JP2010099737A - 異形断面成形方法およびスポット溶接性に優れた四辺形断面成形品 - Google Patents

Abstract

【課題】スポット溶接性に優れた高寸法精度の異形断面成形品を得る方法を提供する。
【解決手段】引張強さ（ＴＳ）６９０ＭＰａ以上の管材10に、内圧を負荷しない状態もしくは液体により５０ＭＰａ以下の内圧を負荷した状態で、少なくとも１つの面が平坦部を有する異形断面金型１，1Aにて潰し加工を行い、引続き前記液体により５０ＭＰａ超の内圧を負荷して、管材を異形断面形状に成形するにあたり、成形後の周長増加率がＡ％以上１１．０％以下となるように成形する。Ａ＝4.167×10^−３×（ＴＳ−590）
【選択図】図１

Description

本発明は、異形断面成形方法およびスポット溶接性に優れた四辺形断面成形品に関し、詳しくは、管材を素材とし、これをハイドロフォーミング加工により異形断面形状に成形する異形断面成形方法、および該成形方法で管材を成形してなるスポット溶接性に優れた一又は二の平行２辺を有する四辺形断面成形品に関する。

従来、管材を素材として用い、これをハイドロフォーミング加工により、異形断面形状に成形する方法が知られている（例えば特許文献１の従来技術の[0003]〜[0005]および図１、図２参照）。これは、特許文献１の図１の(a)に示すように、断面が円形のパイプを所要平面形状たとえば特許文献１の図３の(b)に示すようなU字状に曲げ加工（本発明では、予成形と称す）し、その曲げ加工品のパイプ径よりも狭い幅の製品部分については、プレスあるいは専用機により特許文献１の図１の（ｂ）のように素材径よりも幅寸法が減縮した断面形状に潰し加工し、この潰し加工品を特許文献１の図１の（ｃ）のように上下型のキャビテイに装填し、特許文献１の図１の（ｄ）のように上下型の型締めを行った後、特許文献１の図１の(e)のように潰し加工品内に液体を注入して、例えば２２０００psi（151MPa）の内圧を負荷させることにより、型面に馴染むように塑性変形させ、特許文献１の図１の(f)のような断面形状に成形する第１のタイプの方法が開示されている。また、特許文献１の図２の(a)に示すように、断面が円形のパイプを所要平面形状たとえば特許文献１の図３の(b)に示すようなU字状に曲げ加工し、その曲げ加工品をやはりプレスあるいは専用機により特許文献１の図２の（ｂ）に示すように幅寸法が減縮した断面形状に潰し加工し、この潰し加工品を特許文献１の図２の（ｃ）のように上下型のキャビテイに装着し、特許文献１の図２の（ｄ）のように型締め前に潰し加工品内に例えば１０００psi（７MPa）程度の低圧を負荷させて予備加圧成形し、ついで、特許文献１の図２の(e)のように型締めを行い、予備加圧成形品を特許文献１の図２の（ｆ）のような断面形状になるように６０００〜７０００psi（４２−４９MPa）の高い内圧にして、型面に馴染むように塑性変形させる第２のタイプが開示されている。

特開２０００−２４６３６１号公報

しかし、上記従来の成形方法では、第１のタイプでは10%以上の大きな周長増加率を採用することが一般的であり、延性の低い管材、例えば高強度の鋼管では高内圧負荷時に破断が発生する傾向が増加し、第２のタイプでは、潰し加工を行うことにより異形断面成形品の平坦であるべき部位（例えば四辺形断面の辺になる部位）にかなりの凹みを生じる部分があり、スポット溶接、特に片側スポット溶接が非常に困難となる。また、コーナーＲ部（例えば四辺形断面のコーナーになる部位）の曲率半径Ｒが、金型の対応隅部のそれよりかなり大きくなり、シャープな断面形状を得難く、製品の形状精度が不十分である。

つまり、従来のハイドロフォーミング加工による異形断面成形技術では、スポット溶接性に優れた高寸法精度の異形断面成形品を得るのが困難であるという課題があった。
ここで、異形断面とは円形以外の断面をいう。

