TWI516703B - The joint structure, joining method and its non - material pipe joint - Google Patents

Description

異材管件接合結構、接合方法及其異材管件接頭

本發明係有關於一種異材管件接合結構、接合方法及其異材管件接頭，特別是有關於一種應用於相異金屬材質構件的空間桁架組裝上的異材管件接合結構、接合方法及其由異材組接而成的管件接頭。

目前由縱樑及橫樑所組成的梯形車架，大多由工字型鋼和槽鋼組成，整車的荷重由車架承受而使車架產生彈性變形，再加上在車架上所加載的密閉式車身容易對車架產生大的剪切力，因而容易導致銲口破裂，且此種積木式車架結構為產生足夠的強度，整體車架相對較笨重，相對地壓縮了可裝載的空間，油耗大，運輸成本高。對此，有不同種類的車架，如圖1所示的空間桁架(Space Frame)式車架10被提出，三維空間桁架結構的全承載式車身，能夠把整車的載荷以軸向力的形式分配給桁架的每個桿(管)件。其充分地利用金屬材料抗拉的力學特性遠大於抗彎的力學特性，從而提高了車身剛度，再應用精確的設計計算能夠使車身的重量顯著減輕，進而提升了油耗表現。

但是要精確地組裝空間桁架式車架有其難度，因為空間桁架式車架通常需進行二管件或多管件之間的接合，尤其是採用銲接接合時，其必須將來自多個不同位置、不同角度的管件接合在一起，因此需要將各管件的相對位置先固定住，但由於是多管件的接合，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， 以避免遭到管件銲接時的銲接熱應力影響尺寸精度。另一方面，由於空間桁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來降低車身重量，但前述組裝結構及工法無法應用於鋼、鋁等異材的銲接結合。

本發明的目的在於提供一種異材管件接合結構、接合方法及其異材管件接頭，用以使相異材料的金屬管件對應並接合於該異材管件接頭的相同材料側，並在異材管件接頭之間的接合，以凸伸並平面對應的上極耳與下極耳，應用降低異種金屬產生之界面腐蝕效應的接合工法予以接合之。

為達成前述的提供異材管件接頭的目的，本發明提供的異材管件接頭，其包括上接頭管體以及下接頭管體，該上接頭管體係以一第一金屬材料製成，該下接頭管體，係以異於該第一金屬材料的一第二金屬材料製成，該上接頭管體與該下接頭管體上下對接而共同定義出一第一管身，該上接頭管體與該下接頭管體分別在其外側表面設有向外側凸出並可供面對面疊合的多個上極耳及其對應的下極耳，該上接頭管體在其遠離於該第一管身的一側向外凸伸有一第二管身。

在一實施例中，該下接頭管體設有一槽孔，該槽孔的一長軸係對應於該第一管身的中性軸(neutral axis)位置。

為達成前述的提供異材管件接合結構的目的，本發明提供的異材管件接合結構包括：前述的異材管件接頭、第一金屬管件及第二金屬管件。第一金屬管件由該第一金屬材料製成，其外徑相同於該第一管身的內徑；第二金屬管件，其材料係由該第二金屬材料製成，其中接合該些面對面疊合的上、下極耳，以相互固定該上接頭管體與該下接頭管體，並將 該第一金屬管件固定在該第一管身內，該第二金屬管件一端部係套設並固定於該第二管身。

為達成前述的提供異材管件接合方法的目的，本發明提供的異材管件接合方法，其步驟包括：提供如述的異材管件接頭、第一金屬管件及第二金屬管件；將該第二金屬管件一端部係套設於該上接頭管體的該第二管身，同時使該上接頭管體之凹面抵靠於該第一金屬管件表面；使該下接頭管體之凹面抵靠於該第一金屬管件表面並與該上接頭管體對接，使該等上極耳與該等下極耳面對面設置，以形成該第一管身並以該第一管身環繞包覆該第一金屬管件；應用降低異種金屬產生之界面腐蝕效應的接合工法，接合該等上極耳與該等下極耳對接平面；以及應用銲接工法接合該第二金屬管件與該第二管身。

本發明的特點至少有：1.本發明的異材管件接頭設計可有效提升空間桁架組裝的精準度的問題，此接頭設計已於結構製造時固定其第二管身與第二管身的結構設計角度，因此直接可將第一金屬管件與第二金屬管件接合於其管口，可避免人力直接組裝第一金屬管件與第二金屬管件之誤差，同時各金屬管件與管口之間具有可調之功能性。2.此異材管件接頭設計於應力集中處，為一體式鋼材設計，可有效提升整體空間桁架車架之結構鋼性。3.透過此異材管件接頭之設計，可使鋼材與鋁合金之異材管件結構應用於空間桁架車架，使車輛同時具有輕量化與高剛性之優點。4.在異材管件接頭的接合上，藉由自沖卯接與膠合或摩擦攪拌點銲與膠合之複合製程，可以有效的降低異材管件之上接頭管體與下接頭管體之間的異種金屬產生之界面腐蝕的效應。5.由於本發明之製程過程中無熔銲之銲接製程，所以在接合界面上無介金屬化合物層所產生之硬脆相產生，可提升接合品質。

