阅读说明：本技术 用于气体压力容器的管元件和气体压力容器 (Pipe element for gas pressure vessel and gas pressure vessel ) 是由 W·克里斯托夫利姆克 L·罗泽 M·韦尔波特 于 2019-03-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于机动车辆的气囊系统的气体压力容器的管元件,其中管元件(10)具有至少一个第一长度区段(100,101)和至少一个沿周向伸展的凹部(11),其特征在于,管元件(10)具有至少一个第二长度区段(102),该第二长度区段由凹部(11)形成,该凹部在该管元件(10)的圆周的至少一部分上延伸,该第二长度区段(102)位于两个第一长度区段(100,101)之间,在至少一个第一长度区段(100,101)中,该管元件(10)的外半径(A1)大于至少一个第二长度区段(102)的最小外半径(A2),该管元件(10)具有>920MPa的拉伸强度,该至少一个第二长度区段(102)中的管元件(10)的壁厚(W2)大于或等于该管元件(10)的至少一个第一长度区段(100,101)中的壁厚(W1),基于至少一个第一长度区段(100,101)的外半径(A1)计,该凹部(11)中的外半径(A2)的减少程度在5至35％范围内,和该管元件(10)由这样的材料组成,该材料除了铁和熔融过程决定的杂质以外,还以下述按重量百分比给出的范围包含以下合金元素：C 0.05-0.2％,Si≤0.9％,Mn 0.2-2.0％,Cr 0.05-2％,Mo<0.5％,Ni<1.0％,Nb 0.005-0.10％,Al<0.07％,Ti<0.035％,和B<0.004％。(The invention relates to a tube element for a gas pressure vessel of an airbag system of a motor vehicle, wherein the tube element (10) has at least one first length section (100, 101) and at least one circumferentially extending recess (11), characterized in that the tube element (10) has at least one second length section (102) which is formed by the recess (11) and which extends over at least a part of the circumference of the tube element (10), the second length section (102) being located between the two first length sections (100, 101), in the at least one first length section (100, 101) the outer radius (A1) of the tube element (10) being greater than the minimum outer radius (A2) of the at least one second length section (102), the tube element (10) having a tensile strength of >920MPa, the wall thickness (W2) of the tube element (10) in the at least one second length section (102) being greater than or equal to the at least one first length section (10) of the tube element (10) -the wall thickness (W1) in the degree section (100, 101), -the degree of reduction of the outer radius (a2) in the recess (11) is in the range of 5 to 35% based on the outer radius (a1) of at least one first length section (100, 101), and-the pipe element (10) consists of a material which, in addition to iron and melting process-dependent impurities, contains the following alloying elements in the following ranges given in weight percent: 0.05-0.2% of C, less than or equal to 0.9% of Si, 0.2-2.0% of Mn, 0.05-2% of Cr, less than 0.5% of Mo, less than 1.0% of Ni, 0.005-0.10% of Nb, less than 0.07% of Al, less than 0.035% of Ti and less than 0.004% of B.)

用于气体压力容器的管元件和气体压力容器

技术领域

本发明涉及用于气囊系统的气体压力容器的管元件以及具有这样的管元件的气体压力容器。

背景技术

在负载有高的压力的系统，例如在机动车辆的气囊系统中，要求使用能够承受所述压力的管元件。在气囊系统或者气囊模块中例如必须使用气体压力容器，所述气体压力容器例如构成气体发生器的壳体和/或构成反应室。这种气体压力容器和主要构成气体发生器的管元件尤其必须能够承受高的内部压力载荷。

出于该原因已知的是，将高强度材料用于气体压力容器的管元件。但是管元件同时必须具有这样的几何结构，所述几何结构例如允许附装或内置其它构件。例如，管元件为此可以在管周边上具有凹部。然而为了气体压力容器的安全运行需要所述气体压力容器无论引入的几何结构情况都不失效。

发明内容

本发明的任务在于创造用于气体压力容器的管元件和气体压力容器，其允许气体压力容器的安全运行。

根据第一方面，该任务通过用于机动车辆的气囊系统的气体压力容器的管元件得以解决，其中该管元件具有至少一个第一长度区段和至少一个沿周向伸展的凹部。该管元件的特征在于，

