专利名称：局部加强薄金属结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种局部加强薄金属结构的方法。
诸如铁路车辆之类的车体结构由成形金属面板构成，并且这些成形金属面板进行裁剪，以便在表面上具有例如窗户空位开口或门开口。
金属面板必须能够承受不均匀分布的各类负荷。为了确保适合于力的分布的抵抗力以及为了优化面板的质量，组成的面板制成为例如一部分由具有某种机械强度和某种厚度的材料的板构成，以及另一部分由具有更大机械强度的材料的板或者具有更大厚度的板构成。通过增加诸如金属板支柱或者包括模制或锻造部件在内的支柱之类的额外厚度的金属构件来提供加强部分。所有这些加强部分具有使得金属面板的制造复杂以及增加成本和面板质量的缺点。然而，需要进行加强的一些区域不需要这些明显的加强机构。特别是对于在车辆的车体结构的鉴定测试过程中经受高的测试力但是在使用中经受不显著的力的窗户空位的角部更是如此。加强这些角部以便允许它们在鉴定条件下承受各种负荷的需求导致生产有时是复杂及昂贵的并且完全无用地增加车辆的质量的加强部分。
本发明的目的在于通过给出一种以经济、快速及便利方式局部加强薄金属结构的机构而解决该缺点。
为了该目的，本发明的主旨是一种用于局部加强薄金属结构的方法，根据该方法，在金属结构的至少一个面上，在必须进行加强的区域产生焊缝类型的金属堆积层，该金属堆积层由具有优于构成薄金属结构的材料的机械特性的材料构成。结果是由底层和沉积层构成的复合结构，整体具有例如弹性极限(Re)和最大断裂强度(Rm)比处理前更高的机械特性。
优选地，堆积层通过与构成薄金属结构的材料同金属族的材料制成。
构成薄金属结构的材料可以是不锈钢，并且堆积材料可以是钨铬钴合金。
优选地，金属堆积层沿着应力线布置，但也可以在至少一个表面上布置。
堆积层可以作用在两面上，在彼此相对的区域并且也在边缘上(薄金属结构的厚度)。
金属堆积层可以例如通过激光实现。
本发明也涉及由金属堆积层局部加强的薄金属结构。
薄金属结构例如构成车辆特别是铁路车辆的、公路车辆的或船的结构构件。
特别地，当车辆是铁路车辆时，加强区域例如是诸如窗户空位、门、表面开口的角部之类的车体面板的奇异点，横向构件或者在车体与转向架接触区域内的轴承。
现在将要参照附图，仅仅以非限制性实例的方式更详细地描述本发明，附图为
图1是铁路车辆的车体结构的侧面板、定义面(termed face)的透视图；图2是铁路车辆的侧面的窗口空位的角部的局部视图；图3A、3B和3C示出从截面看三个实施例的铁路车辆的侧面板的窗户空位的角部的加强部分；图4示出另一实施例的用于铁路车辆的车体的侧面板的窗户空位的角部的局部加强部分，其考虑到应力场的分布。
在图1中总体上用1指示的铁路车辆的车体的侧面板是由以公知方式特别是通过焊接裁剪和装配的一个或多个薄金属板构成的结构，该侧面板特别包括诸如意欲形成窗户的空位之类的多个开口2或者意欲形成门的更大的开口3。这些开口的角部4是会应力集中的区域，上述的应力集中会在这些各个区域影响结构面板的机械强度。在使用中，一般这些区域4不是特别地受应力，但是在车辆鉴定的测试过程中，这些区域4遭受必须在不发生任何局部塑性变形的情况下能够承受的高的应力。为了加强这些区域4，通过用具有高的机械特性的金属材料进行堆积而提供加强部分。
如图2中放大示出的，金属板5包括形成窗户空位的角部4的圆化裁剪部分。围绕窗户空位的角部的裁剪部分，在金属板5上布置提供面结构的总体刚性的加强部分6。
窗户空位的角部4的直接相邻处包括以总体上月牙形状实现的加强堆积层7，但是也可以是将要在后面说明的更合适的形状。如图3A、3B、3C所示，窗户空位的角部4的加强部分可以仅仅在金属板5的一个表面8上实施。因此获得加强堆积层。在裁剪部分的区域内可以在金属板5的一个表面8和金属板5的边缘8’上都实施加强部分。然后获得了加强堆积层7以及在金属板5的切割边缘上延伸加强堆积层7的加强堆积层7’。也可以在上表面8上和在下表面8”上以及在切割边缘8’上实施加强部分。然后获得围绕金属板5的裁剪部分的加强堆积层7、7’和7”。
加强堆积层由通过堆积应用金属而获得的沉积物构成，其成分适合于构成所述结构的支撑板的金属成分。相同适用于其它堆积层。可以通过堆焊类型的已知堆积技术来实施堆积，上述堆焊例如用于实现硬的堆积层或其它堆积层，并且构成为在局部加热的金属板表面上传送为粉末金属或金属丝形式的金属，该金属熔化、焊接并在金属板的表面上形成一层焊缝。
在本发明的框架内，优选通过使用特别在专利EP074580或者专利US5418350中描述的激光同轴喷嘴的激光辅助堆积方法来执行堆积。喷嘴使得能够在金属板的明确限定的表面上同步地传送由惰性气体携带的粉末金属、第二伴随气体以及同时影响金属板的局部加热和粉末金属的熔化的激光束。在仅仅产生底层的很表面的加热的情况下，该方法带来了沉积层与底层的良好结合，由此具有很少或者不影响底层的机械性能以及特别是限制被处理结构的变形的优点。
通过形成焊缝而执行沉积，该焊缝可以通过扫过无论任何形状的表面而将之覆盖。该表面也可以是圆形形状并且通过以螺旋形完成的沉积物而进行覆盖。