発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討し、その結果、スポット溶接を容易ならしめる高寸法精度の異形断面成形品をハイドロフォーミング加工により実現する手段に想到し、本発明をなした。すなわち本発明は以下のとおりである。
（１） 引張強さ６９０ＭＰａ以上の管材に、内圧を負荷しない状態もしくは液体により５０ＭＰａ以下の内圧を負荷した状態で、少なくとも１つの面が平坦部を有する異形断面金型にて潰し加工を行い、引続き前記液体により５０ＭＰａ超の内圧を負荷して、前記管材を異形断面形状に成形するにあたり、成形後の周長増加率が下記Ａ％以上１１．０％以下となるように成形することを特徴とする異形断面成形方法。

記
Ａ＝4.167×10^−３×（ＴＳ−590）
Ａ：周長増加率の下限（％）、ＴＳ：管材の引張強さ（ＭＰａ）
（２） 前記潰し加工後の内圧負荷と併せて、管端に管軸方向の圧縮力を負荷して管端を管軸方向中央側に押し込むことを特徴とする上記（１）に記載の異形断面成形方法。
（３） 上記（１）または（２）において、前記管材として引張強さ７８０ＭＰａ以上の鋼管を用い、成形後の周長増加率が下記Ａ％以上１０．０％以下となるように成形することを特徴とする異形断面成形方法。

記
Ａ＝4.167×10^−３×（ＴＳ−590）
Ａ：周長増加率の下限（％）、ＴＳ：管材の引張強さ（ＭＰａ）
（４） 上記（１）〜（３）のいずれかにおいて、前記管材として肉厚/外径比ｔ/Ｄが０．０５以下である鋼管を用いることを特徴とする異形断面成形方法。
（５） 管材を上記（１）〜（４）のいずれかに記載の異形断面成形方法で成形してなる一又は二の平行２辺を有する四辺形断面成形品であって、平坦部凹み量が０．５ｍｍ以下であり、さらにコーナーＲが１０ｍｍ以下であることを特徴とするスポット溶接性に優れた一又は二の平行２辺を有する四辺形断面成形品。

本発明によれば、上下成形金型を用いた潰し加工後、引続き管材に液体により５０ＭＰａ超の内圧を負荷し、成形後の周長増加率が適正範囲に収まるように成形することにより、管材を平坦部凹み量が小さくかつ輪郭がシャープな（曲率半径が小さい）コーナーＲを有する異形断面形状に成形することができる。得られた異形断面成形品は、平坦部凹み量が小さいことから、金属板との片側スポット溶接性に優れる。また、除荷後のスプリングバック変形が抑制され、高寸法精度の異形断面成形品となる。

本発明方法の概要を示す説明図である。 一又は二の平行２辺を有する四辺形断面成形品の平坦部凹み量およびコーナーＲの定義を示す説明図である。 片側スポット溶接が不具合になる状態を示す説明図である。 周長増加率の下限と引張強さの関係を示すグラフである。 スポット溶接実験の実験方法を示す説明図である。

図１は、本発明方法の概要を示す説明図である。管材10には引張強さ（略してＴＳ）が６９０ＭＰａ以上の金属管例えば鋼管を用いる。まず、図１（ａ）のように管材10を、少なくとも１つの面が平坦部を有する金型、例えば上下一対の面が平坦部を有する金型１，1Aに装入する。金型１，1Aの型断面形状は管材10とは異形の断面形状である。管材10は予成形されたものとされていないものとのいずれであってもよい。なお、本発明で言う予成形とは、前述したように、管材を特許文献１の図３の(b)に示すように長手方向にＵ字状に曲げ加工する場合やＳ字形状、９０°曲げ加工したり、管材の長手方向の一部を潰し加工したり、局部的に拡管加工あるいは、縮径加工することを言う。

