CN106470892A - 汽车车体用构造部件 - Google Patents

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Abstract

使在长度方向上具有由淬火部、母材硬度部及过渡部构成的硬度分布(强度分布)的汽车车体用构造部件上发生由冲击载荷的负荷带来的弯曲变形的情况下的变形部为母材硬度部，避免淬火部处的塑性应变的集中。是具有中空且矩形截面的钢制的主体的汽车车体用构造部件。主体在轴向的至少一部分在轴向上依次具备淬火部、过渡部和母材硬度部。在设主体的截面积为(A)、设截面二阶矩为(I)的情况下，关于轴向的过渡部的长度(L)满足0.006[mm－1]<LA/I≦0.2[mm－1]的关系。

Description

汽车车体用构造部件
技术领域
本发明涉及汽车车体用构造部件(以下，也单称作“构造部件”)。
背景技术
用来实现防止地球温暖化的汽车的耗油量的改善、和碰撞事故时的汽车的进一步的安全性的改善被要求。因此，由构成构造部件的钢板的高张力化带来的板厚减小、和没有过量也没有不足地确保构造部件所要求的各个部位的强度目标的状况得到推进。
提出了通过按照构造部件的轴向(长度方向)的每个部位来部分地进行淬火、将进行了淬火的高强度的淬火部和没有进行淬火而与母材的强度相同的低强度的母材硬度部向构造部件的轴向设置(在本说明书中称作“部分淬火”)的技术。
在专利文献1中公开了一种中柱加固件。该中柱加固件具有大致帽型的横截面、和从轴向的一个端部侧朝向另一个端部侧连续地延伸而形成的高频淬火部。该中柱加固件具有“轴向的一个端部与另一个端部之间的中央区域是高强度、并且硬度随着从中央区域朝向一个端部或另一个端部而逐渐下降”的硬度分布。
在专利文献2中公开了具有大致帽型的横截面中的上平面部与两侧的侧壁部交叉的两角的加固件。该加固件具有形成为宽度随着朝向端部侧而变小的作为倒角部的高频淬火部。倒角部以外的部位不淬火。由此，该加固件具有希望的强度分布。
在专利文献3中公开了通过用规定的条件下高频感应加热(high frequencyinduction heating)的直接通电加热(direct resistance heating)焊接到汽车机件的加强件上来制造的汽车用机件。加强件具有对具有规定的化学组成的坯材进行冲压加工来制造的大致帽型的横截面。
进而，在专利文献4中公开了在大致帽型的横截面的周壁上形成的热处理部被构成为许多带状的硬化部的集合的柱。带状的硬化部分别向周壁的长度方向延伸而形成。主淬火区域和硬度渐变区域通过使这些带状的硬化部的长度相互不同而形成。在主淬火区域中，在周壁的每单位面积中带状的硬化部的面积所占的比例比带状的硬化部在周壁的长度方向的其他部位中所占的面积的比例大。在硬度渐变区域中，从主淬火区域向周壁的长度方向越离开，带状的硬化部所占的面积的比例越减少。由此，提供一种提高柱等车体骨架部件的强度并且难以折断的加强构造。
本申请人通过专利文献5、6公开了制造具有弯曲部的部分淬火的构造部件的发明。在这些发明中，一边将具有封闭的横截面的坯材(例如钢管)向其轴向进给，一边用环状的高频感应加热线圈将坯材加热到Ac3点以上的温度。通过在其紧接着之后用水冷装置将坯材急冷，能够形成被淬火的硬化区域。此外，通过对上述坯材的被加热部施加弯曲力矩或剪切载荷，制造具有弯曲部的部分淬火的部件(以下，将该制造法称作“3DQ”)。
通过适当调整3DQ中的由高频感应加热线圈带来的坯材的加热温度、和/或3DQ中的由水冷装置带来的坯材的冷却速度，能够在制造的部件的轴向上排列形成淬火部和母材硬度部。
具有这样的硬度分布的汽车车体用构造部件在发生由冲击载荷的负荷带来的弯曲变形时，通过低强度的母材硬度部弯曲变形而将碰撞能量吸收，并且可期待高强度的淬火部确保耐载荷性能(load resistant performance)。
现有技术文献
专利文献1：日本特开平10－17933号公报
