本發(fā)明涉及一種自行車車架管材制法，尤指一種兼具高強(qiáng)度及良好焊接性的鋁合金自行車車架管材(aluminumalloybicycleframetubes)制法。

背景技術(shù)：

按，由于鋁合金具有質(zhì)輕(比強(qiáng)度高)與成本低等優(yōu)勢(shì)，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采用6061鋁合金或7005鋁合金等al-mg-si合金或al-zn-mg合金來制作，然后再通過tig焊(tungsteninertgaswelding，鎢極惰性氣體保護(hù)焊)或mig焊(metalinertgaswelding，熔化性電極惰性氣體保護(hù)焊)等焊接工藝將各個(gè)管材結(jié)合成一完整的車架。

6061與7005等鋁合金所具備的優(yōu)良焊接性(weldability)使其成為業(yè)界制作鋁合金自行車車架時(shí)的優(yōu)先選擇，但其典型的抗拉強(qiáng)度(typicaltensilestrength)較低分別只有310mpa與350mpa，對(duì)于自行車車架進(jìn)一步的輕量化形成了限制，然而，盡管部份鋁合金如7050具有很高的強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度可達(dá)550mpa以上)，但此類高強(qiáng)度鋁合金的焊接性卻很差，一般甚至?xí)粴w類為是不可焊接的(unweldable)的鋁合金材料，此一焊接上的問題對(duì)自行車車架采用高強(qiáng)度鋁合金以進(jìn)一步輕量化的企圖構(gòu)成了技術(shù)障礙。

此外，對(duì)于傳統(tǒng)的鋼制(steel)車架而言，雖然通過外加的接管(lug)及硬焊(brazing)的方式來結(jié)合(connected)各車架管材是很常見的工藝，而且美國(guó)專利us4047731、us2011/0057414等前案也教導(dǎo)了利用由強(qiáng)化纖維膠合材(fiberreinforcedresin)所制成的接管(lug)來結(jié)合鋁合金車架管材的技術(shù)方案，但實(shí)務(wù)上，卻很少看到高強(qiáng)度的鋁合金管材運(yùn)用類似的制程來制作車架，這是因?yàn)殇X合金的硬焊或膠合具有許多缺點(diǎn)，例如鋁與硬焊金屬之間容易產(chǎn)生異種金屬的伽凡尼腐蝕(galvaniccorossion)、金屬與膠合材不同的熱膨脹(thermalexpansion)特性，以及相異材料(dissimilarmaterials)在接合處所造 成的結(jié)構(gòu)及材料不連續(xù)(materialdiscontinuity)等等，特別是管材接合的部位都為高應(yīng)力集中區(qū)(concentratedareasofstress)，而上述缺失將會(huì)使管材接合處的強(qiáng)度降低，甚至對(duì)車架造成災(zāi)難性的損壞，因而，對(duì)于要求高安全性的自行車工業(yè)來說，上述先前技藝的實(shí)用性與可行性顯然很低。

是故，如何發(fā)展一種可同時(shí)兼具高強(qiáng)度及良好焊接性的鋁合金自行車車架管材的制備方法，即成為一極具迫切性與實(shí)用價(jià)值的技術(shù)課題，也為本案申請(qǐng)人所欲解決的技術(shù)困難點(diǎn)所在。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有自行車車架管材的制備技術(shù)無法克服高強(qiáng)度鋁合金不易焊接的問題，只能轉(zhuǎn)而采用容易焊接但強(qiáng)度較低的鋁合金材料，導(dǎo)致車架在剛性、重量與材料成本等各項(xiàng)指標(biāo)上均難有進(jìn)一步突破，因此本發(fā)明的目的在于發(fā)展一種可同時(shí)兼具高強(qiáng)度及良好焊接性的鋁合金自行車車架管材的制備方法。

為達(dá)成以上的目的，本發(fā)明系提供一種自行車車架管材制法，其步驟包含：準(zhǔn)備一由第一鋁合金材料所構(gòu)成的第一管材與一由第二鋁合金材料所構(gòu)成的第二管材，再將該第一管材與第二管材通過固態(tài)接合的方法，制成一第二鋁合金材料在內(nèi)層而第一鋁合金材料在外層的復(fù)合鋁合金管材，其中，該第一管材系選擇高強(qiáng)度但不易焊接的鋁合金材質(zhì)，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(zhì)；再以抽管及車削的方法，將該復(fù)合鋁合金管材加工成為一中間較薄兩端較厚的復(fù)合厚薄管，并使該第一鋁合金材料集中在該復(fù)合厚薄管的中段部，而該第二鋁合金材料則集中在該復(fù)合厚薄管的兩個(gè)端部，其中，該車削的步驟是將位于該兩個(gè)端部外層的第一鋁合金材料予以去除，即完成本發(fā)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?xiàng)l件的鋁合金。