-该管元件具有至少一个第二长度区段，所述第二长度区段由凹部形成，所述凹部在所述管元件的圆周的至少一部分上延伸，

-第二长度区段位于两个第一长度区段之间，

-在至少一个第一长度区段中，管元件的外半径大于至少一个第二长度区段的最小外半径，

-管元件具有>920MPa的拉伸强度，

-至少一个第二长度区段中的管元件的壁厚大于或等于管元件的至少一个第一长度区段中的壁厚，

-基于至少一个第一长度区段的外半径计，凹部中的外半径的减少程度在5至35％范围内，和

-管元件由这样的材料组成，所述材料除了铁和熔融过程决定的杂质以外，还以下述按重量百分比给出的范围包含以下合金元素：

机动车辆的气囊系统的气体压力容器优选是指机动车辆的气囊系统的气体发生器的壳体。在气体压力容器中存储或生成气体。此外，还从气体压力容器以高速输出气体。然后通过气体发生器用气体充满气袋(气囊)。气体发生器在此可以是冷式气体发生器或混合式气体发生器。在这些气体发生器中设置至少一个管元件，尤其将所述管元件用作压力气体储存器和/或用于气体的膨胀腔。管元件例如可以构成气囊发生器的壳体，例如喷射器。在此，在所述管元件上会突然作用大的力量，管元件的材料必须承受所述力，以便能够防止管元件破裂。冷式气体发生器由气体储存器和激活器构成，在所述气体储存器中存储处于高压下的气体。气体发生器通过膜封闭。在触发气体发生器时，尤其通过***装置破坏所述膜并且气体可以从气体储存器中流出。替代地，根据本发明的气体发生器也可以是混合式气体发生器。这样的气体发生器是烟火技术发生器和冷式气体发生器的组合。在混合式气体发生器中，除了用于气体的压力储存器还另外设置用于气体生成的烟火技术组件。

由于气体发生器例如气囊模块的管元件的内部压力载荷，管材料的最高负载方向垂直于管轴。这种应力状态导致例如在管元件的制造或成形过程时出现的裂纹平行于管轴线扩展。

管元件优选是具有圆形截面的管元件。管元件具有至少一个第一长度区段和至少一个沿周向伸展的凹部。沿周向伸展的凹部优选为非切割制备的凹部。也可以将凹部称为压痕或圆缘。在此将管元件的长度的一部分称为第一长度区段。该第一长度区段根据本发明是在管元件变形以产生凹部时不变形或仅轻微变形的长度区段。优选地，管元件的外半径在至少一个第一长度区段中在其长度上是恒定的。另外优选地，管元件的壁厚在第一长度区段中也是恒定的。

此外，管元件具有至少一个第二长度区段，该第二长度区段由凹部构成。尤其将管元件的长度的对应于凹部的宽度，即沿轴向的尺寸的部分称为第二长度区段。根据本发明，凹部在管元件的圆周的至少一部分上延伸。在此如此对准凹部，使得由凹陷构成的凹部在管元件的径向方向上指向内部。凹部具有与将凹部引入所通过的工具的轮廓相对应的几何形状。

在至少一个第一长度区段中，管元件的外半径大于至少一个第二长度区段的最小外半径。将凹部的最深的位置处的外半径称为第二长度区段的最小外半径。

根据本发明，第二长度区段位于两个第一长度区段之间。这意味着在两个第一长度区段之间形成凹部。在这种情况下，第二长度区段可以直接邻接第一长度区段。然而还可能的是，第三长度区段位于第二长度区段与相邻的第一长度区段之间，这将在下文更详细地进行描述。

根据本发明，管元件具有>920MPa的拉伸强度。优选地，管元件具有＞1000MPa的拉伸强度。该抗张强度优选至少存在于第一长度区段和/或第二长度区段和/或第三长度区段中。

