JP2006297442A

JP2006297442A - 車両用金属製燃料タンク

Info

Publication number: JP2006297442A
Application number: JP2005121806A
Authority: JP
Inventors: Jun Okada; 純岡田; Kogai Yo; 宏凱楊; Tomiyoshi Ikeda; 富栄池田; Teruaki Isaki; 輝明伊崎
Original assignee: Nippon Steel Corp; Toyota Motor Corp; Horie Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Toyota Motor Corp; Horie Metal Co Ltd
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】高強度鋼板やステンレス鋼板を用いるタンク本体の低温脆化を可及的に防止する車両用金属製燃料タンクを提供すること。
【解決手段】高強度鋼板若しくはステンレス鋼板により形成された上部タンク部材２と、高強度鋼板若しくはステンレス鋼板により形成された下部タンク部材３とをフランジ部２ａ，３ａにて重ね合わせ、その重ねられたフランジ部をシーム溶接によって接合させた後、７００〜９００℃の温度範囲内にて焼鈍処理を施した。
【選択図】図１

Description

本発明は、シーム溶接による溶接部の低温脆化を防止した車両用金属製燃料タンクに関するものである。

自動車用金属製燃料タンクのタンク本体は、プレスにより成形加工された上部タンク部材と下部タンク部材とをフランジ部にて重ね合わせ、それらのフランジ部をシーム溶接によって接合することにより一体化した構造とされている。

自動車用金属製燃料タンクの軽量化を図るために、タンク本体の素材を高強度鋼板やステンレス鋼板に変更する試みがなされている。ところが、それら高強度鋼板やステンレス鋼板を用いて製作したタンク本体において、溶接部と当該溶接部の周辺部が、例えば零下３０℃位の温度に低下したときに低温脆化を生ずることがある。そこで、寒冷地で使用される自動車用金属製燃料タンクにおける低温脆化を防止する技術の開発が求められている。
特許第３３３３４２３号公報特公平３−３３０７２号

一般的に物体の温度を下げると、構成粒子（例：分子、原子）の熱運動が緩やかとなり相互の結合力が高まる方向に作用する。そのため、物体を冷やして外力を加えると、構成粒子が滑ったり転移して応力を吸収することができなくなり、いわゆる「塑性」が低下した状態となる。ここで、結合力により強い力が物体に加わったときには、これに耐え切れずに破断に至る。要するに、加わった外力を吸収する（変形）能力が乏しくなるのである。高強度鋼やステンレス鋼は、通常の低炭素鋼に比べて強度は高いが、低温にさらされた場合の外力を吸収（＝変形するための延性）することができなく、低温で破壊し易くなる。また、破壊には、その部分の形状（＝応力が集中し易い形状か）も影響があり、本発明で言う燃料タンクのフランジ部は、プレスによる加工硬化とシーム溶接による拘束作用から燃料タンクの中で最も破壊されやすい部分の一つであると言える。よって、そのフランジ部分の延性を如何にして向上させるかが課題であった。
単なる加熱処理であるならば、焼付け炉中にシーム溶接を施した燃料タンクを装入すればよいことであるが、防錆目的で施されためっき層にダメージが発生（低融点金属めっきであれば溶融し、或いは溶融まではしなくとも地鉄との合金層を形成）すること、或いはタンク内部に使用されるサブタンクや配管が合成樹脂製であるため、前述したように燃料タンク全体を加熱することはできない。

本発明の目的は、高強度鋼板やステンレス鋼板を用いるタンク本体の低温脆化を可及的に防止する車両用金属製燃料タンクを提供することにある。

前記目的を達成するために請求項１に記載した発明は、高強度鋼板若しくはステンレス鋼板により形成された上部タンク部材と、高強度鋼板若しくはステンレス鋼板により形成された下部タンク部材とをフランジ部にて重ね合わせ、その重ねられたフランジ部をシーム溶接によって接合させた後、７００〜９００℃の温度範囲内にて焼鈍処理を施したことを特徴とする。

同様の目的を達成するために請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の車両用金属製燃料タンクにおいて、前記フランジ部の溶接部と当該溶接部の周辺部について、レーザ又は高周波による加熱手段によって加熱後に冷却することにより焼鈍処理を施したことを特徴とするものである。

同様の目的を達成するために請求項３に記載した発明は、請求項２に記載の車両用金属製燃料タンクにおいて、前記レーザによる加熱処理を上部タンク部材側と下部タンク部材側の両方向から行なって焼鈍処理を施したことを特徴とするものである。

