铝板材的热冲压拼焊坯料技术领域
本申请涉及金属成形，以及更具体地涉及热冲压拼焊坯料。
背景技术
汽车结构元件(例如，板、梁、支柱等)通常由软钢制成。这些部件
有时包括多个具有不同强度需求的区域或部分。例如，在冲压车门内部，
车门内部支撑铰链的一部分可以具有比车门内部的其它部分更高的强度需
求。这样，可以使用拼焊坯料或板材，其包括焊接在一起的两个或更多具
有不同性能(例如，厚度)的钢板材，并且其可以按照惯例被冲压成一部
件。因此，可以设计该部件来满足负荷和刚度的需求，同时效率更高并节
约成本。
为了减小车辆重量，铝合金车身面板已经越来越受欢迎，并且使用拼
焊铝坯料或板材可以进一步有利于节省成本和重量。然而，铝焊接通常显
示出在冲压时相比于母材降低的强度和可成形性。
发明内容
本发明的一实施例针对形成拼焊坯料(TWB)，其包括焊接至铝制的第
二板材的铝制的第一板材。在一个实例中，TWB被加热到至少第一板材的
固相线温度(solidustemperature)，并且被放置在一模具中。关闭TWB上
的模具以使TWB形成部件，并同时将部件淬火。
另一实施例包括一种形成TWB的方法。通过将铝制的第一板材焊接至
铝制的第二板材来制造TWB。由焊接形成的焊缝的可成形性通过将TWB
加热到至少第一板材的固相线温度、将TWB放置在一模具中、并且关闭
TWB上的模具以使TWB形成部件并同时将部件淬火来提高。
在附加实施例中，一种提高将铝制的第一板材连接至铝制的第二板材
的焊缝的可成形性的方法包括各种要素。例如，焊接在一起的第一板材和
第二板材被加热到第一板材的固相线温度，并且被放置在一模具中。关闭
板材上的模具以使板材形成部件，并同时将部件淬火。
本发明的实施例由以下权利要求来限定，而不是由发明内容限定。这
里提供了本发明各个方面的高度概括，以介绍将在下面的具体实施方式中
进一步描述的概念的选择。本发明内容并非旨在认定所要求保护的主题的
关键或必要的特征，也不旨在用作单独的辅助以确定所要求保护的主题的
范围。
附图说明
下面将参照附图对本发明的说明性实施例进行详细说明，包含在此所
引用的，附图中：
图1描述了依据本发明的实施例的示例性拼焊坯料；
图2描述了依据本发明的实施例的示例性系统；
图3描述了依据本发明的实施例的示例性分层设备(stagingapparatus)；
以及
图4和5分别描述了各自具有依据本发明的实施例来实施的步骤的流
程图。
具体实施方式
在此对本发明的实施例的主题进行具体说明以满足法定要求。但该描
述本身并非旨在必要地限制权利要求的范围。相反，所要求的主题可能以
其它方式来体现，以包括不同的元件或类似本发明中所描述的元件的组合，
连同其它当前的或未来的技术。术语不应被解释为暗示在此公开的各种步
骤之间的任何特定的顺序，除了当个别步骤的顺序被明确声明时。
参照图1，拼焊坯料(TWB)12被描述，其包括通过焊缝17连接的铝
制的第一板材16和铝制的第二板材18。TWB12可以由熔焊(例如，激光
焊、电弧焊、等)产生，或通过搅拌摩擦焊产生，并且通常使用对接接头。
为了以说明为目的，图1描述了连接第一板材16和第二板材18的焊缝17。
虽然图1描述了仅具有第一板材16和第二板材的TWB12，但是在其它实
施例中，TWB12包括多于两个不同的板材，并且包括形成部件所需数量的
板材。
TWB可以被用于各种目的，并且在一个实施例中，TWB12被冲压成
用于机动车辆的部件。例如，TWB可以被冲压成A/B柱、下边梁(rocker)、
车顶纵梁(roofrail)、交叉车梁(cross-carbeam)、车辆内部以及诸如此类。
在一个实施例中，希望TWB所要冲压成的部件具有含不同特性的部分或区
域。例如，期望车门内部支撑车门铰链的前部比车门内部的其它部分更牢