此外，在至少一个第二长度区段中的管元件的壁厚大于或等于管元件的至少一个第一长度区段中的壁厚。第二长度区段是在其中形成凹部的长度的部分。在用于制备凹部的变形时，例如在压力轧制、卷边或压制期间，通常在该区域中减小管元件的壁厚。但是因为该区域在气体发生器运行期间也承受负荷，所以根据本发明，在该第二长度区段中也提供了壁厚，所述壁厚相当于或大于第一长度区段的壁厚。该壁厚可以在管成形之前或期间进行调节。在成形期间，为此可以在产生凹部时进行材料流控制或者壁材料流的调节。尤其是，可以调节朝向凹部的材料流或材料移位。由此还可以防止或补偿在引入凹部期间对管的损坏。

根据本发明，基于至少一个第一长度区段的外半径计，凹部中的外半径的减少程度在5至35％范围内。尤其是，基于至少一个第一长度区段的外半径计，凹部中的外半径的减少程度可以在10至25％范围内。在具有不同的外半径的两个第一长度区段的情况下，减少程度优选基于较大的外半径计。因此，凹部具有大的深度，并且内置部件或附装部件可以可靠地保持在那里。这样的大的减少程度在根据本发明的管元件的情况下是可能的，因为第二长度区段中的壁厚大于或等于第一长度区段中的壁厚。

此外，管元件由这样的材料组成，所述材料除了铁和熔融过程决定的杂质以外，还以下述按重量百分比给出的范围包含以下合金元素：

该材料是高强度并且特别是低温的材料，从而它们在气体发生器运行时可以承受负荷。由于在形成凹部期间和之后存在于第二长度区段中的材料厚度，尽管减小程度大，也不必担心第二长度区段中的损坏。

组成管元件的材料的合金元素有助于实现用于气体压力容器中的管元件所需的性质。即使下文未明确提及而仅提及百分比，合金元素的份额数据也以重量百分比给出。制成管元件的材料也称为合金、钢合金或钢。

以至少0.05％的量添加碳(C)，以获得马氏体组织和期望的马氏体强度。但是过高的C含量尤其负面地影响焊接性。因此根据本发明，将C含量限制为最大0.2％。优选地，碳含量在0.08至0.2范围内，特别优选在0.08至0.13％范围内。

锰(Mn)通过固溶强化作用提高钢中的强度。此外，随着Mn含量增加，使奥氏体转变延迟，这导致在回火时形成马氏体和淬透性的增加。因为合金在一定温度间隔内凝固，所以在凝固结束时存在局部区域，例如中间的树枝状(zwischendendritische)空间，其具有不同的化学成分。具有不同化学组成的区域的这种分布在下文中也被称为组织条状结构(Gefügezeiligkeit)。制成管元件的管例如通过拉伸和/或轧制制备。因此取决于管材生产过程，在长度上轧制或拉伸原材料中的微偏析物，并可能导致组织条状结构。合金元素通常在材料中具有一定的固溶强化效果，这取决于铁的晶格被相应元素扭曲的程度。具有强烈固溶强化作用的元素如锰或硅导致具有不同元素份额的在纵向上突出的组织行(Gefügezeilen)具有其它强度。在被内部压力负载的管元件，尤其是气囊管的情况下，这是特别不利的，因为内部压力的主要负荷位于管周向上，并且因此越过由微偏析引起的行伸展。具有低的强度的行在此是弱化或者冶金凹痕。该弱化尤其负面地影响材料的转变温度。根据本发明，以小于2.0％的含量使用锰。由此可以使锰的强烈的固溶强化作用最小化并且因此减少组织条状结构。然而根据本发明，至少以0.2％的量添加锰。由此可以结合存在于材料中的硫。优选地，钢合金中的锰含量在0.4至0.6重量％范围内。根据本发明，该低的锰份额是可能的，因为根据本发明，部分地通过增加的铬含量实现了在其它合金的情况下必须通过添加锰才能保证的淬透性。但根据本发明，也可以以在1.2至2％的范围内的量添加锰。

硅(Si)在钢中具有脱氧和强烈的固溶强化作用，其比锰的作用更强。因此，将材料中的硅含量根据本发明限制在最大0.9％，并且例如限制在最大0.5％、最大0.4％或最大0.1％。

