KR101810607B1 - 단일 중심 레그를 구비한 관 모양의 빔 - Google Patents

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Abstract

차량 범퍼 시스템용 보강 빔은 공통 단일 센터 벽을 공유하는 제 1 관과 제 2 관을 규정하기 위해 변형된 단일 시트를 포함한다. 각 관 위에 채널 리브가 형성되고, 중심 레그 위의 균열 리브가 제 3 리브를 형성한다. 시트의 에지들이 반경까지 변형되어, 그것들의 표면이 중심 레그의 단부들 상에 형성된 연관된 둥글게 된 코너와 일관되게 맞물리고, 이는 재료 표면들의 선 맞물림과의 일관된 접촉을 촉진시키고 따라서 일관된 용접을 촉진한다. 바람직한 빔에서는, 각 관의 앞 벽 섹션들이 동일 면상에 있고, 빔의 한 면을 형성하며, 채널 리브와 균일 리브 각각은 빔에 추가된 강성도를 제공하지만, 아직 동일 면 상의 앞 벽 섹션들의 앞으로 아무것도 연장하지 않는다. 관련된 장치 및 방법들이 또한 나타난다.

Description

단일 중심 레그를 구비한 관 모양의 빔{TUBULAR BEAM WITH SINGLE CENTER LEG}
본 특허 출원은 그 전문이 본 명세서에 참조로 통합되고 제목이 "TUBULAR BEAM WITH SINGLE CENTER LEG"이며 2010년 9월 23일에 35 USC 섹션 119(e) 하에 출원된 가특허 출원 61/385,680호의 이익을 주장한다.
본 발명은 차량 범퍼 시스템들에서 사용된 범퍼 보강 빔들에 관한 것으로, 이 경우 그러한 빔은 관 모양을 하고 있고 단일(모노) 중심 레그(center leg)를 가진다. 본 발명은 또한 롤(roll) 형성 장치 및 상기 빔들을 형성하는 방법에 관한 것이다. 하지만, 본 발명은 차량들에 관한 범퍼 보강 빔들에만 국한되는 것이라고는 여겨지지 않는다.
현대식 차량 범퍼 시스템들은 통상적으로 특정 차량들에 관한 정부 및 보험 업계 표준들을 충족시키기 위한 강도 및 충격 특징들을 위해 설계된 보강 빔을 포함하지만, 또한 전반적인 차량 무게를 최소화하고, 강도-대-무게 비를 최대화하며, 제한된 차량 패키지 공간들 내에 맞추어지고, 차량의 전단과 후단에서의 심미적 및 기능적 요구 조건들을 만족시키도록 설계된다. 동시에, 빔들을 제작하는 공정 및 방법들은 바람직하게는 원치 않는 제품 치수 및 품질 변동을 최소화하면서, 또한 제작 비용을 최소화하고, 제작 능력을 최적화하며 부스러기를 최소화한다. 롤 형성 공정 및 방법들은 경쟁 비용 및 높은 차원의 일관성으로, 범퍼 보강 빔들의 많은 양의 작업량을 생산시 특히 효과적인 것으로 입증되었다. 하지만, 업계는 매우 경쟁이 치열하여, 작은 개선조차도 중요할 수 있다.
더 나아가, 위에서 언급된 원하는 특징들 중 많은 것이 충돌되어, 특정 범퍼 보강 빔을 개선하는 방법 또는 빔을 만들기 위한 롤 형성 공정을 개선하는 방법이 명확하지 않다. 예를 들면, 더 무거운 빔은 더 강할 수 있지만, 차량 무게에 있어서의 허용할 수 없는 증가를 야기한다. 높은 강도를 지닌 재료들이 선호될 수 있지만, 그것들은 고가이고 형성하기 어려우며, 연장으로 세공시 마모가 심하다. 정확한 빔 단면 형상을 촉진하고, 에지들에 따라 존재하는 오차 허용도들을 감소시켜, 에지들을 따라 존재하는 여분의 재료가 빔 무게를 최소화하기 위해 감소될 수 있고, 용접 동안의 일관된 접촉을 촉진하기 위해, 롤 형성 공정 동안의 시트 에지들의 위치 선정에 대한 정확한 제어가 요망된다. 하지만, 이는 여분의 롤 형성 단계들과 스테이션(station)들, 및 추가적인 연장 세공, 하드웨어 및 소프트웨어 제어들을 요구할 수 있고, 이들 각각은 자금 투자를 증가시키고 롤 형성 공정을 더 복잡하게 한다. 위 빔들은 시트의 다른 재료에 기대어 형성된 2개의 시트(sheet) 에지를 포함하고, 이들 시트 각각은 빔들의 관 모양을 영구적으로 형성하기 위해 용접기(welder)에 의해 용접된다. 하지만, 용접기들은 롤 형성 장치를 따라 공간을 차지하고, 특히 롤 형성 장치의 길이를 따라 상이한 스테이션에 용접기들이 존재하는 경우, 자금 투자뿐만 아니라 바닥 공간 요구 조건을 상당히 증가시킨다. 그렇지만, 용접기들 중 하나 또는 모두에 악영향을 미치는 비산 파편들로 인해 빔의 2개의 반대 측에서 용접하는 것이 어렵다. 특히, 범퍼 보강 빔들과 관련된 범퍼 시스템들에서 신뢰할 수 있고 일관된 충격 강도를 제공하기 위해, 용접들은 일관되어야 하고 신뢰할 수 있어야 한다.
본 발명의 일 양태에서, 보강 빔은 단일 시트로부터 형성되고, 공통 벽을 공유하고 동일 평면상의 정렬된 앞 벽들과 동일 평면상의 정렬된 뒤 벽들을 가지는 제 1 관 및 제 2 관을 포함하는 빔을 포함하고, 각각의 앞 벽은 채널 리브(channel rib)를 내부에 포함하며, 시트는 제 1의 둥글게 된(radiused) 부분과 제 1 팁(tip)을 구비한 제 1 에지, 제 2의 둥글게 된 부분과 제 2 팁을 구비한 제 2 에지, 공통 벽의 한쪽 단부와 정렬된 앞 벽들 중 하나를 연결하는 제 3의 둥글게 된 부분, 공통 벽의 또 다른 단부와 뒤 벽들 중 하나를 연결하는 제 4의 둥글게 된 부분을 포함하고, 상기 제 1 둥글게 된 부분과 상기 제 3의 둥글게 된 부분은 제 1 용접에서 함께 용접되며 상기 시트 두께의 적어도 2배인 공동(cavity) 깊이를 가지는 앞 균열(crevice) 리브를 형성하고, 상기 제 2의 둥글게 된 부분과 상기 제 4의 둥글게 된 부분은 제 2 용접에서 함께 용접되며 상기 시트 두께의 적어도 2배인 공동 깊이를 가지는 뒤 균열 리브를 형성하고, 상기 채널 리브들과 상기 앞 균열 리브는 상기 빔의 앞면을 보강하는 리브들을 형성한다.
본 발명의 또 다른 양태에서는, 4개의 외부 벽과 마주보는 2개의 벽들 사이에서 연장하는 공통 중심 레그를 가지는 빔이 되도록 시트를 형성하기 위한 장치가 제공되고, 상기 4개의 외부 벽은 직사각형의 단면을 규정하며, 중심 레그는 단면을 제 1 인접 관 및 제 2 인접 관으로 분할하고, 중심 레그는 각각 상기 중심 레그에 수직인 미끄럼 면(slip plane)들을 규정하는 둥글게 된 단부들을 가지며, 시트는 상기 둥글게 된 단부들에 접촉하는 에지들을 가진다. 이러한 장치는 공통 중심 레그와 4개의 외부 벽들을 구비한 빔이 되도록 시트를 형성하기 위한 롤러들을 구비한 롤 형성 스테이션들을 갖춘 롤 형성기를 포함하고, 상기 롤 형성기는 용접기들과 용접 박스 정착물(fixture)을 구비한 용접 스테이션을 가지고, 상기 용접 박스 정착물은 정착물 프레임과, 상기 정착물 프레임에 의해 지지된 외부 맨드릴(mandrel)들을 가지며, 상기 4개의 외부 벽들을 원하는 정확한 모양으로 지지하고, 상기 외부 맨드릴 중 2개는 이동 가능하고 마주보고 있으며, 상기 4개의 외부 벽들 중 연관된 마주보는 것들과의 맞물림으로 마주보는 외부 맨드릴들을 이동시키기 위해 2개의 마주보는 외부 맨드릴에 동작 가능하게 연결된 적어도 하나의 액추에이터(actuator)를 가진다. 장치는 또한 업스트림 앵커(anchor) 라인들에 의해 지지되는 제 1 인접 관 및 제 2 인접 관들 각각에서 내부 맨드릴들을 더 포함하여, 상기 내부 맨드릴이 일반적으로 상기 외부 맨드릴들에 인접한 채로 남아 있다. 이러한 배치에 의해, 상기 내부 맨드릴 및 상기 외부 맨드릴은, 스프링들과, 2개의 마주보는 외부 맨드릴의 카운터 바이어스(counter bias)와 결합하여, 상기 미끄럼 면들을 따라 시트 재료의 움직임과 휨(flexure)에 의해 빔의 모양을 제어하여, 용접기의 용접 공정 동안 용접 박스 정착물에 있을 때 정확한 모양을 활발히 유지시킨다.
