TWI569902B - Bicycle frame pipe system - Google Patents

Description

自行車車架管材製法

本發明係關於一種自行車車架管材製法，尤指一種兼具高強度及良好焊接性之鋁合金自行車車架管材(aluminum alloy bicycle frame tubes)製法。

按，由於鋁合金具有質輕(比強度高)與成本低等優勢，迄今仍是重要且廣泛使用的自行車車架管材材料之一，目前的鋁合金自行車車架管材主要是採用6061鋁合金或7005鋁合金等Al-Mg-Si合金或Al-Zn-Mg合金來製作，然後再透過TIG焊(Tungsten Inert Gas Welding，鎢極惰性氣體保護焊)或MIG焊(Metal Inert Gas Welding，熔化性電極惰性氣體保護焊)等焊接工藝將各個管材結合成一完整的車架。

6061與7005等鋁合金所具備的優良焊接性(weldability)使其成為業界製作鋁合金自行車車架時的優先選擇，但其典型的抗拉強度(typical tensile strength)較低分別只有310MPa與350MPa，對於自行車車架進一步的輕量化形成了限制，然而，儘管部份鋁合金如7050具有很高的強度(抗拉強度可達550MPa以上)，但此類高強度鋁合金的焊接性卻很差，一般甚至會被歸類為是不可焊接的(unweldable)的鋁合金材料，此一焊接上的問題對自行車車架採用高強度鋁合金以進一步輕量化的企圖構成了技術障礙。

此外，對於傳統的鋼製(steel)車架而言，雖然透過外加的接管(lug)及硬焊(brazing)的方式來結合(connected)各車架管材是很常見的工藝，而且美國專利US4047731、US2011/0057414等前案也教導了利用由強化纖維膠合材(fiber reinforced resin)所製成的接管(lug)來結合鋁合金車架管材的技術方案，但實務上，卻很少看到高強度的鋁合金管材運用類似的製程來製作車架，這是因為鋁合金的硬焊或膠合具有許多缺點，例如鋁與硬焊金屬之間容易產生異種金屬之伽凡尼腐蝕(galvanic corossion)、金屬與膠合材不同的熱膨脹(thermal expansion)特性，以及相異材料(dissimilar materials)在接合處所造成的結構及材料不連續(material discontinuity)等等，特別是管材接合的部位皆為高應力集中區(concentrated areas of stress)，而上述缺失將會使管材接合處的強度降低，甚至對車架造成災難性的損壞，因而，對於要求高安全性的自行車工業來說，上述先前技藝的實用性與可行性顯然很低。

是故，如何發展一種可同時兼具高強度及良好焊接性的鋁合金自行車車架管材之製備方法，即成為一極具迫切性與實用價值之技術課題，亦為本案申請人所欲解決之技術困難點所在。

有鑑於現有自行車車架管材之製備技術無法克服高強度鋁合金不易焊接的問題，只能轉而採用容易焊接但強度較低的鋁合金材料，導致車架在剛性、重量與材料成本等各項指標上均難有進一步突破，因此本發明之目的在於發展一種可同時兼具高強度及良好焊接性的鋁合金自行車車架管材之製備方法。

為達成以上之目的，本發明係提供一種自行車車架管材製法，其步驟包含：準備一由第一鋁合金材料所構成的第一管材與一由第二鋁合金材料所構成的第二管材，再將該第一管材與第二管材透過固態接合的方法，製成一第二鋁合金材料在內層而第一鋁合金材料在外層的複合鋁合金管材，其中，該第一管材係選擇高強度但不易焊接的鋁合金材質，而第二管材則選擇具有良好TIG或MIG焊接性能的鋁合金材質；再以抽管及車削的方法，將該複合鋁合金管材加工成為一中間較薄兩端較厚的複合厚薄管，並使該第一鋁合金材料集中在該複合厚薄管的中段部，而該第二鋁合金材料則集中在該複合厚薄管的兩個端部，其中，該車削的步驟係將位於該兩個端部外層的第一鋁合金材料予以去除，即完成本發明的自行車車架管材。

