所述插入件的长度延伸。所述插入件可以在所述第一部件的外围边缘部分处固定到所述第一部件，并且限定所述第二部件固定到其的安装凸缘。
根据一个或多个方面，一种用于制造多材料部件的方法可以包括：提供包括第一材料的第一部件；提供包括不同于所述第一材料的第二材料的插入件；经由超声波增材制造(UAM)界面将所述插入件接合到所述第一部件；提供包括所述第二材料的第二部件；以及将所述第二部件接合到所述插入件。将所述第二部件接合到所述插入件可以包括经由RSW接头将所述第二部件电阻点焊(RSW)到所述插入件。将所述第二部件接合到所述插入件可以包括使所述RSW接头形成为包括热影响区(HAZ)中所述UAM界面的一部分。将所述第二部件接合到所述插入件可以包括使所述RSW接头形成为排除所述UAM界面的任何部分。所述插入件的厚度可以基于所述RSW接头被形成为包括或排除所述UAM界面的一部分。所述第一材料可以是铝或铝基合金，并且所述第二材料可以是钢或钢基合金。所述第一部件可以是车顶部件或侧部面板，并且所述第二部件可以是车身部件。
根据一个或多个方面，一种车身总成可以包括第一结构部件和第二结构部件。所述第一结构部件可以包括包含第一材料的第一零件和包含不同于所述第一材料的第二材料的第二零件。所述第二零件可以形成在所述第一零件的外围边缘部分上，并且可以限定用于所述第一结构部件的安装凸缘。所述第二零件可以经由超声波增材制造(UAM)界面接合到所述第一零件。所述第二结构部件可以包括所述第二材料。所述第二结构部件可以经由电阻点焊(RSW)接头在所述安装凸缘处接合到所述第二零件。
所述第一材料可以是铝或铝基合金，并且所述第二材料可以是钢或钢基合金。所述第一结构部件可以是车顶部件或侧部面板。所述第二零件的厚度可以基于所述RSW接头或相关联热影响区(HAZ)包括或排除所述UAM界面的一部分。所述UAM界面可以在所述车身总成的前后方向或横向方向上沿着所述第一零件和所述第二零件的长度延伸。所述UAM界面可以定位在对应于要通过电阻点焊焊接的区域的位置处。
附图说明
图1是车身总成的示例性示意图，所述车身总成包括具有附接到第二结构部件的超声波增材制造(UAM)界面的第一结构部件。
图2是包括固定到车身部件(即，第二结构部件)的车顶部件(即，第一结构部件)的车身总成的透视图。
图3是沿着图2的线A-A截取的横截面视图。
图4是沿着图2的线B-B截取的横截面视图。
图5A至图5B是沿着图2的线C-C截取的横截面视图。
图6是车身总成的示例性示意图。
图7是车身总成的示例性示意图。
图8是车身总成的示例性示意图。
具体实施方式
应理解，本文中的描述和附图仅是说明性的，并且可以在不背离本公开内容的情况下对所公开结构作出各种修改和改变。如本文中所使用，横向方向横跨车身，即，左右方向。同样地，纵向方向是指车身的前后方向，并且垂直方向涉及高程，即，上下方向。
图1是包括附接到第二结构部件104的第一结构部件102的车身总成100的示例性示意图。根据车身总成100的一个方面，第一结构部件102是车顶部件110(例如，如图2至图5A、5B中描述)。虽然第一结构部件102在本文中描述为车顶部件110，但是应理解，设想到了其他实施方案，例如，其中第一结构部件102是侧部面板部件，并且第二结构部件104是结构立柱。
根据本公开，车顶部件110包括包含第一金属或材料的第一零件112(例如，第一部件)和包含不同于第一金属的第二金属或材料的第二零件114(例如，插入件)。第一零件112可以是例如由铝或铝合金形成的车顶面板或蒙皮。第二零件114可以是包括钢或钢合金的金属板坯。在图6中所示的一个或多个方面中，第二零件114或插入件可以包括多个UAM层，所述多个UAM层通过重叠或堆叠箔带114’形成以产生用于第二零件114或插入件的UAM块构建配置。箔带114’通常具有预先确定的厚度，诸如例如150微米。在这方面，多层箔带114’可以彼此堆叠以形成具有所期望厚度的插入件或第二零件114。