固。同样地，在一个实施例中，第一板材16和第二板材18均为铝制，并
且在一个或更多方面不同。
第一板材16和第二板材18可以在各种方面不同，以使部件特性最优
化。例如，第一板材16和第二板材18可以拥有不同的厚度、合金、或其
组合。
在一个实施例中，第一板材16包括在约0.8毫米至约4.0毫米范围内
的第一厚度，并且第二板材18包括同样在约0.8毫米至约4.0毫米范围内
但不同于第一厚度的第二厚度。
在另一实施例中，第一板材16和第二板材18可以具有不同的性能(例
如，合金成分或系列)。例如，在一个实施例中，第一板材16和第二板材
18为合金2xxx、5xxx、6xxx、和7xxx的任意组合。也就是说，铝合金通
常由4位数字识别，第一位通常识别为主要合金元素。例如，在7xxx系列
铝中主要合金元素为锌，而5xxx系列的主要合金元素为镁，并且对于6xxx
系列为镁和硅。系列命名中由字母“x”表示的额外的数字限定了确切的铝
合金。在一个实施例中，可以使用7075铝合金，其成分为5.1-6.1％锌、
2.1-2.9％镁、1.2-2.0％铜、以及不到百分之一的硅、铁、锰、钛、铬、以及
其它金属。另外，第一和第二板材可以具有各种状态(temper)，例如F、
W、O、T4x、T6x、T7x、和T8x。
TWB12可以从各种来源获得。例如，在一个实施例中，TWB12作为
预制坯料而获得。作为选择的，可以获得拼焊卷，并从卷上切下TWB12。
在另一个实施例中，TWB12被制成卷，并且TWB是来自于拼焊卷的坯料。
例如，焊接设备14可以向两个或更多铝板材提供焊缝(例如，激光焊、电
弧焊或诸如此类)，以制造拼焊卷。
本发明的一实施例是针对提高连接铝制的第一板材16和铝制的第二板
材18的焊缝17的可成形性。也就是说，若没有本发明，焊缝17包括降低
可成形性的特性。同样地，实施例在此处理一些生产的限制，该限制与铝
合金拼焊坯料的焊接接头的可成形性相关。
参照图2，显示了用于形成拼焊坯料12(TWB)的系统10。图2的系
统10包括加热设备20、转移设备22、以及模具24。系统10的各个部件一
起运行来制造由一个或更多铝合金构成的拼焊坯料，并形成所需部件。
在本发明的一实施例中，加热设备20加热TWB12。加热设备20可以
包括各种类型，例如工业用电炉或位于加热设备20内能够产生足以加热
TWB12至预定温度的内容温度的烘箱。在一个实施例中，加热设备20将
TWB12加热至固溶温度或TWB12的第一板材16或第二板材18中的至少
一个的固相线温度。在进一步的实施例中，加热设备20不会将TWB12加
热超过其液相线(熔融)温度。
固溶温度可以根据第一板材16和第二板材18的系列而变化。例如，
7xxx系列铝合金的固溶温度通常为约460℃至约490℃。固溶温度通常是这
样的温度，在该温度下物质很容易混溶。混溶性是材料以所有比例混合，
形成均匀溶液的性质。混溶性可以在所有的相：固相、液相、以及气相中
可能的。
固相线温度可以是相图上的曲线的温度轨迹，在该轨迹下方，所给的
物质完全为固体。固相线温度将物质的熔融开始时的、但不是物质完全熔
融时的温度量化。对于一些材料，在固相线和液相线温度之间存在有相，
其中该物质同时由固相和液相构成。材料离固相线温度越近，越多的材料
为固相，并且材料离液相线温度越近，越多的材料为液相。同样地，TWB12
可以被加热到至少其中一个铝板材的固相线温度，但是低于液相线温度，
从而提供本质上为固体的TWB12，以便于搬运和运输，还因其接近液相或
部分为液相而更容易可成形。
转移机构22配置成移动并定位TWB12，其被加热到至少一个板材的
固相线温度。在至少一个实施例中，转移机构22是操纵器，例如机器人。
转移机构22可以配置成快速地将TWB12从加热设备20转移至模具24，
