TW201640045A - 相異材質金屬管件接合方法及其結構 - Google Patents

Abstract

一種相異材質金屬管件接合方法及其結構，其步驟包含：提供一端為開放端的第一金屬管件，開放端的管壁設有徑向的開孔；插入第二金屬管件於第一金屬管件開放端的內徑，使第二金屬管件的表面曝露於開孔內；於開孔內的第二金屬管件表面施以銲接填料作業，使開孔內的銲料在第二金屬管件表面堆成凸出的銲點，銲點於第一金屬管件對應的開孔形成一卡抵結構，以使第一金屬管件與第二金屬管件形成接合狀態。

Description

相異材質金屬管件接合方法及其結構

本發明是關於一種相異材質金屬管件接合方法與接合結構，特別是有關於一種應用內外套接方式結合銲料之銲點而使兩金屬管件形成卡制接合狀態的接合方法與結構。

在金屬管材接合的領域上，某些場合必需要將不同材質的金屬管件接合在一起，例如在空間衍架(Space Frame)車架的組裝上，通常需進行二管件或多管件之間的接合，尤其是多管件的接合時，其相對的接合處會產生難以固定的自由度，因此必須以複雜的治具，將每個接合處仔細固定，以避免逐管件銲接時的銲接熱應力影響尺寸精度。另一方面，由於空間衍架式車架結構有部分要求剛性力而必需使用鋼材、部分僅需提供支撐力而可使用鋁合金材，但前述空間衍架車架的組裝結構及工法無法應用於鋼、鋁異材之結合。再者，上述銲接接合應用於異金屬時，兩不同材質的金屬(例如鋼管跟鋁管)接觸部位易產生介金屬化合物而導致結構弱化現象，破壞其接合強度。

就目前技藝而言，針對輕量化前述空間衍架(Space Frame)車架結構經常採用的鋼/鋁異材結合技術仍有許多困難點待突破，例如，鋼/鋁二種金屬材料在金屬特性差異極大；鋼/鋁二種金屬材料彼此銲接後會產生金屬間化合物；由於鋁材的可銲性不佳，要將兩金屬銲接接合須倚賴特 殊製程或增加接頭，但增加接頭的方式將會增加重量，此舉將與輕量化目的互相砥觸。

美國US7700198號專利案揭露一種通過加入鐵、鋁材料形成異種材料銲接接頭10和焊接的接合方法，其主要是在鋼材11上沿著接合銲接線13設置的數個保持間隔的孔洞111，並搭接鋼材11於鋁材12上，並以涵蓋該些孔洞111及兩材料交界的範圍形成銲道14以縫銲接合，且上述的孔洞111係填充有鋁銲接材料15。金屬-惰性氣體焊(MIG)銲接鋁鋼異材，其接頭處係以鋁鋼搭接的型式呈現，其在鋼質接頭上增加了若干通孔的結構設計，因此在搭接時，填料可填滿整個通孔(冷卻後視為金屬插件接合結構)，且與下層的鋁製構件形成銲接。另外在搭接端面上再施以一道填角銲包覆整個接頭端面，形成一道熔銲加上機械性質接合的銲道。惟，此技術內容雖然利用了所設計的銲接接頭10結構增添了機械性接合力，但在本質上仍逃脫不了硬脆的介金屬化合物的生成，且在製程上又需要兩道銲接製程(將銲料填入孔洞111的通孔銲及端面填角銲)，其銲接型式侷限於搭接，加上銲道面積較大等問題，使得此技術內容實用性及後處理加工的經濟性不甚理想。

本發明的目的在於提供應用銲接填料作對相嵌合異種材料金屬管件的接合方法及其接合結構。

本發明提供的接合方法的技術手段在於：提供一種相異材質金屬管件接合方法，其步驟包含：提供一端為開放端的第一金屬管件，該開放端的管壁上設有一個或多個開孔；插入第二金屬管件於該開放端之內 徑，並使第二金屬管件的表面曝露於開孔內；以及於開孔內的第二金屬管件表面施以銲接填料作業，使開孔內的銲料在第二金屬管件表面堆成凸出的銲點於第一金屬管件對應的開孔形成一卡抵結構，以使該第一金屬管件與該第二金屬管件形成接合狀態。

在一實施例中，在實施銲接填料作業步驟前，預先在該第一金屬管件內徑表面及/或該第二金屬管件外徑表面施以膠合塗層處理，以使接合後的該第一金屬管件內徑表面與該第二金屬管件外徑表面重疊區域係以該膠合塗層阻隔而不互相接觸。