第一零件112使用超声波增材制造(UAM)焊接工艺接合到第二零件114，从而在第一零件112与第二零件114之间形成UAM界面116。在其中第二零件114包括钢或钢合金的示例中，第二零件114在UAM焊接过程期间限定衬底，从而允许第一零件112由与所述衬底UAM焊接相容的金属形成。此类金属的示例包括铝(Al)、镁(Mg)、铝基合金(例如，5000、6000、和7000系列铝合金)、镁合金、钢(例如，低碳钢、双相钢、冷成型钢)等。在任何情况下，第一零件112和第二零件114由彼此UAM焊接相容的第一和第二材料、金属和金属合金形成。
以此方式，车顶部件110是多材料部件，其包括两种不同材料与UAM界面116接合的区域。UAM界面116是固态金属焊接界面，在该处，热敏材料和/或其他不同材料通过清洁金属-金属接触和金属结合彼此接合。如此，车顶部件110可以通过经由UAM焊接过程在第一零件112的外围边缘部分处将包括第一金属的第一零件112接合到包括第二金属的第二零件114来形成。然而，应注意，第二零件114可以经由UAM焊接过程固定到第一零件112的任何部分(而不仅仅是外围边缘部分)并且与UAM界面116接合，从而使得第二零件114能够充当实现多材料部件的形成的焊垫或插入件。以此方式，UAM界面116是将力和力矩从第一零件112传递到第二零件114并且从第二零件114传递到第一零件112的负载路径的一部分。
根据车身总成100的一个方面，第二结构部件104是车身部件120(如图2至图5A、5B中将描述)。第二零件114限定用于车顶部件110的安装凸缘150，其最终接合到车身部件120(例如，第二部件)，如下文将论述，从而使得铝结构部件能够在车身总成100的组装期间经由钢过渡部(例如，第二零件114)附接到钢结构部件。换句话说，车顶部件110的安装凸缘150由车顶部件110的钢-铝接头限定。由于UAM是固态过程，因此不会发生第一零件112或第二零件114的任何材料的劣化。进一步地，在第一零件112与第二零件114的不同金属之间不形成金属间化合物(其通常是脆性的并且不期望作为接头)，从而实现车顶部件110(例如，经由安装凸缘150)和车身部件120的接合。以此方式，车身总成100可以是多材料部件，其包括第一零件112(作为包括第一材料或金属的第一部件)、第二结构部件104(作为包括第二材料或金属的第二部件)以及第二零件114(作为包括第二材料或金属的插入件)。
车身部件120包括第二金属(例如，对于钢衬底，车身部件120是由钢或钢基合金形成的整体件)。由于车身部件120和车顶部件110的第二零件114由共同或类似金属(例如，彼此可溶)形成，因此可以使用电阻点焊(RSW)来接合车顶部件110的安装凸缘和车身部件120。换句话说，配合侧上的车顶部件110包括包含钢的第二零件114，其使得RSW能够用于将车顶部件110的配合侧接合到其他部件，诸如车身部件120。换句话说，可以利用RSW，因为车顶蒙皮的铝与第二零件114的(例如，安装凸缘150的)的钢之间的UAM界面116提供这两种相容金属之间的紧密金属到金属接触，这导致第一零件112到第二零件114的固态接合，并且提供相对低电阻。
虽然车顶部件110(例如，第一部件)被描述为使用RSW固定到车身部件120(例如，第二部件)，但是设想到了其他类型的固定，例如铆钉、结构粘合剂、其他融合和固态焊接工艺、螺母和螺栓、螺钉等。