铬(Cr)在钢中延迟奥氏体壁，这是需要的，以获得高强度马氏体组织。因此，通过添加铬提高材料的淬透性，并且因此改进管元件的淬透性。因为根据本发明的合金可以包含少量锰，所以通过添加铬实现淬透性。可以以大于0.05％，或大于0.6％，或大于0.8％的量添加铬。此外，铬在钢中具有比锰更低的固溶强化作用。因此，与在添加更大量的锰的情况下相比，由于微偏析和因此的组织条状结构，在管周向上的材料的弱化明显更小。由此尤其可以积极地影响冷韧性和转变温度，也就是说移动至更低的温度。为了达到必需的淬透性，根据本发明，材料中的铬含量在0.05至2.0％的范围内。优选地，材料中的铬含量在0.8％至1.0％的范围内。但是替代地，铬含量也可以在0.05至0.6％的范围内。

钼(Mo)在钢中由于其固溶强化作用和碳化物沉淀而起提高强度的作用。同时，钼延迟了奥氏体的转变。由此改进淬透性。此外，钼起避免回火脆化(回火脆性)的作用。根据本发明，将钼含量限制在最大0.5重量％，并且更优选限制在0.3重量％。

在大于0.5重量％的钼含量的情况下发现强烈的碳化物形成。由于这些碳化物中的碳结合(Abbinden)，在硬化期间奥氏体基体中存在不足的溶解碳。因此，这导致钢合金的淬透性降低，并因此导致硬化期间的强度下降。

使用镍(Ni)来提高钢的韧性。为了实现韧性的明显提高，已发现添加镍是有利的。然而镍是昂贵的元素。因此根据本发明将Ni含量限制在最大1.0重量％。已证实特别优选的是在0.1至0.4重量％范围的镍含量。在此可以在可容忍的成本同时实现材料的韧性的充分改进。

根据本发明，以0.005-0.1重量％范围内的量添加铌(Nb)。通过添加铌提高材料的重结晶温度。这对管元件制造时的细晶粒的形成具有积极作用。细晶粒提高钢的韧性并有助于降低转变温度。已发现，至少0.005重量％的铌的量是必需的，以达到明显的改进。此外已发现铌含量应当为最大0.1重量％。在更高的铌含量的情况下，识别出形成不期望的粗的初级碳化铌，这负面地影响材料的韧性。不添加铌或添加少于0.005重量％则不可能达到气体发生器的管元件所需的性质。

由于根据本发明的管元件由高强度材料组成并且在凹部区域具有高的减少程度，所以一方面可以承受使用管元件时的载荷。另一方面，由于在凹部区域中的根据本发明的壁厚(其可以通过例如在引入凹部期间的材料流控制来实现)，所以防止了由于管元件的材料中的缺陷或由于小的壁厚而导致的管元件失效。这更适用于本发明的优选实施方案，根据该优选实施方案，在第一壁区段中的管元件的壁厚仅为1.0至2.5mm。

根据优选的实施方案，材料除了铁和熔融过程决定的杂质以外，还以下述按重量百分比给出的范围包含以下合金元素：

材料可以任选地以下述按重量百分比给出的范围包含至少一种以下合金元素：

钛(Ti)具有对氮的大的亲和性。氮化钛已经在固化期间形成，并且尺寸为几微米(20μm)。氮化钛具有比马氏体更高的硬度，并且在材料中在机械负荷时起作用而形成冶金凹痕。由于氮化钛，材料中的应力分布是不均匀分布的，因此会导致不受控制的(脆性)失效或者转变温度的升高。因此根据本发明将钛含量限制在最大0.035％，优选最大0.015％。优选地，钛至少以0.01％的量，并且特别优选以0.01-0.035％的范围存在。

硫(S)是钢中不期望的元素，因为它通过形成硫化物而负面地影响韧性。因此将S含量限制在最大0.005％。

磷(P)是钢中不期望的元素，因为它导致在回火时的脆化(回火脆化)和偏析，并且因此负面地影响韧性或者转变温度。因此将P含量限制在最大0.02％。

根据一个实施方案，材料除了铁和熔融过程决定的杂质以外，还以下述按重量百分比给出的范围包含以下合金元素：

根据一个实施方案，管元件中的形成第二长度区段的凹部是周向凹部。凹部在管元件的整个圆周上延伸并且提供连续的凹部。在下文将该凹部称为环形圆缘。这样的凹部可以在管中例如通过压力轧制、冲压、压制或卷边制成。尤其是，凹部可以通过旋转工具，如具有与凹部相对应的轮廓的压辊制成。在其中引入环形圆缘的管元件的有利之处在于，可以在其上引入内部构件，例如气体压力容器的内壁。