そして、管材への内圧負荷なしの状態、あるいは液体による低内圧（５０ＭＰａ以下）負荷ありの状態で、管材を上下金型１，1Aで潰し加工する。
なお、本発明方法では、管材への内圧負荷なしの方法の場合、パイプ内に液体が入っていない場合とパイプ内に液体が入っていても液体による内圧が発生しない場合の２つの場合を含む。一般には、ハイドロフォーミングのサイクルタイムを短縮するため、潰し加工を行ないながら、液体の注入による準備（液体を満たしつつ気泡を抜く）を行う。

すると、図１（ｂ）に示すように、金型の平坦部に対面する管壁部分には凹み（平坦部凹みという）が形成され、金型のコーナー部に対面する管壁部分には緩やかなコーナーＲが形成される。そこで、型締めしたまま引続き管材に前記液体により５０ＭＰａ超の内圧を負荷し、成形後の周長増加率が下記Ａ％以上１１．０％以下となるように成形する（図１（ｃ））。なお、周長増加率は次式で与えられる。

周長増加率＝（成形品の外周長／成形前の管材の外周長−１）×１００（％）
記
Ａ＝4.167×10^−３×（ＴＳ−590）…(1)
Ａ：周長増加率の下限（％）、ＴＳ：管材の引張強さ（ＭＰａ）
これにより、図１（ｃ）に示すように、平坦部凹みは低減し、コーナーＲ部は材料（管材の材料）が張り出し、シャープなＲ形状となる。また、残留応力が低減し、除荷後のスプリングバックによる形状変化が小さくなる。なお、(1)式において、右辺の係数を4.167×10^−３に代えて、4.8×10^−３とすると、成形品の形状がさらに良好となるので好ましい。

また、潰し加工後の内圧負荷時には、材料が張り出すことにより、コーナーＲ部近傍の肉厚減少が過大となる場合が考えられる。そのような場合には、潰し加工後の内圧負荷に併せて、管端に管軸方向の圧縮力を負荷して管端を管軸方向中央側に押し込むこと（これを「軸押し」という）により、肉厚減少を軽減させることが可能である。なお、「軸押し」の好ましい条件は、軸押し用のプレス機のシリンダーストロークを調整することで、押し込み量(ストローク)をハイドロフィーム加工後の最終製品の成形部長さLと素管外径の比L/Dにおいて、L/D≧10程度ならば軸押し込み量は最終製品の成形部長さＬの０〜２％程度、Ｌ／Ｄ＝７超え〜10未満では、Ｌの０〜３．５％程度、L/D≦７ならばＬの０〜５％程度にするのが好ましい。なお、内圧が負荷されていれば、軸押し用のプレス機に反力がかかり、押し戻される傾向があるため、０％の押し込み量でも軸押し力が存在する。

また、管材に用いる鋼管の肉厚/外径比ｔ/Ｄが０．０５を超えると、ｔ/Ｄの増加につれて平坦部凹み量が増加する傾向があるため、管材にはｔ/Ｄが０．０５以下の鋼管を用いることが好ましい。
上述の本発明方法により、スポット溶接性に優れた、高寸法精度の異形断面成形品が得られる。この成形品（製品）が、優れた片側スポット溶接性を有するには、製品の平坦部凹み量（図２に定義を示す。具体的な測定方法として、レーザー距離計を用いて、異形断面成形品の平坦部の凹み量を測定し、その最大凹み量を平坦部凹み量とした。）が０．５ｍｍ以下である必要がある。製品の平坦部凹み量が０．５ｍｍを超えると、例えば図３に示すように、スポット溶接用電極３で鋼板12を製品11に押し付けた際に、電極３の直下の範囲内の鋼板12と製品11との間に比較的大きな隙間δが生じやすくなり、安定した通電状態が得られず、スポット溶接に不具合が生じやすいからである。

また、一又は二の平行２辺を有する四辺形断面成形品について、高寸法精度を有するには、シャープなＲ形状が必要であり、その目安として本発明では、製品のコーナーＲ（図２に定義を示す。具体的な測定方法は、異形断面成形品を長手方向に垂直な面で切断し、全てのコーナーの断面写真を画像に取り込み、種々の大きさの曲率半径の円を各コーナーに重ね合わせることで、全てのコーナーの曲率半径Ｒを求め、その最大Ｒをコーナーの曲率半径Ｒとした。）が１０ｍｍ以下であることとした。