与UAM界面116相比，车顶部件110与车身部件120之间的钢-钢界面未结合(在RSW之前)并且具有相对高电阻。如此，当在RSW过程期间施加电流时，形成钢-钢焊接或RSW接头160界面，因为钢-钢界面通过电阻加热并且施加压力。因此，装配线可以被配置成使用在装配线中的焊接工厂处提供的现有普通焊接机将车顶部件110组装或附接到车身部件120。
在一些实施方案中，第二零件114可以具有使得热影响区(HAZ)162内从RSW产生的热并不显著影响第一零件112与第二零件114之间的UAM界面116的厚度。例如，第二零件114的厚度可以在0.15mm至2-3mm的范围内以减轻UAM界面116的过度加热。作为另一示例，第二零件114的厚度可以大于与UAM界面116的过度加热相关联的可能在第一金属与第二金属之间形成金属间化合物的阈值厚度。换句话说，第二零件114的厚度具有足够厚度以减轻对UAM界面116的加热或减轻大量热到达第一零件112。在其它实施方案中，第二零件114具有小于阈值厚度的厚度，从而产生RSW接头或HAZ162，其出于热机械修改UAM界面116和/或第一零件112的微结构的目的而包括UAM界面116的一部分(图1中未显示)。在其它实施方案中，RSW接头占据162的包括UAM界面116的所述部分的区域。
在一个或多个实施方案中，第二零件114沿着连续UAM界面116接合到第一零件112，连续UAM界面116沿着第一零件112和第二零件114两者的长度(例如，在车身的前后方向或纵向方向上)延伸。进一步地，在其他实施方案中，车顶部件110可以被配置成包括仅在要通过RSW焊接的区域处接合到第一零件112(使用UAM界面116)的第二零件114，从而消除额外材料，并且减轻车顶部件110的重量。
因此，当车顶部件110包括接合由第二金属(其和车身部件120的金属相同)形成的第二零件114的UAM界面116时，可以使用现有RSW装备来将车顶部件110接合到车身部件120。以此方式，可以使用UAM、并且然后RSW来形成多材料结构部件或将其接合到相对均质材料结构。如此，车身总成100(包括车顶部件110和车身部件120)可以通过已知车辆装配线组装，而不需要设备更新或额外资金投入。车身总成100可以被电泳涂装并且经受涂漆过程(未显示)，包括固化或烘烤施加到车身总成100的油漆。
图2是包括固定到车身部件120(即，第二结构部件104)的车顶部件110(即，第一结构部件102)的车身总成100的透视图。现在将更详细描述车顶部件110和车身部件120。车身部件120可以由一对横向隔开的车身构件或侧部面板202、204和底板面板206形成，其共同限定乘客舱208。侧部面板202、204可以按相同方式构造，但是其布置在车身总成100的相对侧上，并且每一侧部面板202、204可以限定相应纵向延伸的侧部车顶纵梁210、212。前部车顶纵梁213和后部车顶纵梁214横向横跨在侧部面板202、204之间。至少一个横向构件或车顶横梁可以插置在前部车顶纵梁213与后部车顶纵梁214之间，并且可以在侧部面板202、204之间延伸。侧部面板202、204与前部顶纵梁213和后部车顶纵梁214一起将车顶部件110支撑在乘客舱208上方。
如先前所论述，车顶部件110包括由第一金属形成的第一零件112和由不同于第一金属的第二金属形成的第二零件114。根据一个方面，第一零件112是上覆乘客舱208的铝或铝基合金车顶面板216。如先前所论述，第二零件114可以是UAM焊接到第一零件112(即，在此示例中，车顶面板216，如图3至图5A、5B中将描述)的钢过渡部。车顶面板216在平面图中通常为矩形，但是由于需要个别车顶部件符合车辆造型，因此车顶面板216可以具有替代形状。车顶面板216包括前端部分218、后端部分220和在前端部分与后端部分之间纵向延伸的相对侧部部分222、224。车顶部件110还包括至少一个车顶加强件226。在所示出方面中，车顶加强件226可以在侧部部分222、224之间跨越车顶面板216横向延伸。