专利文献2：日本特开2003－48567号公报
专利文献3：日本特开2004－323967号公报
专利文献4：日本特开2012－131326号公报
专利文献5：日本特开2007－83304号公报
专利文献6：日本特开2012－25335号公报
发明内容
发明要解决的课题
如果通过3DQ制造的构造部件被负荷冲击载荷，则在如淬火部和未淬火部那样强度差较大且强度急剧变化的部分容易发生弯曲变形(或压弯褶皱)。因此，应变容易集中在该部分。但是，实际上在淬火部与未淬火部的轴向上的之间必定存在强度变化的部分(以下称作“过渡部”)。
本发明者们发现，在过渡部的轴向上的长度较短的情况下，有以下的新的问题：
(i)在通过压弯褶皱而延展性较小的淬火部上，从碰撞的初期起就发生较高的塑性应变；及
(ii)因此，构造部件以碰撞的初期淬火部为起点而早期断裂的可能性提高。
同时得到较高的冲击能量的吸收性能及较高的耐载荷性能这样的部分淬火的效果与构造部件以淬火部为起点而早期断裂相互抵消。
专利文献1～4公开了在构造部件上形成硬度分布(强度分布)的技术。但是，专利文献1～4没有公开过渡部。因此，专利文献1～4没有公开上述新的问题及其解决手段。
此外，专利文献1～4公开了具有帽型的横截面的构造部件。但是，存在具有封闭的矩形截面、圆形截面进而多边形截面的构造部件。在专利文献1～4中没有公开由专利文献1～4公开的发明是否能够应用到除了具有帽型的横截面以外的这些横截面的构造部件中。因此，具有这些横截面的构造部件是否能够解决上述问题并不清楚。
本发明是鉴于以往的技术具有的该问题而做出的。本发明提供当在轴向(长度方向)上具有由淬火部、过渡部及母材硬度部构成的硬度分布(强度分布)的汽车车体用构造部件被负荷冲击载荷而弯曲变形时、防止由较高的塑性应变(plastic strain)进入而引起的淬火部处的断裂、由此兼具备较高的冲击能量的吸收性能及较高的耐载荷性能的汽车车体用构造部件。
用于解决课题的手段
本发明是以下所列举记载的那样。
(1)一种汽车车体用构造部件，具备中空的具有封闭的横截面的钢制的主体，该主体在轴向上在至少一部分上具备：被淬火而成的淬火部、硬度与母材硬度相同的母材硬度部、和设置在上述轴向上的上述淬火部及上述母材硬度部之间且形成为强度从母材硬度部的强度向淬火部的强度变化的过渡部，其特征在于，
在设上述主体的截面积为A并设上述主体的截面二阶矩为I的情况下，上述轴向上的上述过渡部的长度L满足下述(1)式的关系。
0.006[mm－1]<LA/I≦0.2[mm－1]……(1)
(2)如(1)项所述的汽车车体用构造部件，上述母材硬度部的拉伸强度小于等于700MPa，并且上述淬火部的拉伸强度大于等于1470MPa。
(3)如(1)项或(2)项所述的汽车车体用构造部件，与上述轴向垂直的截面中的上述淬火部、上述母材硬度部及上述过渡部各自的硬度分布大致是一定的。
(4)如(1)项至(3)项中任一项所述的汽车车体用构造部件，具备设在上述母材硬度部或上述过渡部上的、进行与其他汽车车体用构造部件的焊接的焊接预定部。
(5)如(1)项至(4)项中任一项所述的汽车车体用构造部件，上述主体不具有向上述横截面的外侧突出的朝外凸缘(封闭截面不具有向外延伸的凸缘，the closed crosssection is free of an outwardly－extending flange)。
发明效果
根据本发明，在汽车车体用构造部件上发生由冲击载荷的负荷带来的弯曲变形的情况下，能够使应变集中于有延展性的母材硬度部而使其变形。由此，能够提供兼具较高的冲击能量的吸收性能及较高的耐载荷性能的汽车车体用构造部件。
附图说明
图1(a)是有关本发明的构造部件的过渡部附近的两面图，图1(b)是表示淬火部、过渡部及母材硬度部的硬度的一例的曲线图。
图2(a)～图2(c)是表示基于有限要素法的解析条件的说明图，图2(a)、图2(b)表示设想的构造部件的形状，图2(c)表示关于图2(a)、图2(b)的用点线包围的部分制作的FEM解析模型。