ここで、本発明において成形後の周長増加率がＡ％以上１１．０％以下となるように成形することと規定した理由を述べる。種々のＴＳを有する管材を金型にて潰し加工後、液体で内圧を負荷して一又は二の平行２辺を有する四辺形断面形状に成形する場合に、成形品の平坦部凹み量が０．５ｍｍ以下となり、かつコーナーＲが１０ｍｍ以下となるための成形条件を検討した。その結果、平坦部凹み量は周長増加率の増加につれて減少し、平坦部凹み量が０．５ｍｍになるときの周長増加率が下限となることがわかった。この下限と管材のＴＳとの関係は図４のようになり、同図より、ＴＳが６９０ＭＰａ以上において、周長増加率の下限Ａは前記式(1)で表される。

一方、コーナーＲは、周長増加率の増加につれて増加し、コーナーＲが１０ｍｍになるときの周長増加率が上限となることがわかった。この上限と管材のＴＳとの関係（図示省略）を求めた結果によると、ＴＳが６９０ＭＰａ以上では周長増加率は１１．０％以下とするのがよい。また、ＴＳが７８０ＭＰａ以上では周長増加率は１０．０％以下とするのがよい。

したがって、管材のＴＳが６９０ＭＰａ以上の場合は、成形後の周長増加率がＡ〜１１．０％となるように成形するのがよい。また、管材のＴＳが７８０ＭＰａ以上の場合は、成形後の周長増加率がＡ〜１０．０％となるように成形するのがよい。
周長増加率を所定の範囲（Ａ％以上Ｂ％以下）に収めるには、型締め時の金型断面の内周長Ｌ_Ｋと成形前の管材の外周長Ｌ_Ｐとが、次式の関係を満足するような、金型と管材の組み合わせを用いて成形を行うとよい。

Ａ≦（Ｌ_Ｋ／Ｌ_Ｐ−１）×１００≦Ｂ …(2)
また、潰し加工後の成形に用いる内圧は、材料強度に応じた内圧と周長増加率の対応関係を求めておき、この対応関係において目標の周長増加率に対応する内圧に設定するとよい。
なお、本発明の成形方法が適用可能な管材は、ＴＳが６９０ＭＰａ以上の熱延鋼板や冷延鋼板から製造された電縫鋼管であり、焼入れ、焼戻し等の熱処理された熱延鋼板や冷延鋼板から製造された電縫鋼管も含む。また、上記の熱延鋼板および冷延鋼板の鋼種は、普通鋼、低合金鋼、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼あるいは、マルテンサイト系ステンレス鋼であっても良い。これらに限るものではない。

図１に示した矩形断面形状の金型１、1Aを用い、表１に示すＴＳ、サイズを有する管材を下記の工程で異形断面形状に成形した。なお、用いられた管材は、全て電縫鋼管で、No.１〜３３の電縫鋼管の素材の鋼板の組成と、鋼板の製造方法を表２に示す。なお、実施例に用いた鋼管の長さは、３００ｍｍであった。
［工程］ 金型に装入→内圧無しの状態または液体により５０ＭＰａ以下の内圧（No.８と９は、それぞれ１０MPa、１３MPa）を負荷した状態で型締めによる潰し加工→表１に示す種々の周長増加率となるように液体により５０ＭＰａ超の内圧を負荷（一部の管材には軸押しを併用（No.10と11は、それぞれ、押し込み量４%、５%））した。