（請求項１の発明）
この車両用金属製燃料タンクは、シーム溶接により硬化するフランジ部の溶接部と当該溶接部の周辺部の低温脆化を７００〜９００℃の温度範囲内にて焼鈍処理を施すことにより可及的に防止することができる。
因みに延性の向上には焼鈍しが有効であることは知られていることであるが、本発明者らの実験によれば、−３０〜−４０℃の燃料タンクに必要な低温下における延性を向上させるには７００℃以上であることが確認された。また、９００℃以上では加熱部近傍を含めてめっき金属の劣化を著しく招くこととなることから、適正な焼鈍処理の温度範囲としては、７００〜９００℃であった。

（請求項２の発明）
この車両用金属製燃料タンクは、レーザ又は高周波による加熱手段によってフランジ部の溶接部と当該溶接部の周辺部の焼鈍処理を迅速に安定して行うことができるので、めっき層のダメージを最小限の範囲に抑制し、燃料タンク内に内蔵された合成樹脂製の部品を傷めることがない。

（請求項３の発明）
この車両用金属製燃料タンクは、レーザによる加熱処理を上部タンク部材側と下部タンク部材側の両方向から行なっているので、良好な焼鈍効果が得られる。

以下に、本発明の最良の形態例を図面に基づいて説明する。図１は車両用金属製燃料タンクのタンク本体の説明図、図２はタンク本体のフランジ部における溶接部の説明図である。

本発明の車両用金属製燃料タンクのタンク本体１は、図１に示すように、高強度鋼板若しくはステンレス鋼板により所定形状に形成された上部タンク部材２と、高強度鋼板若しくはステンレス鋼板により所定形状に形成された下部タンク部材３とをフランジ部２ａ，３ａにて重ね合わせ、その重ねられた状態のフランジ部２ａ，３ａを公知のシーム溶接によって接合して一体化した構造とされている。さらに、そのフランジ部２ａ，３ａの溶接部５と当該溶接部の周辺部６については、レーザ又は高周波による加熱手段によって７００〜９００℃の温度範囲内にて加熱した後に、自然空冷、水冷等による冷却を行なう焼鈍処理を施される。
しかして、かかる焼鈍処理を施すことにより、シーム溶接により硬化した上記溶接部５と当該溶接部の周辺部６の低温脆化を可及的に防止することが可能となる。

なお、焼鈍処理における加熱温度を７００〜９００℃の温度範囲に限定した理由は、図４のグラフに示すように７００℃未満では引張強さが著しく低下し、９００℃以上では鋼板に施されているめっき部分が加熱により溶融し酸化・劣化を生ずるからである。

また、上部タンク部材２と下部タンク部材３とは、同種の素材を用いる。例えば、自動車に用いられるタンク本体の高強度鋼板としては、チタン（Ｔｉ）やニオブ（Ｎｂ）を製鋼段階で添加して加工・成形性を向上させたＩＦ（Interstitial Free：極低炭素）４４０メッキ鋼板が挙げられる。

また、上記焼鈍処理については、シーム溶接の直後でなくとも、数時間乃至数日経過後に行なってもよい。レーザによる焼鈍処理の場合には、加熱処理を上部タンク部材側と下部タンク部材側の両方向から行なうことが好ましい。

ここで、溶接部の焼鈍処理時におけるメカニズムについて簡単に述べる。
（溶接部による残留応力について）
溶接は二つの材料の接合部分を局部的に溶融・凝固させることで構造的に一体化するものである。溶接部は加熱によって膨張し、その後の冷却によって収縮を生ずる。この熱変化は局部的であり、膨張・収縮は周囲が拘束された状態で生じる。したがって、溶接部には複雑な応力変化が起こり、溶接終了後に残留応力が生ずる。
（残留応力と結晶格子の関係）
材料は、ミクロ的には周期的な元素からなっている。残留応力が生じている材料の結晶格子の面間隔は、残留応力の大きさに応じて変化する。つまり、溶接のような高い残留応力が生じているときには面間隔の変化が大きくなる。材料の強度（硬度）は、結晶格子の変形のし易さで決定され、変形しにくいほど強度が高くなる。ここで、変形は転移（結晶格子中の欠陥）の移動現象により生ずる。残留応力が高い状態では、結晶格子の面間隔が通常の状態（残留応力のない状態）と異なるために、転位の移動現象が生じにくくなる。その結果、溶接により硬度が上昇する。