图3(a)～图3(c)是表示解析出的构造部件的截面(图2(c)中的A－A’截面)的说明图。
图4是表示解析情形(淬火样式)的曲线图。
图5(a)是解析出的构造部件的立体图，图5(b)是将CASE－1与CASE－2～CASE－4比较而表示在图5(a)中表示的0点的Z方向位移为100mm的时刻的截面A、B处的变形的曲线图，图5(c)是将CASE－1与CASE－5、CASE－6比较而表示截面A、B处的变形的曲线图。
图6是表示由关于轴向的过渡部的长度L及主体的截面积A、截面二阶矩I表示的关系(LA/I)与最大等效塑性应变比的关系的曲线图。
图7(a)及图7(b)是表示有关本发明的构造部件与其他构造部件(安装部件)的焊接部的说明图。
具体实施方式
说明有关本发明的构造部件。
图1(a)是有关本发明的构造部件1的过渡部5附近的两面图，图1(b)是表示淬火部、过渡部及母材硬度部的硬度的一例的曲线图。
如图1(a)所示，构造部件1具有主体2。例如，例示构成汽车车体的前纵梁、侧梁、A柱、C柱、上边梁加固件、底盘机件等作为构造部件1。
主体2如图1(a)所例示那样，是具有封闭的截面的中空且钢制的部件。由图1(a)例示的矩形截面、圆形截面、多边形截面等作为封闭的截面例示。主体2如图1(a)所例示那样，为了使截面尺寸变大而确保刚性，优选的是通过由高强度件构成而带来的薄壁化实现轻量化，并且不具有朝外凸缘。
主体2至少在一部分具备关于轴向被淬火的淬火部3、母材硬度部4及过渡部5。母材硬度部4具有与淬火前的母材硬度相同的硬度。过渡部5就轴向而言设在淬火部3及母材硬度部4之间。过渡部5的强度从母材硬度部4的强度向淬火部3的强度逐渐变化。即，主体2在轴向上依次排列具备淬火部3、过渡部5及母材硬度部4。
优选的是，母材硬度部4的拉伸强度小于等于700MPa，并且淬火部3的拉伸强度大于等于1470MPa。
通过母材硬度部4的拉伸强度小于等于700MPa，在冲击载荷的负荷时通过自己变形而能够吸收冲击能量，并且通过淬火能够使强度差增大，设计自由度提高。
通过淬火部3的拉伸强度大于等于1470MPa，在冲击载荷(impact load)的负荷时，能够提高应抑制变形的部位的变形阻力(deformation resistant performance)，并且通过提高耐冲击强度，能期待由薄壁化带来的轻量化效果。
淬火部3、母材硬度部4及过渡部5各自的与轴向垂直的截面中的硬度分布优选的是大致为一定。
主体2的弯曲刚性(EI)只要是能够作为汽车构造部件使用的程度就可以，例示了例如是2.97×105[Nm2]以下的情况。
在主体2的轴向上依次排列形成淬火部3、过渡部5及母材硬度部4的方法并不限制为特定的方法。由于生产性及能够在希望的范围中正确且简便地形成淬火部3、过渡部5及母材硬度部4，优选的是上述的通过3DQ制造。
具体而言，一边将钢管等的闭截面的母材在其轴向上进给，一边用环状的高频感应加热线圈加热到Ac3点以上的温度，在刚刚对该高温部施加了弯曲力矩或剪切力之后，通过用水冷装置将加热后的母材急冷，制造具有弯曲部的部分被淬火的部件。
此时，通过适当调整由高频感应加热线圈对母材加热的加热温度及由水冷装置对母材冷却的冷却速度，能够在所制造的部件的轴向上依次排列淬火部3、过渡部5及母材硬度部4并形成在希望的范围中。
在通过3DQ制造主体2的情况下，通过加快母材的进给速度、或使冷却水量渐减或渐增，能够控制过渡部5的轴向上的长度。但是，为了防止部件的轴向上的硬度的不均匀、稳定地调整过渡部5的轴向上的长度，优选的是一并控制母材的进给速度、冷却水量及高频加热线圈的电流。
进而，通过按照部件的每个边控制冷却装置的水量，能够使部件的各面上的轴向的硬度分布一致，能够在每个部件中得到稳定的特性。
构造部件1通常被与其他构造部件焊接。该焊接优选的是在母材硬度部4或过渡部5中进行。换言之，构造部件1中的用来与其他构造部件焊接的焊接预定部优选的是母材硬度部4或过渡部5。由此，因HAZ软化带来的强度差被抑制，所以比较能抑制由冲击载荷的负荷带来的变形时的软化部的应变的集中。