以减少热量从TWB12流失的机会。例如，系统10和转移机构22可以被配
置，以使TWB12的温度不会降低或低于铝板材16和18的至少一个的临界
淬火温度。临界淬火温度是这样的温度：淬火必须在该温度下开始，以实
现材料的适当淬火。例如，大多数7xxx系列铝合金的临界淬火温度约为
415℃。
提供模具24使TWB12形成具有预定形状的部件。在至少一个实施例
中，模具24包括第一模具26、第二模具28、至少一个驱动器30、以及分
层设备32。
第一和/或第二模具26、28配置成使TWB12形成具有预定形状的部件。
驱动器30驱动第一模具26和/或第二模具28彼此相互接近或分离，并提供
力以形成TWB12。驱动器30可以是任何合适的类型，例如液压型、气动
型、机械型、机电型、或其组合。模具24和驱动器30的组合还被称为机
械压力机、冲压机、淬火压力机。
可以提供分层设备32用于将TWB12定位于第一和第二模具26、28
之间并使其与之相分离。同样地，分层设备32可以抑制TWB12和模具24
之间的热传递，从而帮助TWB12保持处于或高于临界淬火温度。分层设备
32可以从转移机构22接收TWB12，并且可以随着第一模具26和/或第二
模具28关闭而释放TWB12，以及接合TWB12。另外，系统10可以被配
置，以使极少的热量在从加热设备20移走和关闭模具24之间从TWB12
流失。在至少一个实施例中，TWB12的温度可以减少低于10℃；然而，
TWB12可能会经受更多的温度流失，例如高达75℃，例如当TWB12被加
热至490℃并且临界淬火温度为415℃时。
模具24可以包括便于冷却第一和/或第二模具26、28以及将TWB12
形成的部件淬火的管道34。管道34可以是形成于模具24内的孔或通道，
或外部连接的管道和通道的任意组合。管道34可以被连接至冷却源，并且
可以接收传热介质，例如来自冷却源用于冷却模具24至所需温度的流体。
传热介质可以是任何能够将模具24冷却至预定温度范围内的流体介质，该
预定温度范围例如从1℃至30℃。模具24可以以抑制在一个或更多模具24
的表面上形成凝结的方式来冷却。在大规模的生产环境下，模具24的温度
可以在成形并且将TWB12淬火之前冷却至预定温度范围，以去除在形成之
前的部件期间从TWB12转移至模具24的热量。
在一个实施例中，使加热的TWB12形成部件与部件的淬火同时发生。
淬火速率影响材料的最终状态强度和腐蚀性能。在一些实施例中，用于铝
合金的淬火速率——当其从400℃到290℃时——可以等于或大于150℃/
秒。在将部件从模具24移走之前，部件可以进一步从200℃至25℃冷却至
最终温度，以提供尺寸的稳定性，并在接下来的处理过程中有利于部件的
室温材料处理。
系统10可以被设计成使用被一个或更多加热设备20串联或并联加热、
并随后转移到至少一个模具24用于成形并淬火的多个TWB12连续操作。
在TWB12的成形和/或同时部件的淬火过程中或之后，至少一个模具会变
得比30℃热，并同样地可以使用多于一个的模具24来提供更快的生产速度。
部件可以通过转移机构22、另一转移装置、或用手从模具24移走。随
后部件继续进行接下来的处理，包括卷边、切边、和自然和/或人工时效，
以便给铝合金部件带来高强度状态，例如T6或T7x。
可以对铝合金使用五种基本的状态代号，它们是：F-制造状态、O-退火
状态、H-应力硬化状态、T-热处理状态、以及W-淬火状态(位于固溶热处
理和人工或自然时效之间)。可以在状态代号后面紧随一位或两位数字用于
进一步描述。具有T6状态代号的铝合金可以是已经被固溶热处理过并人工
时效的合金，但是在固溶热处理后没有进行冷加工(或使得冷加工在材料
性能中不可辨别)。T6可以表示沿着用于材料的屈服强度相对于时间和温度
的曲线上的峰值时效屈服强度的点。T7x状态可以表示已经发生了固溶热处