其中，該第一鋁合金材料與第二鋁合金材料分別選自同一系列但相異的鋁合金材料。

其中，該固態(tài)接合采用的具體制法為擠制、抽制或旋鍛。

其中，進(jìn)一步利用內(nèi)徑拉刀的方法，將位于該復(fù)合厚薄管其中段部?jī)?nèi)層的 第二鋁合金材料予以去除。

憑借上述步驟，本發(fā)明的車架管材即可符合中間為高強(qiáng)度且兩端容易焊接的要求，而可將車架管材中段的厚度進(jìn)一步薄化，同時(shí)可較現(xiàn)有具有更高的耐疲勞強(qiáng)度與承受彈性變型能力，俾可同時(shí)滿足車架設(shè)計(jì)在高剛性以有效轉(zhuǎn)換傳動(dòng)效能以及適度彈性變型的舒適性需求，進(jìn)而可達(dá)到大幅提高車架剛性、減輕車架重量及降低成本的功效。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的步驟流程圖。

圖2是本發(fā)明其第一管材與第二管材的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明利用固態(tài)接合方式將第一管材與第二管材制作成復(fù)合鋁合金管材的動(dòng)作示意圖。

圖4是完成固態(tài)接合步驟的復(fù)合鋁合金管材的示意圖。

圖5是本發(fā)明將復(fù)合鋁合金管材經(jīng)抽管及車削等程序制作成復(fù)合厚薄管的示意圖。

圖5a是本發(fā)明進(jìn)一步將位于圖5的復(fù)合厚薄管其中段部?jī)?nèi)層的第二鋁合金材料以內(nèi)徑拉刀方式去除的示意圖。

圖6是本發(fā)明的復(fù)合厚薄管其接合面的金相結(jié)構(gòu)圖。

附圖標(biāo)記說明：3-胚管；31-第一管材；32-第二管材；4-復(fù)合鋁合金管材；5-固態(tài)接合設(shè)備；51-盛錠筒；52-推桿；53-擠模；6-復(fù)合厚薄管；6a-復(fù)合厚薄管；61-中段部；62-端部；63-接合面。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1與圖2所示，本發(fā)明提供一種自行車車架管材制法，其步驟包含：

準(zhǔn)備一由第一鋁合金材料所構(gòu)成的第一管材31與一由第二鋁合金材料所構(gòu)成的第二管材32，請(qǐng)?jiān)倥浜蠀㈤唸D3與圖4所示，再將該第一管材31與第二管材32通過固態(tài)接合(solidstatewelding)的方法，制成一第二鋁合金材料在內(nèi)層而第一鋁合金材料在外層的復(fù)合鋁合金管材4，其中，該第一管材31系選擇高強(qiáng)度但不易焊接的鋁合金材質(zhì)，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(zhì)，在本發(fā)明中，所謂「高強(qiáng)度但不易焊接的鋁合金材質(zhì)」 具體指的是抗拉強(qiáng)度大于350mpa且tig焊或mig焊的焊接性(weldability)為c級(jí)或d級(jí)的鋁合金材料，而“具有良好tig或mig焊接性能的鋁合金材質(zhì)”則是指tig焊或mig焊的焊接性為a級(jí)或b級(jí)的鋁合金材料，有關(guān)現(xiàn)有已知各種鋁合金的強(qiáng)度及焊接性能等特性，可由金屬材料領(lǐng)域的相關(guān)工具書查得，例如美國(guó)金屬學(xué)會(huì)(americansocietyformetal)出版的《metalshandbook》；

進(jìn)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?xiàng)l件的鋁合金；或者，作為最佳的實(shí)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(shí)施例中，該第一管材31系選用al-zn-mg-cu合金(相當(dāng)于7050等級(jí)的鋁合金)，該第二管材32則選用al-zn-mg合金(類似7005等級(jí)的鋁合金)，也即本實(shí)施例系采用7xxx系列的鋁合金作為后續(xù)加工的毛胚素材，當(dāng)然該第一管材31與第二管材32兩者也可分別采用屬于其他同一系列(例如都為6xxx系列)但相異的鋁合金材料，本發(fā)明對(duì)此并不加以限定；