在设主体2的截面积为A(mm2)并设截面二阶矩为I(mm4)的情况下，轴向上的过渡部5的长度L(mm)满足0.006[mm－1]<LA/I≦0.2[mm－1]的关系。一边参照有限要素法(finiteelement method，以下称作FEM)的解析结果一边说明其理由。
图2(a)～图2(c)是表示FEM的解析条件的说明图，图2(a)、图2(b)表示设想的构造部件的形状，图2(c)表示关于图2(a)、图2(b)中的由点线包围的部分制作的FEM解析模型。
作为构造部件，设想了在图2(a)中表示的前纵梁、或在图2(b)中表示的A柱。
此外，图2(c)所示的部件6(FEM解析模型)是假想了在轴向上排列形成了淬火部7、母材硬度部8及淬火部9的模型，是不存在过渡部的结构。在该解析中，以不存在过渡部的部件6为基础，检讨了本发明的效果。另外，部件6的各部尺寸是图2(c)中所示那样的(单位mm)。
解析如图2(c)所示，在通过将部件6的淬火部9侧的一端完全约束、使淬火部7侧的另一端在车辆上方向上以一定速度16km/h位移而使部件6发生弯曲变形的条件下进行。
图3(a)～图3(c)是表示解析的部件的截面(图2(c)中的A－A’截面)的说明图，表示部件的壁厚中心位置。
该解析的截面为图3(a)所示的矩形截面、图3(b)所示的圆形截面和图3(c)所示的正八边形截面这3种，使用表1所示的各截面尺寸及板厚进行了解析。
[表1]
将解析情形(淬火样式)汇总表示在图4及表2中。
[表2]
标号 过渡部的长度L[mm]
CASE－1 0
CASE－2 10
CASE－3 32
CASE－4 64
CASE－5 10
CASE－6 32
CASE－1(基准)是使从部件的两端部到70mm的区域为淬火部、使除了两个淬火部以外的部件的中央部160mm为母材硬度部的情况，是不存在过渡部的上述假想模型。
CASE－2是使从部件的两端部到70mm的区域为淬火部、使部件的中央部140mm为母材硬度部、在淬火部与母材硬度部之间设有长度L为10mm的过渡部的模型。
CASE－3是使从部件的两端部到70mm的区域为淬火部、使部件的中央部96mm为母材硬度部、在淬火部与母材硬度部之间设有长度L为32mm的过渡部的模型。
CASE－4是使从部件的两端部到70mm的区域为淬火部、使部件的中央部32mm为母材硬度部、在淬火部与母材硬度部之间设有长度L为64mm的过渡部的模型。
CASE－5是使从部件的两端部到60mm的区域为淬火部、使部件的中央部160mm为母材硬度部、在淬火部与母材硬度部之间设有长度L为10mm的过渡部的模型。
进而，CASE－6是使从部件的两端部到38mm的区域为淬火部、使部件的中央部160mm为母材硬度部、在淬火部与母材硬度部之间设有长度L为32mm的过渡部的模型。
图5(a)是解析的部件的立体图，表示部件的截面A、B，图5(b)是将CASE－1与CASE－2～CASE－4比较而表示由图5(a)表示的0点的Z方向位移为100mm的时刻的截面A、B的变形的曲线图，图5(c)是将CASE－1与CASE－5、CASE－6比较而表示截面A、B的变形的曲线图。
图5所示的结果是图3(a)所示的矩形截面、截面尺寸为B＝40mm、H＝46mm、板厚1.6mm的模型的结果。
如图5(b)的曲线图中的CASE－2～CASE－4所示，随着使过渡部的轴向长度变长，能够使CASE－1的变形位置P－1向母材硬度部侧、即延展性较高的部位侧(P－2、P－3、P－4)移动。因此，能够抑制在淬火部发生变形，能够降低主体的断裂风险。
此外，如果为图5(c)的曲线图中的CASE－5、CASE－6那样，则能够使变形位置P－5、P－6成为与CASE－1同样的变形位置P－1，与CASE－2～CASE－4同样，通过使过渡部变长，能够抑制淬火部的变形，能够降低主体的断裂风险.