더 좁은 양태에서, 내부 맨드릴들은 각각 마주보는 절반부들(halves)과, 외부 맨드릴들 및 상기 액추에이터의 힘에 대항하여 상기 마주보는 절반부들을 떨어지게 바이어스하는 스프링을 가진다.
본 발명의 또 다른 양태에서는, 4개의 외부 벽들과 상기 벽들 중 마주보는 2개의 벽 사이에서 연장하는 공통 중심 레그를 가지는 빔이 되도록 시트를 형성하기 위한 장치가 제공되고, 상기 4개의 외부 벽들은 직사각형 단면을 규정하며, 상기 중심 레그는 단면을 제 1 관 및 인접하는 제 2 관으로 분할하고, 상기 중심 레그는 각각 상기 중심 레그에 수직인 미끄럼 면들을 규정하는 둥글게 된 단부들을 가지며, 상기 시트는 상기 둥글게 된 단부들과 접하는 에지들을 가진다. 상기 장치는 상기 시트를 4개의 외부 벽들과 공통 중심 레그를 구비한 빔이 되도록 형성하기 위한 롤러들을 구비한 롤 형성 스테이션들을 갖춘 롤 형성기를 포함하고, 이러한 롤 형성기는 용접기들을 구비한 용접 스테이션 및 용접 박스 정착물을 포함하고, 이러한 용접 박스 정착물은 정착물 프레임과, 상기 정착물 프레임에 의해 지지되고 상기 4개의 외부 벽들을 바라는 정확한 모양으로 지지하는 외부 맨드릴들을 포함하며, 상기 외부 맨드릴 중 2개는 이동 가능하고 마주보고 있고, 상기 마주보는 외부 맨드릴들을 상기 4개의 외부 벽들 중 연관된 마주보는 외부 벽들과 맞물리도록 이동시키기 위해 2개의 마주보는 외부 맨드릴들에 동작 가능하게 연결된 적어도 하나의 액추에이터를 포함하고, 상기 외부 맨드릴들 중 나머지는 고정되고 마주보게 되어, 상기 나머지 2개의 외부 맨드릴들이 일반적으로 2개의 마주보는 벽들 사이의 거리를 고정시키고, 상기 2개의 마주보는 벽들 사이에서는 상기 중심 레그가 연장한다. 이러한 배치에 의해, 상기 2개의 마주보는 외부 맨드릴들의 바이어스와 결합하여 상기 외부 맨드릴들이 상기 미끄럼 면들을 따라 상기 시트 재료의 움직임과 휨에 의해 상기 빔의 모양을 제어하여, 상기 용접기의 용접 공정 동안 상기 용접 박스 정착물에 있을 때 정확한 모양을 활발히 유지시킨다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 장치는 시트를 4개의 외부 벽들과 공통 중심 레그를 구비한 연속 빔이 되도록 형성하기 위한 롤러들을 구비한 롤 형성 스테이션들을 갖는 롤 형성기를 포함하고, 상기 롤 형성기는 용접기들을 구비한 용접 스테이션 및 용접 박스 정착물을 포함하고, 상기 용접기는 상기 단면을 영구적으로 고정하기 위해 상기 연속 빔을 용접하기 위한 상방으로 각이 진 레이저 빔을 발생시키고 상기 용접 박스 정착물로부터 업스트림 또는 다운스트림 위치에서 상기 연속 빔 아래에 위치하여, 상기 레이저 빔이 상기 둥글게 된 단부들 중 하나와 접하는 둥글게 된 에지들 중 하나에 의해 형성된 아래로 향하는(down-facing) 균열 내에서 용접한다. 이러한 배치에 의해 상기 용접기는 아직 떨어지는 부스러기로부터 멀리 위치하는 상기 연속 빔 아래의 위치로부터 상기 연속 빔을 용접한다.
본 발명의 또 다른 양태에서는, 장치가 시트를 4개의 외부 벽들과 공통 중심 레그를 구비한 연속 빔이 되도록 형성하기 위한 롤러들을 구비한 롤 형성 스테이션들을 갖는 롤 형성기를 포함하고, 상기 롤 형성기는 상부(top) 용접기와 바닥(bottom) 용접기를 구비한 단일 용접 스테이션 및 용접 박스 정착물을 포함하고, 상기 용접기들은 상기 빔 상의 상부 위치 및 하부 위치에서 상기 용접 스테이션 내에서 동시에 용접함으로써, 상기 단면을 영구적으로 고정하도록 상기 연속 빔을 용접한다. 이러한 배치에 의해 용접은 단일 용접 스테이션에서 행해지고, 다수의 용접 스테이션에서는 행해지지 않는다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 장치는 시트의 중심 레그와 상기 시트의 아웃보다 윙들을 형성하는 롤러들의 제 1 세트들을 구비한 제 1 롤 형성 스테이션들을 가지는 롤 형성기를 포함하고, 상기 아웃보다 윙들은 상기 중심 레그에 수직으로 연장하고 상기 둥글게 된 단부들에 의해 상기 중심 레그와 만나는 상기 중심 레그에 인접한 부분들을 가지며, 상기 아웃보다 윙들은 또한 그 위에 형성된 둥글게 된 에지들을 가진다. 상기 롤 형성기는 상기 아웃보드 윙들을 제 1 관과 제 2 관으로 형성하는 롤러들의 추가적인 세트들을 구비한 추가적인 롤 형성 스테이션들을 더 포함하는데, 상기 중심 레그는 상기 제 1 관 및 제 2 관 각각의 부분을 형성하는 공통 벽이다. 상기 롤 형성기는 상기 둥글게 된 에지들을 상기 둥글게 된 단부들까지 용접하는 상부 용접기와 바닥 용접기를 포함한다.
관련 방법들 또한 본 발명의 부분을 형성한다.
본 발명의 이들 및 다른 양태, 목적, 및 특징들은, 당업자가 이어지는 상세한 설명부, 청구항, 및 첨부 도면을 연구함으로써, 이해하고 평가하게 된다.
도 1은 관 모양이고 단일 중심 레그를 가지는 범퍼 보강 빔의 평면도.
도 2는 도 1에서의 라인 Ⅱ-Ⅱ을 따라 본 단면도.
도 3은 본 발명의 롤 형성 공정을 행하기 위한 롤 형성 장치의 도면.
도 4는 도 1의 빔을 형성할 때 각 형성 단계에서의 본래 시트의 모양을 보여주고 S1-S33으로 표시된 일련의 단면을 도시하는 도면.
도 5는 용접 스테이션의 심(seam) 추적 디스크들 형성 부분을 포함하는 도 1 및 도 2에서의 빔의 단면을 도시하는 도면.
도 6은 도 1 및 도 2와 유사하지만 수정된 단면을 가지는 수정된 빔을 도시하는 도면.
도 7은 롤 형성 공정의 끝 가까이에 있는 용접 스테이션을 도시하는 측면도.
도 8은 동시 2중 용접 단계 동안의 롤 형성된 빔의 최종 모양을 보유하기 위한 압력 박스 정착물을 보여주는, 도 1의 용접 스테이션의 단면도.
범퍼 보강 빔(40)(도 1)은 차량 범퍼 시스템용 관 모양의 보강 빔(50)과, 차량의 앞 범퍼 시스템(도 1에 예시된) 또는 뒤 범퍼 시스템에서 사용하기 위한 것과 같은, 차량 프레임으로의 부착을 용이하게 하기 위해 빔(50)에 부착된 마운트(mount)(41)들을 포함한다. 예시된 빔(50)은 특정 차량의 공기역학적 모양에 정합되도록, 제 1 반경(R1)으로 만곡된 종방향 센터 섹션(42)과, 더 타이트한 제 2 반경(R2)으로 만곡된 종방향 외부 단부들을 포함한다. 하지만, 본 발명의 개념들은 선형 또는 굴곡되거나 및 단일 반경으로 또는 상이한 종방향으로의 만곡부("스윕(sweep)"들을 가지고 일관되게 만곡/굴곡되거나 상관없이, 임의의 빔에 대해 사용될 수 있다는 점이 예측된다.
본 발명의 빔(50)은 0.8㎜ 내지 1.4㎜의 두께를 가지고, 약 800MPa 내지 2000MPa(즉, 약 120 내지 290ksi)의 인장 강도를 가지는 시트 스틸 재료로 만들어진다. 예시된 빔은 약 80㎜의 높이와 40㎜의 깊이(차량 탑재된 위치에서)를 가지고, 이 경우 2개의 채널 리브가 빔의 앞 면(각 관 위에 하나씩)에 형성된다. 각각의 예시된 채널 리브는 약 8 내지 10㎜의 폭을 가지고, 둥근 바닥부를 포함한다. 하지만, 본 발명의 빔은 AHSS(Advanced High Strengh Steels)를 포함하는 상이한 재료로 만들어질 수 있고, 약 0.8㎜ 내지 3.0㎜의 두께(또는 0.8㎜ 내지 1.4㎜의 두께와 같은)를 가지는 시트로 만들어질 수 있고, 약 80㎜ 내지 150㎜의 높이와 30㎜ 내지 60㎜의 깊이를 가지는 상이한 빔 단면 크기로, 그리고 차량 마운트들/범퍼 프레임 레일 팁(rail tip)들 사이의 거리와 같거나 약간 더 큰 길이를 가지도록 만들어질 수 있다는 것이 예측된다.