在一實施例中，在實施銲接填料作業步驟後，於該第一金屬管件內徑表面與該第二金屬管件外徑表面互相接觸的部位施以膠合塗層處理，以阻隔水氣進入該第一金屬管件與該第二金屬管件的接觸部位。

在一實施例中，在實施銲接填料作業步驟前，預先該第二金屬管件內徑設置一頂抵於該管壁的肋板，該肋板的頂抵位置包含背對於該銲點位置的內徑管壁。

本發明的特點在於：透過嵌合式接頭的設計，可使鋼材與鋁合金之異材管件結構應用於空間桁架式(Space Frme)車架，使車輛同時具有輕量化與高剛性之優點。本發明的管件的接合位置具有可調節之功能性，因此可以有效提升空間桁架組裝精準度的問題。本發明直接在其中一管件上堆出銲料而以卡固的方式固定兩管件，兩管件之間於接合處可透過膠合製程隔絕，以抑制電位差腐蝕的作用。本發明接合結構十分簡單、實用，且完全不需要額外製作異材接頭成本，施工上相對簡易。

[先前技術]

10‧‧‧銲接接頭

11‧‧‧鋼材

111‧‧‧孔洞

12‧‧‧鋁材

13‧‧‧接合銲接線

14‧‧‧銲道

15‧‧‧鋁銲接材料

[本發明技術]

20,20’‧‧‧第一金屬管件

21‧‧‧開放端

211,211’‧‧‧開孔

22‧‧‧插入孔

30,30’‧‧‧第二金屬管件

31,31’‧‧‧銲點

32,32’‧‧‧肋板

40,40’,40”‧‧‧膠合塗層

50‧‧‧接觸部位

C‧‧‧軸向長度

L‧‧‧直徑

L1‧‧‧開孔長度

R‧‧‧開放端端面至該開孔中心軸線的距離

R1‧‧‧開孔寬度

步驟S10~步驟S30‧‧‧相異材質金屬管件接合方法之步驟

步驟S100~步驟S300‧‧‧相異材質金屬矩形管件接合方法之步驟

圖1A繪示先前技術之具有異種材料銲接接頭的焊接結構之前視圖；圖1B繪示圖1A之右側視圖；圖2繪示本發明相異材質金屬管件接合方法一實施例之步驟流程圖；圖3繪示本發明相異材質金屬管件接合結構實施例之立體分解圖；圖4繪示本發明相異材質金屬管件接合結構實施例之組合過程中調整管件接合位置的立體示意圖；圖5繪示本發明相異材質金屬管件接合結構實施例之立體組合圖；圖6繪示本發明之相異材質金屬管件接合結構第一金屬管件的開孔位置及尺寸大小的前視圖；圖7繪示本發明之相異材質金屬管件接合結構之二金屬管件重疊尺寸範圍的前視圖；圖8繪示圖4中沿A-A剖面線之剖視圖；圖9繪示本發明相異材質金屬管件接合結構實施例之前視分解圖；圖10繪示圖9之前視組合圖；圖11繪示本發明之在異材金屬接觸區域施以膠合塗層的剖視圖；圖12繪示圖10中沿B-B剖面線之剖視圖；圖13繪示本發明相異材質金屬矩形管件接合結構實施例之俯視組合圖；圖14繪示本發明相異材質金屬矩形管件接合方法一實施例之步驟流程圖；圖15繪示圖14之右側視圖。

茲配合圖式將本發明實施例詳細說明如下，其所附圖式均為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

請先參照圖2、圖3、圖4以及圖5所示。在本實施例中所提供的相異材質金屬管件接合方法，其步驟包含：

步驟S10，提供一第一金屬管件20，該第一金屬管件20的一端為開放端21，該開放端21的管壁上設有一個或多個開孔211。順帶一提，該開孔211可以設置於兩對向管壁或者設置在如矩形管體的兩相鄰面管壁，並不限定設置在四周對面的管壁。

步驟S20，插入一第二金屬管件30於該第一金屬管件20開放端21之內徑，並使該第二金屬管件30的外表面由該開孔211曝露出來，此時的第二金屬管件30的接合位置可沿軸線位置輕易地作插入的距離的調整。

步驟S30，續在調整好第二金屬管件30的位置之後，再於該開孔211內的該第二金屬管件30表面施以銲接填料作業，使該開孔211內的銲料在該第二金屬管件30表面堆成凸出的銲點31，該銲點31對應於該第一金屬管件20的開孔211形成了一個卡抵結構，可使該第一金屬管件20與該第二金屬管件30形成相互卡固的接合狀態(如圖8所示)。