其中，該第一鋁合金材料為任一系列的鋁合金，且該第二鋁合金材料為5xxx系列的鋁合金。

其中，該第一鋁合金材料與第二鋁合金材料分別選自不同系列但具有相同熱處理條件之鋁合金。

其中，該第一鋁合金材料與第二鋁合金材料分別選自同一系列但相異的鋁合金材料。

其中，該固態接合採用的具體製法為擠製、抽製或旋鍛。

其中，進一步利用內徑拉刀的方法，將位於該複合厚薄管其中段部內層的第二鋁合金材料予以去除。

藉由上述步驟，本發明的車架管材即可符合中間為高強度且兩端容易焊接之要求，而可將車架管材中段的厚度進一步薄化，同時可 較習用具有更高的耐疲勞強度與承受彈性變型能力，俾可同時滿足車架設計在高剛性以有效轉換傳動效能以及適度彈性變型之舒適性需求，進而可達到大幅提高車架剛性、減輕車架重量及降低成本之功效。

〔本發明〕

3‧‧‧胚管

31‧‧‧第一管材

32‧‧‧第二管材

4‧‧‧複合鋁合金管材

5‧‧‧固態接合設備

51‧‧‧盛錠筒

52‧‧‧推桿

53‧‧‧擠模

6‧‧‧複合厚薄管

6a‧‧‧複合厚薄管

61‧‧‧中段部

62‧‧‧端部

63‧‧‧接合面

第一圖係本發明之步驟流程圖。

第二圖係本發明其第一管材與第二管材之結構示意圖。

第三圖係本發明利用固態接合方式將第一管材與第二管材製作成複合鋁合金管材之動作示意圖。

第四圖係完成固態接合步驟之複合鋁合金管材之示意圖。

第五圖係本發明將複合鋁合金管材經抽管及車削等程序製作成複合厚薄管之示意圖。

第五之A圖係本發明進一步將位於第五圖的複合厚薄管其中段部內層之第二鋁合金材料以內徑拉刀方式去除之示意圖。

第六圖係本發明的複合厚薄管其接合面之金相結構圖。

請參閱第一圖與第二圖所示，本發明係提供一種自行車車架管材製法，其步驟包含：準備一由第一鋁合金材料所構成的第一管材31與一由第二鋁合金材料所構成的第二管材32，請再配合參閱第三圖與第四圖所示，再將該第一管材31與第二管材32透過固態接合(solid state welding)的方法，製成一第二鋁合金材料在內層而第一鋁合金材料在外層的複合鋁合金管材 4，其中，該第一管材31係選擇高強度但不易焊接的鋁合金材質，而第二管材32則選擇具有良好TIG或MIG焊接性能的鋁合金材質，在本發明中，所謂「高強度但不易焊接的鋁合金材質」具體指的是抗拉強度大於350Mpa且TIG焊或MIG焊的焊接性(weldability)為C級或D級的鋁合金材料，而「具有良好TIG或MIG焊接性能的鋁合金材質」則是指TIG焊或MIG焊的焊接性為A級或B級的鋁合金材料，有關現有已知各種鋁合金的強度及焊接性能等特性，可由金屬材料領域的相關工具書查得，例如美國金屬學會(American Society for Metal)出版之《Metals Handbook》；進一步的，在符合上述條件要求的前提下，該第一鋁合金材料可選擇任一系列的鋁合金，且該第二鋁合金材料則為5xxx系列的鋁合金；或者，該第一鋁合金材料與第二鋁合金材料兩者也可分別選自不同系列但具有相同熱處理條件之鋁合金；或者，作為最佳的實施方案，該第一鋁合金材料與第二鋁合金材料兩者也可分別選自同一系列但相異的鋁合金材料，例如，在本實施例中，該第一管材31係選用Al-Zn-Mg-Cu合金(相當於7050等級的鋁合金)，該第二管材32則選用Al-Zn-Mg合金(類似7005等級的鋁合金)，也即本實施例係採用7xxx系列的鋁合金作為後續加工的毛胚素材，當然該第一管材31與第二管材32兩者也可分別採用屬於其他同一系列(例如皆為6xxx系列)但相異的鋁合金材料，本發明對此並不加以限定；在此，可以注意的是，本實施例的Al-Zn-Mg-Cu合金與Al-Zn-Mg合金即分別符合「高強度但不易焊接」與「具有良好TIG或MIG焊接性能」的要求，至於其他也可符合本發明要求的鋁合金材料，熟悉本 