본 발명의 빔(도 3)은 롤 형성 스테이션들에서 일련의 상이 된 롤들을 통해 롤 형성 장치상에서 스틸 금속의 단일 시트로부터 형성되고, 이 경우 각 스테이션은 도 4에서 단계들(1 내지 33)의 롤-형성된 플라워(flower) 패턴에 의해 도시된 것과 같은 형성 동작을 행한다. 그러한 공정 동안, 단일 시트가 단일 센터 벽(때때로, 본 명세서에서 "모노(mono)" 벽 또는 "중심 레그(center leg)"라고 부름)의 반대측에 형성된 인접한 관들을 가지도록 형성된다. 롤 형성기는 외부로 연장하고 일반적으로 센터 벽에 수직인 시트의 외부 섹션들을 구비한 센터 섹션(즉, 센터 벽)을 형성하는 것을 포함하는 스테이션들(S1 내지 S7)에서 형성하는 롤들의 제 1 구역을 포함한다. 둥글게 된 시트 에지들이 또한 단계들(S1 내지 S7)에서 형성된다. 롤 형성기는 또한 중심 레그의 각 측 상에서 제 1 관 및 제 2 관을 형성하고, 공통 벽으로서 중심 레그를 공유하는 스테이션들(S8 내지 S33)에서 형성하는 롤들의 제 2 구역을 포함한다. 채널 리브들은 사실상 단계들(S8 내지 S12)에서 형성되고, 롤 형성 장치를 따라 가로지를 때 시트의 옆 위치를 제어하는데 도움을 준다. 레이저 용접은 스테이션(S33)에서 또는 스테이션(S33) 다음에 일어난다. 대안적으로, 용접은 제 1 관이 공정 절반쯤에서(마지막 형성 스테이션의 충분히 앞에서) 형성되는 롤 형성 공정에서와 같이, 2개의 분리된 단계들에서 일어날 수 있다.
특히, 예시된 바와 같이, 시트의 "절반(half)"보다 약간 적은 곳에서 센터 벽의 둥글게 된 단부에 기대어 접한(그리고 용접된) 시트의 제 1의 둥글게 된 에지를 구비한 제 1 관으로 제 1 방향으로의 변형이 생기고, 시트의 반대측 "절반"은 센터 벽의 나머지 둥글게 된 단부에 기대어 접한(그리고 용접된) 제 2의 둥글게 된 에지를 구비한 제 2 관으로 제 2 방향으로의 변형이 생긴다. 제 1의 둥글게 된 에지 상의 용접을 위한 접촉 라인은 시트의 말단 끝이 "편평(flat)"하게 되는 반경의 끝에 있다. 유사하게, 센터 벽의 둥글게 된 단부의 접촉선은 센터 벽이 "편평"하게 되는 센터 벽의 단부에 있다. 하지만, 용접 공정의 레이저 빔이 일관된 용접을 만들기 위해 최적의 조건을 가지도록 주요 접촉이 되도록 반경을 가지는 것이 바람직하다. 특히, 용접 공정은 균열부로 들어가는 레이저 빔과 둥글게 된 단부 및 둥글게 된 에지에 의해 형성된 접하는 선 접촉면에서 가열 재료를 포함한다. 이러한 이유로, 갭이 그것의 크기에 따라 용접에 악영향을 미치는(미칠 수 있는) 공정 변동에도 불구하고, 균열부의 바닥에서 갭을 야기하지 않도록, 시트 에지들의 말단 팁들이 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
특히, 용접 박스 정착물은 선 접촉과, 선 접촉에서의 용접 공정에 관한 바라는 접촉하는 압력을 설정하는 것을 돕는다. 아래에 논의된 바와 같이, 양호한 용접을 촉진하기 위해, 짝이 되는 재료들은 도 8에 도시된 용접 정착물에 의해 서로 맞닿아 인접하게 보유된다. 에지들의 둥글게 된 모양은 양호한 접촉을 허용하고, 에지들이 특히 미끄럼 면들(P1, P2)을 따라 구부러지고, 미끄러지며 휘는 것(용접 박스 정착물에서 발생된 힘들에 의해 야기된)을 허용하여, 정착물이 "설정(set)"되고 용접 스테이션에서 바라는 단면 모양을 유지하는 것을 허용한다. 이러한 배치는 양호한 용접을 촉진하고, 잠재적으로 에지들의 완벽한 차원수의 임계를 감소시킨다. 동시에, 시트의 에지들은 용접 선으로부터 멀리 연장하는 빔의 내부의 재료의 끝 부분을 포함한다. 전술한 바와 같이, 끝 부분의 자유 단부는 에지를 따라 존재하는 재료의 변화 및 공정 변화에도 불구하고 용접한 충분한 재료가 존재하는 것을 보장하는데 필수적이다. 하지만, 끝 섹션의 자유 단부에서의 여분의 재료는 범퍼 빔으로 여분의 추가된 무게를 초래한다. 에지들과 접하는 재료의 접촉 및 맞물림을 정확하게 제어함으로써, "자유 단부"의 길이가 최소화될 수 있어, 빔의 전반적인 무게를 최소로 감소시킨다. 감소된 무게의 소량(ounces)이라도 자동차 엔지니어들과 차량 디자이너들에게 중요할 수 있음이 주목된다. 예시된 "자유 단부(free end)"는 약 4㎜ 미만인 것으로 예측되지만, 특정 공정 파라미터들과 빔의 기능적 요구 사항들에 따라, 예컨대 2㎜까지 잠재적으로 감소될 수 있음이 기대된다.
주목된 바와 같이, 시트의 둥글게 된 에지들은, 그것들이 접촉하도록 연장할 때 일관되고 용서하는 이웃하는 맞물림을 촉진 및 허용하고, 빔의 중심 레그에서 둥글게 된(휜) 코너들과 일치되도록 용접된다. 에지들과 중심 레그의 2중 반경은 재료의 2개의 섹션들이 선 접촉시 신뢰할 수 있게 맞물리고 맞대기 힘의 바라는 범위 내에서 맞물리는 것을 허용하여, 제작 공정 동안 치수 변화들의 더 나은 수용을 가능하게 한다. 이러한 구성은 접하는 재료 섹션들의 양호한 선 접촉을 촉진하고, 따라서 치수 및 공정 변화들에도 불구하고 양호한 용접을 촉진한다. 동시에, 둥글게 된 에지들과 에지들의 "자유 단부들"은 빔의 앞면과 뒤면 내로 오목하게 만들어져, 빔의 앞면과 뒤면에 의해 규정된 수직 면들이 시트의 임의의 외부로 돌출하는 에지에 의해 가로막히고, 이는 차량 제작자의 사양을 충족시키는데 있어서 중요할 수 있다. 또한, 중심 레그는 시트의 중심(그리고 시트의 측 에지로부터가 아닌)으로부터 형성된다. 중심 레그를 먼저 형성하고, 그것을 시트의 중심으로부터 만듦으로써, 롤 형성 공정의 균형이 더 좋아지고 제어되어 시트의 옆 위치를 더 쉽게 제어할 수 있게 한다. 즉, 롤 형성기에서의 시트의 "원더링(wandering)"이 중심 레그의 제 1 형성으로 인해 감소하는데, 이는 그러한 중심 레그가 시트를 나중에 형성하는 동안 "센터 앵커(center anchor)"로서 작용한다. 이는 시트의 위치 제어 정확도를 증가시켜 에지들의 "자유 단부"의 오차 허용도를 더 감소시키는 능력을 초래하는데, 이는 넓은 오차 허용도가 요구되지 않기 때문이다. 에지들의 "자유 단부"들은 4㎜ 이하로 감소될 수 있고, 공정 제어 및 시트와 롤 형성 공정의 특징들에 따라, 심지어 2㎜ 이하로 감소될 수 있다는 점이 예측된다.
중심 레그를 구비한 관 모양 보강 빔(50)은 그것의 높은 강도-대-무게 비, 그것의 단부들의 안쪽 충격으로 인한 종방향 휨에 대한 저항성, 및 수직으로 중심을 벗어난(vertically-off-center) 충격으로부터와 같은, 회전력들에 대한 비틀림 저항성으로 인해, 차량 범퍼 시스템에서의 보강 빔으로서 사용하기에 특히 적합하다.