在表3～5中汇总表示全部模型的解析结果。在表3～5中，将变形位置在从淬火部的端部离开的位置开始变形者用“good”表示，将不是这样者用“no good”表示。
[表3]
[表4]
[表5]
如表3～5所示，不论截面是图3(a)所示的矩形截面、图3(b)所示的圆形截面、图3(c)所示的正八边形截面的哪种，并且不论截面尺寸是表1所示的哪种截面尺寸(板厚中央)，进而不论板厚是1.2mm、1.6mm、2.0mm的哪种，都呈现与由图5表示的变形形态相同的变形形态，变形位置在CASE－2～CASE－6的全部中为“good”。
以上的说明是关于变形开始点的，但如果变形进展而压弯褶皱变大，则淬火部的变形也变大，所以调查了各情形下的等效塑性应变(equivalent plastic strain)的最大值。
等效塑性应变的最大值是在车高方向上位移了100mm时的、在淬火部发生的最大的等效塑性应变，用通过CASE－1(基准)下的最大值除的比率来评价。在表3～5中表示该比率(以下称作等效塑性应变比(rate of equivalent to plastic strain))。
图6是本解析中的、表示由关于轴向的过渡部的长度L及主体的截面积A、截面二阶矩I表示的关系(LA/I)与最大等效塑性应变比之间的关系的曲线图。
如图6的曲线图所示可知，如果比(LA/I)变大，则最大等效塑性应变比存在减少倾向。如果比(LA/I)较小，则有随着压弯褶皱的进展而淬火部的等效塑性应变比变得比1大的情形。因此，在本发明中，设(LA/I)>0.006[1/mm]。
相反，使比(LA/I)变大，有可能会使过渡部的长度L变大，不仅是效果饱和，耐载荷特性也下降，进而，用来形成稳定的过渡部的控制变得困难。因此，在本发明中是LA/I≦0.2[1/mm]。
图7是表示有关本发明的构造部件1和其他构造部件(安装部件)的焊接部的说明图，图7(a)表示焊接是连续焊接的情况，图7(b)表示焊接是阻抗点焊接的情况。
在构造部件1的淬火部，若进行电弧焊接及激光焊接等连续焊接而与其他构造部件焊接或进行阻抗点焊接等点焊接而与其他构造部件焊接，则根据焊接条件，当通过热影响部(HAZ部)的软化而在构造部件1上被负荷冲击载荷时，应变集中于软化的热影响部，构造部件1断裂的可能性变高。
因此，如图7(a)所示的发明例D及图7(b)所示的发明例E表示的那样，通过将焊接在长度L的过渡部的范围、优选的是在更低的硬度的范围中进行，能够减小与HAZ软化的部分的强度差。因此，应变集中相对地被缓和，能够降低断裂的可能性。此外，由于过渡部的强度比母材硬度部高，所以还能够提高与安装部件的重叠部的强度。
标号说明
1 构造部件
2 主体
3 淬火部
4 母材硬度部
5 过渡部
6 部件(FEM解析模型)
7 淬火部
8 母材硬度部
9 淬火部

Claims (5)

1.一种汽车车体用构造部件，具备中空的具有封闭的横截面的钢制的主体，该主体在轴向上在至少一部分上具备：被淬火而成的淬火部、硬度与母材硬度相同的母材硬度部、和设置在上述轴向上的上述淬火部及上述母材硬度部之间且形成为强度从母材硬度部的强度向淬火部的强度变化的过渡部，
其特征在于，
在设上述主体的截面积为A并设上述主体的截面二阶矩为I的情况下，上述轴向上的上述过渡部的长度L满足下述(1)式的关系
0.006[mm－1]<LA/I≦0.2[mm－1]……(1)。
2.如权利要求1所述的汽车车体用构造部件，
上述母材硬度部的拉伸强度小于等于700MPa，并且上述淬火部的拉伸强度大于等于1470MPa。
3.如权利要求1或2所述的汽车车体用构造部件，
与上述轴向垂直的截面中的上述淬火部、上述母材硬度部及上述过渡部各自的硬度分布大致是一定的。
4.如权利要求1～3中任一项所述的汽车车体用构造部件，
具备设在上述母材硬度部或上述过渡部上的、进行与其他汽车车体用构造部件的焊接的焊接预定部。
5.如权利要求1～4中任一项所述的汽车车体用构造部件，
上述主体不具有向上述横截面的外侧突出的朝外凸缘。
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