理，并且材料超过沿着屈服强度相对于时间和温度的曲线上的峰值时效屈
服强度(过时效的)人工时效。T7x状态材料具有比T6状态材料低的屈服
强度，但这可以进行处理以提高腐蚀性能。
参照图3，更具体地显示了分层设备32的一实施例。模具24可以装备
有一个或更多分层设备32。例如，在一个或更多实施例中可以在模具的角
落或侧部附近提供分层设备32。分层设备32可以被定位或配置，以便不会
妨碍模具24的开启或关闭。另外，分层设备32有助于隔离或可以配置有
抑制热量从TWB12转移到模具的材料。分层设备32可以包括基座40、支
撑构件42、指状物44、以及驱动器46。
基座40可以被设置在模具24上，并可以方便分层设备32的安装。支
撑构件42可以从基座40延伸并且可以固定地设置在基座40上。支撑构件
42可以包括槽50。槽50可以配置成接收并容纳指状物44的旋转。
指状物44可以枢轴地设置在支撑构件42上。例如，在一个或更多实
施例中，枢轴销钉可以可旋转地将指状物44连接至支撑构件42。指状物
44可以在第一位置和第二位置之间转动。在第一位置，指状物44可以远离
支撑构件42延伸并且可以支撑TWB12。指状物44可以参照支撑构件42
旋转，并朝向或进入槽50至第二位置(在图3中由箭头指出)以允许TWB
12脱离分层设备32并落到模具上，例如第二模具28。
驱动器46可以被放置于分层设备附近，并且可以被用于提供指状物44
的位置控制。例如，在一些实施例中，驱动器46可以是连接至枢轴销钉的
电动马达，其在提供动力时将指状物44从第一位置旋转至第二位置，并且
弹簧52可以在动力移除时将指状物44从第二位置返回至第一位置。驱动
器46可以由自动化控制系统来控制，或由操作者来控制。驱动器46还可
以是利用电力、液压、气动、磁力、或机械原理、或任意组合的伺服机构
(servomechanism)，以提供指状物44的位置控制。
参照图4，流程图描述了一系列步骤，当被执行时，这些步骤提供形成
拼焊坯料的方法410。在描述图4的步骤时，同样参照图2和3。
步骤412包括通过将铝制的第一板材焊接至铝制的第二板材来制造拼
焊坯料。例如，可以使用熔焊或搅拌摩擦焊利用焊缝17将第一板材16连
接至第二板材18。
方法410还包括各种用于提高由焊接产生的焊缝(例如，焊缝17)的
可成形性的步骤。步骤414包括将拼焊坯料加热到至少第一板材的固相线
温度。例如，可以使用加热设备20将TWB12加热到板材16和18中的至
少一个的固相线温度。在步骤416，TWB被放置到模具中。例如，可以使
用机器人22将TWB12从加热设备20移动至模具24。
步骤418包括拼焊坯料上关闭模具，以便使拼焊材料形成部件，同时
将部件淬火。例如，在拼焊坯料上关闭模具24时，使用冷却盘管34来降
低部件的温度。
现在参照图5，描述了显示一系列步骤的另一流程图，该步骤类似于方
法410，但更加具体。类似于方法410，方法510用于加工或形成铝合金TWB。
在步骤512，方法510包括提供铝合金拼焊卷。铝合金拼焊卷可以通过
将第一板材焊接至第二板材来制造，或从预先制得的卷中获得。
在514，可以使卷润滑以便于切断(blanking)，如果有必要切断的话。
例如，润滑可以有助于坯料成形、减少坯料边缘的热量产生、并有利于移
除坯料。然而，如果润滑作用被认为是没有必要的，或已经获得了预先制
得的坯料，则可以忽略步骤514。
步骤516包括切断卷或以其它方式将卷切成片状，以提供较小的工件，
在此也称为拼焊坯料(TWB)。TWB在步骤518被转移至加热设备。
步骤520包括将TWB加热至所需温度，例如使用加热设备20。如前
所述，TWB可以被加热至其中一个板材的固溶温度或固相线温度。加热
TWB的步骤可以发生在1至45分钟之间，并且可以仍然保持商业上可行。