전술한 바와 같이, 빔(50)(도 2)은 연속적인 롤 형성 공정(도 6)에서 하나의 단일 시트로부터 형성된다. 빔(50)은 제 1 에지(51) 및 제 2 에지(52)를 포함하고, 그것들 사이에 순차적으로 연장하는 7개의 벽 섹션들(53 내지 59)을 포함한다. 제 1 내지 제 4 벽 섹션들(53 내지 56)은 제 1 관을 형성하고, 제 4 내지 제 7 벽 섹션들(56 내지 59)은 인접한 제 2 관을 형성하며, 이 경우 벽 섹션(56)은 공통 공유된 벽이다. 벽 섹션들(53 내지 55 및 57 내지 59)은 결합하여 수평으로 연장하는 벽 섹션(56)(차량 장착된 위치에 있을 때)에 의해 형성된 중심 레그를 구비한 관 모양을 형성하고, 벽 섹션들(55, 59)은 수직인 동일면 상의 앞면을 형성하며, 벽 섹션들(53, 57)은 수직인 동일면 상의 뒤면을 형성한다. 제 1 에지(51)는 약 3㎜ 내지 4㎜의 반경(CR1)을 형성하도록 변형되고, 그것의 팁(51')(즉, 약 4㎜의 길이 또는 잠재적으로 2㎜ 정도로 작은 길이를 가지는 "자유 단부")은 제 1 에지(51)의 내부 면(61)이 센터 벽 섹션(56)에 나란히 놓이도록 연장한다. 반경(CR1)과 연관된 둥글게 된 코너(62)(빔의 앞면 상에서 제 4 및 제 5 벽 섹션들(56, 57)에 의해 형성된)는 맞물리고 제 1 관을 영구적으로 설정하도록 용접된다.
빔(50)에서, 제 2 에지(52)는 또한 반경(CR1)과 유사한 반경을 형성하기 위해 안쪽으로 변형되지만(예시된 빔에서는 약 3㎜ 내지 4㎜와 같은), 그것의 말단 팁(52')은 센터 벽 섹션(56)과 나란히 연장한다. 반경(CR1)은 맞물리고 제 4 벽 섹션(56) 및 제 3 벽 섹션(55)에 의해 형성된 연관된 둥글게 된 코너(64)에 용접된다. 예시된 빔(50)은 일반적으로 직사각형인 단면을 가지고, 그것의 중심 레그가 그러한 직사각형을 인접한 동일한 크기의 제 1 관 및 제 2 관으로 분할한다. 이러한 단면은 우수한 휨 강성도, 비틀림 강성도, 및 비교적 높은 강도-대-무게 비를 제공하는 것으로 밝혀졌다.
예시된 제 1 벽 섹션(53)은 제 1 벽 섹션(53)을 더 보강하고, 그에 따라 빔의 앞면을 보강하며 제 1 관 섹션을 보강하는 채널 리브(65)(즉, 때때로 "파워 리브"라고도 하는 내부로 형성된 함몰부)를 포함한다. 예시된 채널 리브(65)는 일반적으로 제 1 벽 섹션(53)을 따라 집중되고 제 1 벽 섹션(53)의 폭의 약 10% 내지 40%(또는 더 바람직하게는 폭의 약 20% 내지 30%)의 폭 직경을 가지고, 그것의 폭 직경과 대략 같은 깊이를 가진다. 제 5 벽 섹션(57)은 또한 제 5 벽 섹션(57)을 보강하는 채널 리브(66)(크기, 모양, 및 위치에 있어서 리브(65)와 유사한)를 포함하고, 그에 따라 빔의 앞면과 제 2 관 섹션을 보강한다. 제 1 에지(51)와 팁(51A) 및 제 2 에지(52)와 팁(52A)에 의해 형성된 반경(CR1)은 그로 인해 형성된 각각의 관들 내부에 위치한 중심점을 가진다. 예시된 채널 리브들의 바닥들은 반원 형태를 하고 있다. 그렇지만, 채널 리브들의 깊이 및 크기는 얕게, 깊게, 넓게, 좁게, 바닥이 편평하게, 또는 빔의 특정 기능상 요구 조건들을 만족시키기 위해 수정될 수 있음이 예측된다.
특히, 에지들(51, 52)의 둥글게 된 모양과 짝을 이루는 코너들은 그것들이 역시 빔(50)을 보강하는 균열 리브(crevice rib)를 형성하게 하여, 채널 리브들(65, 66)과는 완전히 다른 방식으로 빔(50)의 앞뒤 벽들/면들을 안정화시킨다. 빔의 앞면 상에는, 앞 에지(51)의 둥글게 된 모양에 의해 형성된 균일 리브 및 연관된 코너가 2개의 채널 리브(56)와 결합하여, 빔(50)의 면 상에 3개의 리브를 효과적으로 형성하고, 이들 3개의 리브 각각은 빔의 휨 강도 및 비틀림 강도를 보강한다. 실험을 통해 빔의 강성도는 빔을 제작하기 위해 더 넓은 시트를 필요로 하는 채널 립들 덕택에, 추가된 임의의 추가적인 재료 무게를 상쇄하기에 충분하도록 증가될 수 있다는 점을 발견하였다. 균일 리브는 일반적으로 센터 벽과 정렬되고, 그것이 규정하는 공동은 시트의 재료의 단면 두께보다 대략 3 내지 4배 정도 깊다. 특히, 예시된 균일 리브의 공동은 약 0.8㎜ 내지 1.2㎜의 시트 재료 두께에 기초하여, 대략 3㎜ 내지 4㎜의 깊이를 가진다. 레이저 용접은 재료가 먼저 접촉하게 되는 균열의 바닥에 위치한다.
용접들(70, 71)은 레이저 용접기(72, 73)(도 3)를 사용하여 만들어지게 됨이 예측된다. 본 발명의 용접기(72, 73)들은 단일 스테이션(S33)에 위치하고, 이러한 단일 스테이션(S33)은 공간 이용, 배선, 및 공정 제어 측면에서 상당한 장점을 제공한다. 용접들(70, 71)(도 3)은 균열에서의 외측으로 인접하는 재료에서 형성되어, 그러한 용접들이 제 1 에지와 제 2 에지의 말단 단부들(즉, "자유 단부들")로부터 예컨대, 약 4㎜, 또는 잠재적으로는 약 2㎜까지 약간 이격되어 있다. 예시된 시트 재료의 만곡되고 인접하는 상호 맞물림은 관대하고, 선 접촉 및 용접 동작에 악영향을 주지 않고 용접 정착물 내에서의 일부 치수 변화 및 치수 제어를 허용하는 것으로 발견되었다. 비록 본 발명의 용접기들(72, 73)이 단일 스테이션(S33)에 위치할지라도, 그것들은 만약 요구된다면 또는 특정 응용예가 요구한다면 롤 형성기 장치를 따라 존재하는 별개의 스테이션들에 위치할 수 있다는 점이 예측된다.
특히, 단면 프로파일을 포함하는 빔과, 용접들(70, 71)은 대칭적이다. 이는 롤 형성과 제작 동작들 동안, 빔이 균일하게 똑바로 되게 유지하는데 크게 도움을 준다(균형이 이루어지지 않은 용접 가열들 및 재료(수축/이동)로 인한 스네이킹(snaking) 및 비선형 휨을 회피하는데 도움을 준다). 롤 형성 분야의 당업자라면 형성 공정이 단계들(S1 내지 S33)(도 4) 각각에서 얼마나 잘 균형을 이루고 있는지를 인지하게 된다. 특히, 롤 형성 제작 및 디자인에 있어서의 당업자라면 단계(S7)에서 센터 벽의 수직의 가치, 또한 단계(S21)에서의 외부 벽들의 수직의 가치, 및 그로 인해 촉진된 롤 형성 단계들의 최소화를 인지하게 된다.
범퍼 보강 빔(40)에 관한 센터 벽 섹션(56)을 구비한 관 모양의 보강 빔(50)을 제작하는 관련된 방법은(도 3에서의 롤 형성기와, 도 1 및 도 2에서의 빔을 참조하라)은, 제 1 에지(51) 및 제 2 에지(52)(도 2)와 그들 사이에서 순차적으로 연장하는 7개의 벽 섹션(53 내지 59)들을 포함하는 시트(49)를 제공하는 단계(도 3 참조); 센터 벽을 나머지 재료에 수직인 배향으로 구부리는 단계(단계들 S2 내지 S7 참조), 에지 팁들을 구부리는 단계(단계 S3 내지 S7), 및 채널 리브들(65, 66)을 형성하는 단계(단계들(S3 내지 S9)에서 시작되어 단계들(S10 내지 S12)에서 채널 리브들을 완료하는), 제 1 내지 제 4 벽 섹션들(53 내지 56)을 구부려 제 1 관을 형성하고, 제 4 내지 제 7 벽 섹션들(56 내지 59)을 구부려서 인접하는 제 2 관을 형성하는 단계(단계들(S3 내지 S21)에서 반쯤 형성되고 단계들(S22 내지 S33)에서 동일하게 완료되는); 용접 정착물(도 7 및 도 8 참조)에서 연속하는 빔의 정확한 단면 모양을 유지하면서, 연관된 둥글게 된 코너(64)에 제 2 에지(52)를 용접시키고 제 1 에지(51)를 연관된 둥글게 된 코너(62)에 용접시키는 단계; 스위핑(sweeping) 스테이션에서 종방향으로 만곡된("굴곡된") 모양으로 연속하는 빔을 변형하는 단계; 및 개별 범퍼 보강 빔들을 형성하기 위해 컷오프(cutoff) 스테이션에서 빔 세그먼트들을 길이로 절단하는 단계를 포함한다.