10‧‧‧空間桁架式車架

20‧‧‧異材管件接頭

21‧‧‧上接頭管體

210‧‧‧槽體

211‧‧‧上極耳

22‧‧‧下接頭管體

220‧‧‧槽體

221‧‧‧下極耳

222‧‧‧槽孔

23‧‧‧第一管身

231‧‧‧第一管口

24‧‧‧第二管身

241‧‧‧第二管口

30‧‧‧第一金屬管件

40‧‧‧第二金屬管件

A‧‧‧預接合處

B‧‧‧長軸

X‧‧‧中性軸

步驟S10~S50‧‧‧異材管件接合方法之步驟

圖1為先前技術之鋼管構件銲接而成的空間桁架式車架立體圖；圖2為本發明之異材管件接頭實施例的前視分解圖；圖3為本發明之異材管件接頭與金屬管件接合前微調的實施例之前視示意圖；圖4為本發明之異材管件接頭與金屬管件接合實施例的前視示意圖；圖5為本發明之異材管件接頭與金屬管件接合實施例的立體示意圖；及圖6為本發明之異材管件接合方法實施例之流程圖。

茲配合圖式說明本發明之實施例如下。

如圖2所繪示的本發明之異材管件接頭的前視分解圖所示。本實施例之異材管件接頭20包含了上接頭管體21以及下接頭管體22。該上接頭管體21係以一第一金屬材料(例如鋼)製成，該下接頭管體22，係以異於該第一金屬材料的一第二金屬材料(例如鋁合金)製成，該上接頭管體21的底部為一具有一凹面之槽體210、該下接頭管體22的頂部為一具有一凹面之槽體220，該上接頭管體21與該下接頭管體22，上下對接而共同定義出一第一管身23及該第一管身23兩端的第一管口231，該上接頭管體21與該下接頭管體22分別在其彼此的預接合處A的外側表面設有向外側凸出並可供面對面疊合的多個上極耳211及其對應的下極耳221，該上接頭管體21在其遠離於該第一管身23的一側向外凸伸有一第二管身24，該第二管身24的端部具有一第二管口241。

在前述實施例的進一步實施例中，該下接頭管體22上(較佳係設置於該第一管身23上)更設有一槽孔222。而該槽孔222的一長軸B係對應於該第一管身23的中性軸(neutral axis)X位置，但不以此為限。

續請參照圖3所繪示的本發明之異材管件接頭與金屬管件接合前微調的前視示意圖、圖4所繪示的本發明之異材管件接頭與金屬管件接合的前視示意圖，並對照圖5所繪示的本發明之異材管件接頭與金屬管件接合的立體示意圖。在此一異材管件接合結構實施例中，其包括了採用前述的異材管件接頭20與一第一金屬管件30、一第二金屬管件40的結合，該第一金屬管件30，係由與該下接頭管體22相同的該第一金屬材料製成，該第一金屬管件30的外徑大小相同於該第一管身23的內徑。該第二金屬管件40，其材料係由與該上接頭管體21相同的該第二金屬材料製成，於本例中，該第二金屬管件40的外徑大小相同於該第二管身24的內徑，但不以此為限，於其他應用上，該第二金屬管件40的內徑大小相同於該第二管身24的外徑。根據前述構件，接合該上接頭管體21、該下接頭管體22的該些可供面對面疊合的上極耳211與下極耳221，用以相互固定該上接頭管體21與該下接頭管體22，並將該第一金屬管件30固定在該第一管身23內，該第二金屬管件40一端部係插入該第二管口241內並固定於該第二管身24內。當然，前述的第一金屬材料可為鋁合金材、該第二金屬材料可為鋼材。

在前述實施例的進一步實施例中，該第一金屬管件30與該第一管身23的固定結構係包括在該下接頭管體22的該開槽222進行塞槽銲接或塞孔銲接。且該第二金屬管件40與該第二管身24的固定結構係以該第二管口241的全週銲固定。

續請參照圖3、圖4之異材管件接合方法的結構流程以及圖，其接合步驟包括：步驟S10，提供前述異材管件接合結構實施例中的該異材管件接頭20、該第一金屬管件30及該第二金屬管件40；步驟S20，將該第二金屬管件40一端部套接於該上接頭管體21的該第二管身24，同時使該上接頭管體21底部槽體210之凹面抵靠於該第 一金屬管件30表面。

步驟S30，再將該下接頭管體22頂部槽體220之凹面抵靠於該第一金屬管件30的表面並與該上接頭管體21相對接(該下接頭管體22之凹面對應該上接頭管體21之凹面)，使該上極耳211與該下極耳221面對面設置，以形成該第一管身23並以該第一管身23環繞包覆該第一金屬管件30。