在此，可以注意的是，本實(shí)施例的al-zn-mg-cu合金與al-zn-mg合金即分別符合“高強(qiáng)度但不易焊接”與“具有良好tig或mig焊接性能”的要求，至于其他也可符合本發(fā)明要求的鋁合金材料，熟悉本領(lǐng)域技藝的人士顯可輕易通過比較各種鋁合金材料已知的強(qiáng)度及焊接性等特性而獲得，于此不再逐一列舉；

其中，請(qǐng)繼續(xù)參閱圖2所示，該第二管材32系先套接于該第一管材31內(nèi)，以成為一胚管3，并令該第二管材32的外徑表面與第一管材31的內(nèi)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(nèi)徑尺寸，一般而言，為了確保后續(xù)的加工及接合效果，該第一管材31的內(nèi)徑表面與第二管材32的外徑表面通常會(huì)在套接的前經(jīng)過適當(dāng)?shù)那逑匆匀コ臀郏瓿汕笆龅奶捉觿?dòng)作后，請(qǐng)繼續(xù)參閱圖3所示，即可利用一固態(tài)接合設(shè)備5對(duì)該胚管3進(jìn)行加工，按，此種經(jīng)由塑性變型讓兩種金屬固態(tài)接合的金屬加工(metalworking)技術(shù)，其特點(diǎn)在于不需加熱至液態(tài)熔融(liquidfusion)或使用填料金屬(fillermetal)，接合處的強(qiáng)度與母材相似，在已知的固態(tài)接合工藝中，就本發(fā)明的目的與需求而言，具體可采用像是擠制(extrusion)、抽制(drawing)或旋鍛(swaging)等工藝來實(shí)現(xiàn)兩種金屬(即第一管材31與第二管材32)之間的固態(tài)接合，在本較佳實(shí)施例中，系采用擠制法，也即在圖3中，該固態(tài)接合設(shè)備5系繪示為一 擠制設(shè)備，具體的操作步驟是將該胚管3置于該擠制設(shè)備的盛錠筒(container)51內(nèi)并加熱，再令該擠制設(shè)備的推桿52推擠盛錠筒51內(nèi)的胚管3，俾使被加熱至呈易塑性變型狀態(tài)的胚管3可由擠制設(shè)備的擠模53(die)的?？妆粩D出而成為該復(fù)合鋁合金管材4，而如圖4所示，該復(fù)合鋁合金管材4即為第二鋁合金材料(即第二管材32)在內(nèi)層而第一鋁合金材料(即第一管材31)在外層的雙金屬?gòu)?fù)合管材，此外，使用抽制或旋鍛等方式來制作本發(fā)明的復(fù)合鋁合金管材4所需的軟硬體設(shè)備及操作步驟，均屬背景技術(shù)且非本案技術(shù)特征，故在此不予詳述，惟可以一提的是，由于實(shí)務(wù)上抽制或旋鍛通常不包含加熱的工序，故在以抽制或旋鍛等工藝實(shí)施本發(fā)明的此一步驟時(shí)，仍應(yīng)注意宜同時(shí)對(duì)工件加熱，俾使該第一管材31與第二管材32在進(jìn)行塑性變形與接合時(shí)可以因?yàn)樵黾悠渌苄宰冃伪嚷始霸黾釉谌埸c(diǎn)以下溫度的擴(kuò)散接合(diffusionbonding)程度，使接合強(qiáng)度能達(dá)到接近母材的強(qiáng)度；

接下來，請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D1、圖4及圖5所示，再以抽管(tubebutting，屬于一種抽制的加工法)及車削的方法，將該復(fù)合鋁合金管材4加工成為一中間較薄兩端較厚的復(fù)合厚薄管(buttedtube)6，并使該第一鋁合金材料集中在該復(fù)合厚薄管6的中段部(midsectionportion)61，而該第二鋁合金材料則集中在該復(fù)合厚薄管6的兩個(gè)端部(endportion)62，具體而言，這只需通過在進(jìn)行抽制加工時(shí)，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定該復(fù)合鋁合金管材4的內(nèi)徑及外徑的縮減率即可辦到，由于厚薄管的結(jié)構(gòu)及抽制程序均屬自行車工業(yè)領(lǐng)域中相當(dāng)常見且成熟的工藝，其具體涉及的軟硬體設(shè)備及操作流程均為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知，于此不再贅述；