특히, 제 1 벽 섹션(53)에서의 채널 리브(65)와 제 5 벽 섹션에서의 채널 리브(66)가 빔 앞의 중심(센터 벽 위)에서 균열과 결합하여, 빔의 한 면 상에 3개의 채널 리브 형성을 제공한다. 이는 전술한 바와 같이, 빔에서의 우수한 강도 비틀림 및 휨 강도를 제공한다. 특히, 실험을 통해 빔의 한 면에 안정성을 제공하는 채널들 및 리브들은 충격 강도들을 상당히 개선할 수 있고, 예기치 않은 놀라운 결과인 빔 무게의 증가 없이, 증가된 충격 강도의 일관성(그리고 에너지 흡수 능력의 일관성)을 제공할 수 있다. 충격 강도에 있어서의 개선은 몇 가지 인자들에 기인한다. 예를 들면, 본 발명의 빔의 무게는 채널 리브들을 가지지 않은 유사한 크기를 가지는 빔에 걸쳐 증가되지 않는데, 이는 본 발명의 빔이 더 얇은 시트 재료를 사용하면서, 여전히 유사하거나 개선된 충격 테스트 결과를 제공하기 때문이다. 특히, 더 얇은 재료들은 얇은 시트 재료에 대한 충격 동안에 발생하는 동력들로 인해 예측할 수 없게/시기 상조로 비틀리고 비극적으로 붕괴되는 경향이 있을 수 있어, 실험하는 동안 잠재적으로 충격 강도들의 변하기 쉬운 정도와 일관적이지 못한 정도를 증가시킨다. 하지만, 본 발명의 빔의 앞에 있는 채널 리브들과 균열 리브는 빔의 관 모양 구조를 안정화시키는데 도움을 주어, 더 얇은 시트 재료가 사용될 때에도 개선된 테스트 결과들을 제공한다. 이러한 개선 사항은 채널 리브들과 균열 리브가 빔의 면에 있다라고 가정하면 예상되지 않았다. 그렇게 예상되지 않은 이유는 면에 위치한 채널 리브들과 균열 리브들이 일부 시트 재료로 하여금 휨 모멘트의 중심선에 안쪽으로 더 가깝게(그러한 중심선으로부터 더 멀리 떨어져 있기보다는) 위치하게 하기 때문이다. 특히, 휨 모멘트의 중심선에 더 가깝게 위치한 재료는 빔의 휨 모멘트에 덜 기여하고 따라서 빔에 관한 관성의 휨 모멘트를 잠재적으로 감소시킨다. 하지만, 충격의 동력으로 인해, 빔 벽들의 안정성이 빔 충격 성능에 매우 중요할 수 있다. 또한, 일부 범퍼 테스팅은 수직으로 균형이 이루어지지 않은 비틀림 힘들(테스트 충격기 장치가 그것의 중심선보다 높게 빔을 때릴 때와 같은)을 야기한다.
범퍼 보강 빔(40)에 관한 센터 벽 섹션(56)을 구비한 관 모양의 보강 빔(50)을 제작하기 위한 관련된 장치(88)(도 3)는, 인-라인(in-line) 스윕 스테이션(90) 및 컷오프(91)를 구비한 롤 밀(roll mill)(89)을 포함한다. 롤 밀(89)은 제 1 및 제 2 에지들(51, 52)과, 2개의 에지 사이에서 순차적으로 연장하는 7개의 벽 섹션들(53 내지 59)을 포함하는 시트(49)를 형성하도록 구성된 롤들을 포함한다. 이 롤들은 일반적으로 중심 레그로부터 수직으로 연장하는 시트의 외부 윙(wing)들을 구비한 중심 레그를 형성하도록 위치가 정해진 롤들의 세트들을 구비한 롤 형성 스테이션들(92)의 제 1 영역을 포함한다. 롤 형성 스테이션들(92)의 제 1 영역은 또한 시트의 둥글게 된 에지들을 형성한다. 롤 형성 스테이션들(92')의 제 2 영역은 제 1 관을 형성하기 위해 제 1 내지 제 4 벽 섹션들(53 내지 56)을 구부리고, 인접한 제 2 관을 형성하기 위해 제 4 내지 제 7 벽 섹션들(56 내지 59)을 구부리도록 구성되고 위치가 정해진 롤 세트들을 포함하고, 이 경우 단일 중심 레그는 양쪽 관에 공통이다. 제 1 용접기(72)와 제 2 용접기(73)는 둥글게 된 코너(62)의 연관된 내부 면으로 제 1 에지(51)를 용접시키고, 연관된 둥글게 된 코너(64)에 제 2 에지(52)를 용접시키도록 위치가 정해진다. 제 1 용접기(72)는 빔 위에 위치하고, 제 2 용접기(73)는 빔 아래에 위치하며, 빔의 레이저 빔은 아래에 설명되는 바와 같이 일정한 각도로 배향된다.
본 발명의 장치는 형성 롤들을 지지하는 수평 축들을 구비한 롤 밀을 이용할 수 있거나, 대안적으로 형성 롤들을 지지하는 수직 축들을 구비한 롤 밀을 이용할 수 있다는 점이 주목된다. 수직 축 밀에서는, 레이저 용접기가 잠재적으로 빔의 마주보는 측들로부터 또는 빔의 부분적으로 위에서 동작하게 된다. 수직 축 롤 밀의 장점은 부스러기 및 쓰레기가 용접 장소로부터 멀리 떨어지도록 하기 위해 중력이 사용될 수 있다는 점인데, 이는 용접기가 용접 옆 및/또는 위에서 벗어나 위치하기 때문이다. 수평 축 롤 밀에서, 레이저들은 빔에 대해 상부 위치 및 바닥 위치로부터 동작한다. 용접기들 중 하나의 바닥 위치는 잠재적으로 부스러기가 떨어진다는 문제점을 야기하지만, 이러한 문제는 아래에 논의된 바와 같이, 본 발명에 의해 해결된다.
도 3 및 도 4에서 예시된 버전에 의해 도시된 것처럼, 장치는 동시에 행해지는 용접으로 단일 스테이션에서 2가지 용접 모두가 이루어지도록 바람직하게 구성된다. 첫 번째 용접기(72)는 용접 위치 위에 위치하고, 두 번째 용접기(73)는 용접 위치 아래에, 하지만 그러한 용접 위치의 상당히 업스트림(또는 다운스트림)에 위치한다. 바닥 용접기는 용접기가 날리고 떨어지는 부스러기에 의해 불리하게 영향을 받지 않도록 위치가 정해지고 차폐된다. 예를 들면, 예시된 바닥 용접기는 수직으로부터 15°만큼 실제 용접 장소의 업스트림에 위치한다. 또한, 필요하다면(용접 위치로부터의 레이저 빔 발생 장치의 거리에 따라), 용접으로부터 레이저 발생 장치를 물리적으로 차폐시키기 위해 차폐물이 사용될 수 있다. 예시된 차폐물은 위치가 정해진 물리적인 장벽이어서, 레이저 빔(선을 규정하는)과 간섭하지 않지만, 레이저 발생 장치는 떨어지는 부스러기로부터 보호된다(부스러기가 처음에 옆으로 이동한 다음 그것이 떨어지는 경로의 단부 쪽으로 중력에 의해 떨어지기 때문에 호(arc)를 규정하는 경향이 있다). 차폐물이 또한 지향된 공기 스트림에 의해 제공된 공기 차폐물을 포함한다는 점이 예측된다. 특히, 레이저 용접기 빔의 초점 길이는 36인치까지 이를 수 있고, 레이저 빔은 기체(CO2), 고체 상태, 섬유(fiber), 또는 디스크와 같은 몇 가지 상이한 타입 중 임의의 것일 수 있다.
도 4에 도시된 단계들에서는, 처음 몇 단계들(S1 내지 S7)에서 중심 레그가 처음에 시트의 중심으로부터 수평 면(롤 형성기의 선 레벨을 따라 연장하는)에 대해 수직인 배향까지 형성된다는 점이 주목된다. 이는 시트를 고정시키고 롤 형성 공정에서 시트가 집중되게 유지시켜, 형성 공정 동안 시트가 옆으로 빗나가거나 미끄러지는 경향을 제거(또는 크게 감소)시킨다. 본 발명의 시트의 높은 강도 특성과, 그것의 두께 및 폭으로 인해, 롤 형성 공정 동안 많은 측면 힘들이 발생된다는 점이 주목된다. 중심 레그를 수직인 상태로 먼저 형성함으로써, 시트의 측면 위치의 제어가 훨씬 더 쉬워지고 더 본질적으로 제어되거나 제어 가능하게 된다. 또한, 반경들은 단계들(S1 내지 S7)에서 시트의 에지들 내로 형성된다. 이후, 인접하는 관들이 공통 중심 레그의 반대측 상에 형성된다. 도 4에서의 본 발명의 공정에서의 결과로서, 290ksi+의 인장 강도를 가지는 시트를 형성할 때에도, 롤 형성 단계들의 개수가 33개의 단계들(도 4 참조)까지 적게 감소될 수 있고, 이는 알려진 방법들로부터 극적이고, 놀라우며 예기치 못한 개선으로 간주된다. 특히, 더 적은 개수의 형성 단계들은 매우 유익할 수 있는데, 이는 단계 수의 감소가 연장 세공(tooling) 비용들을 줄이고(즉, 더 적은 개수의 형성 롤들만이 필요하다), 롤 형성 장치의 길이를 줄이며(즉, 더 적은 개수의 롤 형성 스테이션들), 총체적인 처리 시간을 줄일 수 있기 때문이다(즉, 처음의 편평한 시트로부터 2배의 관 빔 모양까지의 더 짧은 사이클 시간).