領域技藝之人士顯可輕易透過比較各種鋁合金材料已知的強度及焊接性等特性而獲得，於此不再逐一列舉；其中，請繼續參閱第二圖所示，該第二管材32係先套接於該第一管材31內，以成為一胚管3，並令該第二管材32的外徑表面與第一管材31的內徑表面緊密接觸，也即須使第二管材32的外徑尺寸盡可能地接近第一管材31的內徑尺寸，一般而言，為了確保後續的加工及接合效果，該第一管材31的內徑表面與第二管材32的外徑表面通常會在套接之前經過適當的清洗以去除油污，完成前述的套接動作後，請繼續參閱第三圖所示，即可利用一固態接合設備5對該胚管3進行加工，按，此種經由塑性變型讓兩種金屬固態接合的金屬加工(metalworking)技術，其特點在於不需加熱至液態熔融(liquid fusion)或使用填料金屬(filler metal)，接合處的強度與母材相似，在已知的固態接合工藝中，就本發明之目的與需求而言，具體可採用像是擠製(extrusion)、抽製(drawing)或旋鍛(swaging)等工藝來實現兩種金屬(即第一管材31與第二管材32)之間的固態接合，在本較佳實施例中，係採用擠製法，也即在第三圖中，該固態接合設備5係繪示為一擠製設備，具體的操作步驟係將該胚管3置於該擠製設備的盛錠筒(container)51內並加熱，再令該擠製設備的推桿52推擠盛錠筒51內的胚管3，俾使被加熱至呈易塑性變型狀態的胚管3可由擠製設備的擠模53(die)之模孔被擠出而成為該複合鋁合金管材4，而如第四圖所示，該複合鋁合金管材4即為第二鋁合金材料(即第二管材32)在內層而第一鋁合金材料(即第一管材31)在外層的雙金屬複合管材，此外，使用抽製或旋鍛等方式來製作本發明的複合鋁合金管材4所需之軟硬體設備及操作步驟，均屬先前 技術且非本案技術特徵，故在此不予詳述，惟可以一提的是，由於實務上抽製或旋鍛通常不包含加熱的工序，故在以抽製或旋鍛等工藝實施本發明的此一步驟時，仍應注意宜同時對工件加熱，俾使該第一管材31與第二管材32在進行塑性變形與接合時可以因為增加其塑性變形比率及增加在熔點以下溫度之擴散接合(diffusion bonding)程度，使接合強度能達到接近母材之強度；接下來，請再參閱第一圖、第四圖及第五圖所示，再以抽管(tube butting，屬於一種抽製的加工法)及車削的方法，將該複合鋁合金管材4加工成為一中間較薄兩端較厚的複合厚薄管(butted tube)6，並使該第一鋁合金材料集中在該複合厚薄管6的中段部(midsection portion)61，而該第二鋁合金材料則集中在該複合厚薄管6的兩個端部(end portion)62，具體而言，這只需透過在進行抽製加工時，適當地設定該複合鋁合金管材4的內徑及外徑的縮減率即可辦到，由於厚薄管的結構及抽製程序均屬自行車工業領域中相當常見且成熟的工藝，其具體涉及的軟硬體設備及操作流程均為本領域的技術人員所熟知，於此不再贅述；其中，請繼續參閱第五圖所示，可以注意的是，在進行抽管加工時，應令該複合厚薄管6中第一鋁合金材料與第二鋁合金材料之間的接合面63(即介面)盡可能地沿管材的管面方向或軸向延伸，接合面63越長其接合強度越高，此外，由於在本實施例中，複合鋁合金管材4的抽管同時涉及管材外徑及內徑的縮減(恰好分別為第一鋁合金材料及第二鋁合金材料所在的區域)，因此，當複合鋁合金管材4進行厚薄管的抽製時，原本位在管材內層的第二鋁合金材料雖然會被抽拉、集中到管材的兩端， 但此時在該複合厚薄管6其兩個端部62的第二鋁合金材料的外層表面仍然會有一層很薄的第一鋁合金材料(層)，因此，本發明完成抽管的動作後，會再以車削的方式將位於各該端部62外層的第一鋁合金材料去除，如此即可得到如第五圖所示的複合厚薄管6，至此，即完成本發明的自行車車架管材；應當注意的是，在第五圖中，位在該複合厚薄管6其中段部61的第一鋁合金材料的內層表面同樣也會有一層很薄的第二鋁合金材料(層)，對此，請再參閱第五之A圖所示為本發明的另一種實施方式，其中本發明可再進一步透過內徑拉刀的工序，將位於該中段部61內層的第二鋁合金材料予以去除，而可得到如第五之A圖中的複合厚薄管6a，相較於第五圖的複合厚薄管6，該複合厚薄管6a可達到更佳之輕量化效果，然而，實際上由於車架管材通常係承受外層為主之彎曲應力，位於內層的第二鋁合金材料(較低強度的薄層區域)並不影響車架管材以彎曲為主之受力及性質，且接合面63越長接合強度越高，並無不利因素，故實務上可省略內徑拉刀的步驟，僅完成如第五圖的複合厚薄管6即可，如此也可兼具簡化工序及降低加工成本等優點。