步驟S40，應用降低異種金屬產生之界面腐蝕效應的接合工法，接合該上極耳211與該下極耳221對接平面。

步驟S50，應用銲接工法接合該第二金屬管件40與該第二管身24。

在前述實施例的進一步實施例中，該第一金屬管件30與該第一管身23的固定係包括在該下接頭管體22的該槽孔222進行塞槽或塞孔銲接。

在步驟S30之前，另包含使該上接頭管體21沿著第一金屬管件30的表面軸向相對移動，以微調該上接頭管體21與該第一金屬管件30的相對位置之步驟。

在步驟S50之前，另包含使該第二金屬管件40沿著該第二管身24軸向相對移動，以微調該上接頭管體21與該第二金屬管件40的相對位置之步驟。

在前述實施例的進一步實施例中，所謂「降低異種金屬產生之界面腐蝕效應的接合工法」係包含該上極耳211與該下極耳221對接平面接合工法係採用膠合與自沖鉚接(Self-piercing riveting)之複合製程、或是採用膠合與摩擦攪拌點銲(Friction Stir Spot Welding，FSSW)接合之複合製程。

承上所述，本發明的優點至少有：1.本發明的異材管件接頭 設計可有效提升空間桁架組裝的精準度的問題，此接頭設計已於結構製造時固定其第二管身與第二管身的結構設計角度，因此直接可將第一金屬管件與第二金屬管件接合於其管口，可避免人力直接組裝第一金屬管件與第二金屬管件之誤差，同時各金屬管件與管口之間具有可調之功能性。2.此異材管件接頭設計於應力集中處，為一體式鋼材設計，可有效提升整體空間桁架車架之結構鋼性。3.透過此異材管件接頭之設計，可使鋼材與鋁合金之異材管件結構應用於空間桁架車架，使車輛同時具有輕量化與高剛性之優點。4.在異材管件接頭的接合上，藉由自沖卯接與膠合或摩擦攪拌點銲與膠合之複合製程，可以有效的降低異材管件之上接頭管體與下接頭管體之間的異種金屬產生之界面腐蝕的效應。5.由於本發明之製程過程中無熔銲之銲接製程，所以在接合界面上無介金屬化合物層所產生之硬脆相產生，可提升接合品質。

前述本發明所採用的技術手段之實施方式或實施例，並非用來限定本創作專利實施之範圍。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。

20‧‧‧異材管件接頭

21‧‧‧上接頭管體

210‧‧‧槽體

211‧‧‧上極耳

22‧‧‧下接頭管體

220‧‧‧槽體

221‧‧‧下極耳

222‧‧‧槽孔

23‧‧‧第一管身

231‧‧‧第一管口

24‧‧‧第二管身

241‧‧‧第二管口

A‧‧‧預接合處

Claims (8)

1. 一種異材管件接合方法，其步驟包括：提供一異材管件接頭、一第一金屬管件及一第二金屬管件，該異材管件接頭包括彼此相向的一上接頭管體與一下接頭管體，該上接頭管體對接該下接頭管體並共同定義出一第一管身，該下接頭管體係以一第一金屬材料製成，該上接頭管體係以異於該第一金屬材料的一第二金屬材料製成，該上接頭管體與該下接頭管體分別在其彼此的接合處外側表面設有向外側凸出並面對面疊合的多個上極耳及其對應的下極耳，該上接頭管體在其遠離於該第一管身的一側向外凸伸有一第二管身，該第一金屬管件係由該第一金屬材料製成，該第一金屬管件的外徑大小相同於該第一管身的內徑，該第二金屬管件係由該第二金屬材料製成；該第二金屬管件一端部係套設於該上接頭管體的該第二管身，同時使該上接頭管體之凹面抵靠於該第一金屬管件表面；使該下接頭管體之凹面抵靠於該第一金屬管件表面並與該上接頭管體對接，使該等上極耳與該等下極耳面對面設置，以形成該第一管身並以該第一管身環繞包覆該第一金屬管件；應用降低異種金屬產生之界面腐蝕效應的接合工法，接合該等上極耳與該等下極耳對接平面；以及應用銲接工法接合該第二金屬管件與該第二管身。
2. 如申請專利範圍第1項所述的異材管件接合方法，其中，該第一金屬管件與該第一管身的固定係包括在該下接頭管體的一槽孔進行塞槽或塞孔銲接。
3. 如申請專利範圍第1項所述的異材管件接合方法，其中，該上極耳與該下極耳對接平面接合工法係採用自沖鉚接(Self-piercing riveting)與膠合之複合製程。
4. 如申請專利範圍第1項所述的異材管件接合方法，其中，該上極耳與該下極耳對接平面接合工法係採用摩擦攪拌點銲(Friction Stir Spot Welding，FSSW)接合與膠合之複合製程。
5. 一種異材管件接合結構，其係由如申請專利範圍第1項所述的異材管件接合方法所製成。
6. 如申請專利範圍第5項所述的異材管件接合結構，其中，該下接頭管體開設有一槽孔，該槽孔的一長軸係對應於該第一管身的中性軸(neutral axis)位置。
7. 如申請專利範圍第6項所述的異材管件接合結構，其中，該第一金屬管件與該第一管身的固定結構係包括在該下接頭管體的該槽孔進行塞槽或塞孔銲接。
8. 如申請專利範圍第5至第7項任一項所述的異材管件接合結構，其中，該第二金屬管件與該第二管身的固定結構係以全週銲固定。