도 5는 균열부(80)를 추적하고 제어하기 위해 사용된 심(seam) 추적 디스크(90')를 예시한다(도 5에서, 디스크(90')는 분해되어 있지만, 디스크가 빔(50)과 물리적으로 맞물리게 되고 균열부를 따라가게 되는 것이 예측된다). 디스크(90')는 용접 공정을 촉진하기 위해 균열부(80)의 골짜기를 따라간다. 특히, 디스크(90')는 피자 커터(pizza cutter)를 닮은 회전하는 디스크이고, 이는 연속적인 용접 심에 관한 영역 내부에 얹혀 움직인다. 레이저 용접기는 용접 골짜기에서 그러한 디스크로부터 벗어나 위치한다. 예시한 바와 같이, 디스크(90')는 빔(50)의 상부 및 바닥 모두에서 균열을 추적하기 위해 사용될 수 있다.
도 6은 도 2와 유사하지만 관들이 상이한 폭을 가지는 수정된 빔(50A)의 단면이다. 특히, 빔(50A)의 하나의 관은 나머지 관의 폭의 약 2배가 된다. 하지만, 그것들은 공통 센터 벽을 공유한다. 또한, 그것들은 모두 유사한 크기 및 모양을 가진 채널 리브를 가지고, 또한 중심 레그 위에 형성된 균열 리브가 존재한다. 빔(50A)에서는, 유사한 그리고 동일한 특징들, 특성들, 및 성분들은 동일하지만 문자("A"와 같은)를 가진 숫자들을 사용하여 식별된다. 이는 불필요한 논의를 감소시키기 위해 행해진다. 범퍼 보강 빔들과 관련된 제작 공정들의 당업자라면 빔(50A)이 빔(50)의 많은 특징들을 통합할 수 있고 통합하여, 빔(50A)에서의 숫자들의 개별 논의가 필요하지 않게 됨을 이해하게 된다.
도 3, 도 7 및 도 8은 용접 스테이션(100)의 끝과 롤 형성기로서 존재하는 용접 스테이션(100)을 보여준다. 도 7에서는, 시트가 이미 롤 형성기에서 형성된 것으로 도시되고, 이송 방향(D1)으로 이송되는 것이 도시되어 있다. 용접 박스 정착물(102)은 부분적으로 형성된 빔(50)을 따라 위치하고 있다. 상부 및 바닥 레이저 용접기들(103)은 용접 박스 정착물이 빔(50)의 목표로 정해진 접하는 재료를 때리는 그것들 각각의 레이저 빔들과 간섭하지 않는 위치에서 용접 스테이션에 위치하고 있다. 바닥 레이저 용접기(103)는 용접 박스 정착물(102)의 약간 업스트림에 위치하고, 그것의 용접 레이저(104)는 다운스트림 각도로 배향되어, 용접 레이저 빔(104)이 빔(101)의 접하는 재료를 가열 및 용접하기에 원하는 위치에서 빔(101)을 때리게 된다. 레이저는 레이저의 타입에 따라 36인치까지 될 수 있는 초점 길이를 가진다. 빔(101) 상에서 용접 위치로부터 레이저의 최소 거리는 존재하지 않는다. 예를 들면, 레이저 타입은 기체(CO2와 같은)이거나 고체 상태, 섬유, 또는 디스크 레이저 타입일 수 있다는 점이 예측된다. 강화 빔(101)에 대한 레이저(104)의 최대 각도(A1)는 수직인 것으로부터(즉, 빔(50)의 일측에 수직인 것으로부터) 대략 15°이다. 필요하거나 바람직하다면, 용접 공정에서 부스러기로부터 레이저 소스(106)를 차폐시키기 위해 물리적인 차폐물(105)이 사용된다. 물리적인 차폐물(105)은 다운스트림 공기 나이프(air knife)들이거나 공기 제트(air jet)들일 수 있거나, 물리적인 패널(panel)을 포함할 수 있다.
조정 가능한 용접 박스 정착물(102)(도 8)은 용접 스테이션에 위치하고, 용접 단계 동안 롤 형성된 빔의 최종 모양을 설정하고 보유하기 위해 설계된다. 예시된 조정 가능한 정착물(102)은 외부 스틸 박스 프레임(110), 상부 및 바닥 외부 맨드릴들(111, 112), 및 액추에이터들(115, 116)에 의해 내부로 가압되는 조정 가능한 옆 외부 맨드릴들(113, 114)을 포함한다. 액추에이터들은 동적이거나 능동적일 수 있거나(유압 실린더들과 같은), 용접 박스 정착물(102) 내의 외부 맨드릴들의 바라는 모양을 유지하기 위해 원하는 양만큼의 내부 압력을 제공하도록 조정될 수 있는 나삿니가 있는 볼트들과 같이, 조정 가능하거나 수동적일 수 있다는 점이 예측된다. 프레임(110)을 통해 액추에이터(115)로부터 외부 맨드릴(111)에 부착되는 위치까지 연장하는 2개의 로드(rod)가 도시되어 있다. 하지만, 대안적으로 연결되고 움직이는 배치들이 구성될 수 있음이 예측된다.
내부 맨드릴들(117, 118)은 2중 관 빔(120)의 관들(121, 122) 각각에 위치하고, 시트가 캐이블들(123, 124)(도 8)을 보유하기 위해 고정 기둥(125)(도 3)의 위치를 정하기에 충분히 옆으로 개방되는 롤 형성기 상에 위치한 업스트림 고정 기둥(125)까지 연장하는 케이블들(123, 124)에 의해 고정된다. 빔(50)이 예시되어 있지만, 그러한 빔이 빔(50A)이거나 또 다른 수정된 빔일 수 있다는 점이 예측된다. 예시된 내부 맨드릴들(117, 118)은 각각 스프링(128)(예컨대, 유압, 기계적인, 또는 다른 스프링)에 의해 개별적으로 바이어스된 마주보는 맨드릴 절반부(126, 127)들을 구비한 쪼개진 맨드릴들이다. 내부 맨드릴(118)은 또한 유압 스프링(132)에 의해 떨어지게 바이어스된 마주보는 맨드릴 절반부(130, 131)들을 포함한다. 하지만, 어떤 상황 하에서는, 한 조각으로 된 단단한 내부 맨드릴이 각 측에서 사용될 수 있다는 점이 예측된다. 레이저 접근 개구가 정착물 박스 프레임(110)과 외부 맨드릴들(111, 112)에 제공되고, 그러한 경우 예시된 레이저 접근 개구(129)는 박스 프레임(110)의 바닥 및 상부를 통해, 그리고 상부 및 바닥 외부 맨드릴들(111, 112)을 통해 레이저 빔에 관한 접근을 제공한다.
내부 바이어싱(inward-biasing) 액추에이터들(115, 116)과 외부 맨드릴들(113, 114)과 결합된 내부 스프링들(128, 132)과 쪼개진 내부 맨드릴들(117, 118)은, 정착물로 하여금 빔(101)이 용접 스테이션(100)을 통과하고 용접될 때, 빔(101)의 바라는 외부 모양을 유지하게 한다. 특히, 상부 외부 맨드릴(111)과 옆 외부 맨드릴들(113, 114)의 상부 사이에 규정된 미끄럼 면(P1)이 존재한다. 또한, 바닥 외부 맨드릴(112)과 옆 외부 맨드릴들(113, 114)의 바닥 사이에 규정된 미끄럼 면(P2)이 존재한다. 미끄럼 면(P1)은 빔(101)의 앞면과 정렬되고, 중심 레그의 앞의 둥글게 된 단부의 팁의 외부로 향하는 면에 의해 부분적으로 규정되며, 미끄럼 면(P2)은 빔(101)의 뒤면으로 정렬되고 중심 레그의 뒤의 둥글게 된 단부의 팁의 외부로 향하는 면에 의해 부분적으로 규정된다. 용접 스테이션에서, 용접 정착물의 내부 맨드릴과 외부 맨드릴로부터의 압력은 시트 재료가 미끄럼 면들(P1, P2)을 따라 정확한 알려진 위치까지 움직이고 변형되게 한다. 이는 용접 공정 전에(및 용접 공정 동안에) 빔의 단면 모양의 정확성 및 수치 일관성을 개선한다. 또한, 이러한 배치에 용접들이 일어나게 되는 접하는 면들 상의 압력이 최적의 용접 조건을 위해 더 정확하고 일관성 있게 제어될 수 있다.
본 발명의 개념들로부터 벗어나지 않으면서 전술한 구조에 대한 변형예 및 수정예가 만들어질 수 있음이 이해되어야 하고, 또한 그러한 개념들은 이어지는 청구항들에 의해, 이들 청구항들이 그것들의 언어에 의해 일부러 달리 기술하지 않는 한, 포함되는 것으로 의도됨이 이해되어야 한다.
배타적인 특성 또는 특권이 주장되는 본 발명의 실시예들이 아래와 같이 규정된다.