前部支撑托架228和后部支撑托架230以及侧部托架232、234可以固定到车顶部件110。前部支撑托架228和后部支撑托架230还在侧部部分222、224之间跨越车顶面板216横向延伸。侧部托架232、234在前部支撑托架228、车顶加强件226和后部支撑托架230之间在车顶面板216上纵向延伸。如图绘示，每一支撑托架与车顶部件110的第二零件114分开，并且焊接到其，以促进车顶部件110和车身部件120的附接。车顶部件110的支撑托架还可以由铝或铝基合金形成。
图3是沿着图2的线A-A截取的横截面视图。车顶部件110包括经由UAM界面116接合到第二零件114(其是钢界面)的车顶面板216(作为第一零件112)。前部车顶纵梁213经由RSW接头160连接到车顶部件110的前端部分218。前部车顶纵梁213包括外部面板240和内部面板242，内部面板242固定地附接(例如，焊接)到外部面板240，如在244处所见。挡风玻璃246粘附或结合到前部车顶纵梁213的凸缘结构。加固件(未显示)可以插置在外部面板240与内部面板242之间。
图4是沿着图2的线B-B截取的横截面视图。在图4中，侧部面板202的侧部车顶纵梁210经由RSW接头160连接到车顶部件110的侧部部分222。为简化本公开内容的解释，将仅论述侧部面板202的构造和其到车顶部件110的连接，但是应理解，其他侧部面板204可以以到车顶部件110的类似连接具有相同构造。
侧部车顶纵梁210包括外部面板250和内部面板252，内部面板252固定地附接(例如，焊接)到所述外部面板。在一些实施方案中，加固件254可以插置在外部面板250与内部面板252之间。侧部车顶纵梁210包括由外部面板250限定的安装凸缘255。在所绘示方面中，侧部车顶纵梁210的安装凸缘255限定侧部区段256。车顶面板216的侧部部分222包括接合到具有安装凸缘150的区段264的壁262。车顶面板216的安装凸缘150上覆侧部车顶纵梁210的安装凸缘255，并且可以因此电阻点焊到彼此。如图4中所绘示，RSW接头160可以在单个焊接部中包括安装凸缘150、外部面板250、内部面板252和加固件254的一部分。然而，将理解，任何数目(例如，两个或更多个)个部件可以借助一个焊接部接合。换句话说，可以实施多片焊接以使RSW接头160形成为包括包含但不限于车顶面板216、UAM界面116、安装凸缘150、外部面板250、加固件区段254和内部面板252等在内的部件。
换句话说，在所绘示实施方案中，车顶部件110包括第二零件114作为区段264，其接合到车身部件120的侧部面板202的外部面板250。区段264至少部分在车顶部件110的车顶面板216的水平壁262下方延伸。车顶部件110的安装凸缘150与侧部面板202的安装凸缘255对齐，并且在车身的组装期间经由RSW接头160接合或焊接到其。如先前所论述，车顶部件110包括UAM界面116，其接合两种不同金属，其(例如)是铝车顶面板216和区段264的钢，从而使得能够利用电阻点焊来形成RSW接头160，从而接合钢外部面板250和钢区段264。
图5A至图5B是沿着图2的线C-C截取的横截面视图，其绘示后部支撑托架230的一方面。车顶部件110经由RSW接头160接合到车身部件120的后部车顶纵梁214。后部车顶纵梁214包括外部面板302和固定地附接(例如，焊接)到其的内部面板304。外部面板302的搭接部(landing)306限定要通过RSW接头160接合的区域。外部面板302包括台阶部分308。车顶面板216包括垂直壁310和水平壁312。车顶面板216还包括凸起部分314。在此示例中，车顶面板216是车顶部件110的第一零件112，并且后部支撑托架230的钢过渡部是第二零件114且在UAM界面116处经由UAM焊接固定地附接到其。