一般而言，在第一金屬管件20與第二金屬管件30為相異材質的條作下，為了使該開孔211在受力狀態下仍能對第二金屬管件30的銲點31 進行限位拘束的功能，該第一金屬管件20材質的強度為大於該第二金屬管件30材質的強度較佳(例如該第一金屬管件20為鋼管，該第二金屬管件30為鋁管)或該第一金屬管件20材質的剛性係大於該第二金屬管件30材質的剛性為佳，但不以此為限。

進一步地，如圖6所示，為了使該開孔211確實發揮最佳作用，該開孔211之相對於該第二金屬管件30的徑向的開孔長度L1小於或等於該第二金屬管件30直徑L的70%，且該開孔211之相對於該第二金屬管件30的軸向的開孔寬度R1小於等於13mm且大於等於7mm，而該第一金屬管件20的開放端端面至該開孔中心軸線的距離R係小於等於25mm且大於等於10mm；且該第二金屬管件30插入該第一金屬管件10內徑的軸向長度為小於等於40mm且大於等於20mm。

如圖9、圖10所示。本實施例中揭示了在實施銲接填料作業步驟(步驟S30)之前，可預先在該第一金屬管件20內徑表面及/或該第二金屬管件30外徑表面施以膠合塗層40處理，以使接合後的該第一金屬管件20內徑表面與該第二金屬管件30外徑表面的重疊區域係以該膠合塗層40阻隔而不互相接觸，因此也不容易在該處侵入水氣而產生金屬間化合物，可增加結合強度與接頭可靠度。

如圖11所示。另一種在異材金屬接觸區域阻隔水氣的作法為：在實施銲接填料作業步驟(步驟S30)之後，於該第一金屬管件20內徑表面與該第二金屬管件30外徑表面互相接觸的部位施以膠合塗層40’處理，以阻隔水氣進入該第一金屬管件20與該第二金屬管件30的接觸部位，增加結合強度與接頭可靠度。

再請參見圖9、圖10及圖12所示。在一實施例中，考慮該第二金屬管件30(如鋁管)易朝向管的內部饋縮變形，而影響與第一金屬管件20(如鋼管)的接合性，可進一步於實施銲接填料作業步驟(步驟S30)前，預先在該第二金屬管件30內徑設置一頂抵於該管壁的肋板32，該肋板32頂抵的內徑管壁位置係包含背對於該銲點31位置，以使在該第二金屬管件30外側表面堆成銲點31的同時，藉其銲接作業產生的熱能而將對應的該第二金屬管件30內側表面的肋板32固定在內壁上；該肋板32係頂抵在管壁徑向上的多個點或整個徑向截面。

本發明的接合可應用於二金屬管件的軸向接合或交叉接合上，應用於軸向接合時，二金屬管件係軸向套接；應用於交叉接合時，一金屬管件係由另一金屬管件的管身穿入而套接，並只在上、下兩相對壁面設置銲接填料而形成銲點。如圖13及圖14為本發明之相異材質金屬管件接合方法另一實施方法及其結構，其主要是應用於矩形異材金屬管件的接合。在本實施例中的相異材質金屬管件接合方法的步驟包含：步驟S100，提供一矩形橫截面的第一金屬管件20’其相鄰的兩側管壁上分別設有一插入孔22與一開孔211’。步驟S200，插入一矩形橫截面的第二金屬管件30’於該第一金屬管件20’之插入孔22，該第二金屬管件30’的斷面形狀係對應於該第一金屬管件20’的內徑斷面形狀，並使該第二金屬管件30’的外表面曝露於該開孔211’內。步驟S300，於該開孔211’內的該第二金屬管件30’表面施以銲接填料作業，使該開孔211’內的銲料在該第二金屬管件30’表面堆成凸出的銲點31’，該銲點31’於該第一金屬管件20’對應的開孔211’形成一卡抵結構，以使該第一金屬管件20’與該第二金屬管件30’形成卡固的接合狀態。

在圖14及圖15的實施例中，實施銲接填料作業步驟(步驟S300)前，預先在該第一金屬管件20’、及/或該第二金屬管件30’將會互相接觸部位的表面施以膠合塗層40’處理，以使接合後的該第一金屬管件20’與該第二金屬管件30’係相隔該膠合塗層40’而不直接接觸；或者在實施銲接填料作業步驟(步驟S300)後，於該第一金屬管件20’與該第二金屬管件30’互相接觸部位50披覆一膠合塗層40”，以阻隔水氣進入該接觸部位50。

當然，如圖14及圖15所示，本實施例也可以在該第二金屬管件30’內設置補強肋板32’，以避免該第二金屬管件30’朝向管的內部饋縮變形而影響與第一金屬管件20’的接合性。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