（加熱の作用）
本発明の構成要件であるレーザ又は高周波により溶接部を加熱すると、結晶格子の面間隔が変化して元の状態に戻ろうとする。言い換えれば、上記面間隔が溶接前の元の状態に戻る方向に原子が移動する。

（加熱の効果）
上記加熱処理することにより面間隔が元に戻るので、転位の移動現象が生じやすくなる。その結果、材料の強度が低下すると共に延性が向上する。

（実施例）
ＩＦ４４０メッキ鋼板を用いてシーム溶接を施した試験片について、レーザによる部分焼鈍処理を施して引張試験、レーザ又は高周波による部分焼鈍処理を施して断面硬度等について測定・調査を行なった。
試験片
材料・・・ターンメッキＩＦ４４０鋼板、板厚１．２ｍｍ、幅２４ｍｍ
形状・・・図３に示すＴ字状形態（縦１２０ｍｍ×横２０ｍｍ）
シーム溶接条件
通電サイクル：５ｏｎ３ｏｆｆ、電流値１５ＫＡ、速度２ｍ／ｍｉｎ
加圧力８００Ｋｇ
レーザによる部分焼鈍条件
シーム溶接後、上部タンク部材側と下部タンク部材側の各々についてタンク内側端を狙ってレーザを照射した。
デフォーカス＋１００ｍｍ、スポット径
１４ｍｍ、速度０．７ｍ／ｍｉｎ
出力３Ｋｗ、シールドガス窒素２５リットル／ｍｉｎ
レーザ発振器
ＴＲＵＭＰ製ＨＬ４００６Ｄ（出力４ＫＷのＹＡＧレーザ）

（引張り試験及び破面観察）
試験に供した試験片の履歴と試験温度を表１に示し、引張り試験の結果を表２及び表３に、破面観察の結果を表２に示す。なお、表３は、特に、−４５℃における試験片の引張り強さに限定した結果を示す。
試験方法について
試験機：３Ｔｏｎインストロン万能試験機／引張速度２００ｍｍ／ｍｉｎ
温度設定：熱電対を取付けた供試材を変成アルコール＋ドライアイス中に浸漬し、−７７℃に冷却。大気に取り出して試験機にすばやくチャッキングした後、その状態での温度上昇時間を測定。試験はこの測定結果に基づき所定温度時間の前後５秒範囲で実施。

上記測定の結果、焼鈍処理を行なった供試材では、比較的低温域まで引張強さの低下抑制が見られる。表３によれば、焼鈍温度６００℃で−４５℃における引張強さの値については、７００℃の焼鈍温度における引張強さの３７％に著しく低下することが確認された。
なお、焼鈍処理を行なわない供試材では、−３０℃から引張強さの低下が顕著であった。

（断面硬度）
試験に供した試験片の履歴と焼鈍の種類を表４に示し、断面硬度の測定結果を表したグラフを図５に示す。

上記測定の結果、レーザ又は高周波による焼鈍を行なった供試材は、焼鈍を行なわない供試材と比べると全体的に硬度が低下して延性が向上するのが確認された。

以上に述べた通り、この車両用金属製燃料タンクは、シーム溶接により硬化したフランジ部の溶接部と当該溶接部の周辺部の低温脆化を焼鈍処理を施すことにより可及的に防止することができる利点を有する。

車両用金属製燃料タンクのタンク本体の説明図タンク本体のフランジ部における溶接部の説明図引張試験等に供した試験片の説明図焼鈍温度と−４５℃における引張強さとの関係を表したグラフ断面硬度の測定結果を表したグラフ

符号の説明

１・・・タンク本体
２・・・上部タンク部材
３・・・下部タンク部材
２ａ，３ａ・・・フランジ部
５・・・溶接部
６・・・周辺部

Claims

高強度鋼板若しくはステンレス鋼板により形成された上部タンク部材と、高強度鋼板若しくはステンレス鋼板により形成された下部タンク部材とをフランジ部にて重ね合わせ、その重ねられたフランジ部をシーム溶接によって接合させた後、７００〜９００℃の温度範囲内にて焼鈍処理を施したことを特徴とする車両用金属製燃料タンク。
前記フランジ部の溶接部と当該溶接部の周辺部について、レーザ又は高周波による加熱手段によって加熱後に冷却することにより焼鈍処理を施したことを特徴とする請求項１に記載の車両用金属製燃料タンク。
前記レーザによる加熱処理を上部タンク部材側と下部タンク部材側の両方向から行なって焼鈍処理を施したことを特徴とする請求項２に記載の車両用金属製燃料タンク。