后部支撑托架230的后端部分316被成形为符合车顶部件110的后部区段，并且固定地附接到车顶面板216的垂直壁310。后端部分316在水平壁312之下并邻接水平壁312，并且经由RSW接头160焊接到外部面板302。图5A、5B还绘示由后部车顶纵梁214限定的后沟槽(gutter)318和尾门结构320。
因此，本公开提供一种将由铝或铝基合金的第一零件112和钢过渡部的第二零件114形成的车顶部件110固定到由钢或钢基合金形成的车身部件120的方法。所述示例性方法大体包括：经由超声波增材制造(UAM)界面116在第一零件的外围边缘部分处将第一零件112接合到第二零件114；提供车顶部件110，包括第二零件114作为安装凸缘150；提供车身部件120；电泳涂装(electro-coating)车顶部件110和车身部件120；给车顶部件110和车身部件120涂漆；以及电阻点焊车顶部件110和车身部件120，或者经由RSW将第二零件114接合到由第二金属形成的车身部件120。
图6是根据另一方面的车身总成的示例性示意图。例如，在图6中，第二零件114或插入件具有UAM块构建配置，其包括在UAM过程期间施加的多层UAM箔带114’。例如，在图6中，第一UAM层114A、第二UAM层114B和第三UAM层114C包括在第二零件114或插入件中。然而，可以利用更多或更少UAM层来将插入件构建到所期望厚度。另外，UAM界面116定位在第一位置处，并且RSW接头160定位在第二位置处，第二位置在前后方向上或横向方向上从第一位置偏移。由于此偏移，RSW接头160的形成和来自HAZ162的热并不影响UAM界面116，与图1不同，其中来自RSW接头160的热如果放大到覆盖162的区域，则可以包括UAM界面116的若干部分。换句话说，根据一些方面，162的区域可以是RSW接头，而非160的区域。
图7是根据一个方面的多材料部件400的示例性示意图。多材料部件400可以包括双材料结构410，其包括在UAM界面416处接合的第一零件412和第二零件414。例如，第一零件412包括第一材料，并且第二零件414包括与第一材料UAM焊接相容的第二材料。双材料结构410经由RSW接头426接合到包括第一材料的第一结构422。双材料结构410还经由RSW接头436接合到包括第二材料的第二结构432。如先前所论述，第一材料和第二材料可以包括钢、钢合金、铝、铝合金、镁、镁合金等。在这方面，当一种材料比另一种材料需要更多功率焊接时，可以首先针对那个界面完成对应RSW。例如，如果412和422是钢，而414和432是Al，则RSW426可以在RSW436之前形成。
在多材料部件500的另一示例中，第一结构522(包括第一材料)、双材料结构510(其包括在UAM界面516处接合的包含第一材料的第一零件512和包含第二材料的第二零件514)和第二结构532(包括第二材料)可以在一个焊接动作中接合，从而导致RSW接头526和536并置在共用垂直轴线550上，如图8中所绘示。
将理解，可以期望将各种上文公开的特征和功能以及其他特征和功能或者替代物或其变型组合到许多其他不同系统或应用中。而且，本领域技术人员可以随后作出其中各种目前无法预料或未预料到的替代物、修改、变化或改进，所述替代物、修改、变化或改进意在由以下权利要求涵盖。

Claims (20)

1.一种多材料部件，其包括：
包括第一材料的第一部件；
包括不同于所述第一材料的第二材料的第二部件；以及
定位在所述第一部件与所述第二部件之间的插入件，其中所述插入件经由超声波增材制造(UAM)界面接合到所述第一部件，并且所述第二部件固定到所述插入件，