得られた成形品（製品）の平坦部凹み量およびコーナーの曲率半径Ｒ（図２参照）を測定し（平坦部凹み量の測定は、異形断面成形品を長手方向の中央部で、各々４つの平坦部について、長手方向に垂直な方向にレーザー距離計を用いて、各々４つの平坦部の凹み量を測定し、その最大凹み量を平坦部凹み量とした。また、コーナーの曲率半径Ｒの測定は、異形断面成形品を長手方向の中央部で、長手方向に垂直な面で切断し、各々４つのコーナーの断面写真を画像に取り込み、種々の大きさの半径の円を各コーナーに重ね合わせることで、４つのコーナーの曲率半径Ｒを求め、その最大Ｒをコーナーの曲率半径Ｒとした。）、また、以下の方法でスポット溶接性を試験した。
［スポット溶接性の試験方法］
図５に示すように、製品11の上平坦部に鋼板12を置き、その上から電極３を一定の加圧力（50〜200kgf）で押し当てて、各３個ずつ片側スポット溶接を行う（溶接条件：通電時間10〜20サイクル(50Hz)、溶接電流5〜10kA）。スポット溶接性の良否判定は、ナゲット形成の有無および引張せん断試験（JIS Z 3136）における引張せん断荷重で行い、次の○、×の２段階評価とする。継手の引張せん断荷重の基準値TSSは下式に基づき、基準値を満足する継手を十分（合格）と判定する。

TSS（N）=1.85×ｔ×TS×(1+0.0059EL)×(ND+2.09)
ただし、ｔは鋼板12の板厚 (mm)
TSは鋼板12の引張強さ (MPa)
ELは鋼板12の伸び (%)
NDは製品11と鋼板12の間のナゲット径 (mm)
鋼板12は、板厚が1.0mm以下の440MPa級以下の鋼板である。
○：スポット溶接部13にナゲット形成有（ナゲット形成の有無は断面写真から判定）、引張せん断荷重は十分（合格）
×：スポット溶接部13にナゲット形成無、もしくは、引張せん断荷重が不十分
上記測定および試験の結果を表１に示す。表１より、本発明例では、ＴＳ６９０ＭＰａ以上の管材からスポット溶接性に優れた高寸法精度の異形断面成形品が得られたことがわかる。なお、本発明例において、ｔ/Ｄ≦０．０５のものは、ｔ/Ｄ＞０．０５のものに比べ、平坦部凹み量が小さくなっている。

１ 金型（上金型）
1A 金型（下金型）
３ 電極
10 管材
11 製品（異形断面成形品、一又は二の平行２辺を有する四辺形断面成形品）
12 鋼板
13 スポット溶接部

Claims (5)

1. 引張強さ６９０ＭＰａ以上の管材に、内圧を負荷しない状態もしくは液体により５０ＭＰａ以下の内圧を負荷した状態で、少なくとも１つの面が平坦部を有する異形断面金型にて潰し加工を行い、引続き前記液体により５０ＭＰａ超の内圧を負荷して、前記管材を異形断面形状に成形するにあたり、成形後の周長増加率が下記Ａ％以上１１．０％以下となるように成形することを特徴とする異形断面成形方法。
   記
   Ａ＝4.167×10^−３×（ＴＳ−590）
   Ａ：周長増加率の下限（％）、ＴＳ：管材の引張強さ（ＭＰａ）
2. 前記潰し加工後の内圧負荷と併せて、管端に管軸方向の圧縮力を負荷して管端を管軸方向中央側に押し込むことを特徴とする請求項１に記載の異形断面成形方法。
3. 請求項１または２において、前記管材として引張強さ７８０ＭＰａ以上の鋼管を用い、成形後の周長増加率が下記Ａ％以上１０．０％以下となるように成形することを特徴とする異形断面成形方法。
   記
   Ａ＝4.167×10^−３×（ＴＳ−590）
   Ａ：周長増加率の下限（％）、ＴＳ：管材の引張強さ（ＭＰａ）
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、前記管材として肉厚/外径比ｔ/Ｄが０．０５以下である鋼管を用いることを特徴とする異形断面成形方法。
5. 管材を請求項１〜４のいずれか１項に記載の異形断面成形方法で成形してなる一又は二の平行２辺を有する四辺形断面成形品であって、平坦部凹み量が０．５ｍｍ以下であり、さらにコーナーＲが１０ｍｍ以下であることを特徴とするスポット溶接性に優れた一又は二の平行２辺を有する四辺形断面成形品。

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