其中，請(qǐng)繼續(xù)參閱圖5所示，可以注意的是，在進(jìn)行抽管加工時(shí)，應(yīng)令該復(fù)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(zhǎng)其接合強(qiáng)度越高，此外，由于在本實(shí)施例中，復(fù)合鋁合金管材4的抽管同時(shí)涉及管材外徑及內(nèi)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(qū)域)，因此，當(dāng)復(fù)合鋁合金管材4進(jìn)行厚薄管的抽制時(shí)，原本位在管材內(nèi)層的第二鋁合金材料雖然會(huì)被抽拉、集中到管材的兩端，但此時(shí)在該復(fù)合厚薄管6其兩個(gè)端部62的第二鋁合金材料的外層表面仍然會(huì)有一層很薄的第一鋁合金材料(層)，因此，本發(fā)明完成抽管的動(dòng)作后，會(huì)再以車削的方式將位于各該端部62外層的第一鋁合金材料去除，如此即可得到如圖5所示的復(fù)合厚薄管6，至此，即完成本發(fā)明的自行車車架管材；應(yīng)當(dāng)注意的是，在圖5中，位在該復(fù)合厚薄管6其中段部61 的第一鋁合金材料的內(nèi)層表面同樣也會(huì)有一層很薄的第二鋁合金材料(層)，對(duì)此，請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D5a所示為本發(fā)明的另一種具體實(shí)施方式，其中本發(fā)明可再進(jìn)一步通過內(nèi)徑拉刀的工序，將位于該中段部61內(nèi)層的第二鋁合金材料予以去除，而可得到如第五的a圖中的復(fù)合厚薄管6a，相較于圖5的復(fù)合厚薄管6，該復(fù)合厚薄管6a可達(dá)到更佳的輕量化效果，然而，實(shí)際上由于車架管材通常系承受外層為主的彎曲應(yīng)力，位于內(nèi)層的第二鋁合金材料(較低強(qiáng)度的薄層區(qū)域)并不影響車架管材以彎曲為主的受力及性質(zhì)，且接合面63越長(zhǎng)接合強(qiáng)度越高，并無不利因素，故實(shí)務(wù)上可省略內(nèi)徑拉刀的步驟，僅完成如圖5的復(fù)合厚薄管6即可，如此也可兼具簡(jiǎn)化工序及降低加工成本等優(yōu)點(diǎn)。

請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D6所示為該復(fù)合厚薄管6、6a其接合面63的金相結(jié)構(gòu)圖，由該金相結(jié)構(gòu)圖可以看出復(fù)合厚薄管6、6a經(jīng)過極大的厚度縮減成形后，其接合面63為沒有缺陷的狀態(tài)，如此即可進(jìn)一步證實(shí)本發(fā)明的可行性，本發(fā)明的復(fù)合厚薄管6、6a容易以傳統(tǒng)的tig焊或mig焊等焊接方法組焊為車架，且在完成車架后，可再施予相同的熱處理?xiàng)l件來達(dá)到最佳強(qiáng)度，例如7050鋁合金及7005鋁合金即可共同以470℃x1小時(shí)(hr)的固溶處理(solutiontreatment)及相同的t6條件來強(qiáng)化，如此本發(fā)明即可達(dá)成將容易焊接又有高強(qiáng)度的合金運(yùn)用于車架結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新結(jié)果；

請(qǐng)參閱圖5所示，憑借上述步驟，本發(fā)明所制作出的復(fù)合厚薄管6即可符合中間為高強(qiáng)度且兩端容易焊接的要求，因而，當(dāng)運(yùn)用于自行車車架管材時(shí)，即可將原本車架管材中段的厚度進(jìn)一步薄化，而能有效地突破自行車減重的需求，同時(shí)，本實(shí)施例所采用的7050等級(jí)鋁合金，相較目前自行車車架常用的6061等級(jí)鋁合金具有更高的耐疲勞強(qiáng)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(fā)明即可同時(shí)滿足自行車車架設(shè)計(jì)在高剛性以有效轉(zhuǎn)換踩踏的傳動(dòng)效能以及適度彈性變型的舒適性需求，進(jìn)而可達(dá)到大幅提高車架剛性、減輕車架重量及降低成本的功效；此外，值得一提的是，憑借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并運(yùn)用固態(tài)接合，可大幅提高介面的接合強(qiáng)度，并可免除現(xiàn)有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(jié)構(gòu)上的不連續(xù)及太低的接合強(qiáng)度等缺點(diǎn)，進(jìn)而使本發(fā)明可兼具更佳的產(chǎn)品可靠度。

以上說明對(duì)本發(fā)明而言只是說明性的，而非限制性的，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解，在不脫離權(quán)利要求所限定的精神和范圍的情況下，可作出許多修改、 變化或等效，但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。