其中，所述第二部件被融合焊接到所述插入件。
2.根据权利要求1所述的多材料部件，其中所述插入件包括多个超声波增材制造层。
3.根据权利要求1所述的多材料部件，其中所述第二部件经由RSW接头被电阻点焊(RSW)到所述插入件。
4. 根据权利要求3所述的多材料部件，
其中所述插入件的厚度基于所述RSW接头被形成为排除所述超声波增材制造(UAM)界面的任何部分；或者
其中所述插入件的所述厚度基于所述RSW接头被形成为包括热影响区(HAZ)中所述超声波增材制造(UAM)界面的一部分。
5.根据权利要求1所述的多材料部件，其中所述超声波增材制造(UAM)界面在车身的前后方向或横向方向上沿着所述第一部件和所述插入件的长度延伸。
6.根据权利要求1所述的多材料部件，其中所述插入件在所述第一部件的外围边缘部分处固定到所述第一部件，并且限定用于将所述第二部件固定到所述第一部件的安装凸缘。
7.一种用于制造多材料部件的方法，其包括：
提供包括第一材料的第一部件；
提供包括不同于所述第一材料的第二材料的插入件；
经由超声波增材制造(UAM)界面将所述插入件接合到所述第一部件；
提供包括所述第二材料的第二部件；以及
通过将所述第二部件融合焊接到所述插入件而将所述第二部件接合到所述插入件。
8.根据权利要求7所述的用于制造多材料部件的方法，其中所述将所述第二部件接合到所述插入件包括经由RSW接头将所述第二部件电阻点焊(RSW)到所述插入件。
9.根据权利要求8所述的用于制造多材料部件的方法，其中将所述第二部件接合到所述插入件包括使所述RSW接头形成为包括热影响区(HAZ)中所述超声波增材制造(UAM)界面的一部分。
10.根据权利要求8所述的用于制造多材料部件的方法，其中将所述第二部件接合到所述插入件包括使所述RSW接头形成为排除所述超声波增材制造(UAM)界面的任何部分。
11.根据权利要求8所述的用于制造多材料部件的方法，其中所述插入件的厚度基于所述RSW接头被形成为包括或排除所述超声波增材制造(UAM)界面的一部分。
12.根据权利要求7所述的用于制造多材料部件的方法，其中所述第一材料是铝或铝基合金，并且所述第二材料是钢。
13.根据权利要求7所述的用于制造多材料部件的方法，其中所述第一部件是车顶部件或侧部面板。
14.根据权利要求7所述的用于制造多材料部件的方法，其中所述第二部件是车身部件。
15.一种车身总成，其包括：
第一结构部件，其包括：
包括第一材料的第一零件；以及
包括不同于所述第一材料的第二材料的第二零件，
其中所述第二零件形成在所述第一零件的外围边缘部分上，并且限定用于所述第一结构部件的安装凸缘，
其中所述第二零件经由超声波增材制造(UAM)界面接合到所述第一零件；以及
包括所述第二材料的第二结构部件，其中所述第二结构部件经由RSW接头在所述安装凸缘处接合到所述第二零件。
16.根据权利要求15所述的车身总成，其中所述第一材料是铝或铝基合金，并且所述第二材料是钢。
17.根据权利要求15所述的车身总成，其中所述第一结构部件是车顶部件或侧部面板。
18.根据权利要求15所述的车身总成，其中所述第二零件的厚度基于所述RSW接头或相关联热影响区(HAZ)包括或排除所述超声波增材制造(UAM)界面的一部分。
19.根据权利要求15所述的车身总成，其中所述超声波增材制造(UAM)界面在所述车身总成的前后方向或横向方向上沿着所述第一零件和所述第二零件的长度延伸。
20.根据权利要求15所述的车身总成，其中所述超声波增材制造(UAM)界面定位在对应于要通过电阻点焊焊接的区域的位置处。
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