步驟S10~步驟S30‧‧‧相異材質金屬管件接合方法之步驟

Claims (14)

1. 一種相異材質金屬管件接合方法，其步驟包含：提供一第一金屬管件，其一端為開放端，該開放端的管壁上設有一個或多個開孔；插入一第二金屬管件於該第一金屬管件開放端之內，並使該第二金屬管件的外表面曝露於該開孔內；以及於該開孔內的該第二金屬管件表面施以銲接填料作業，使該開孔內的銲料在該第二金屬管件表面堆成凸出的銲點，該銲點於該第一金屬管件對應的開孔形成一卡抵結構，以使該第一金屬管件與該第二金屬管件形成接合狀態。
2. 如申請專利範圍第1項所述的相異材質金屬管件接合方法，其中該第一金屬管件材質的強度大於該第二金屬管件材質的強度。
3. 如申請專利範圍第1項所述的相異材質金屬管件接合方法，其中該第一金屬管件材質的剛性大於該第二金屬管件材質的剛性。
4. 如申請專利範圍第2或3項所述的相異材質金屬管件接合方法，其中該第一金屬管件為鋼管，該第二金屬管件為鋁管。
5. 如申請專利範圍第1項所述的相異材質金屬管件接合方法，其中在實施銲接填料作業步驟前，預先在該第一金屬管件內徑表面及/或該第二金屬管件外徑表面施以膠合塗層處理，以使接合後的該第一金屬管件內徑表面與該第二金屬管件外徑表面重疊區域係以該膠合塗層阻隔而不互相接觸。
6. 如申請專利範圍第1項所述的相異材質金屬管件接合方法，其中在 實施銲接填料作業步驟後，於該第一金屬管件內徑表面與該第二金屬管件外徑表面互相接觸的部位施以膠合塗層處理，以阻隔水氣進入該第一金屬管件與該第二金屬管件的接觸部位。
7. 如申請專利範圍第1項所述的相異材質金屬管件接合方法，其中在實施銲接填料作業步驟前，預先在該第二金屬管件內徑設置一頂抵於該管壁的肋板，該肋板的頂抵位置包含背對於該銲點位置的內徑管壁，以使該第二金屬管件外側表面堆成銲點的同時，藉其銲接作業產生的熱能而將對應的該第二金屬管件內側表面的肋板固定在內壁上。
8. 如申請專利範圍第7項所述的相異材質金屬管件接合方法，其中該肋板係頂抵在管壁的多點或整個徑向截面。
9. 一種如申請專利範圍第1項至第8項中任一項所述的方法形成的相異材質金屬管件接合結構。
10. 如申請專利範圍第10項所述的相異材質金屬管件接合結構，其中該開孔之相對於該第二金屬管件的徑向的開孔長度小於或等於該第二金屬管件直徑的70%。
11. 如申請專利範圍第10項所述的相異材質金屬管件接合結構，其中該開孔之相對於該第二金屬管件的軸向的開孔寬度小於等於13mm且大於等於7mm，而該第一金屬管件的開放端端面至該開孔中心軸線的距離係小於等於25mm且大於等於10mm；該第二金屬管件插入該第一金屬管件內徑的軸向長度為小於等於40mm且大於等於20mm。
12. 一種相異材質金屬管件接合方法，其步驟包含：提供一矩形橫截面的第一金屬管件，其相鄰的兩側管壁上分別設有一 插入孔與一開孔；插入一矩形橫截面的第二金屬管件於該第一金屬管件之插入孔，該第二金屬管件的斷面形狀係對應於該第一金屬管件的內徑斷面形狀，並使該第二金屬管件的外表面曝露於該開孔內；以及於該開孔內的該第二金屬管件表面施以銲接填料作業，使該開孔內的銲料在該第二金屬管件表面堆成凸出的銲點，該銲點於該第一金屬管件對應的開孔形成一卡抵結構，以使該第一金屬管件與該第二金屬管件形成卡固的接合狀態。
13. 如申請專利範圍第12項所述的相異材質金屬管件接合方法，其中在實施銲接填料作業步驟前，預先在該第一金屬管件及/或該第二金屬管件相接觸部位的表面施以膠合塗層處理，以使接合後的該第一金屬管件與該第二金屬管件係相隔該膠合塗層而不直接接觸。
14. 如申請專利範圍第12項所述的相異材質金屬管件接合方法，其中在實施銲接填料作業步驟後，於該第一金屬管件與該第二金屬管件互相接觸部位施以膠合塗層處理，以阻隔水氣進入該接觸部位。