Claims (21)

  1. 4개의 외부 벽과 마주보는 2개의 벽 사이에서 연장하는 공통 중심 레그를 가지는 연속 빔이 되도록 시트를 형성하기 위한 장치로서,
    상기 4개의 외부 벽은 직사각형의 단면을 규정하며, 상기 공통 중심 레그는 상기 직사각형 단면을 제 1 인접 관 및 제 2 인접 관으로 분할하고, 상기 공통 중심 레그는 각각 상기 공통 중심 레그에 수직인 미끄럼 면(slip plane)을 규정하는 둥글게 된 단부를 가지며, 상기 시트는 상기 둥글게 된 단부에 접하는 에지를 가지고,
    공통 중심 레그와 4개의 외부 벽을 구비한 연속 빔이 되도록 시트를 형성하기 위한 롤러를 구비한 롤 형성 스테이션을 가지는 롤 형성기를 포함하고, 상기 롤 형성기는 용접기와 용접 박스 정착물(fixture)을 구비한 용접 스테이션을 가지고, 상기 용접 박스 정착물은 정착물 프레임과, 상기 정착물 프레임에 의해 지지되고 상기 4개의 외부 벽을 바라는 정확한 모양으로 지지하는 외부 맨드릴(mandrel)을 포함하며, 상기 외부 맨드릴 중 2개는 이동 가능하고 마주보고 있으며, 상기 4개의 외부 벽 중 연관된 마주보는 것과의 맞물림으로 마주보는 하나의 외부 맨드릴을 바이어스하기 위해 2개의 마주보는 외부 맨드릴 중 적어도 하나에 동작 가능하게 연결된 적어도 하나의 액추에이터(actuator)를 가지고,
    업스트림 앵커(anchor) 라인에 의해 지지되는 상기 제 1 인접 관 및 상기 제 2 인접 관 각각에서 내부 맨드릴을 포함하여, 상기 내부 맨드릴이 상기 외부 맨드릴에 인접한 채로 남아 있으며,
    이로 인해, 상기 내부 맨드릴 및 상기 외부 맨드릴은, 상기 적어도 하나의 액추에이터의 바이어스와 결합하여, 상기 용접기의 용접 공정 동안 상기 용접 박스 정착물에 있을 때 상기 시트 재료의 움직임과 휨(flexure)에 의해 상기 연속 빔의 모양을 제어하는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 액추에이터는 조정 가능한 나삿니가 있는 부재를 포함하는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 맨드릴은 각각 마주 보는 절반부(halves)와, 외부 맨드릴 및 상기 액추에이터의 힘에 대항하여 상기 마주 보는 절반부를 떨어지게 바이어스하는 스프링을 가지는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  4. 4개의 외부 벽과 마주보는 2개의 벽 사이에서 연장하는 공통 중심 레그를 가지는 연속 빔이 되도록 시트를 형성하기 위한 장치로서,
    상기 4개의 외부 벽은 직사각형의 단면을 규정하며, 상기 공통 중심 레그는 상기 직사각형 단면을 제 1 인접 관 및 제 2 인접 관으로 분할하고, 상기 공통 중심 레그는 각각 상기 공통 중심 레그에 수직인 미끄럼 면을 규정하는 둥글게 된 단부를 가지며, 상기 시트는 상기 둥글게 된 단부와 접하는 에지를 가지고,
    공통 중심 레그와 4개의 외부 벽을 구비한 연속 빔이 되도록 시트를 형성하기 위한 롤러를 구비한 롤 형성 스테이션을 가지는 롤 형성기를 포함하고, 상기 롤 형성기는 용접기와 용접 박스 정착물을 구비한 용접 스테이션을 가지고, 상기 용접 박스 정착물은 정착물 프레임과, 상기 정착물 프레임에 의해 지지되고 상기 4개의 외부 벽을 바라는 정확한 모양으로 지지하는 외부 맨드릴을 포함하며, 상기 외부 맨드릴 중 2개는 이동 가능하고 마주보고 있고, 상기 마주보는 외부 맨드릴을 상기 4개의 외부 벽 중 연관된 마주보는 외부 벽과 맞물리도록 이동시키기 위해 2개의 마주보는 외부 맨드릴에 동작 가능하게 연결된 적어도 하나의 액추에이터를 포함하고, 상기 외부 맨드릴 중 나머지는 고정되고 마주보게 되어, 상기 나머지 2개의 외부 맨드릴이 2개의 마주보는 벽 사이의 거리를 고정시키고, 상기 2개의 마주보는 벽 사이에서는 상기 공통 중심 레그가 연장하며,
    이로 인해, 상기 외부 맨드릴이 상기 시트 재료의 휨과 움직임에 의해 상기 연속 빔의 모양을 제어하여, 상기 용접기의 용접 공정 동안 상기 용접 박스 정착물에 있을 때 정확한 모양을 유지시키는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  5. 4개의 외부 벽과 마주보는 2개의 벽 사이에서 연장하는 공통 중심 레그를 가지는 연속 빔이 되도록 시트를 형성하기 위한 장치로서,
    상기 4개의 외부 벽은 직사각형 단면을 규정하며, 상기 공통 중심 레그는 상기 직사각형 단면을 제 1 인접 관 및 제 2 인접 관으로 분할하고, 상기 공통 중심 레그는 각각 상기 공통 중심 레그에 수직인 미끄럼 면을 규정하는 둥글게 된 단부를 가지며, 상기 시트는 상기 둥글게 된 단부와 접하는 둥글게 된 에지를 가지고,
    공통 중심 레그와 4개의 외부 벽을 구비한 연속 빔이 되도록 시트를 형성하기 위한 롤러를 구비한 롤 형성 스테이션을 가지는 롤 형성기를 포함하고, 상기 롤 형성기는 상부 용접기 및 바닥 용접기를 구비한 용접 스테이션 및 용접 박스 정착물을 포함하고, 상기 용접기는 상기 연속 빔 상의 상부 위치 및 하부 위치에서 상기 스테이션 내에서 동시에 용접함으로써, 상기 직사각형 단면을 영구적으로 고정하도록 상기 연속 빔을 용접하고,
    이로 인해, 용접이 단일 용접 스테이션에서 행해지고 다수의 용접 스테이션에서는 행해지지 않는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 용접은 상기 연속 빔의 측에서 그리고 한 번에 수행되는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 용접은 바닥 위치에서 상기 연속 빔을 용접하기 위해 바닥 레이저 용접기를 포함하고, 상기 바닥 레이저 용접기는 상기 연속 빔을 용접하기 위해 상기 연속 빔과 맞물리기 위해 수직으로부터 각이 진 빔을 발생시키는 레이저 발생 장치를 포함하는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 단일 용접 스테이션은 상기 연속 빔에서 형성된 균열을 따라 상기 연속 빔을 용접하도록 적응된 레이저 발생 레이저 빔을 포함하는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    용접 박스 정착물을 포함하고, 상기 용접 박스 정착물은 상기 용접 박스 정착물에서 상기 연속 빔의 바라는 모양을 유지하는 내부 맨드릴과 외부 맨드릴을 포함하는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  10. 4개의 외부 벽과 마주보는 2개의 벽 사이에서 연장하는 공통 중심 레그를 가지는 빔이 되도록 시트를 형성하기 위한 장치로서,
    상기 4개의 외부 벽은 직사각형 단면을 규정하며, 상기 공통 중심 레그는 상기 직사각형 단면을 제 1 인접 관 및 제 2 인접 관으로 분할하고, 상기 공통 중심 레그는 각각 상기 공통 중심 레그에 수직인 미끄럼 면을 규정하는 둥글게 된 단부를 가지며, 상기 시트는 상기 둥글게 된 단부와 접하는 둥글게 된 에지를 가지고,
    상기 시트의 공통 중심 레그와 상기 시트의 아웃보드 윙(wing)을 형성하는 롤러의 제 1 세트를 구비한 제 1 롤 형성 스테이션을 가지는 롤 형성기를 포함하고, 상기 아웃보드 윙은 상기 공통 중심 레그에 수직으로 연장하고 상기 둥글게 된 단부에 의해 상기 공통 중심 레그와 만나는 상기 공통 중심 레그에 인접한 부분을 가지며, 상기 아웃보드 윙은 또한 그 위에 형성된 둥글게 된 에지를 가지고,
    상기 롤 형성기는 상기 아웃보드 윙을 제 1 관과 제 2 관으로 형성하는 롤러의 추가적인 세트를 구비한 추가적인 롤 형성 스테이션을 더 포함하는데, 상기 공통 중심 레그는 상기 제 1 관 및 제 2 관 각각의 부분을 형성하는 공통 벽이며,
    상부 용접기와 바닥 용접기가 상기 둥글게 된 에지를 상기 둥글게 된 단부까지 용접하는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  11. 4개의 외부 벽과 마주보는 2개의 벽 사이에서 연장하는 공통 중심 레그를 가지는 연속 빔이 되도록 시트를 형성하기 위한 장치로서,