替代或除了环形圆缘以外，管元件具有至少一个凹部，该凹部形成第二长度区段并且是周向中断的凹部。在该实施方案中，凹部包括多个部分凹部，所述部分凹部在周向上彼此间隔开地布置。因此，凹部被中断部所分开。在中断部中，第二长度区段的外半径优选地对应于第一长度区段的外半径。在任何情况下，凹部的中断部的外半径都大于部分凹陷的外半径。该实施方案的有利之处在于简化了管元件的制造。尤其是不需要工具的旋转。

优选地，第二长度区段直接邻接第一长度区段。这意味着第二长度区段中的外半径的减小仅对应于用于制造凹部的工具的轮廓。

如果由于引入凹部而在第二长度区段附近出现收缩或陷入，则根据本发明它们是小的。也将收缩称为第三长度区段。根据一个优选实施方案，在第一长度区段和相邻的第二长度区段之间形成的第三长度区段(其中外半径从第一长度区段的外半径到凹部的轴向外边缘减小)具有第一长度区段中的壁厚的最大2.5倍的长度。将管元件在轴向上的延伸称为第三长度区段的长度。

优选地，管元件没有近表面的管缺陷。这尤其可以通过第二长度区段的壁厚来保证。近表面的管缺陷尤其是下陷的壁，内部褶皱，内部缺陷(应力裂纹)或接缝。这些近表面的管缺陷通常导致形成裂纹。当制造管时可能出现的近表面的管缺陷在形成凹部时增加，其中凹部的壁厚减小。然而，在根据本发明的管元件的情况下，这些近表面管道缺陷被抑制或甚至减少。

根据本发明的管元件可以由无缝管或焊接管制成。通过使用无缝管，可以进一步降低气体压力容器的管元件失效的风险。将这样的无缝管例如进行热轧，例如根据Mannesmann-Erhard方法，然后优选地被冷拔至少一次直至最终尺寸。替代地，也可以将热管进行挤压而不是拉拔。

在由焊接管制造的管元件的情况下，尤其在形成凹部(其中导致壁厚减小)时，在焊缝和热影响区域的范围内会发生损坏。在根据本发明的管元件的情况下，在第二长度区段所处的焊缝和热影响区域中，存在最大长度为50μm，优选最大长度为20μm的裂纹。特别优选地，焊缝和热影响区域范围中是无裂纹的。这尤其通过第二长度区段中的管元件的壁厚来保证，该壁厚大于或等于第一长度区段中的壁厚。

根据另一方面，本发明涉及用于机动车辆的气囊系统的气体压力容器，其中该气体压力容器具有至少一个根据本发明的管元件。

关于管元件描述的有利之处和特征，如果适用的话，相应地适用于气体压力容器，反之亦然。

附图说明

在下文重新参照附图阐述本发明。在此：

图1显示了根据本发明的管元件的第一实施方案的示意性透视图；

图2显示了根据本发明的管元件的第一实施方案的示意性截面图；

图3显示了来自图2的细节D的详细视图；

图4显示了根据本发明的管元件的第二实施方案的一部分的示意性详细视图；

图5显示了根据本发明的管元件的第三实施方案的示意性透视图；和

图6显示了在制造时的根据本发明的管元件的第三实施方案的示意性轴向视图。

具体实施方式

在图1中显示了根据本发明的管元件10的第一实施方案的示意性透视图。该管元件的示意性截面图显示于图2和图3中。管元件10在前端部处具有第一长度段100。在该第一长度区段100中，管元件10具有外半径A1。该外半径A1在第一长度区段100的长度上是恒定的。此外，在所示的实施方案中，第一长度区段100中的管元件的壁厚也是恒定的。在轴向上，第一长度区段100之后是第二长度区段102，所述第二长度区段由凹部11形成。凹部11在管元件10的第一实施方案中是环形圆缘。在凹部11的最深位置处的外半径A2小于第一长度区段100的外半径A1。凹部11在示出的实施方案中具有圆弧形走向。第二长度区段102中的壁厚对应于第一长度区段100中的壁厚。