請再參閱第六圖所示為該複合厚薄管6、6a其接合面63之金相結構圖，由該金相結構圖可以看出複合厚薄管6、6a經過極大的厚度縮減成形後，其接合面63為沒有缺陷之狀態，如此即可進一步證實本發明之可行性，本發明的複合厚薄管6、6a容易以傳統的TIG焊或MIG焊等焊接方法組焊為車架，且在完成車架後，可再施予相同的熱處理條件來達到最佳強度，例如7050鋁合金及7005鋁合金即可共同以470℃x1小時(hr)的固溶處理(solution treatment)及相同的T6條件來強化，如此本發明即可達 成將容易焊接又有高強度的合金運用於車架結構之創新結果； 請參閱第五圖所示，藉由上述步驟，本發明所製作出的複合厚薄管6即可符合中間為高強度且兩端容易焊接之要求，因而，當運用於自行車車架管材時，即可將原本車架管材中段的厚度進一步薄化，而能有效地突破自行車減重之需求，同時，本實施例所採用的7050等級鋁合金，相較目前自行車車架常用的6061等級鋁合金具有更高的耐疲勞強度(超過1.6倍)，因而可以承受更大的彈性變型，如此一來，本發明即可同時滿足自行車車架設計在高剛性以有效轉換踩踏之傳動效能以及適度彈性變型之舒適性需求，進而可達到大幅提高車架剛性、減輕車架重量及降低成本之功效；此外，值得一提的是，藉由第一鋁合金材料與第二鋁合金材料使用相同系列的合金成分並運用固態接合，可大幅提高介面之接合強度，並可免除習用硬焊或膠合管件的方式所帶來的異種金屬伽凡尼腐蝕、不同的熱膨脹、結構上的不連續及太低的接合強度等缺點，進而使本發明可兼具更佳之產品可靠度。

惟上列詳細說明係針對本發明之較佳實施例的具體說明，該等實施例並非用以限制本發明之專利範圍，而凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

Claims (7)

1. 一種自行車車架管材製法，其步驟包含：首先，準備一由第一鋁合金材料所構成的第一管材與一由第二鋁合金材料所構成的第二管材，再將該第一管材與第二管材透過固態接合的方法，製成一第二鋁合金材料在內層而第一鋁合金材料在外層的複合鋁合金管材，其中，該第一管材係選擇高強度但不易焊接的鋁合金材質，且該第二管材則選擇具有良好TIG或MIG焊接性能的鋁合金材質；接下來，再以抽管及車削的方法，將該複合鋁合金管材加工成為一中間較薄兩端較厚的複合厚薄管，並使該第一鋁合金材料集中在該複合厚薄管的中段部，而該第二鋁合金材料則集中在該複合厚薄管的兩個端部，其中，該車削的步驟係將位於該兩個端部外層的第一鋁合金材料予以去除，如此，即完成本發明的自行車車架管材。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自行車車架管材製法，其中該第一鋁合金材料為任一系列的鋁合金，且該第二鋁合金材料為5xxx系列的鋁合金。
3. 如申請專利範圍第1項所述之自行車車架管材製法，其中該第一鋁合金材料與第二鋁合金材料分別選自不同系列但具有相同熱處理條件之鋁合金。
4. 如申請專利範圍第1項所述之自行車車架管材製法，其中該第一鋁合金材料與第二鋁合金材料分別選自同一系列但相異的鋁合金材料。
5. 如申請專利範圍第4項所述之自行車車架管材製法，其中該第一鋁合金材料為Al-Zn-Mg-Cu合金，該第二鋁合金材料為Al-Zn-Mg合金。
6. 如申請專利範圍第1項所述之自行車車架管材製法，其中該固態接合採用的具體製法為擠製、抽製或旋鍛。
7. 如申請專利範圍第1項所述之自行車車架管材製法，其中進一步利用內徑拉刀的方法，將位於該複合厚薄管其中段部內層的第二鋁合金材料予以去除。