在步骤522，如前所述，将模具24冷却至预定温度。模具的冷却可以
与先前的一个或更多步骤同时发生。步骤524包括将TWB转移至模具。例
如，如前所述，TWB12可以使用转移机构22转移至分层设备32，以使TWB
12与模具24的成形表面间隔。在至少一个实施例中，转移机构22可以在
30秒或更短的时间内将TWB12从加热设备20转移至一个模具24。
步骤526包括将TWB12放置于模具24内，例如通过驱动分层设备26
从第一位置到第二位置，以便将TWB12释放到模具上，例如第二模具28
上。在步骤528，关闭模具24以使TWB12形成部件。在至少一个实施例
中，如前所述，模具24的关闭发生在TWB12经过临界淬火温度冷却之前
发生。在至少一个实施例中，第一和第二模具26和28的关闭速率可以至
少为50毫米每秒，以便在TWB12的表面和模具24之间提供“快速接触”，
并允许在淬火的过程中TWB12和模具之间的有效的热传导。
步骤530包括使TWB形成具有预定形状的部件并将其淬火。如前所述，
淬火与形成TWB12同时发生。淬火发生于指定的温度冷却范围之间或直至
部件的温度下降为低于预定温度。可以使用温度传感器来检测部件的温度，
或者将模具保持持续预定的时间段，例如，保持时间。预定的保持时间可
以通过经验或通过数值近似来确定。
在步骤532，模具24被保持在关闭位置，并且在一个实施例中，模具
24被保持在关闭位置直至足够的热量转移完成。在至少一个附加的实施例
中，模具24被在部件上保持关闭大约3至60秒，以便移走部件的余热，
为后续的处理做准备。另外，可以将部件冷却至利于材料搬运的温度。
步骤534包括打开模具24以便于移走部件，以及在步骤536，将部件
从模具24移走。如前所述，可以使用手动或自动的材料搬运技术来移走部
件。在一个或更多实施例中，模具24的冷却在部件移走过程中可以继续。
在步骤538，可以在部件上执行附加的制造步骤。例如，可以使用任何
合适的方法去掉部件额外的材料，例如切削或钻孔。另外，可以采用附加
的成形步骤，例如将部件折弯或翻边，以提供不能利用模具24来提供的结
构。这些步骤可以在预定时间段内执行以允许额外的加工，例如在24小时
内，这是由于在该时间段过后部件会变得太脆。
在步骤540，使该部件时效。部件的时效可以包括自然和/或人工时效，
以达到高强度状态，例如T6或T7x。美国金属协会(ASM)和美国军用标
准(MIL)提供了多种时效安排。一种与本方法一起使用的时效安排为使部
件在120℃人工时效24小时后再在室温下自然时效部件24小时。
上述系统及方法可以生产出由具有不同性能的板材组成，以平衡所需
强度和能量吸收特性与成本和其它效率的高强度铝合金部件。另外，部件
可以具有与相似几何结构的高强钢和超高强钢的性能相似的性能。高强度
铝部件可以比相似几何结构的钢制部件轻。进一步地，本发明的系统和方
法生产高容量、高质量和与传统汽车金属成形一致的低成本的高强度铝合
金部件。因此，遵循本发明的教导制得的部件可以用铝合金结构部件代替
钢制结构部件，并且在减小整体重量的同时无需牺牲安全性。在车辆应用
中，较轻的汽车部件，例如车身结构部件，包括但不限于车门槛板、车顶
纵梁、保险杠结构、或者A、B或C柱，可以减小车辆重量，并会导致减
少燃油消耗和能量节约。
所描述的各种部件的许多不同布置以及没有显示的部件不脱离下面的
权利要求的范围。已经对我们的技术的实施例进行了描述，其旨在说明性
的而非限制性的。对于本公开的读者来说，在阅读完本发明后，替代性的
实施例将变得显而易见。实施上述的替代方法可以在不脱离下面的权利要
求书的范围的情况下完成。某些特征和子组合是具有实用的，并且可以在
不参考其它特征和子组合来使用，并且预期在权利要求书的范围内。