    상기 4개의 외부 벽은 직사각형의 단면을 규정하며, 상기 공통 중심 레그는 상기 직사각형 단면을 제 1 인접 관 및 제 2 인접 관으로 분할하고, 상기 공통 중심 레그는 각각 상기 공통 중심 레그에 수직인 미끄럼 면을 규정하는 둥글게 된 단부를 가지며, 상기 시트는 상기 둥글게 된 단부와 접하는 에지를 가지고,
    공통 중심 레그와 4개의 외부 벽을 구비한 연속 빔이 되도록 시트를 형성하기 위한 롤러를 구비한 롤 형성 스테이션을 가지는 롤 형성기를 포함하고, 상기 롤 형성기는 용접기와 용접 박스 정착물을 구비한 단일 용접 스테이션을 가지고, 상기 용접 박스 정착물은 정착물 프레임과, 상기 용접 박스 정착물에서 상기 4개의 외부 벽을 바라는 정확한 모양으로 지지하는 내부 맨드릴을 포함하며, 상기 내부 맨드릴 중 2개는 이동 가능하고 마주보고 있으며, 내부 맨드릴 부분을 상기 4개의 외부 벽 중 연관된 마주보는 외부 벽과 맞물리도록 이동시키기 위해 각각의 내부 맨드릴의 마주보는 부분에 연결된 바이어싱 장치와 공통 중심 레그를 포함하여, 2개의 마주보는 벽 사이의 거리를 고정시키고, 상기 2개의 마주보는 벽 사이에서는 상기 공통 중심 레그가 연장하며,
    이로 인해, 상기 내부 맨드릴이 상기 시트 재료의 휨과 움직임에 의해 상기 연속 빔의 모양을 제어하여, 상기 용접기의 용접 공정 동안 상기 용접 박스 정착물에 있을 때 정확한 모양을 유지시키는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 바이어싱 장치는 스프링을 포함하는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  13. 4개의 외부 벽과 마주보는 2개의 벽 사이에서 연장하는 공통 중심 레그를 가지는 연속 빔이 되도록 시트를 형성하기 위한 장치로서,
    상기 4개의 외부 벽은 직사각형의 단면을 규정하며, 상기 중심 레그는 상기 직사각형 단면을 제 1 인접 관 및 제 2 인접 관으로 분할하고, 상기 공통 중심 레그는 각각 상기 공통 중심 레그에 수직인 미끄럼 면을 규정하는 둥글게 된 단부를 가지며, 상기 시트는 상기 둥글게 된 단부와 접하는 둥글게 된 에지를 가지고,
    공통 중심 레그와 4개의 외부 벽을 구비한 연속 빔이 되도록 시트를 형성하기 위한 롤러를 구비한 롤 형성 스테이션을 가지는 롤 형성기를 포함하고, 상기 롤 형성기는 용접기와 용접 박스 정착물을 구비한 단일 용접 스테이션을 가지고, 상기 용접기는 상기 직사각형 단면을 영구적으로 고정하기 위해 상기 연속 빔을 용접하기 위한 상방으로 각이 진 레이저 빔을 발생시키고 상기 용접 박스 정착물로부터 업스트림 또는 다운스트림 위치에서 상기 연속 빔 아래에 위치하여, 상기 레이저 빔이 상기 둥글게 된 단부 중 하나와 접하는 둥글게 된 에지 중 하나에 의해 형성된 아래로 향하는 균열 내에서 용접하고,
    이로 인해, 상기 용접기는 아직 떨어지는 부스러기로부터 멀리 위치하는 상기 연속 빔 아래의 위치로부터 상기 연속 빔을 용접하는, 시트를 형성하기 위한 장치.
  14. 방법으로서,
    4개의 외부 벽과 마주보는 2개의 벽 사이에서 연장하는 공통 중심 레그를 가지는 연속 빔이 되도록 시트를 롤 형성하는 단계로서, 상기 4개의 외부 벽은 직사각형의 단면을 규정하며, 상기 중심 레그는 상기 직사각형 단면을 제 1 인접 관 및 제 2 인접 관으로 분할하고, 상기 공통 중심 레그는 각각 상기 공통 중심 레그에 수직인 미끄럼 면을 규정하는 둥글게 된 단부를 가지며, 상기 시트는 상기 둥글게 된 단부와 접하는 에지를 가지는 상기 롤 형성 단계와,
    용접 박스 정착물에서 상기 연속 빔의 위 및 아래에 있는 용접기를 사용하여 4개의 외부 벽과 공통 중심 레그를 구비한 상기 연속 빔을 영구적으로 형성하기 위해 상기 시트를 용접하는 단계로서, 상기 용접 박스 정착물은 정착물 프레임과, 상기 정착물 프레임에 의해 지지되고 상기 4개의 외부 벽을 바라는 정확한 모양으로 지지하는 외부 맨드릴과 내부 맨드릴을 포함하며, 상기 외부 맨드릴 중 2개는 이동 가능하고 마주보고 있으며, 상기 4개의 외부 벽 중 연관된 마주보는 것과의 맞물림으로 마주보는 하나의 외부 맨드릴을 바이어스하기 위해 2개의 마주보는 외부 맨드릴 중 적어도 하나에 동작 가능하게 연결된 적어도 하나의 액추에이터를 가지는, 상기 용접 단계를 포함하는 방법.
  15. 방법으로서,
    4개의 외부 벽과 마주보는 2개의 벽 사이에서 연장하는 공통 중심 레그를 가지는 연속 빔이 되도록 시트를 형성하는 단계로서, 상기 4개의 외부 벽은 직사각형의 단면을 규정하며, 상기 중심 레그는 상기 직사각형 단면을 제 1 인접 관 및 제 2 인접 관으로 분할하고, 상기 공통 중심 레그는 각각 상기 공통 중심 레그에 수직인 미끄럼 면을 규정하는 둥글게 된 단부를 가지며, 상기 시트는 상기 둥글게 된 단부와 접하는 둥글게 된 에지를 가지는 상기 형성 단계;
    단일 용접 스테이션에 상부 용접기와 바닥 용접기, 및 용접 박스 정착물을 제공하는 단계;
    상기 상부 용접기와 상기 바닥 용접기를 사용하여, 상기 연속 빔 상의 상부 위치 및 하부 위치에서 상기 단일 용접 스테이션 내에서 동시에 용접함으로써, 상기 연속 빔의 직사각형 단면을 영구적으로 고정하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 다수의 관 모양(multi-tubular) 보강 빔을 롤 형성하는 방법으로서,
    제 1 에지 및 제 2 에지와 제 1 내지 제 7 벽 섹션을 포함하는 시트에 센터 벽 섹션인 제 4 벽 섹션을 제공하는 단계;
    제 1 내지 제 3 벽 섹션 및 제 5 내지 제 7 벽 섹션에 수직인 배향으로 상기 센터 벽 섹션을 구부리는 단계;
    상기 센터 벽을 구부리는 상기 단계 후, 제 1 관을 형성하기 위해 제 1 내지 제 4 벽 섹션을 구부리고, 동시에 인접하는 제 2 관을 형성하기 위해 제 4 내지 제 7 벽 섹션을 구부림으로써 상기 센터 벽의 마주보는 측 상에 인접하는 관을 형성하면서 균형이 이루어진 롤 형성 동작을 유지하는 단계; 및
    상기 센터 벽 섹션 상에서 연관된 둥글게 된 코너에 상기 제 1 에지를 용접하고, 용접 정착물에서 연속 빔의 정확한 단면 모양을 유지하면서 상기 센터 벽 섹션 상에서 연관된 둥글게 된 코너에 상기 제 2 에지를 용접하는 단계를 포함하는, 롤 형성 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    반경을 규정하기 위해 상기 제 1 에지와 상기 제 2 에지를 구부리는 단계를 포함하는, 롤 형성 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    제 1 내지 제 7 벽 섹션 중 적어도 하나에서 채널 리브를 형성하는 단계를 포함하는, 롤 형성 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 용접 단계는 단일 용접 스테이션에서 상기 제 1 에지와 상기 제 2 에지를 동시에 용접하는 단계를 포함하는, 롤 형성 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    스위핑 스테이션에서 종방향으로 만곡된 스윕된 모양으로 상기 연속 빔을 변형시키고, 개별 범퍼 보강 빔을 형성하기 위해 컷오프 스테이션에서 빔 세그먼트를 길이로 절단하는 단계를 포함하는, 롤 형성 방법.
  21. 방법으로서,
    시트 금속의 단일 시트를 제공하는 단계;
    롤 형성기를 제공하는 단계;
    단일 공통 센터 벽의 마주보는 측 상에 형성된 인접하는 관을 가지도록 상기 롤 형성기를 사용하여 상기 단일 시트를 롤 형성하는 단계로서, 상기 롤 형성 단계는 센터 벽으로부터 연장하는 시트의 옆 부분에 수직이 되게 상기 센터 벽을 형성하는 제 1 단계와, 상기 옆 부분의 외부 에지가 상기 센터 벽의 연관된 구부러진 단부와 이웃하게 접촉하도록 상기 옆 부분을 형성하는 제 2 단계를 포함하여, 제 2 형성 단계를 수행하면서, 시트의 위치를 제어하는데 도움을 주기 위해 구부러진 단부를 사용하여 제 1 관 및 제 2 관을 형성하는, 상기 롤 형성 단계; 및
    연관된 구부러진 단부에 외부 단부를 용접하는 단계를 포함하는, 방법.
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