也能够产生如图4所示的沉积物，并且这也是实施例的优选模式。在实施例的该模式中，金属板5的窗户空位的角部4通过由多个焊缝10A、10B、10C和10D构成的沉积物9进行加强，上述焊缝根据在窗户空位的角部所经受的不同类型的负荷下的应力场沿着力的主线延伸。所述焊缝形成“鱼骨”型结构。
堆积材料的特性应当适合于其进行沉积的底层(也即金属板)的特性。堆积材料可以从本领域熟练技术人员所知的焊接材料或堆积材料中选择，适合于构成金属板的材料。堆积材料的成分也可以在具体情况的基础上进行适应性改变。
通常，选择堆积材料使得沉积物的弹性极限高于底层的，并且使得在处理结束时沉积物的断裂延展性优选地至少可比于底层的断裂延展性。优选地，沉积物的弹性极限是25％，更优选的是50％，并且进一步优选的是比底层的弹性极限高80％。
所沉积材料和底层之间的适应性也具有避免腐蚀问题的目的和优点。出于此目的，对应于沉积物以及对应于底层的金属应当是同族，特别是为了避免引起电化学电池现象。
特别是当底层由铝、铝合金或者诸如奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢或碳钢之类的钢构成时，本领域的熟练技术人员能够选择合适的材料。
加强沉积物的厚度可以顺序是从十分之几微米到几微米，并且优选是在0.5mm到1.5mm之间。
以实例方式，为了加强在1.4003类型的铁素体不锈钢板上裁剪的窗户空位的角部，该铁素体不锈钢板根据标准EN 10.088-2具有2.5mm的厚度，生产由Gr25钨铬钴合金粉末(公知的)获得的0.98mm厚的加强层。沉积的钨铬钴合金的弹性极限是构成金属板的铁素体钢的弹性极限的两倍。
从而获得铁路车辆的侧面，其中窗户空位的角部在鉴定测试中不再塑化。另外，这种壁重量很少增加并且执行加强处理的成本较低。
这种加强方法也可以用于局部加强由裁剪的金属板构成以及例如通过焊接装配的广泛的不同结构。
这些结构特别是铁路车辆或公路车辆的车体面板，或者用于船的构件。
加强区域可以是由于提供具有带有奇异点(小直径曲率)的形状的开口而经受特定应力的区域。它们也可以是因为它们意欲完成特定功能而必须加强的区域。这些特别是车体/转向架连接横向构件，或者形成轴承的区域，例如用于在车辆车体和转向架之间的连接。
刚刚已经进行描述的应用是非限制性的，并且本领域的熟练技术人员将会根据本发明将该方法应用到任何其他适合的结构中去。
权利要求
1.一种局部加强薄金属结构(5)的方法，其特征在于，在金属结构的至少一个面(8、8”)上，在必须进行加强的区域(4)产生焊缝类型的金属堆积层(7、7”、9)，该金属堆积层(7、7”、9)由具有优于构成薄金属结构的材料的机械特性的材料构成。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，堆积材料是与构成薄金属结构的材料相同金属族的材料。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，构成薄金属结构的材料是不锈钢，并且堆积材料是钨铬钴合金。
4.如权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于，金属堆积层(9)根据加强部分(10A、10B、10C、10D)的线进行布置。
5.如权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于，金属堆积层(7、7”)在金属结构的至少一个表面(8、8”)上布置。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，堆积层进一步在金属结构的切割边缘(8，)上生成。
7.如权利要求1到6中任一项所述的方法，其特征在于，堆积层(7、7”)在两个面(8、8”)上、在彼此相对的区域内实现。
8.如权利要求5、6或7中任一项所述的方法，其特征在于，布置在至少一个表面上的堆积层(7、7”)由螺旋形沉积构成。
9.如权利要求1到8中任一项所述的方法，其特征在于，金属堆积层通过激光实现。
10.一种薄金属结构，其特征在于，其根据权利要求1到9中任一个，由金属堆积层局部加强。
11.如权利要求10所述的薄金属结构，其特征在于，其构成车辆特别是铁路车辆、公路车辆或船的结构构件。
12.如权利要求11所述的薄金属结构，其特征在于，车辆是铁路车辆，并且加强区域是诸如如下区域中至少一个车体面板的奇异点、特别是窗户空位的角部、横向构件或者在车体与转向架接触区域内的轴承。
全文摘要
一种局部加强薄金属结构(5)的方法，根据该方法，在金属结构的至少一个面上，在必须进行加强的区域(4)内产生焊缝类型的金属堆积层(9)，该金属堆积层(9)由具有优于构成薄金属结构的材料的机械特性的材料构成。其在铁路车辆结构中应用。
文档编号B23K26/00GK1733414SQ20051008766
公开日2006年2月15日 申请日期2005年7月29日 优先权日2004年7月30日
发明者S·罗尔, G·贝纳尔 申请人:阿尔斯通运输股份有限公司