凹部11可以由一个或更多个在其外周上具有相应轮廓的压辊(未示出)制造。尤其是，凹部11可以通过辊压或冲压形成。在形成凹部11之前或期间，进行针对性的材料流动控制，以防止第二长度区段102中的壁厚减小。在其中形成凹部11以制造管元件10的管具有长度区段100的壁厚和外半径A1。

在轴向方向上，凹部11以及因此第二长度区段102之后是另一第一长度区段101。就壁厚和外半径A1而言，该长度区段101对应于位于管元件10的前端面上的第一长度区段100的尺寸。因此，除了第二长度区段102中之外，管元件10具有恒定的外半径A1。

在图4中示出了根据本发明的管元件10的第二实施方案。在该实施方案中，在两个第一长度区段100、101与位于其间的第二长度区段102之间分别形成第三长度区段103、104。在这些第三长度区段103、104中，外半径A1从分别邻接的第一长度区段100、101到第二长度区段102的轴向外端减小。壁厚W3在这种情况下优选在第三长度区段103、104中是恒定的。也可以将第三长度区段103、104称为管元件10的壁的收缩或陷入，并且通过形成凹部11而产生。然而也在本发明的范围内的是，管元件10不具有第三长度区段103、104。这可以例如通过在形成凹部11时针对性的材料流控制或加压来实现。在图4中显示的第二实施方案的情况下，第三长度区段103、104也保持得小，并且其轴向长度优选对应于最大为第一长度区段100、101的壁厚的2.5倍。第三长度区段103的壁厚W3对应于至少第一长度区段100、101的壁厚W1。第二长度区段102的壁厚W2优选等于或大于第三长度区段103、104的壁厚W3。

在图5和6中显示了管元件10的第三实施方案。在该实施方案的情况下，第二长度区段102由凹部11形成，该凹部在周向上具有中断部12。因此，凹部11由分布在管元件10圆周上的各个部分凹部110形成。在图6中，示意性示出了根据第三实施方案的管元件10的制造。用于制造的工具2由多个径向可调节的片段组成。在图6中，工具2由八个片段组成，其由箭头P指示，所述片段可以在径向方向上朝向和远离要形成管元件10的管移动。在此，工具2是压制工具。通过工具2在管的管壁上形成部分凹部110。在这些部分凹部110之间存在中断部12。将部分凹部110的外半径A2称为第二长度区段102的外半径。在中断部12中，管元件10具有与第一长度区段100、101的外半径A1对应的外半径，或略小于外半径A1。但是在任何情况下，中断部12的外半径在部分凹部110的区域中均大于外半径A2。管元件10的壁厚在部分凹部110的区域中等于或大于第一长度区段100、101中的壁厚。

本发明提供了用于气体压力容器的管元件，该管元件可以由无缝或焊接管制成，该无缝或焊接管由高强度材料组成并且尽管如此仍然具有凹部，该凹部可以具有大的深度，也就是说，可以具有外半径的大的减少程度。在这种情况下，尽管有大的凹部，但管元件几乎没有或根本没有管缺陷，即使在焊缝的区域中也是如此。为此，尤其在凹部的区域中将管元件的壁厚设定为等于或大于制造管元件的管的壁厚。

本发明具有一系列有利之处。尤其是，具有凹部(例如一个或更多个周向圆缘)的管元件可以由具有高强度材料的管可靠地制造，并且该管元件可以用于气体压力容器中，例如用作气囊发生器的容纳管，而不必担心失效。一方面，通过该凹部可以简化气体压力容器的另外的零件例如***片的内置或附装。此外，通过形成具有大壁厚的凹部进一步提高了管元件的稳定性。

附图标记列表

10 管元件

100 第一长度区段

101 第一长度区段

102 第二长度区段

103 第三长度区段

11 凹部

110 部分凹部

12 中断

A1 第一长度区段的外径

A2 第二长度区段的外径

A3 第三长度区段的外径

W1 第一长度区段的壁厚

W2 第二长度区段的壁厚

W3 第三长度区段的壁厚

2 工具

P 箭头